Volv olvee r a Catá Catáll ogo Ed Edi t ori orial al Li c. Niurka Ni urka Casanov Casanovas as Herre Herrero ro Edición: Lic. Herr era era Garc a Diseño de cubierta: F rank Herr Arsenio Fo F ournier urni er Cuza Dise Diseño in teri terior: or: Arsenio M orejón River Riv ero o Diagramación:Y ohanka Morejón
© Colectivo Colectivo de autor autorees, 2008 © Sobre obre la pre presente edición: dici ón: Editorial Editorial Félix Féli x Varel Varela, a, 2008
ISBN 978-959-07-0986-9
Editorial Editorial Félix Féli x Vare Varela Calle A No. 703, e/ Zapat Zapat a y 29, Vedado, La Habana, Cuba.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN / IX CAPÍTULO 1 SENSORES Y ACTUADORES / 1 1.1. Sensores / 2 1.1.1. Especificaciones / 3 1.1.2. Clasificación / 4 1.1.3. Sensores comunes para temperatura / 4 1.1.3.1. Termopares / 4 1.1.3.2. Termorresistencias / 7 1.1.3.3. Termistores / 11 1.1.3.4. Otros sensores de temperatura / 12 1.1.4. Sensores de presión / 13 1.1.4.1. Tubos de Bourdon / 13 1.1.4.2. Fuelles y membranas / 14 1.1.4.3. Sensores de presión a semiconductores / 16 1.1.5. Sensores de caudal / 16 1.1.5.1. Sensores basados en presión diferencial / 16 1.1.5.2. Turbinas / 17 1.1.5.3. Medidores electromagnéticos de caudal / 19 1.1.5.4. Medidor ultrasónico de caudal / 20 1.1.6. Sensores de nivel / 22 1.1.6.1. Sensores de nivel discretos / 23 1.1.6.2. Sensores de nivel continuos / 23 1.1.7. Desplazamiento angular / 24 1.1.7.1. Potenciómetros / 24 1.1.7.2. Encoders / 25 1.1.8. Sensores de velocidad angular / 27 1.1.8.1. Velocidad angular a partir de encoders / 27 1.1.8.2. Tacómetros / 27 1.1.9. Posición lineal / 28
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1.1.9.1. Potenciómetro lineal / 28 1.1.9.2. Transformador diferencial variable lineal (LVDT) / 29 1.1.10. Sensores de carga / 31 1.1.10.1. Galgas de esfuerzo ( strain gauge ) / 31 1.1.10.2. Sensores de carga a semiconductores / 33 1.1.11. Sensores de proximidad / 33 1.1.11.1. Sensores ópticos / 34 1.1.12. Sensores inteligentes / 37 1.1.13. Criterios de selección de un sensor / 38 1.2. Acondicionamiento de señales / 38 1.3. Actuadores / 41 1.3.1. Clasificación / 41 1.3.2. Solenoides / 42 1.3.3. Cilindros hidráulicos y neumáticos / 43 1.3.4. Motores eléctricos / 45 1.3.4.1. Motores de corriente alterna / 45 1.3.4.2. Motores de corriente directa / 47 1.3.4.3. Motores de paso / 48
CAPÍTULO 2 SISTEMAS DE CONTROL / 51 2.1. Definiciones básicas / 52 2.2. Objetivos del control automático de procesos / 53 2.3. Reguladores y servomecanismos / 53 2.4. Sistema de control en lazo abierto y en lazo cerrado / 54 2.5. Diagrama de bloques y función transferencia / 57 2.6. Estrategias de control / 59 2.7. Clasificación general de los sistemas de control /61 2.8. Acciones básicas de control / 62 2.8.1. Acción de dos posiciones / 62 2.8.2. Acción proporcional (P) / 64 2.8.3. Acción integral (I) / 66 2.8.4. Acción proporcional-integral (PI) / 67 2.8.5. Acción proporcional-derivativo (PD) / 68 2.8.6. Acción proporcional-integral-derivativo (PID) / 69 2.9. Criterios de comportamiento / 70 2.10. Reglas de sintonización para controladores PID / 71 2.11. Simulación de sistemas de control / 74 CAPÍTULO 3 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC) / 79 3.1. Pequeña reseña histórica / 79 3.2. Introducción a los PLC / 81 3.2.1. Definición de autómata programable / 82 3.2.2. Campos de aplicación / 82
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3.2.3. Ventajas e inconvenientes de los PLC’s / 83 3.3. Estructura. Conceptos generales / 83 3.3.1. Estructura externa / 84 3.3.2. Estructura interna / 85 3.3.2.1. Memoria / 86 3.3.2.2. CPU / 87 3.3.3. Unidades de E/S (entrada y salida de datos) / 88 3.3.4. Interfases / 88 3.3.4.1. Equipos o unidades de programación / 89 3.3.4.2. Dispositivos periféricos / 89 3.3.5. Ciclo de trabajo de un autómata / 90 3.4. Estructura interna del PLC / 91 3.4.1. Entradas y salidas / 91 3.4.2. Marcas de memoria / 91 3.4.3. Registros y acumuladores / 92 3.4.4. Temporizadores y contadores / 92 3.4.5. Constantes / 92 3.4.6. Estructura del programa / 93 3.4.7. Tipos de módulos / 94 3.5. Lenguajes de programación / 94 3.5.1. Lenguaje a contactos: LD o KOP / 95 3.5.2. Lenguaje por lista de instrucciones: IL o AWL / 95 3.5.3. GRAFCET / 96 3.5.4. Plano de funciones: FBD / 97 3.6. Estándar IEC 1131-3 / 97 3.6.1. Gráfico secuencial de funciones (GRAFCET) / 98 3.6.2. Lista de instrucciones / 98 3.6.3. Texto estructurado / 98 3.6.4. Diagrama de contactos / 99 3.6.5. Diagrama de funciones / 99 3.6.6. Organización de tareas / 99 3.6.7. Bloques de funciones / 99 3.7. Sistemas lógicos. Álgebra de Boole / 100 3.7.1. Funciones generales / 100 3.7.2. Funciones especiales / 100 3.8. Ejemplos de aplicación / 102 3.8.1. Control de los movimientos de subida y bajada de un ascensor / 102 3.8.1.1. Movimientos / 103 3.8.1.2. Circuito lógico / 104 3.8.2. Taladro semiautomático / 104 3.8.2.1. Circuito lógico / 105 3.9. Elementos del GRAFCET / 106 3.9.1. Etapas iniciales / 106 3.9.2. Etapas normales / 107 3.9.3. Accionesasociadas / 107
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3.9.4. Acciones asociadas condicionadas / 108 3.9.4.1. Acción condicionada / 109 3.9.4.2. Acción retardada / 109 3.9.4.3. Acción limitada / 109 3.9.4.4. Acción de impulso / 109 3.9.4.5. Acción memorizada / 109 3.9.5. Transiciones / 110 3.9.6. Receptividades asociadas a las transiciones / 110 3.9.7. L neas de enlace / 111 3.10. Diseño y estructuras del GRAFCET / 111 3.10.1. Desarrollo del sistema / 112 3.10.2. Evolución del sistema / 113 3.10.3. Secuencia única / 114 3.10.4. Bifurcación en O. Selección de secuencia / 114 3.10.5. Bifurcación en Y. Trabajos en paralelo / 115 3.10.6. Saltos de etapas / 116 3.10.7. Bucles / 117 3.10.8. Subrutinas / 118 3.10.9. Macro-etapas / 119 3.10.10. Diagramas paralelos / 119
CAPÍTULO 4 SISTEMAS DIGITALES / 121 4.1. Sistemas digitales en la automatización industrial. Pirámide de control / 121 4.1.1. La computadora como herramienta / 122 4.1.2. La computadora como controlador / 123 4.1.2.1. Contexto histórico de la PC control de procesos / 123 4.1.2.2. Funciones de la computadora en el control de procesos / 123 4.1.2.3. Computadora en control digital directo (DDC) / 123 4.1.2.4. Computadora de vigilancia / 124 4.1.2.5. Computadora de supervisión / 125 4.1.3. Sistemas de control distribuido / 125 4.2. Sistemas de tiempo real / 127 4.3. Sistemas SCADA / 129 4.3.1. Caracter sticas de un sistema SCADA / 130 4.3.2. Prestaciones / 132 4.3.3. Requisitos / 132 4.3.4. Componentes de hardware / 133 4.3.4.1. Funcionalidad del hardware de un RTU / 135 4.3.4.2. Funcionalidad del software de un RTU / 136 4.4. Software SCADA y principales productos comerciales / 138 4.5. Estructura y componentes de un software SCADA / 140
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4.6. Interfases de comunicación / 144 4.6.1. Tecnolog as de integración microsoft ( driverse spec ficos) / 146 4.6.1.1. COM/DCOM / 146 4.6.1.2. Visual Basic for Applications (VBA) / 146 4.6.1.3. Interfaz OPC / 146 4.6.1.4. ActiveX / 147 4.6.1.5. Conectividad remota WebServer (conexión a través de Internet) / 148 4.7. Evolución del software SCADA / 149 4.7.1. Tendencias / 151 4.8. Algunas aplicaciones de los SCADA`s en la industria y los servicios / 151 BIBLIOGRAFÍA / 155 GUÍA GENERAL PARA EL ESTUDIO / 156 Introducción / 156 Objetivo general / 157 Objetivos espec ficos / 157 Sistema de contenido por temas / 157 Tema 1. Sensores y actuadores / 157 Tema 2. Sistemas de control / 158 Tema 3. Controladores lógicos programables (PLC) / 158 Tema 4. Sistemas digitales / 158 Sistema de evaluación / 158 Bibliograf a básica / 159 Bibliograf a complementaria / 159 INDICACIONES PARA EL ESTUDIO POR TEMAS / 160 Tema 1. Sensores y actuadores / 160 Tema 2. Sistemas de control / 162 Tema 3. Controladores lógicos programables (PLC) / 163 Tema 4. Sistemas digitales / 163 Evaluación final de la asignatura / 164
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INTRODUCCIÓN
La competencia empresarial obliga a fabricar de forma más eficiente y flexible y a reducir los tiempos de puesta en el mercado de nuevos productos. Esto hace, por un lado, que actualmente se ponga gran interés en la calidad y nuevas tecnolog as y en el desarrollo rápido de nuevos productos para tener ventajas competitivas, a la vez que se requiere reducir costos, en particular energéticos, y aumentar la eficacia y flexibilidad de los sistemas de producción. Por otro lado, las exigencias medioambientales suponen también una presión en la dirección de mejora tecnológica, mientras que la perspectiva de un desarrollo sostenible apunta al ahorro energético. Todo esto lleva a que los sistemas de instrumentación y control automático se conviertan en los pilares que marcan la evolución industrial permitiendo aumentar producciones, mejorar la calidad, reducir costos y personal, cumplir con los requisitos medioambientales, etcétera, y no cabe duda de que constituyen un requisito básico para efectuar todas las mejoras necesarias en las empresas industriales o de servicios. En este libro se tratan los elementos básicos de los sistemas de instrumentación y control, con el objetivo de proveer fundamentalmente a los especialis tas en el campo de la gestión energética, de las herramientas necesarias para la comprensión de estos sistemas, de manera que puedan utilizar la información que ellos brindan y explotarlos en función del ahorro energético. En todo el texto se tratan aspectos generales necesarios para comprender los sistemas de instrumentación y control actuales. No se enfoca el estudio al diseño o selección de componentes en estos sistemas, ya que esto es interés de especialistas e ingenieros en control automático. Asimismo, en la inmensa mayor a de los IX
cas os, de lo que se trata es de comprender el funcionamiento de sistemas ya construidos o prepararse para enfrentar remodelaciones o in versiones importantes en la empresa y que incluyen la esfer a de la automatización. Actualmente en la industria de procesos y en muchas instalaciones de servicios se tiene ya un alto grado de lo que podemos llamar automatización básica: salas de control con sistemas de control distribuido (DCS), PLC´s para sis temas de seguridad o secuenciamie nto, etcétera. Incluso muchas industrias tienen elementos de lo que se conoce como control avanzado. Del mismo modo se extienden y afianzan los buses de campo a la vez que los sistemas basados en ordenador y la normalización de las comunicaciones permiten disponer de cantidades ingentes de datos de proceso y de potencia de cálculo a precios asequibles. Como se comprenderá, tampoco es posible en este texto abordar los problemas complejos para los cuales el control tiene una metodolog a y un enfoque sistémico, muchos de los cuales no son ni siquiera “clásicos” y pertenecen a lo que podemos llamar niveles superiores de la jerarqu a. Por todo esto, la agrupación y el orden en el estudio de los diferentes temas escogidos, obedecen a necesidades metodológicas para la Maestr a en Eficiencia Energética que tiene como núcleo los principios y resultados logrados con la Tecnolog a de Gestión Total Eficiente de la Energ a, que fue desarrollada por el Centro de Estudios de Energ a y Medio A mbiente de la Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodr guez de nuestro pa s. Por constituir los sensores los elementos primarios en todos estos sistemas, as como los actuadores los elementos de potencia para los dispositivos de acción final, se estudian en el primer tema los principios de funcionamiento y los diferentes tipos existentes. En este tema también se tratan elementos del acondicionamiento de señales necesario para la implementación de un sistema completo. Los sistemas de control, con énfasis en las acciones básicas de control, se estudian en el segundo tema, en el cual se abordan los elementos básicos para la representación de un sistema de control en diagrama de bloques y función transferencia y se plantean los pasos para la sinton a de un controlador PID. El empleo de los controladores lógicos programables (PLC) también es un tema tratado en el texto por su importancia y proliferación. Por último, se tra ta de dar una visión más amplia de la automatización al estudiar los sistemas de control digitales, sistemas SCADA ( Supervisory X
Control and Data Adquisition ) y sus aplicaciones, as como el papel de
la computadora en los sistemas de control. Por supuesto que con estos temas, el control estará presente con más fuerza en la formación de los titulados relacionados con el ahorro energético y dentr o de los cuales se encuentran: ingenieros qu micos, mecánicos, electricistas, industriales, informáticos, etcétera, con el ob jetivo de formar personal competente, no de especial ización, sino con una visión de la realidad desde la óptica de integración de diversas ramas para dar una respuesta seria al problema del ahorro y gestión energética de sus empresas.
XI
CAPÍ TU LO 1
SENSORES Y ACTUADORES
Los grandes requerimientos, tanto cualitativos como cuantitativos, impuestos en el campo industrial y de los servicios, hacen imposible que los actuales y complejos procesos se estructuren sobre las posibilidades limitadas del trabajo humano. El propio desarrollo de la humanidad ha llevado a que sea necesario manejar un volumen de información inmenso. Por ejemplo, en todos los sistemas de control es necesari o medir las va riables que s e van a controlar, utilizar esta información para diagnosticar la mejor forma de operar el proceso o la planta y disponer de medios que permitan modificar el proceso para que se comporte de la manera deseada. La secuencia medi r-decidir-actuar es válida tanto para manejar una sola variable como para una planta completa, donde medir una propiedad en el producto terminado puede conllevar acci ones sobre determinadas operaciones en la l nea del proceso. Ahora bien, no solo es necesario realizar mediciones con el propósito de controlar, también es habitual medir otras variables de manera que se tenga una información completa de lo que está sucediendo y transmi tir esta información con el objetivo de representarla o almacenarla para ser utilizada posteriormente. En todos los casos, los instrumentos empleados para la detección y medición de ma gnitudes f sicas son los s ensores. Estos s e basa n en fenómenos f sicos par a obtener señales que pueden ser medidas, t picamente voltajes o corr ientes. Entr e los fenómenos f sicos empleados para construir sensores se encuentran: la temperatura, la posi ción angular o lineal, el sonido, la intensidad luminosa, etcétera. Muchos sensores basados en propiedades eléctricas de los materia les y 1
dispositivos producen señales que requieren ser acondicionadas de manera que puedan ser utilizadas por el resto de los instrumentos. A menudo se emplean en calidad de acondicionadores de señal amplificadores que elevan las corrientes y voltajes a voltajes mayores. El dispositivo opuesto a los sensores se conoce como actuador, que son los instrumentos de manipulación que convierten una señal en una acción, casi siempre mecánica (motores, válvulas, solenoides, pistones, etc.). E n este cap tulo se estudian los sensores y actuadores como elementos básicos dentro de los proyectos de instrumentación y control.
1.1. SENSORES Se llama sensor al instrumento que produce una señal, usualmente eléctrica, que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlación definida (su ganancia ). En términos estric tos, estos instrumentos no alteran la propiedad medida. Por ejemplo, un sensor de temperatura ser a un instrumento tal que no agrega ni cede calor a la masa que mide, es decir, en concreto, ser a un instrumento de masa cero o que no contacta la masa a la que se debe medir la temperatura (un termómetro de radiación infrarroja, p.e.). Existe, además, el concepto de transductor: un instrumento que convierte una forma de energ a en otra (o una propiedad en otra). Las diferencias entre sensores y transductores son muy ligeras, un sensor realiza funciones de transductor y un transductor tiene necesariamente que medir alguna cantidad f sica. La diferencia fundamental radica en la eficiencia de la conversión energética que es más trascendental en los transductores propiamente dichos. Por ejemplo, un generador eléctrico en una ca da de agua es un conocido transductor de energ a cinética de un fluido en energ a eléctrica; sobre esta base se podr a pensar, por ejemplo, en un transductor de flujo a señal eléctrica consistente de un pequeño generador de paletas movido por el caudal a medir. Debido a que los transductores siempre retiran algo de energ a desde la propiedad medida, al usarlo para obtener la cuantificación de una propiedad en un proceso, se debe verificar que la pérdida no impacte al proceso medido en alguna magnitud importante. En el terreno de la instrumentación y control se habla de sensores, para englobar tanto transductores como sensores, dándose por sentado que cuando se utilizan transductores, la potencia que se absorberá será m nima. Es decir, es responsabilidad del diseñador asegurar que la medición de una propiedad no altere el proceso. 2
1.1.1. Especificaciones Todos los instrumentos deben ser especificados de m anera que garanticen la operación del proceso y que permitan la estimación de sus costos. Estas especificaciones se pueden aplicar tanto a sensores como a actuadores, sin que todas y cada una de las definiciones que siguen a continuación sean aplicables a todo sensor o actuador. Sin embargo, las definiciones conforman parte de los términos empleados en los sistemas de medición. Precisión. Es la máxima diferencia entre el valor indicado y el valor real de la magnitud. Se representa por la desviación, expresada en porcentaje del va lor máximo. Por ejemplo, cuando un sensor mide una fuerza de 50 N con una precisión de ±1 %, entonces la fuerza puede tener un valor desde 49,5 a 50,5 N . Linealidad. Significa que la función que relaciona la variable de salida con la de entrada es una función lineal. En muchos sensores esto es un aspecto deseable. Cuando la relación es no lineal, la conversión de la salida del sensor a una cantidad calculada se hace más compleja. Repetibilidad. Especifica la habilidad del instrumento para entregar la misma lectura en aplicaciones repetidas del mismo valor de la variable medida. As , por ejemplo, si a una misma pres ión de 25 kg/cm2, un manómetro de precisión de 1 kg/cm2, entrega las lecturas de 25,5; 26; 24,3 y 24 kg/cm2 su operación es repetible; una lectura de 27 kg/cm 2 indicar a un problema de repetibilidad del instrumento (a menos que conste que fuese un problema de histéresis). Histéresis. Diferencia entr e los valores indicados por el sistema para un mismo valor de magnitud medida, cuando se ha alcanzado este valor por valores crecientes o por valores decrecientes. Resolución. Es el menor incremento que el sensor puede detectar. Por ejemplo, si un sensor mide hasta 25 cm de desplazamiento lineal, y su salida es un número de 0 a 100, entonces la res olución del mismo es 2,5 mm . Rango. L mites natur ales del sensor. Por ejemplo, un sensor para lectura de posición angular puede rotar solamente 200 grados. Ambiente. Los sensores tienen limitaciones con otros factores ambientales tales como: temperatura, humedad, presión, existencia de polvo/aceite y atmósferas corrosivas. Por ejemplo, muchos sensores deben trabajar en humedades relativas (RH) entre 10 y 80 %. Respuesta dinámica. El rango de frecuencia para la operación regular del sensor. T picamente los sensores tienen un l mite superior de frecuencia de operación, ocasionalmente se da también un l mite inferior. 3
Calibración. Cuando es fabricado o instalado, muchos sensores
necesitan ser calibrados para determinar o ajustar la relación entre el fenómeno de entrada y la salida. Esto puede requerir equipo especial y necesita ser realizado con frecuencia. Costo. Generalmente mayor precisión cuesta más. Algunos sensores son muy económicos, pero el costo del equipamiento para acondicionamiento de la señal es significativo.
1.1.2. Clasificación La clasificación de los sensores puede realizarse convencionalmente atendiendo a: Principio de conversión. Variable medida. Tecnolog a empleada. Aplicación. A continuación se dividen por su aplicación de acuerdo con las categor as más comunes encontradas en los sistemas de medición.
1.1.3. Sensores comunes para temperatura La medición de temperatura es muy común en todos los procesos y en los sistemas de control. Se miden temperaturas en diversos rangos como, por ejemplo, de –60 a 0 ºC en sistemas de refrigeración, de 0 a 100 ºC en sistemas de climatización, en la metalurgia para el procesamiento y refinación de metales es necesario medir temperaturas hasta 1 600 ºC y en los sistemas de plasma temperaturas muy altas por encima de los 2 000 ºC. Los elementos de medida de temperatura fundamentales son: 1.1.3.1. Termopares
Estos sensores son muy utilizados en la mayor a de las aplicaciones industriales y en otras ramas por la sencillez de su construcción y por la precisión que permiten cuando están debidamente calibrados, además de su bajo costo y fiabilidad. Con ellos pueden medirse temperaturas desde –200 ºC hasta cerca de 2 000 ºC. Los distintos fabricantes, ajustados a normas internacionales, establecen la composición de los metales que forman los termopares y los cables de extensión lo que 4
permite intercambiabilidad, no solo de los elementos primarios, sino también de los instrumentos (indicadores, registradores, transmisores y controladores de temperatura). Cada metal tiene un nivel de potencial natural y cuando dos metales diferentes se unen por sus extremos y estos están a diferentes temperaturas, se genera una diferencia de potencial que hace circular una corriente eléctrica por el circuito. Este principio fue descubierto por T. J. Seebeck en 1821 y en él se basa la construcción de los termopares. La unión que se halla a temperatura más alta se denomina unión caliente y se ubica en el punto donde se quiere medir la temperatura. La otra unión se acostumbra a localizar junto al instrumento de medida y se denomina unión fr a o unión de referencia. Se dispone de tablas muy completas que indican la f.e.m. en milivolt para diversas temperaturas de la unión caliente cuando la unión fr a se mantiene a determ inada temperatura (normalmente 0 ºC). En la práctica, la temperatura a la cual se encuentra la unión de referencia es, generalmente, la temperatura ambiente, distinta de cero y variable con el tiempo, por lo cual es necesario realizar correcciones en forma automática o manual. Puede realizarse una compensación fija a 20 o 25 ºC, con lo que cualquier diferencia introducirá un error en la medida. Los instrumentos utilizados para la medición de temperatura con termopares, por lo general realizan en forma automática la corrección de la temperatura de referencia. Uno de los métodos utilizados es medir la temperatura a la cual se encuentra la unión de referencia, y por medio de un circuito electrónico, agregar a la f.e.m. de salida del termopar, una f.e.m. proporcional a la diferencia entre aquella y 0 ºC. Existen varios tipos de termopares, puesto que cualquier par de metales conformar a un tipo determinado. Sin embargo, la práctica ha llevado al uso de ciertos tipos normalizados, a los que se les cita por una letra (las más t picas son las tipo J, K y T). Cada tipo difiere en el material de los metales A y B. Al diferir los materiales de construcción, difieren los rangos de trabajo, el voltaje generado por unidad de grado y la máxima temperatura útil (antes que se funda). El termopar más conveniente se selecciona en dependencia de la gama del rango de temperatura, de los efectos corrosivos del ambiente, de la precisión deseada, etcétera. Algunas caracter sticas de los diferentes termopares pueden verse en la Tabla 1.1. La f.e.m. generada por un termopar para distintas temperaturas se muestra en la Figura 1.1. 5
Tabla 1.1. Tipo s de termopares Temperature ANSI Range Type Materials ( o F) T copper/constantan –200 to 400 J iron/constantan 0 to 870 E chromel/constantan –200 to 900 K chromel/aluminum –200 to 1 250 R platinum-13 % rhodium/platinum 0 to 1 450 S platinum-10 % rhodium/platinum 0 to 1 450 C tungsten-5 % rhenium/ /tungsten-26 % rhenium 0 to 2 760
Voltage Range (mV) –5,60 to 17,82 0 to 42,28 –8,82 to 68,78 –5,97 to 50,63 0 to 16,74 0 to 14,97 0 to 37,07
Figura 1.1. Relación aproximada entre la f.e.m. y la temperatura de diferentes termopares con la unión de referencia a 0 ºC.
Por su naturaleza, los termopares presentan una resistencia prácticamente nula y su capacidad de generar potencia es muy débil, por lo tanto, se utiliza un amplificador que debe solicitar el m nimo posible de corriente desde el termopar. Es posible conectar dos o más termopares, según sean las necesidades de la aplicación. Cuando la f.e.m. de salida es muy pequeña, se pueden conectar dos termopares en serie directamente como se muestra en la Figura 1.2, y se obtiene como resultado la suma de las f.e.m. individuales. 6
Figura 1.2.C onexión de termopar es de serie directa.
Otra posibilidad es conectarlas en oposición como se muestra en la Figura 1.3, permitiendo la medición de la diferencia de temperaturas. En este caso el termopar que mide la mayor temperatura debe ser conectado con su salida positiva al positivo del milivolt metro.
Figura 1.3.C onexión de termopares en serie en oposición.
1.1.3.2. Termorresistencias
Cuando se necesita alcanzar una precisión mayor que la permitida por los termopare s o para medidas de pequeñas desviaciones de temperatura (del orden de 0,02 ºC), se recurre al empleo de termorresistencias. Además, cuando se miden temperaturas cercanas a la temperatura ambiente son imprescindibles las resistencias. Estos sensores se basan en el hecho de que la resistencia de los metales incrementa cuando se eleva la temperatura. Por tanto, la temperatura puede ser medida empleando la resistencia de un alambre. Las termorresistencias norm almente emplean un hilo o lám ina de platino, 7
n quel, cobre o aleaciones de hierro y n quel. El hilo metálico es enrollado sobre un soporte aislante normalmente de cerámica y se cubre externamente para su protección por una funda termométrica de diversos materiales (metal, cerámica, vidrio, pirex , etc.). La variación de la resistencia de un conductor con la temperatura puede ser representada por la siguiente expresión lineal: R = Ro (1 + . T ) Donde: Re s la resis tencia en a la tempera tura medida T º C, Roes la resistencia en a la temperatura 0 ºC y e s el coefici ente de temperatura de la resistencia. En particular, los sensores de temperatura normados para instrumentación más tradicionales se basan en la resistividad del platino, y el elemento má s t pico tiene una resistencia de 100 a 0 ºC (de ah su nombre: PT-100). En la Tabla 1.2 se dan las caracter sticas fundamentales de las sondas de resistencia.
Tabla 1.2. Caracter sticas de las sondas de resistencia Coeficiente de Resistividad, temperatura, Metal /cm / /o C
Platino N quel Cobre
9,83 6,38 1,56
0,00392 0,0063 a 0,0066 0,00425
Intervalo útil Resistencia de temperatura, t pica de la Precision, o C sonda a 0 oC ºC
–200 a 950 –150 a 300 –200 a 120
100 100 10
0,01 0,50 0,10
El elemento de medida puede ser un puente de medida de resistencia de corriente directa o alterna. Existen varias formas de conectar la termorresistencia al puente, en el montaje de dos hilos, que es el más sencillo y barato, la termorresistencia se une a uno de los brazos del puente mediante los hilos a y b (ver Figura 1.4). En la condición de balance del puente se cumple que:
Pero R x = x + K ( a + b ), donde x es la resistencia de la sonda, K es la resistencia por unidad de longitud de los hilos de conexión y a y b son las longitudes de los hilos de conexión. 8
Por tanto, el valor de resistencia que se lee en R3n o se corresponde exactamente con el valor de resistencia de la sonda y, por tanto, con la temperatura que se mide. Este montaje se emplea solo cuando la resistencia del cable de conexión es moderada y cuando la lectura no requiere mucha exactitud.
Figura 1.4. Esquema de puente con conexión a dos hilos.
El sistema de tres hilos es el m ás empleado en la práctica (Figura 1.5) y como su nombre lo indica se emplean tres hilos de conexión, al brazo de R x , a la fuente de alimentación y al brazo de R3. Cuando el puente se balancea se cumple que: R1( x + Kb ) = R 2 ( R3+ Ka)
Si los hilos son iguales Kb = Ka y si se hace R1 = R2, entonces x = R 3 y se corresponde la lectura del puente con la resistencia de la sonda y, por tanto, es una indicación de la temperatura medida. Como para medir la resistencia se debe hacer pasar una corrie nte por termorresistencia, se debe mantener esta a un valor m nimo para prevenir el a utocalentami ento. Estos dispositivos son más lineales que los termopares y pueden tener precisión de 0,05 %, pero son más costosos. 9
Figura 1.5.E squema de puente con conexión a tres hilos.
En la Tabla 1.3 se compara un termopar y una termorresistencia como una gu a aproximada para especificar un sis tema de medición de uso industrial.
Tabla 1.3. Comparación entre termopar y termorresistencia Termopar Precisión de 0,5 a 5 ºC Rango de –200 a +1 750 ºC Costo relativo 1 Respuesta de 50 ms a 5 s Pueden ser muy pequeños Necesidad de referencia cero Resistente a l as vibraciones No necesi ta fuente de ali mentación No tiene efecto de autocalentamiento Deriva a l argo plazo Muy robusto Requiere c ables especiales de extensión Salida de 10-40 V/ºC Necesitan apantallamiento
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Resistencia de platino Precisión de 0,1 a 1 ºC Rango de –200 a +650 ºC Costo rel ativo 2,5 Respuesta de 1 a 50 s Tamaño mayor Afectado por l as vibraciones Necesita fuente de alimentación La corriente debe ser limitada Excelente estabilidad Pueden ser frágiles Usa cables de cobre La salida c ambia 0,4 /ºC Pueden ser sin apantallamiento
1.1.3.3. Termistores
Este tipo de termómetro es también un dispositivo cuya resistencia var a con la temperatura. Tienen una caracter stica de resistencia negativa, o sea, que su resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. Se fabrican a menudo de óxidos metálicos semiconductores y con variedad de formas y tamaños. Estos dispositivos tienen una caracter stica no lineal (Figura 1.6), por lo que comúnmente no se emplean para obtener lecturas precisas de temperatura, sino cambios de temperatura, por ejemplo, para indicar sobrecalentami ento. Un aspecto positivo de ellos e s su alta sensibilidad, o sea, pequeños cambios en la temperatura provocan grandes variaciones en su resistencia.
Figura 1.6. Curva de resistencia vs.t emperatura de un termistor y circuito de interfaz.
En la Figura 1.6 se muestra un circuito de interfaz simple de un termistor. Colocando el termistor en la parte superior de un divisor de voltaje, el voltaje de salida será relativamente lineal y con pendiente positiva (l nea discontinua). El valor del resistor R debe ser cercano al valor nominal del termistor. Los termistores tienen un amplio rango de resistencia desde unos pocos ohm hasta 1 M y su selección depende del rango de temperatura de interés. Su precisión t pica es de 1 %, pero como se mencionó, son dispositivos no lineales, tienen un rango de temperatura/resistencia limitado y pueden autocalentarse.
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1.1.3.4. Otros sensores de temperatura
Circuitos integrados sensores de temperatura ( IC temperature sensors ). Estos circuitos integrados están siendo muy empleados. Su salida es una lectura digital y pueden ser más precisos que 0,01 %. Pero están limitados en cuanto al rango de temperatura y requieren conocimiento de métodos de interfaz para datos serie o paralelos. Los circuitos integrados vienen en varias configuraciones. Un ejemplo común son los de la serie LM34 y LM35 de National Semiconductor. Estos circuitos producen un voltaje de salida que es proporcional a la temperatura en ºF para el LM34 y en ºC para el LM35. Las caracter sticas fundamentales del IC LM35 son: Calibrado directamente en ºC. Factor de escala lineal +10 mV/ºC. Precisión garantizada 0,5 ºC (a +25 ºC). Rango nominal de –55 a +150 ºC. Adecuado para aplicaciones remotas. Bajo costo. Opera desde 4 hasta 30 V. Corriente drenada desde la fuente menor de 60 A . Bajo autocalentamiento, 0,08 ºC con aire en calma. No linealidad solamente de ±¼ ºC. Baja impedancia de salida, 0,1 por 1 mA de carga. El voltaje de salida es directamente proporcional a la temperatura, esto es: V out = 10 mV/ oC Cuando solo se necesita medir temperaturas positivas, un circuito simple como el mostrado en la Figura 1.7b) puede ser usado, en el caso de necesitar mediciones de temperaturas en todo el rango, se conecta como en la Figura 1.7c) para lo cual se requiere voltajes de alimentación positivos y negativos. Pirómetros. Son dispositivos de medición de temperatura sin contacto que usan el calor radiante. Normalmente son empleados en aplicaciones de altas temperaturas o en ambientes agresivos donde no es posible emplear termopares, o para l neas de producción donde no se puede montar otros sensores, ya que el área se mueve o tiene dif cil acceso. Existen dos variantes de pirómetros, los que miden la temperatura en función de la radiación luminosa que el cuerpo emite ( pirómetros ópticos ), y los que mi den la temperatura captando toda o gran parte de la radiación emitida por el cuerpo ( pirómetros de radiación total ). 12
Figura 1.7. Diagrama Diagr ama de de conexio c onexiones nes y configur configuraci aciones ones t picas pic as del LM35.
1.1.4. Sensores Sensores de presión presi ón La presión es definida como una fuerza por unidad de superficie que un material ejerce sobre otro. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en newton por metro cuadrado (N/m 2 ) o pascal (Pa). Los sensores de presión normalmente constan de dos partes: la primera convierte la presión en una fuerza o desplazamiento, y la segunda convierte la fuerza o desplazamiento en una señal eléctrica. res ión mano ma no-La medición más sencilla se corresponde con la presión métrica, la cual cual es la diferencia entre entre la presión medida medida y la presión del del ambiente. ambiente. A nivel del mar, mar , la l a presión presi ón del ambiente ambiente es igual ig ual a la atmosatmosférica y se con considera sider a igual a 10 101,3 kPa . Un sensor ligeramente más complicado es el que se utiliza para dif erencial,l, que medir la presión diferencia que es e s la diferencia d e dos presiones en la que que ningun ningunaa es e s nec necesa esaria riament mentee igual i gual a la atmosférica atmosférica . Un tercer sensor bsoluta,, la cual de presión es el que que se emplea para medir la presión a bsoluta se mide con un sensor de presión diferencial donde un lado está referenciado referenciado como como cero (cercano (cercano al vac v ac o tot total). 1.1.4 1.1 .4.1. .1. Tubos ubos de Bourdon
De todos los elementos de medida de presiones este es el más usual. Está constituido por un tubo de sección el ptica enrollado circularment lar mentee en espir espiraa l o en hélice. Cuan C uando do la presión pres ión interior in terior aumenta, aumenta, el 13
tubo tiende a enderezarse. Este movimiento es proporcional a la presión aplicada. En la Figura 1.8 se presentan dos tipos de tubo Bourdon. Estos se constr construye uyen n de ma material teriales es elás el ástiticos. cos. De acu acuerdo er do con con el fluido fluido que se ha de medir medir,, se utili utiliza za bronc bronce, e, cobrecobre-b b erilio, eri lio, acero, acer o, acero acer o inoxida inoxidable, ble, etcétera etcétera.. El desplazamiento puede ser lineal o angular y acciona un sensor de posición como, por ejemplo, un transformador diferencial para con vertir el desplaza de splazamiento miento en una una señal seña l eléctrica. Los sensores de tubo Bourdon están disponibles en rangos desde 200 200 hasta 700 700 000 kPa k Pa y su empleo t pico incluye incluye manómetros manómetros para agua ag ua y vapor. vapor. Estos Est os sensores tienen tienen una una precisión precisi ón t pica de 0,5 %.
Figura Figura 1.8. 1. 8.S ensor ensore es de presió presión: n: a) mue mu elle ll e tubular tubula r o Bourdon; Bourdo n; b) muelle muelle tubular hel hel ico ic oidal id al..
1.1.4 1.1 .4.2. .2. Fuelles y membranas membranas
Existen sensores de presión que emplean como órgano medidor un tubo metálico sin soldadura, en forma de fuelle, de paredes finas y cuyas profundas ondulaciones se obtienen por laminación. Este fuelle tiene la caracter stica de estirarse o acortarse por efecto de la presión de modo que en el punto de medida se cumple que la deformación elástica se equilibra con la presión aplicada convirtiendo en definitiva la presión en movimiento lineal (Figura 1.9a)). Este movimiento es detectado por un sensor de posición. La Figura 1.9b) ilustra un sensor de presión diferencial diferen cial el cual cual se const construye ruye encerr encerrando ando el fuelle fuelle en una una cámara. cámar a. Aqu la pre sión exterior exterior al fuelle fuelle (pres (presión ión 2) tiende tiende a hacer que este se comprima, mientras la presión interior (presión 1) tiende a hacer que que se expanda. La posición posición del del eje es una una func func ión de la diferencia entre la presión exterior e interior del fuelle. Los manómetros de 14
fuelle son más sen sibles si bles que que los de tubo tubo Bourdon Bourdon en el rango r ango de de bajas presione presioness de 0 a 200 200 kPa .
Figura 1.9. Sensor Sensore es de presió presión n tipo fuelle fuell e: a) para par a presió presión n simp simple; le; b ) para presi presión diferencial. diferencial .
De igual manera, el manómetro de membrana está formado por una membrana en forma de disco que posee varias ondulaciones concéntricas. El material empleado en su fabricación se selecciona de acuerdo con el uso us o que que vaya vaya a tener tener el manómetro manómetro y la presión pres ión que se va a medir. Bajo los efectos efectos de la presión, la membrana me mbrana se deforma deforma proporcional a la presión y transmite su movimiento a un sensor de posición (ver Figura 1.10).
Figura 1.10. Sensor Sensor de pres presión ió n de membran membrana. a.
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1.1.4.3. Sensores de presión a semiconductores
Algunos sensores de presión utilizan las propiedades piezorresistivas del silicio. Los elementos piezorresistivos convierten presiones directamente en resis tencia, y la resistencia puede ser conver tida en voltaje. Estos sensores tienen la ventaja de no tener partes móviles y están disponibles en rangos de presiones desde 0 a 10 kPa y desde 0 a 34 000 kPa .
1.1.5. Sensores de caudal Los sensores de caudal miden la cantidad de mater ial que pasa por un punto en cierto tiempo. Se considerará solo flujos de l quidos o gases fluyendo en una tuber a o en un canal abierto. Los sensores de caudal pueden ser de varios tipos, los que se basan en presión diferencial, aquellos que accionan un dispositivo mecánico y otro grupo de sensores que emplean tecnolog a más sofisticada. 1.1.5.1. Sensores basados en presión diferencial
Este grupo de sensores se basa en el hecho de que la presión de un fluido en movimiento es proporcional al caudal. Si se detecta la presión con un sensor de presión como los mencionados anteriormente, el caudal puede ser calculado. El sensor de caudal más sencillo es la placa de orificio (Figura 1.11), el cual es una si mple restricción en la tuber a que provoca una ca da de presión. Este sensor requiere dos tomas de presión, una aguas arriba y otra aguas abajo de la restricción. Aunque el cálculo del caudal es una ecuación compleja, tiene la siguiente expresión general:
Otro método para crear la presión diferencial es el tubo de Venturi, como se ilustra en la Figura 1.12. Un Venturi es una reducción gradual en la tuber a que provoca que la velocidad del fluido aumente en el área restringida. Esta áre a de baja velocidad tiene una baja presión. Al ig ual que en la placa de orificio, el caudal e s proporcional a la diferencia de presión entre P 2y P 1. El tubo de Venturi permite mayor precisión que la placa de orificio y puede ser utilizado para l quidos con sólidos en suspensión. En cuanto a costo es más costoso que la placa de orifico. 16
Figura 1.11. Sensor de caudal por presión diferencial con placa de orificio.
Una desventaja de este tipo de sensores es que ambos causan ca das de presión en la tuber a, que pueden ser indeseables.
Figura 1.12.T ubo de Venturi para la medición de caudal.
1.1.5.2. Turbinas
Consiste de un juego de paletas o aspas acopladas a un eje las cuales giran cuando el fluido pasa a través de ellas. La velocidad a la cual giran estas aspas es proporcional a la velocidad del fluido y, por tanto, si tenemos el área del conducto podemos determinar el caudal. En este instrumento se genera una señal eléctrica, de baja amplitud, con frecuencia proporcional a la velocidad del fluido que se mide. La medida de la velocidad del rotor se realiza sin ninguna conexión mecánica externa. En una bobina con núcleo de imán permanente (bobina 17
de pick-up ) montada en el forro interno del medidor, se inducen pulsos al paso de cada una de las paletas de la turbina, estos impulsos son amplificados y transformados en impulsos rectangulares en un amplificador montado en el propio medidor. Un contador electrónico de pulsos, que puede ser remoto, permite indicaciones digitales del caudal (ver Figura 1.13).
Figura 1.13. Medidor de caudal del tipo turbina.
Este tipo de instrumento puede tener acoplado los siguientes accesorios: Indicador local de flujo: display numérico donde se visualiza el val or de flujo le do por el instrumento. Puede ser de diseño mecánico o electrónico. Totalizador: display numérico donde se visualiza el valor de volumen contabilizado por el metro en un per odo dado. Este indicador puede ser reseteable o histórico, dependiendo del modelo espec fico. Puede ser de diseño mecánico o electrónico. Transmis or de im puls os: este accesorio podr a ser un am plificador que eleva el nivel de l a señal entr egada por el pick-up, para ser transmitida a una distancia considerable o podr a, incluso, convertir esta señal sinusoidal en pulsos TTL para su procesamiento por dispositivos compatibles. Otros tipos de señal pueden ser logrados con el uso de un tra nsmisor de impulsos. Entre ellos la conversión de la señal a la normalizada de 4 a 20 mA . Es tos transmisores suelen requerir alimen18
tación externa, aunque existen variantes auto-powered (con alimentación incluida). 1.1.5.3. Medidores electromagnéticos de caudal
Este tipo de medidor de caudal no presenta obstrucción al paso del l quido. Por esta razón son los instrumentos ideales para medir caudal en l quidos viscosos o con sólidos en suspensión. La única condición es que el l quido tenga una conductividad eléctrica por encima de cierto m nimo. El principio de estos medidores se basa en la ley de inducción electromagnética de Faraday: U x = B . v . d Donde: U x es el voltaje que aparece perpendicular al campo magnético y al sentido de flujo del l quido, este voltaje se toma con dos electrodos puntuales fijos al tubo de medida; Be s la inducción magnética causada por el fluido que circula perpendicular a su sentido de flujo; v es la velocidad del l quido y d es el diámetro interior del tubo de medida (ver Figura 1.14).
Figura 1.14. Principio de funcionamiento de un medidor de caudal electromagnético.
El conductor en movimiento es el propio l quido, que circula dentro de un tubo de medida aislado interiormente y no magnético. El 19
l quido atraviesa un campo magnético creado por dos bobinas colocadas fuera del tubo de medida e induce un voltaje, proporcional a la velocidad del fluido y que es detectado por dos electrodos colocados en las caras de la tuber a (Figura 1.15). Caracter sticas particulares de estos instrumentos: Paso recto por el tubo de medida sin reducción de sección. Ausencia de efectos por temperatura, viscosidad y densidad. A partir de un valor m nimo, la conductividad del fluido no tiene ningún efecto sobre la medida. Pueden utiliza rse en secciones de tuber a hasta 2 000 mm . Diferentes revestimientos para el interior del tubo disponibles para varias aplicaciones. Supervisión electrónica de los electrodos. Conector inteligente integrado para memorizar los valores de calibración y el dato del tubo de medida de caudal.
Figura 1.15.V ista exterior de un medidor de caudal electromagnético SITRANS F M.
1.1.5.4. Medidor ultrasónico de caudal
Los medidores ultrasónicos miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse este en sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario. La velocidad de propagación de estas ondas 20
depende de la velocidad c o del sonido en ese fluido y de la velocidad del fluido V M. Este efecto se utiliza en el modelo comercial SITRANS F US. V AB = c o + V M V BA = c o — V M Este emplea dos transductores de ultrasonido que emiten alternativamente señales ultrasónicas. Se miden los tiempos de propagación t AB en sentido del flujo y t BA en sentido contrario al flujo, respectivamente, para los transductores A y B (ver Figura 1.16). t AB = L/ (c o + V M ) t BA = L/ (c o – V M )
Figura 1.16.P rincipio de funcionamiento del medidor de caudal ultrasónico.
Para una corriente dada, el tiempo de propagación del sonido en el sentido del flujo es menor que en el sentido inverso, la diferencia de propagación as determinada es proporcional a la velocidad V M. V M = L . ( tBA – t AB )/2 . t AB . t BA El resultado es independiente de la velocidad del sonido en el fluido y, por tanto, independiente de la naturaleza del fluido medido (ver Figura 1.17). 21
Figura 1.17.V ista del medidor de caudal ultrasónico SITRANS F US.
Otros tipos de medidores ultrasónicos de caudal se basan en el efecto Doppler. En este caso proyectan ondas sónicas a lo largo del flujo de fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en part culas contenidas en el fluido. Este método está limitado por la necesidad de presencia de part culas, pero permite medir caudales de fluidos dif ciles como mezclas de gas-l quido, fangos, etcétera. En estos instrumentos, el transmisor y el rece ptor tienen un impacto m nimo sobre el flujo de fluido y, por lo tanto, no provocan ca das de presión. Poseen una alta precisión y un rango de caudal muy amplio.
1.1.6. Sensores de nivel Los sensores de nivel de l quido, que miden la altura de un l quido en un recipiente, se pueden clasificar en dos categor as: discretos y continuos. Los sensores de nivel discretos solo pueden detectar si el l quido está a un determinado nivel, mientras que los continuos dan una señal analógica que es proporcional al nivel. 22
1.1.6.1. Sensores de nivel discretos
Estos sensores determinan cuando un l quido alcanza cierto nivel. El tipo más sencillo utiliza un flotante y un interruptor l mite. Una variante de este tipo de sensor es aquel en el cual el flotante está unido a una varilla vertical. Cuando el l quido alcanza cierto nivel, se acciona el interruptor l mite. El nivel de activación puede ser ajustado mediante la posición del interruptor. Otra variante se basa en el empleo de fotoceldas ubicadas en las paredes del tanque. Cuando la trayectoria de la luz queda sumergida en el l quido, la señal del fotodetector cambia, por tanto, indica la presencia de l quido. También, en l quidos ligeramente conductores, es posible aplicar otros medios de detección empleando electrodos para señalizar el nivel mediante la conducción de una corriente eléctrica entre el electrodo y el cuerpo del tanque cuando el l quido baña el electrodo y cierra el circuito. 1.1.6.2. Sensores de nivel continuos
En los detectores de nivel continuos la señal es proporcional a la altura del l quido. Esto se logra de diferentes maneras: 1. Con un flotante que actúa sobre un sensor de posición el cual da una señal eléctrica proporcional a la altura del l quido. 2. Monitoreando el peso del l quido mediante celdas de carga. En este caso el nivel se calcula conociendo el diámetro del tanque, su peso cuando está vac o y la densidad del l quido. 3. Algunos dispositivos están diseñados para detectar el nivel del l quido directamente y están formados por dos electrodos verticales montados dentro del tanque. La salida del dispositivo es o bien un valor de resistencia o capacidad proporcional al nivel y debe ser am plificada o procesada de otra manera. 4. Otros métodos para medir el nivel directamente utilizan detectores de rango ultrasónicos montados sobre el tanque y están disponibles en el mercado como unidades completas. 5. Uno de los métodos más comunes en la industria es el empleo de métodos hidrostáticos midiendo la presión en el fondo del tanque, la cual es proporcional a la pr esión ej ercida por la columna de l quido. Esto puede implementar se c on sensores de presión diferencial como los descritos anteriormente (ver Figura 1.18). 23
Figura 1.18.M edidor de nivel mediante captador de presión diferencial en tanque cerrado.
1.1.7. Desplazamiento angular La medida del desplazamiento tiene a menudo una importancia fundamental. En el caso de los sensores de desplazamiento angular, como su nombre lo indica, reportan la posición angular de un objeto con respecto a una referencia. 1.1.7.1. Potenciómetros
Los potenciómetros miden la posición de un eje utilizando un resistor variable. El potenciómetro no es más que un resistor construido normalmente con una delgada lámina de material resistivo. Una escobilla se mueve a lo largo de la superficie de la lámina resistiva. Como la escobilla se mueve hacia el final, provocará un cambio en la resistencia proporcional a la distancia que se ha movido. Si se aplica un voltaje a través del resistor, el voltaje en la escobilla interpola los voltajes de los extremos del resistor. Si el potenciómetro se usa como un divisor resistivo, el voltaje de la escobilla es proporcional al ángulo de rotación (ver Figura 1.19).
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Figura 1.19.P otenciómetro.
Los potenciómetros no son costosos ni requieren acondicionadores de señal especiales, pero su precisión es limitada, normalmente en el rango de 1 % y, además, están sujetos a desgaste mecánico. Ellos miden posición absoluta y su rango de rotación está normalmente limitado a menos de 360 grados. 1.1.7.2. Encoders
Un encoder produce un dato de posición angular directamente en forma digital, eliminando la necesidad de utilizar convertidores A/D. El concepto se ilustra en la Figura 1.20 donde se muestra un disco rotatorio con ventanas ópticas. La luz de los emisores pasa a través de las aperturas del disco hasta los detectores. Debido a que el eje del encoder rota, el haz de luz se interrumpe produciendo pulsos. Existen dos tipos fundamentales de encoders: absolutos e incrementales. Encoders absolutos. Un encoder absoluto genera una única palabra para cada posición del eje. Por lo general el disco posee cuatro o seis canales, codificados comúnmente en código binario. Para aumentar la precisión de un encoder absoluto, es necesario adicionar más canales al disco y más emisores y detectores de luz. Los encoders absolutos son mayormente utilizados en aplicaciones donde los dispositivos 25
permanecen inactivos por largos per odos, existe riesgo de desenergizarse o la posición de arranque es desconocida (ver Figura 1.21).
Figura 1.20.D isco encoder del tipo relativo o en cuadratura.
Figura 1.21. Disco encoder absoluto y señal de salida usando código binario (las zonas oscuras equivalen a 1).
Encoders incrementales. En el caso del encoder incremental (o re-
lativo), se producen dos pulsos que pueden ser empleados para determinar desplazamiento. Para incrementar su precisión solo es necesario 26
aumentar ventanas a los dos canales existentes. Se utilizan software o circuitos lógicos para determinar la dirección de rotación y contadores de pulsos para determinar el desplazamiento. La velocidad puede ser determinada midiendo el tiempo entre pulsos. Aunque este no da una posición absoluta de salida, provee mayor resolución a menor costo.
Figura 1.22.S eñal de salida de un encoder incremental.
1.1.8. Sensores de velocidad angular Estos son dispositivos que dan una señal proporcional a la velocidad angular. Este tipo de sensores encuentra gran aplicación en los sistemas de control de velocidad de motores y otras aplicaciones. 1.1.8.1. Velocidad angular a partir de encoders
Una señal de salida de un encoder incremental puede utilizarse para medir velocidad angular, pues la frecuencia de los pulsos generados es proporcional a la velocidad de desplazamiento. Mientras más lenta es la velocidad, más demora cada ranura en pasar. Existen configuraciones de circuitos usados para medir velocidad contando los pulsos de reloj durante un per odo de la señal del encoder. El conteo final será proporcional al tiempo que demora la ranura en pasar y, por lo tanto, a la velocidad. 1.1.8.2. Tacómetros
Existen varias técnicas para medir velocidad de rotación en un eje en revoluciones por minuto (r.p.m.). Una técnica común consiste en un dispositivo sencillo (Figura 1. 23) y consta de un fotosensor que se coloca de manera que reciba un pulso de luz cada vez que un tape 27
reflectante colocado en el eje pase, la frecuencia de las pulsaciones son proporcionales a las r.p.m. y pueden ser medidas utilizando un contador de manera similar a como se emplea con un encoder.
Figura 1.23. Principio de funcionamiento de un tacómetro óptico.
Otra técnica común es emplear una bobina estacionaria enrollada sobre un núcleo con un imán permanente (bobina de pick-up ) colocada cerca de algún sector dentado rotatorio (puede ser un piñón de un reductor). Cada vez que un diente pasa cer ca del imán, se induce un pequeño voltaje en la bobina de alambre. Estos pulsos son tratados por un circuito detector para dar una señal de velocidad. Este tipo de sensor se conoce como reluctancia variable. Otro tipo de tacómetro consiste simplemente en un pequeño generador dc acoplado al eje rotatorio cuya velocidad se quiere conocer. En este caso, la salida es un voltaje inducido proporcional a la velocidad.
1.1.9. Posición lineal La necesidad de conocer la posición de elementos que se desplacen linealmente se satisface a partir del empleo de los sensores de posición, algunos de los cuales se describen a continuación. 1.1.9.1. Potenciómetro lineal
Los potenciómetros también existen en variantes constructivas con deslizadores lineales. Estos son capaces de medir desplazamientos lineales de gran longitud utilizando como salida la señal de voltaje al emplear el potenciómetro como un divisor de voltaje (ver Figura 1.24). 28
Figura 1.24.P otenciómetro lineal.
1.1.9.2. Transformador diferencial variable lineal (LVDT)
Este sensor de posición es de alta resolución y da a su salida una señal de voltaje AC con una magnitud proporcional a la posición lineal . Tiene un rango rela tivamente pequeño de 50 mm aproximadamente, pero tiene la ventaja de no poseer contactos deslizantes. En la Figura 1.25 se observa que este consta de tres devanados y un núcleo ferromagnético móvil. El devanado central, o primario, está conectado a un voltaje de referencia AC. Los otros dos devanados, llamados secundarios, se encuentran conectados en serie con polaridades contrarias. Cuando el núcleo se halla exactamente en su posición central, los voltajes inducidos en los secundarios son iguales y opuestos dando una salida neta de cero volt. Si el núcleo se desplaza hacia abajo, el acoplamiento es mayor con el secundario 1 y su voltaje es mayor que en el secundario 2. La suma algebraica de los voltajes de dos secundarios dará un voltaje resultante que estará en fase con el secundario 1 y con una magnitud proporcional a la distancia re corrida por el núcleo desde su centr o. Si, por el contra rio, el desplaza miento hubiera sido hacia arriba, entonces el voltaje neto estar a en fase con el devanado secundari o 2 y la magnitud ser a proporcional a la distancia recorrida en esa dirección. Resumiendo, la salida de un LVTD es un voltaje AC con magnitud y fase. La magnitud representa la distancia que se desplaza el núcleo desde el centro y la fase representa la dirección del desplazamiento. 29
Figura 1.25. Esquema de funcionamiento de un LVTD.
En la Figura 1.26 se muestra un acondicionador de señal sencilla para utilizarlo con un LVTD. Los diodos rectifican la señal AC en una señal DC de media onda. Los capacitores y resistencias de la salida actúan como filtros pasabajo y el capacitor C3 tiene un valor alto para eliminar el rizado de la señal de salida.
Figura 1.26.C ircuito de salida de un LVDT.
Los LVTD se emplean ampliamente para medir dimensiones de piezas para control de calidad y en instrumentos de me dición de presión 30
accionados por tubos Bourdon y fuelles o diafragmas. Tienen como desventaja que son más costosos que los potenciómetros.
1.1.10. Sensores de carga Estos sensores se emplean en la medición de fuer zas mecánicas en aplicaciones tales como determinar pesos o ajustar magnitudes de fuerzas actuantes. Se recurre a elementos capaces de transformar las fuerzas en magnitudes más fáciles de medir y transmitir a distancia. En muchos casos el se nsor lo que mide es la variación de algún parámetro relacionado con la ligera deformación causada por la fuerza mecánica y no esta directamente. strain gauge 1.1.10.1. Galgas de esfuerzo ( )
Este elemento se basa en que la resistencia eléctrica de un hilo conductor var a con la deformación mecánica (al alargarse o contraerse). Se construye de alambre fino de 0,01 a 0,05 mm de diámetro el cual se coloca usualm ente en zigzag s obre un papel especial (Figura 1.27). Para medir la fuerza mecánica se coloca este elementosobre la estructura objeto y se pega al mismo sobre una super ficie previamente pulida y limpia con adhesivos especiales a base de acetato. La galga debe ser orientada para que el alambre esté alineado en el sentido de la deformación esperada.
Figura 1.27.G alga de esfuerzo.
El principio de operación es el siguiente: si un objeto está bajo una tensión mecánica, la galga se deforma y el alambre se estirará. El alambre no solo se hace ligeramente más largo, sino también más fino y, por lo tanto, aumenta su resistencia total. 31
Donde: Re s la resistencia de una longitud de alambre a 20 ºC, es la resistividad del material, L la longitud y A la sección tr ansversal del alambre. Los cambios en la resistencia se emplean para calcular la elongación de la galga y, por lo tanto, del objeto al cual está cementada. Si se conoce el módulo de elasticidad del material, entonces aplicando la ley de Hooke puede calcularse la fuerza que ha sido aplicada. Los cambios en la resistencia de un strain gauge son muy pequeños, por lo que se requiere un circuito puente para su medición (Figura 1.28). Con este circuito, un pequeño cambio en una resistencia puede provocar un gran cambio relativo en el voltaje a través del puente. Inicialmente el puente se balancea y V 1 = V 2. Entonces, cuando la resistencia de la celda cambia, la diferencia de voltajes ( V1 – V 2 ) cambia. El puente puede estar compensado para evitar errores por variaciones de temperatura conectando una galga compensadora en una de las ramas del puente. C omo se muestra en la figura, la g alga compensadora es colocada cerca de la galga activa, de manera que reciba la misma temperatura, pero orientada perpendicularmente de modo que la fuerza no provoque su elongación.
Figura 1.28.C olocación de las galgas y circuito para interfaz usando un puente.
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1.1.10.2. Sensores de carga a semiconductores
Otra variante de sensores de fuerza son los que utilizan el efecto piezorresistivo del silicio. Este tipo de sensores cambia su resistencia cuando se le aplica una fuerza y son 25 a 100 veces más sensibles que las de tipo strain gauge. Una celda de carga semiconductora es una lámina de silicio que se adhiere a una estructura. Cuando la estructura se estira, el silicio se alarga también y la resistencia entre sus extremos aumenta. La dificultad que presenta este tipo de sensores es que el cambio en su resistencia es no lineal. En la Figura 1.29 se muestran breves especificaciones técnicas de dos celdas de carga comerciales para aplicaciones industriales como grúas y otr os usos, de l a firma Noruega ScanSense, con diseños basados en la instrumentación electrónica digital moderna, con comunicación serie (RS-232 o RS- 485) y opción de comunicación telemétrica a 433,92 MHz .
Figura 1.29. Caracter sticas técnicas de celdas de carga comerciales.
1.1.11. Sensores de proximidad Un sensor de proximidad simplemente le dice al controlador si una parte móvil está en cierto lugar. Entre las variantes de sensores de proximidad disponibles podemos encontrar los que se basan en principios ópticos y los que se basan en principios magnéticos. 33
1.1.11.1. Sensores ópticos
Los sensores de proximidad ópticos emplean una fuente de luz y un fotosensor dispuestos de tal manera que el objeto que va a ser detectado corte la trayectoria del haz luminoso. Comúnmente los sensores ópticos utilizan un reflector de modo que el detector y la fuente de luz puedan estar dispuestos en el mismo encapsulado. También la fuente de luz puede ser modulada para darle al haz caracter sticas únicas y que el detector distinga entre el haz y otro tipo de luz que pueda incidir sobre él desde el ambiente. Generalmente se emplean cuatro tipos de fotodetectores: fotorresistencias, fotodiodos, fototransistores y celdas fotovoltaicas. Fotorresistencia. También recibe el nombre de resistencia dependiente de la luz (LDR). Es un dispositivo que modifica su resistencia eléctrica al ser expuesto a la energ a luminosa. Su resistencia disminu ye sensiblemente al ser expuesto a la luz, mientras que cuando permanece en la oscuridad total presenta una resistencia muy elevada. As , por ejemplo, cuando el nivel de iluminación es de 1 000 lux, la resistencia puede ser de 130 ohm, pero cuando el nivel de iluminación disminuye hasta 50 lux, su resistencia puede ser de 2,4 k . Están compuestos, a menudo, por una base de sulfuro de cadmio debidamente encapsulado y con una cubierta de resina transparente y aislante, de tal forma que cuando los fotones inciden sobre la superficie de dicho material, imprimen a los electrones suficiente energ a como para elevar su conductividad. Su construcción básica consta de un cuerpo de forma circular y de dos hilos metálicos que sirven de elementos de unión al circuito. Las fotorresistencias se utilizan como detectores de luminosidad, por ejemplo, en el sistema de a lumbrado público. En función de la cantidad de luz que incide sobre estos sensores se puede activar o no un relé, con lo cual se regula el encendido (ver Figura 1.30). Fotodiodo. Es un diodo semiconductor pn diseñado de manera que la luz que incide sobre él genera una corriente eléctrica en el circuito externo. Normalmente es un diodo encapsulado de tal forma que la unión pn queda expuesta a través de una ventana a la incidencia de la radiación luminosa, la cual incrementa los portadores de carga y la corriente de fuga cuando aumenta la energ a luminosa que incide sobre él. Se conecta polarizado inversamente de manera que la corriente de fuga tiene que ser amplificada por un amplificador operacional. El fotodiodo es un detector optoelectrónico, o fotodetector, que permite conmutar y regular la corriente eléctrica en un circuito externo en res34
puesta a una intensidad luminosa variable. Se utilizan, por ejemplo, para leer la información de los discos compactos con la ayuda de un rayo láser (ver Figura 1.31).
Figura 1.30.C onfiguración del circuito y comportamiento de salida de u n sensor LDR.
Figura 1.31. Fotodiodo.
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Fototransistor. Es un dispositivo fotoemisor más sensible que el
fotodiodo y, por tanto, posee una mayor corriente de salida para una misma radiación luminosa incidente. Generalmente no tienen la patilla de base, ya que los fotones que inciden sobre su base, son los que crean la corriente de base generando pares electrón-hueco en la unión colector-base. Puede emplearse como un interruptor gobernado por luz si la iluminación toma solo dos valores, uno correspondiente a la oscuridad y otro con iluminación suficiente como para saturar el transistor (ver Figura 1.32).
Figura 1.32. Esquema de un fototransistor.
Celda fotovoltaica. Puede emplearse como un sensor debido a
que genera un voltaje cuando sobre ella incide la luz. El pequeño voltaje de sa lida tiene que s er am plificado para utilizar se (ver Figura 1.33).
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Figura 1.33. Celda fotovoltaica.
1.1.12. Sensores inteligentes Un sensor intelig ente es el que combina la función de detección y alguna de la s funciones de procesam iento de señal y comunicación. Estas funciones suelen r ealizar se por un mi croprocesador, por ello a cualquier combinación de sensor con microprocesador se le denomina se nsor inteli gente. Un sensor inteligente posee una amplia gama de funciones además de las de tr ansducción, entr e ella s podemos señalar (ver Figura 1.34):
Acondicionamiento de señal. Correcciones de cero, ganancia y linealidad. Compensación ambiental (temperatura humedad). Escalado. Conversión de unidades. Comunicación digital. Autodiagnóstico. Detección y acción sobr e el sistema al que se conecta.
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Figura 1.34. Funciones de sensores inteligentes.
1.1.13. Criterios de selección de un sensor Para la selección adecuada de un sensor debe considerarse:
La magnitud que se mide: es importante tener en cuenta el tipo y rango de la magnitud que se va a medir. El principio básico de transducción más adecuado para la medida: hay que garantizar que exista compatibilidad entre las caracter sticas de entrada-salida del sensor y del resto del s istema. La exactitud requerida: hay que considerar caracter sticas de comportamiento que afectan la exactitud que se desea tales como: no linealidad, histéresis, comportamiento en frecuencia, efectos de la temperatura, aceleraciones, golpes y vibraciones. Otras consideraciones que se deben tener en cuenta pueden estar relacionadas con la disponibilidad, factores de costo, condiciones ambientales a las que se someterá, etcétera.
1.2. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES La señal obtenida de un sensor raramente está en condiciones de ser monitoreada o registrada y necesita ser incrementada en magnitud 38
o modificada de alguna manera antes de ser mostrada. Este proceso de preparación de la señal se efectúa por los acondicionadores de señal, cuya misión es adecuar la salida del elemento sensor para que pueda ser interpre tada y procesada como señal electrónica por el resto de los instrumentos. El acondicionamiento de señales convierte su dispositivo de adquisición de datos en un sistema completo y le ayuda a conectarse directamente a un amplio rango de tipos de sensores y señales, desde termopares hasta señales de alto voltaje. Las tecnolog as clave para acondicionamiento de señales mejoran de forma general, multiplican por 10 el rendimiento y la precisión del sistema de adquisición de datos. Amplificación
Los amplificadores aumentan el nivel de la señal de entrada para igualar el rango del convertidor analógico a digital (ADC), y de esta manera elevar l a resolución y sensibilidad de las medidas. Además, el usar acondicionamiento de señales externo ubicado cerca de la fuente de señal o transductor, mejora el ratio de señal-a-ruido, ele vando el nivel de s eñal antes de que se vea afectada por el ruido ambiental. Atenuación
La atenuación, el opuesto de amplificación, es necesaria cuando los voltajes que serán digitalizados están fuera del rango de entrada del digitalizador. Esta forma de acondicionamiento de señales disminuye la amplitud de la señal de entrada de tal manera que la señal condicionada está dentro del rango ADC. Además, es necesaria para medir altos voltajes. Aislamiento
Los dispositivos de acondicionamiento de señales aislados pasan la señal de su fuente al dispositivo de medida sin una conexión f sica usando técnicas de transformador, ópticas o de acoplamiento capacitivo. Además de romper l os lazos de tierra, el aislamiento bloquea picos de alto voltaje y rechaz a alto voltaje en modo común y as protege a los operadores y al valioso equipo de medida.
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Multiplexado
Con el multiplexado, un sistema de medida puede enrutar en secuencia múltiples señales a un solo digitalizador , as como brindar una manera rentable de incrementar la cuenta de canales del sistema. Normalmente se necesita multiplexado para todas las aplicaciones de muchos canales. Filtrado
El filtrado rechaza ruido no deseado dentro de un cierto rango de frecuencia. Casi todas las aplicaciones de adquisición de datos están sujetas a ciertos niveles de ruido de 50 o 60 Hz producidos por l neas de potencia o maquinaria. La mayor a de los acondicionadores de señales incluyen filtros pasabajo espec ficamente diseñados para brindar máximo r echazo de ruido de 50 a 60 Hz . Excitación
Algunos tr ansductores requiere n de excitación. Por ejemplo, ga lgas extensiométricas, termistores y R TDs requieren señales externas de excitación de voltaje o corriente. Las medidas de RTDs y termistores general mente se toman con una fuente de corriente que convierte la variación en resistencia a un voltaje que puede ser medido. Las ga lgas extensiométricas, que son dispositivos de muy baja resistencia, con frecuencia son usadas en la configuración de puente Wheatstone con una fuente de excitación de voltaje. Compensació n de unión fr a
La compensación de unión fr a es una tecnolog a que se requiere para medidas exactas de termopares. Cada vez que un termopar es conectado a un sistema de adquisición de datos, usted debe s aber la temperatura que hay en el punto de conexión (ya que esta unión representa otro “termopar” al medir y comúnmente inyecta un desfase a su medida) para calcular la temperatura real que su termopar está midiendo (ver Figura 1.35).
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Figura 1.35.T ecnolog as de acondicionamiento de señales.
1.3. ACTUADORES Como se mencionó al inicio, los actuadores son los que proveen la potencia mecánica en un sistema de control. Normalmente convierten energ a eléctrica en movimiento mecánico.
1.3.1. Clasificación Los actuadores pueden ser discretos o continuos en dependencia de que la acción requerida sea la de obtener una posición determinada o permitir ajustar la misma en un amplio rango de va lores. Los segundos tienden a ser dispositivos complejos mecánicamente y son más costosos, por lo que es preferible utilizar actuadores discretos para reducir costo y complejidad. Según el tipo de movimiento mecánico que provocan, se clasifican en actuadores lineales y actuadores rotatorios. Desde el punto de vista de la energ a que convierten en movimiento mecánico, se pueden clasificar en eléctricos, hidráulicos y neumáticos. Cada una de estas variantes tiene sus ventajas y desventajas que deben ser observadas cuando se diseña un sistema de control. Aunque existen va rios tipos de actuadores disponibles, los más comunes son los solenoides, los cilindros (neumáticos o hidráulicos) y los motores eléctricos.
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1.3.2. Solenoides Los solenoides son los actuadores más comunes y son sencillos dispositivos electromagnéticos cuyo principio de operación se basa en el movimiento de un núcleo ferromagnético dentro de un enrollado, como se muestra e n la Figura 1.36. Normalmente el núcleo es mantenido fuera de la bobina por un muelle. Cuando la bobina es energizada, se crea un campo m agnético y el núcleo es atra do ha cia su centro. De esta manera se obtiene un movimiento lineal. Las electroválvulas son una aplicación bien conocida de este tipo de actuador.
Figura 1.36. Solenoide.
Los solenoides pueden ser de corriente alterna o directa con diferentes voltajes nominales. También se construyen de régimen conti nuo cuando se diseñan capaces de trabajar todo el tiempo sin que el calentamiento los dañe, o de régimen intermitente cuando son para trabajar durante un corto per odo y el tiempo que permanecen desenergizados es suficiente para que se enfr en. La mayor a de los solenoides se construyen para ser alimentados con 24 V dc y consumen unos pocos cientos de miliamperes.
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1.3.3. Cilindros hidráulicos y neumáticos Los cilindros utilizan fluidos presurizados o aire para crear una fuerza lineal o movimiento (ver Figura 1.37). El fluido es bombeado a presión a un lado del cilindro y este se expande y adelanta al pistón. Debe permitirse que el fluido contenido en el otro lado del cilindro escape libremente, de lo contrario se comprimir a evitando el avance del pistón. La fuerza que el cilindro ejerce es proporcional al área de su sección transversal. Los cilindros pueden ser de simple acción con retorno del pistón mediante la acción de un muelle o de doble acción como el mostrado en la Figura 1.37.
Figura 1.37. Cilindros de doble acción.
Aunque solo se ha mencionado cómo funcionan básicamente los actuadores hidráulicos o neumáticos, estos en realidad son parte de sistemas completos destinados a suministrar fuerza o movimiento a los elementos de control final.
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Sistema hi dráulico.E n la Figura 1.38 se muestra un diagrama de un
sistema hidráulico completo empleando los s mbolos normalizados. Este sistema incluye el tanque, filtro, bomba, acumulador, válvula de control de presión, válvula de control direccional y cilindro. La bomba debe mantenerse trabajando mientras el sistema esté operando, mientras el cilindro no se encuentre trabajando, el fluido bombeado, después de llenar el acumulador, retorna al tanque a través de la válvula de control de pres ión. El empleo del filtro es de suma importancia para eliminar del sistema los pequeños contaminantes que pueda contener el fluido, evitándose la abrasión en diversos componentes del sistema y la reducción de su vida útil.
Figura 1.38.S istema hidráulico.
Sistema neumático.L os sistemas básicos incluyen un filtro para atra-
par las suciedades y el polvo antes de que penetren al sistema, un compresor que es la fuente aire comprimido, un secador para eliminar la humedad del aire, un regulador de presión, una válvula de control de flujo y el cili ndro neumático encargado de dar el movimiento mecánico (ver Figura 1.39).
Figura 1.39. Sistema neumático.
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1.3.4. Motores eléctricos Los motores son actuadores muy comunes. En su versión más difundida, se componen de una parte central rotatoria llamada rotor y de otra parte estacionaria llamada estator . Existe una gran variedad de configuración de motores eléctricos adecuados para diferentes aplicaciones. Dentro de los motores utilizados como actuadores podemos mencionar las categor as siguientes: – Motores de corriente alterna (giran con velocidad relativamente constante proporcional a la frecuencia de la fuente de suministro), dentro de estos tenemos: Motores de inducción, pueden ser del tipo jaula de ardilla o rotor bobinado. Son convertidores electromecánicos robustos, baratos y eficientes. Su velocidad de rotación es dependiente de la carga y se construyen monofásicos o trifásicos. Motores sincrónicos, giran a velocidad fija igual a la velocidad de rotación del campo magnético giratorio llamada velocidad sincrónica. Son muy eficientes. – Motores de corr iente directa, poseen amplios rangos de velocidad y par. Por sus caracter sticas constructivas pueden ser: Motores de imán permanente. Motores con el rotor y el estator bobinados (motores serie, shunt y compound ) . – Motores de paso. 1.3.4.1. Motores de corriente alterna
En estos motores, la corriente AC que circula por los devanados dispuestos en el estator crea un campo magnético giratorio. El número de polos es un múltiplo entero del número de fases y a medida que aumentan los polos, la velocidad del motor disminuye. El campo magnético giratorio del estator corta los conductores dispuestos en el rotor e induce en estos una corriente. La corriente inducida en el devanado del rotor interactúa con el campo magnético para crear un par que hace que este gir e. Un esquema simplificado de este tipo de máquinas se muestra en la Figura 1.40 junto a su caracter stica de par vs. velocidad. En dependencia del tipo de rotor, estos motores pueden ser de ja ula de ar dilla (conductores de aluminio fundidos en el r otor y cortocircuitados por anillos en sus extremos formando una estructura similar a una jaula) o de rotor bobinado (devanado del rotor formado 45
por bobinas de alambre de cobre dispuestas en ranuras de manera similar a como se dispone el devanado del estator).
Figura 1.40.D iagrama de un motor AC trifásico de seis polos y su caracter stica de operación.
Los motores de inducción giran a una velocidad ligeramente inferior a la velocidad de rotación del campo magnético y esta diferencia de velocidad es conocida como deslizamiento. El deslizamiento está dado por:
Donde:
es la velocidad del campo rotatorio, en r.p.m.; f
es la frecuencia de la red, en Hz; P e s el número de polos de la máquina y w re s la velocidad real del rotor, en r.p.m. A medida que aumenta la carga, el deslizamiento aumenta. Es posible controlar la velocidad del motor por medio de la frecuencia del voltaje de alimentación, para ello actualmente se emplean variadores de velocidad que utilizan la electrónica de potencia y que se encuentran disponibles en una amplia gama de potencias. Se emplean también como actuadores motores monofásicos en aplicaciones de baja potencia (por debajo de 1 HP). Estos pueden ser de diferentes tipos en dependencia de los modos de arranque y trabajo: Standard. De capacitor permanente. 46
De arranque por capacitor. De polo sombreado. Serie universal. Los motores sincrónicos se diferencian de los motores de inducción en que están diseñados para trabajar a velocidad constante igual a la sincrónica; en otras palabras, no tienen deslizamientro.
1.3.4.2. Motores de corriente directa
Los motores de corriente directa tienen una amplia regulación de velociodad y, además, tienen la ventaja de que pueden ser diseñados para trabajar con bajo voltaje (12 V dc, por ejemplo), esto facilita la interfaz con la electrónica y otros circuitos de control. Se clasifican en motores shunt, serie y compound en dependencia del tipo de excitación. Motor shunt : tiene las bobinas del rotor y del estator conectadas en paralelo, estos motores tienen una variación relativamente pequeña de la velocidad y esta puede ser controlada variando el voltaje de alimentación o introduciendo un reóstato en serie con el devanado del estator (Figura 1.41).
Figura 1.41.C ircuito y caracter stica par-velocidad de un motor shunt .
Motor serie: tiene las bobinas del rotor y del estator conectadas en serie; cuando la carga disminuye, la velocidad se incrementa pudiendo alcanzar velocidades peligrosas si el motor se encuentra en vac o, por lo que no se r ecomienda en aplicaciones donde se halle con muy baj a carg a. Posee mayor par de arranque que el motor shunt (Figura 1.42).
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Figura 1.42. Circuito y caracter stica par-velocidad de un motor serie.
Motor compound : es un motor shunt con un devanado serie adicional. Este devanado serie se puede conectar de manera que su efecto se sume al del campo shunt en cuyo caso el motor se llama “compound acumulativo”. Si el devanado serie se opone a los efectos del shunt , se denomina “compound diferencial”. Sus caracter sticas son una combinación de las caracter sticas del shunt y del serie. El motor compound diferencial tiene menos aplicación industrial, ya que su velocidad es muy inestable (Figura 1.43).
Figura 1.43.C aracter sticas par-velocidad de los motores compound .
1.3.4.3. Motores de paso
Los motores de paso son diseñados para posicionadores. Ellos se mueven un paso a la vez con un tamaño de paso t pico de 1.8º dando 200 pasos en cada revolución. Otros motores son diseñados para tamaños de paso de 1.8, 2.0, 2.5, 5, 15 y 30º. 48
Existen dos tipos básicos, los motores unipolares, que emplean devanados con derivación central y una sola fuente de suministro, y los motores bipolares, que requieren una alimentación positiva y negati va, y un circuito de conmutación más complejo (Figura 1.44).
Figura 1.44.D evanados de los motores de paso unipolar y bipolar.
Estos motores trabajan aplicando voltajes diferentes a los terminales del motor. Un patrón de alimentación para un motor unipolar puede verse en la Fig ura 1.45. Por ejemplo, el primer paso se puede lograr si aplicamos voltaje como se muestra en la primera fila. Para rotar el motor después se conectar an los voltajes según la fila 2, luego la 3, luego la 4 y de nuevo la 1, etcétera. Si se emplea una secuencia contraria a esta, se logra que el motor gire en sentido contrario. La dinámica del motor y la carga limitan la velocidad máxima de alternación, que normalmente es de unos cuantos miles de pasos por segundo. Cuando no se cambian los voltajes de salida, el motor mantiene la posición.
Figura 1.45.S ecuencia de control de un motor de paso unipol ar.
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Los motores de pasos no requieren retroalimentación, excepto cuando son usados en aplicaciones de alta fiabilidad y cuando las condiciones dinámicas provocan que se deslicen moviéndose un número de grados de la posic ión real. Ese deslizamiento no puede ser detectado sin retroalimentación de la posición. Una desventaja de estos motores es que son relativamente débiles comparados con otros tipos de motores.
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CAPÍ TU LO 2
SISTEMAS DE CONTROL
Un pilar básico para efectuar los cambios que se producen en la industria, lo constituye, sin duda, el nivel de automatización. Los avances en la teor a y la práctica del control automático, ya sea con controles individuales o con una computadora central, han permitido lograr una serie de ventajas en la industria, sustituyendo la labor manual y repetitiva del hombre por automatismos que realizan eficientemente muchas operaciones de rutina y cuyas ventajas pueden resumirse en los aspectos siguientes: Eliminación de los trabajos monótonos o que exigen atención concentrada. Eliminación de errores humanos. Disminución de los recursos humanos necesarios para la misma producción. Aumento de la cantidad del producto o del número de unidades fabricadas. Mejoras en la calidad. Mejor aprovechamiento de las materias primas. Disminución en el desgaste del equipamiento fabril. Cumplimiento de los requisitos medioambientales impuestos. Disminución en los consumos de energ a. A continuación se ofrecen una serie de definiciones de la terminolog a empleada en la descripción de los sistemas de control y que será empleada en el re sto del cap tulo.
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2.1. DEFINICIONES BÁSICAS Planta. Cualquier objeto f sico que deba controlars e (un horno, un
reactor qu mico, una columna de destilación). Proceso. Conjunto de operaciones que ocurren simultáneamente o en secuencia, para producir transfor maciones f sicas y(o) qu micas de la materia y que interactúan con el medio a través de las variables de salida, de las variables ma nipuladas y de las perturbaciones. Cualquier operación que deba controlars e (procesos biológicos, qu micos, económicos). Sistema. Combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo determinado. No está limitado a objetos f sicos (hay que interpretar el término sistema como referido a sistemas f sicos, biológicos, económicos, etc.). Control . Acción de actuar sobre un objeto o proceso para mantener o cambiar su estado según un valor deseado. Sistema controlado. Objeto o proceso sobre el que se actúa. Variables control adas o de salida. Son aquellas var iables del proceso cuyo valor el sistema de control debe mantener o controlar a lo largo del tiempo. Referencia. Valor deseado de la variable controlada. También se refiere como punto de consigna, valor prescrito o mando. Variables manipuladas. Son aquellas que pueden ser modificadas durante la operación del proceso, para que las variables de salida evolucionen según una pol tica preestablecida, por lo cual se relaciona con los elementos de actuación que influyen en el cambio de las variables controladas. Variable medida. Variable del proceso que representa la medición de la variable controlada. Variable de error . Diferencia entre la variable medida y la referencia. Variable o acción de control. Variable que define el controlador con el algoritmo que implemente y que depende de la señal de error del sistema. Perturbación. Señal que tiende a afectar la salida del sistema y sobre la cual este no actúa, interesa conocerlas para tomar acciones sobre el proceso que permitan atenuar los efectos indeseados que ellas causan. Pueden ser internas, cuando se generan dentro del sistema; o externas, cuando se generan fuera del sistema y constituyen una entrada. Estabilidad. Propiedad deseable en todo sistema de control que garantiza que el s istema se mantenga o alcance el es tado de equilibrio cada vez que es sometido a diferentes acciones de control. Realimentación. Propiedad de los sistemas de control donde se realimenta la variable medida al controlador. 52
2.2. OBJETIVOS DEL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS Tradicionalmente, el control de procesos se ha centrado en los ni veles inferiores de la jerarqu a de control: instrumentación, PID’s, estructuras de control, detección y diagnóstico de fallos, etcétera, ligados a unos pocos lazos de control. El objetivo del control es mantener las variables controladas próximas a unos valores de consigna fijados a criterio del personal de operación de la planta. Sin embargo, cada vez en mayor medida, el interés se centra en problemas de control de la planta completa, en los que intervienen muchas unidades de proceso que interaccionan. Asimismo, si la tendencia es mantener la planta en los puntos de operación deseados, lo lógico es que estos sean óptimos de acuerdo con algún criterio de optimización que considere los costos, respetando la calidad u otros factores de la producción, para lo cual se requiere la utilización de modelos coherentes y definir los criterios de optimización.
2.3. REGULADORES Y SERVOMECANISMOS El control automático resuelve dos tipos diferentes de problemas. El primero requiere que la variable controlada tenga un valor constante o var e lentame nte con el tiempo y tiene como tarea principal mantener la variable controlada en el valor deseado a pesar de las perturbaciones externas sobre el sistema al que pertenece. Este tipo de sistema de regulación automático constituye el caso de la mayor a de los controladores industriales. El control de la temperatura de un local, en el que el termostato es el control, constituye un ejemplo de sistema de regulación automático. En este sistema se compara el valor deseado (ajuste del termostato) con la temperatura de la habitación. La variación de la temperatura exterior constituye una perturbación en este sistema y a pesar de sus variaciones, el objetivo de e ste control es mantener la temper atura deseada dentro de la habitación. El segundo tipo de problemas se refiere a aquellos en los que la variable controla da debe mantener un valor deseado que cambia con el tiempo, de acuerdo con las órdenes dadas. Esta clase de control constituye el caso general de los servomecanismos. Un servomecanismo es un sistema de control en el cual la salida es alguna posición, velocidad o aceleración mecánica. Este tipo de sistema de control es ampliamente usado en la industria moderna en el funcionamiento totalmente automatizado de máquinas herramientas y como parte integral de muchos sistemas de control de procesos. 53
2.4. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Y EN LAZO CERRADO Los sistemas de control son aquellos sistemas que tienden a mantener una r elación preestablecida entre la variable de salida (variable controlada) y la referencia. En función del efecto de la retroalimentación pueden clasificarse en sistemas en lazo abierto y sistemas en lazo cerrado. Sistema de control en lazo abierto
La salida del sistema no tiene efecto sobre la acción de control (no se mide ni se retroalimenta), por lo tanto, no son sistemas de control realimentado (ver Figura 2.1).
Figura 2.1.S istema de control en lazo abierto.
En estos sistemas para cada entrada de referencia le corresponde una operación determinada, por lo tanto, la exactitud de este depende de su calibración y para que sean útiles deben mantener esa calibración. Cuando ocurre una perturbación, un sistema de control en lazo abierto no cumple su función, ya que no puede corregir su efecto. En la práctica, solo se puede utilizar un sistema de control en lazo abierto cuando se conoce la relación entre la entrada y la salida, de manera que este pueda ser calibrado y si no existen perturbaciones de ningún tipo. Ejemplos de sistemas de control en lazo abierto s on todos aquellos controlados por tiempo. Una lavadora de ropa doméstica es un ejemplo práctico de este tipo de sistemas. Todas las operaciones (remojado, lavado y enjuagado) se cumplen por tiempos. La máquina no mide la limpieza de la r opa que constituye, en definitiva, la variable de salida que interesa. Otros ejemplos de sistemas de control en lazo abierto son: las hornillas eléctricas, el horno de una cocina de gas, los semáforos accionados en función del tiempo, los ventiladores, las embotelladoras de refresco, etcétera. Sistema de contro l en lazo cerrado
En estos sistemas, la salida se mide y se retroal imenta, de manera que la salida tiene efecto sobre la acción de control. La diferencia entre 54
la referencia y la variable de salida o realimentación se conoce como señal de error actuante y se utiliza en el controlador para llevar la variable controlada al valor deseado. Estos sistemas son sistemas de control realimentados en los que la acción de realimentación se utiliza para reducir el error del sistema (ver Figura 2.2).
Figura 2.2.S istema de control en lazo cerrado.
Los sistemas de control en lazo cerrado pueden ser manuales o automáticos. En l os sistemas de control manual, la acción del hombre es la que cierra el lazo, el hombre actúa como controlador. En cambio, los sistemas de control automático poseen un controlador que recibe la señal de los instrumentos de medición y la compara con el valor deseado para generar una señal de error que actúe corrigiendo. Un ejemplo puede ser el control de la presión dentro de un depósito, como se muestra en la Figura 2.3.
Figura 2.3.C ontrol automático de la presión en el interior de un depósito.
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La variable controlada es la presión c , y la variable manipulada es el flujo de l a entrada m . El controlador, en función de la diferencia entre la referencia y la presión dentro del depósito, actúa s obre la válvula de entrada de flujo manipulando su apertura y, por consiguiente, el flujo de entrada. En este caso la perturbación más importante es el flujo de salida n. Si la perturbación n var a con el tiempo (solo en este caso se justifica el control automático), la relación dinámi ca entre las variables es, genéricamente: C = f ( m, t ) + g( n, t ) Los sistemas de control están constituidos por diferentes bloques funcionales que pueden ser representados en un diagrama en bloques (forma de re presentación que modela al sistema) y que muestra la dependencia entre las variables que interesan en el lazo de control. El lazo completo se muestra en la Figura 2.4, donde: r (t ) : señal de r eferencia e( t ) : señal de error e( t ) = r (t ) – b( t ) u( t ) : señal de control m( t ) : variable manipulada c (t ) : variable controlada b( t ) : variable medida n( t ) : perturbaci ón. Con el algoritmo de control, el controlador elabora la acción de control que ejecuta el elemento de acción final permitiendo que el proceso pase de un estado a otro. En función de los diferentes algoritmos de control existen diferentes tipos de controladores. Los elementos de acción final son los elementos del sistema que permiten alterar la variable manipulada hasta un valor conveniente para que la variable controlada regrese al valor deseado. En este caso el elemento de acción final es una válvula. El elemento de medida y transmisión, o canal de medición, término técnicamente más apropiado, es el que garantiza la retroalimentación del sistema, o sea, que el controlador disponga en cada momento de la medición de la variable controlada.
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Figura 2.4.D iagrama de bloques del control anterior.
2.5. DIAGRAMA DE BLOQUES Y FUNCIÓN TRANSFERENCIA Como se aprecia en la Figura 2.4, se utiliza un diagram a de bloques para representar las relaciones de dependencia entre las variables que interesan en el lazo de control. Cada uno de los componentes de este sistema de control se ha representado por un rectángulo con una entrada y con una salida. La entrada se indica con la flecha que apunta hacia el bloque y la salida, con la flecha que se aleja del bloque. Estas flechas se conocen como señales. Hay que destacar que la señal de salida es igual a la señal de entrada multiplicada por la función que se encuentra dentro del bloque y que modela esa componente del sistema (Figura 2.5).
Figura 2.5.E lemento de un diagrama de bloques.
Otro elemento presente en los diagramas son los detectores de error (Figura 2.6). Estos producen una señal que es la diferencia entre la referencia de entrada y la señal de retroalimentación.
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Figura 2.6.D iagrama de bloques de un detector de error.
Todos los elementos que forman el lazo de control de la Figura 2.4 pueden ser modelados mostrando dentro del bloque la función transferencia del elemento de que se trate. La función transferencia es una expresión matemática que relaciona la salida y la entrada de un sistema lineal invariante en el tiempo, en términos de los parámetros del sistema y es una propiedad del sistema en s , independiente de la función de entrada o excitadora. La función transferencia incluye las unidades necesaria s; sin embargo, no provee ninguna información respecto a la estructura f sica del sistema. Asimismo, está definida como la relación entre la transformada de Laplace de la salida (función respuesta) y la transformada de Laplace de la entrada (función excitadora), bajo la suposición de que todas las condiciones iniciales son cero. Usando este concepto se puede representar la dinámica de un sistema por ecuaciones algebraicas en s que representen a cada uno de los elementos del diagrama en bloques del sistema de control en lazo cerrado. Sea un sistema lineal invariante en el tiempo definido por la siguiente ecuación diferencial:
Donde y es la salida del sistema y x es la entrada. Se obtiene la función transferencia de este sistema tomando la transformada de Laplace de ambos miembros de la ecuación anterior , suponiendo todas las condiciones iniciales iguales a cero, o sea:
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2.6. ESTRATEGIAS DE CONTROL En general, existen diversas estrategias de control, pero la implementación de una de ellas debe justificarse económicamente. La estrategia más sencilla y de menor costo, que requiere menor inversión en el equipo y en la mano de obra necesaria para su diseño, implementación y mantenimiento, es el control por retroalimentación o sistema de control en lazo cerrado, que como se explicó toma la variable de control y la retroalimenta al controlador para que este pueda tomar una decisión. Este tipo de sistemas, a pesar de ser simples y compensar todas las perturbaciones, solo puede compensar la perturbación cua ndo l a vari able controlada se ha desviado del punto de control, esto es, la perturbación se debe propagar por todo el proceso antes de que la pueda compensar el control por retroalimentación, lo cual constituye una desventaja. Aunque el control por retroalimentación es la estrategia de control más común en las industrias de proceso, lo cual se ha logrado por su simplicidad; sin embargo, en algunos procesos, el control por retroalimentación no proporciona la función de control que se requiere por ser procesos dif ciles o imposibles de controlar cuando se recurre a los modos usuales de control o porque la variable que nos interesa no se puede medir directamente, para esos procesos se deben diseñar otros tipos de control. Una de las estrategias empleadas es el control anticipatorio ( Feedforward Control ). El objetivo del control anticipatorio es medir las perturbaciones y compensarlas antes de que la variable controlada se desv e del punto de control. Entre ejemplos de procesos en los que el control anticipatorio es de gran utilidad se tienen: los hornos con elevada constante de tiempo, las columnas de fraccionamiento, los procesos con transferencia de calor, los sistemas de control de pH, regulación del nivel de calderas, etcétera. Principio del control anticipatorio
Se considerará de nuevo, el esquema de bloques de un sistema de control por retroalimentación (Figura 2.4). La variable controlada c se desv a de su valor de equilibrio, coincidente con el valor deseado, debido a l a acción de la perturbación n. Es, por tanto, perfectamente posible medir las principales variables de carga (perturbaciones) que afecten el proceso. Siempre que tenga lugar una perturbación, es también posible calcular la corrección para ser introducida en la 59
variable manipulada, de manera que se pueda controla r el efecto de la perturbación. Esta acción correctiva es inmediata, independientemente de las constantes de tiempo que afecten a los elementos del proceso; no es necesario esperar la respuesta del proceso traducida por los reflejos de las perturbaciones sobr e la variable controlada, par a que s e inicie la acción de control. El control antici patorio permite cancelar las acciones perturbadoras antes que afecten a la variable manipulada, de esta manera, al menos teóricamente, el control anticipatorio podrá permitir un control más perfecto que el control por retroalimentación. Si no existieran errores, no solo en las hipótesis y ecuaciones establecidas, sino también en los elementos primari os y transmisores que miden las perturbaciones, y hasta en los dispositivos de cálculo y corrección, el sistema de control anticipatorio ser a suficiente para mantener la variable controlada en un valor constante. Sin embargo, debido a la existencia de estas causas de error, son de esperar desviaciones permanentes (offsets) en la variable controlada. Debido a esto es necesario incorporar un controlador de retroalimentación para corregir las desviaciones residuales de la variable controlada c . La salida del controlador de retroalim entación constituye el valor deseado para el sistema de control anticipatorio y se puede representar de manera general como el diagrama de bloques de la Figur a 2.7. La función del controlador de retroalimentación es solamente la de eliminar las des viaciones estáticas.
Figura 2.7.D iagrama de bloques de un sistema de control antici patorio.
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2.7. CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS SISTEMAS DE CONTROL Los sistemas de control se pueden clasificar de las siguientes maneras atendiendo a: Método de análisis y diseño
a) Sistemas lineales (sis temas en los cuales puede aplicarse el principio de superposición que establece que la re spuesta producida por la aplicación simultánea de dos entradas excitadoras distintas es la suma de las respuestas individuales). b) Sistemas no lineales. Tipo de señal
a) Sistemas de control continuo (aquellos en los que las señales son funciones de la variable continua tiempo). b) Sistemas de control discretos (las señales se pr esentan en forma de pulsos, son muestras de la señal continua en intervalos de tiempo espec ficos, ejemplo: el control mediante computadora o control digital directo). Variación de la variable en el tiempo
a) Sistemas variantes en el tiempo, en los que se considera la v ari ación de la vari able en el tiempo y la var iación de par ámetros dinámicos. Ejemplo de el lo es cuando se analiza el comportamiento de un cohete, donde debe tenerse en cuenta que su masa var a en el tiempo con el consumo de combustible. b) Sistemas invariantes en el tiempo. Número de entradas y salidas
a) Sistemas SISO (una sola entrada y una sola salida). b) Sistemas MIMO (múltiples entradas y múltiples salidas). Variación del comportamiento con la distancia
a) Sistemas de pará metros distribuidos (aquellos en los que su comportamiento var a con la distancia, ejemplo: una red hidráulica donde el flujo var a con la distancia). b) Sistema de parámetros concentrados. 61
2.8. ACCIONES BÁSICAS DE CONTROL La forma en que el control automático produce la señal de control se denomina acción de control . En los controles automáticos industriales son muy comunes los siguientes tipos de acciones de control: Acción de dos posiciones (ON-OFF). Acción proporcional (P). Acción integral (I). Acción proporcional-integral (PI). Acción proporcional-derivativo (PD). Acción proporcional-integral-derivativo (PID).
2.8.1. Acción de dos posiciones Este tipo de acción también se conoce con el nombre de ON-OFF o de todo o nada. Es un control relativamente simple y por eso muy empleado tanto en aplicaciones industriales como domésticas. En los sistemas de control con acción de dos posiciones, el elemento actuante solo tiene dos posiciones fijas, que casi siempre son: conectado y desconectado. La señal de control u(t) en este tipo de control permanece en un valor máximo o m nimo en dependencia del er ror actuante e(t), o sea: u( t ) = M1 = M2
para para
e( t ) > 0 e( t ) < 0
Los controles de dos posiciones son normalmente dispositivos eléctricos, por lo general una válvula con un solenoide como actuador. En la Figura 2.8 se muestra el diagrama de bloques de un control de dos posiciones. Como la conmutación se realiza en e = 0, un pequeño cambio en cualquier sentido lo har a conmutar, por lo que esta es muy frecuente. Esto har a que se deteriorara con rapidez el elemento de acción final o actuador. Para reducir este efecto, se provee al control deliberadamente de una brecha diferencial (Figura 2.9). Esta brecha diferencial hace que la salida del control u(t) mantenga su valor hasta que la señal de error actuante haya pasado levemente del valor de cero.
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Figura 2.8.D iagrama de bloques de un control de dos posiciones.
Figura 2.9.D iagrama de bloques de un control de dos posici ones con brecha diferencial.
Un ejemplo de este tipo de control lo constituye el sistema de control de nivel de l quido mostrado en la Figura 2.10. Con este control, la válvula está abierta o cerrada y el flujo de entrada es una constante positiva o cero. La señal de salida se mueve c ontinuamente entre los dos l mites requeridos mostrando una oscilación de la salida entre dos valores, como se observa en la Figura 2.10b). Esta respuesta es t pica de un control de dos posiciones. Otros ejemplos de control de dos posiciones son los equipos controlados por termostatos (refrigerador, horno eléctrico, aire acondicionado, plancha, etc.).
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Figura 2.10.S istema de control de nivel de l quido.
2.8.2. Acción proporcional (P) Como el propio nombre lo indica, la relación que une la variable manipulada m con el error e, es una relación lineal, expresada por la siguiente ley matemática: u( t ) = Kp . e( t ) + uo Donde: Kp: ganancia proporcional. uO : valor de salida del controlador cuando e( t ) = 0 y se suele seleccionar en el medio de la gama de salida del controlador. En los controladores comerciales se recomienda situar la condición inicial de la salida de la m anera siguiente: Señales eléctricas uO = 12 mA 4-20 mA uO = 3 V 1-5 V Señales neumáticas uO = 9 psi 3-15 psi 2 0,2-1 kgf /cm uO = 0,6 kgf/cm 2 uO = 60 kPa 20-100 kPa La ganancia proporcional es igual a la variación de la señal de control u cuando existe una variación unitaria del error e:
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En magnitudes transformadas de Laplace:
El diagrama de bloques de la acción proporcional se muestra en la Figura 2.11. El control proporcional es esencialmente un amplificador de ganancia ajustable. Es muy común que en los controladores comerciales este paráme tro no se dé como ganancia, sino como el inverso de la ganancia, conocido como banda proporcional. % Banda proporcional =
Figura 2.11.D iagrama de bloques de un control proporcional.
La acción proporcional se puede representar gráficamente (Figura 2.12) para el caso en que el error e sufriera una variación unitaria y en escalón ( e= 1). Desprec iando las constantes de tiem po y los atrasos del controlador, la variable sigue fielmente el progreso de e.
Figura 2.12.R espuesta de un control proporcional ante una referencia escalón unitario.
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En dependencia de las caracter sticas del sistema, a un paso escalón en la referencia, la acción de control proporcional puede tener un error de estado estacionario ( e( t ), t ) diferente de cero. En ese caso puede disminuirse aumentando la ganancia Kp, aunque una ganancia muy grande hace que el control se comporte como un control de dos posiciones.
2.8.3. Acción integral (I) Con la acción integral, el controlador genera una señal de control que depende de la i ntegral del error ea lo largo del tiempo y se expresa como:
Donde: i : constante conocida como tiempo de integr ación o tiempo integral. La función transferencia del control integral es:
El diagrama de bloques de este tipo de control se muestra en la Figura 2.13.
Figura 2.13. Diagrama de bloques de un control integral.
La Figura 2.14 muestra la señal de control generada por la acción integral para el caso de una variación en escalón e igual a la unidad de la señal de error. Para un error actuante e( t ) = 0, la salida del contro66
lador se mantiene estacionaria. En este tipo de control mientras menor es el tiempo de integración, mayor es su efecto sobre la salida del controlador. Para una entrada de referencia tipo escalón unitario, el error de estado estacionario es cero ( e ss = 0).
Figura 2.14.R espuesta de un control integral ante una referencia escalón unitario.
2.8.4. Acción proporcional-integral (PI) Una acción proporcional utilizada aisladamente solo puede ser satisfactoria en algunos controles que no tengan grandes exigencias, ya que conducen a desviaciones permanentes (offsets) de la variable controlada. Esta desviación permanente se anula por el uso de acciones proporcionales e integrales combinadas. La acción de control PI se expresa por la siguiente ecuación:
La función transferencia será:
Donde Kpe s la ganancia y i e s el tiempo integral. Tanto Kpc omo i son parámetros regulables. El tiempo integral regula la acción de control integr al, mientras la ganancia Kpa fecta tanto la parte integral como la proporcional de la acción de control. La Figura 2.15 muestra un diagrama de bloques de un control con acción PI. Si la señal de error e(t)e s un escalón unitario, la salida es la que se muestra en la Figura 2.16. 67
Figura 2.15. Diagrama de bloques de un control PI.
Figura 2.16. Respuesta de un control PI ante una referencia escalón unitario.
2.8.5. Acción proporcional-derivativo (PD) En algunos sistemas es importante la rapidez de la acción de control en la salida del sistema y, por ende, se introduce un término derivativo que se combina con una acción proporcional dando lugar a la acción PD que queda definida por la siguiente expresión:
Y la función transferencia es:
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Donde Kp es la ganancia proporcional y d es el tiempo derivativo, ambos parámetros son regulables. En el término derivativo de esta acción, la señal de control u depende de la derivada del error e. La acción derivativa no se puede utilizar aisladamente y para una entrada escalón no tiene sentido, ya que, en tal caso, tendr a una derivada infinita en el punto de discontinuidad de e. También hay que notar que este tipo de acción no tiene efecto en el estado estacionario. En la Figura 2.17 se muestra el diagrama de bloques de este tipo de control.
Figura 2.17.D iagrama de bloques de un control PD.
2.8.6. Acción proporcional-integral-derivativo (PID) Otro tipo de acción muy utilizada es la que resulta de la asociación de las acciones proporcional, integral y derivativa, dando origen a la acción de control PID. Además de la eliminación del offset, se consigue, con regulaciones apropiadas, estabilizar el proceso y un retorno más rápido al equilibrio de lo que se obtendr a con un control PI. Sin embargo, existen casos dif ciles (procesos con retr oalimentaciones positivas internas o con grandes constantes de tiempo) en los que no basta la acción PID. En este caso se recurre a estrategias avanzadas de control como: el control anticipatorio, controladores en cascada, etcétera. La ecuación que relaciona la señal de control con el error actuante es la siguiente:
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La función transferencia es:
Donde Kp es la ganancia proporcional, i es el tiempo integral y d es el tiempo derivativo. En la Figura 2.18 se puede ver el diagrama de bloques de este tipo de control.
Figura 2.18. Diagrama de bloques de un controlador PID.
2.9. CRITERIOS DE COMPORTAMIENTO Existen varios parámetros, tanto transitorios como de estado estacionario, que indican cuán bueno (o malo) es un si stema de control. En la práctica, estos parámetros deseados se especifican en términos de cantidades en el dominio del tiempo. Normalmente la respuesta de un sistema se especifica en términos de su respuesta transitoria a una entrada escalón unitario. La respuesta de un sistema de control real a menudo presenta oscilaciones amortiguadas antes de alcanzar el estado estacionario. Las caracter sticas de respuesta transitoria, cuando la entrada es un esca lón unitario, están determinadas por los parámetros que se indican gráficamente en la Figura 2.19 y que se especifican a continuación: Tiempo de retardo, td : es el tiempo que tarda la respuesta en alcanzar por primera vez la mitad del valor final. Tiempo de crecimiento, tr : es el tiempo requerido para que la respuesta crezca de 10 a 90 %, de 5 a 95 % o de 0 a 100% de su valor final. Para sistemas subamortiguados se emplea como tiempo de crecimiento el criterio de 0 a 100 %, para sistemas sobr eamortiguados se utiliza el tiempo de crecimiento de 10 a 90 %. 70
Tiempo de pico, tp: es el tiempo requerido para que la respuesta alcance el primer pico del sobreimpulso. Máximo sobreimpulso (%), Mp: es el valor pico máximo de la curva de respuesta medido desde la unidad. Si el valor final estabilizado de la re spuesta difiere de la unidad, se emplea el máximo sobreimpulso porcentual definido del siguiente modo:
Tiempo de establecimiento, ts: tiempo requerido por la curva de respuesta para alcanzar y mantenerse dentro de determinado rango alrededor del valor final (habitualmente de 5 a 2 %).
Figura 2.19. Curva de respuesta a un escalón unitario.
2.10. REGLAS DE SINTONIZACIÓN PARA CONTROLADORES PID Para ajustar las constantes Kp, i y d se puede usar un procedimiento práctico. Primero, estas constantes son ajustadas a valores iniciales y el controlador es conectado al sistema, que puede ser o el 71
sistema real o una simulación por computadora. Luego el sistema se opera y se observa la respuesta. Basados en la respuesta, se ajustan Kp, i y d , y el sistema es operado otra vez. Este proceso iterativo para ajustar cada constante en forma ordenada hasta que la respuesta deseada de sistema sea lograda, se llama afinación. Aunque existen muchos métodos para sintonizar controladores PID, dos muy comunes fueron desarrollados por Zieler y Nichols, y se denominan método del ciclo continuo y método de la curva de reacción. El método del ciclo continuo (método de lazo cerrado) puede ser utilizado cuando no se producen daños si el sistema entra en oscilación. Con este método se obtiene un sistema con una respuesta rápida, lo cual significa que ante una entrada escalón unitario, se producirá un ligero sobreimpulso que se amortigua muy rápidamente. El procedimiento es el siguiente: Ajustar Kp = 0 , i = y d = 0, y conectar el controlador al sistema. Utilizando el control manual, ajustar el sistema hasta que opere en la mitad de su rango. Entonces se incrementa la ganancia proporcional Kp* mientras se fuerzan pequeños disturbios en el punto de ajuste, hasta que el sistema oscile con una amplitud constante como se muestra en la Figura 2.20a). Se toma el valor de Kp* y de Tc p ara esta condición. Basado en el valor de Kp* y Tc del paso anterior, se calculan los ajustes de las constantes como sigue: Kp = 0,6 . Kp*
Utilizando los ajustes del paso anterior, se opera el sistema, se realizan ajustes teniendo en cuenta que un incremento en Kp produce una respuesta más rápida, disminuir i reduce el tiempo en el cual se alcanza un error cercano a cero y un incremento en d disminuye el máximo sobreimpulso. Por supuesto, Kp, i y d no actúan independientes, por lo tanto, el cambio en uno de ellos tendrá efectos sobre toda la respuesta del sistema. La sinton a del sistema es un proceso iterativo de reali zar pequeños y pequeños ajustes hasta que se alcanza la respuesta deseada (Figura 2.20b)). 72
Figura 2.20.R espuesta del sistema para sinton a de un regulador PID.
El mé todo de la c urva de reacción (método de lazo abierto) es otra forma de determinar los parámetros iniciales del controlador PID. Este método no requiere llevar el sistema a la oscilac ión. En su lugar, se abr e el lazo de retroalimentación y el controlador es manualmente dirigido a dar a la salida una pequeña función escalón par a el actuador. La respuesta del sistema como la reporta el sensor, es utilizada para calcular Kp, i y d . D ebido a que se trabaja en lazo abierto, este procedimiento funcionará solo para sistemas inherentemente estables. Una posible prueba se muestra en la Figura 2.21a), aqu el lazo es abierto y se coloca el controlador en modo manual, entonces una pequeña función escalón se introduce manualmente. Esta señal provoca que la variable controlada se mueva ligeramente, y se observa la respuesta en la posic ión resultante. Una curva de respuesta t pica se muestra en la Figura 2.21b). Observe que el eje vertical se corresponde con el rango de la var iable de proceso (en porcentaje). Las constantes del sistema son calculadas basadas en la curva de respuesta, como se muestra a continuación: Se traza una l nea tangente a la curva de respuesta que definirá los tiempos L y T . L es el retardo de tiempo entre la salida del controlador y la respuesta de la variable controlada. Se calcula la pendiente de la curva:
Donde PV es el cambio de la variable del proceso, en porcentaje.
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Calcular las constantes del controlador PID:
Donde CV es el por ciento de cambio en la señal de control (salida del controlador). i = 2 L d = 0,5 L
Figura 2.21. Prueba y respuesta del método de la curva de reacción.
2.11. SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE CONTROL La simulación no es más que la reproducción del comportamiento dinámico de un sis tema real basado en un sistema con el fin de llegar a conclusiones aplicables al mundo real. También se puede hablar de la simulación como el proceso de diseñar el modelo de un sistema real con el objetivo de describirlo, explicarlo y predecir su comportamiento a partir de experimentos basados en computadoras. Entre las aplicaciones de la simulación digital se tienen: Análisis y diseño de sistemas de control. Simuladores para entrenamiento de personal (tr ipulantes de na ves, operadores de procesos). Evaluación de dispositivos de alta tecnolog a. 74
Simulación discreta (ejemplo: tráfico telefónico). Existen varias técnicas para la simulación digital dentro de las que se pueden mencionar: 1. Solución numérica de ecuaciones diferenciales: se res uelve la ecuación diferencial por métodos numéricos. 2. Métodos operacionales: no se resuelve la ecuación diferencial, se simula la función transferencial. 3. Lenguajes de si mulación: son paquetes de programas especialmente dedicados para simular. Entre las herramientas existentes actualmente para simulación de sistemas de control se puede mencionar el Simulink de Matlab. Para un estudio que permita el dominio de esta herramie nta de simulación es necesario remitirse a la ayuda del Matlab. Con esta herramienta se utilizan directamente representaciones en diagrama en bloques para realizar análisis y simulación de sistemas de control, como se puede apreciar en el si guiente ejemplo: Un sistema de control de nivel como el mostrado en la Figura 2.22 se diseña para controlar el nivel h del tanque aun cuando var e el flujo de salida qo, si el nivel no es correcto (diferente del valor de referencia r ), el detector de error del controlador produce un error e y acorde con este error actúa el controlador aplicando un voltaje (señal de control m ) al actuador de la válvula para variar la posición de esta y cambiar la razón de llenado del tanque. Las siguientes relaciones se cumplen en el sistema: Error detectado, en m: E ( s ) = R( s ) – H( s ) Salida del controlador, en V: M1= G1 . E ( s ) Flujo de alimentación del tanque, en m 3 /s: Q( s ) = Kv . M1 Nivel del tanque, en m: H( s ) = G2 . Q( s ) Las constantes y las funciones transferencias pertinentes son las siguientes: G 1 = Kp Función transferencia del controlador proporcional
Función transferencia del sistema Resistencia al flujo de l quido: R = 100 m/m3 /s Capacitancia del tanque: C = 12 m3 /m Ganancia de la válvula de control: Kv = 0,01 m3 /s por V de salida del controlador Ganancia del sensor: Kb = 1 V/m 75
Figura 2.22. Sistema de control de nivel de capacidad única.
Para el caso de que la ganancia del controlador proporcional sea Kp= 25, se construye el diagrama de bloques en el S imulink de Matlab quedando como se muestra en la Figura 2.23.
Figura 2.23.V entana que muestra el diag rama de bloques del sistema de control de nivel para el caso en que se emplea un controlador proporcional.
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La curva de la respuesta debido a la simulación ante una señal escalón unitario se muestra en la Figura 2.24.
Figura Figura 2.24. Respues Respuesta ta del del sistem sistema con un cont c ontro rola lador dor proporc pr oporcio ional nal ante una señal eña l escal escalón. ón.
En la Figura 2.24 se aprecia apreci a que que la sali s alida da del del siste sis tema ma nunca nunca llega al valor deseado, deseado, existiend ex istiendo o un error err or de estado estacion estaci onar ario io deno denominado minado corrimiento. Este error se hace pequeño a medida que se aumenta la ganancia y puede ser eliminado si se introduce acción integral dentro del control. La Figura 2.25 muestra el modelo del sistema anterior si se utiliza un controlador PI, manteniendo la ganancia Kp = 25 y con un tiempo integral i = 100. La respuesta del sistema obtenida por simulación ante ante una una entra entrada da escal e scalón ón unit unitar ario io se muest m uestra ra en la Figura F igura 2.26. 2.26. Puede Puede apreciarse que q ue el error en estado estado es tacionari acionario o e ss = 0.
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Figura 2.25.V entana que muest muestra ra el diag dia g rama de bloque bloqu es del del sistema sistema de control con trol de nivel para el caso en que q ue se emple mpl ea un cont co ntro rola lad dor proporci ro porcional-in onal-integr tegral al..
Figura 2.26.R espue espuesta sta del siste sistema ma con co n un contro cont rola lador dor propo r oporc rcional ional-integra -integrall ante una señal escal escalón. ón.
C APÍ TULO 3
CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)
En este cap tulo se aborda aborda el el te ma de de los Controlad Controladores ores Lógicos Lógicos Programables, de las siglas en inglés (PLC), también conocidos como autómatas.
3.1. PEQUEÑA RESEÑA HISTÓRICA Los PLC’s se introdujeron por primera vez en la industria en 1960 aproximadamen aproximadame nte. La r azón pr principal incipal de tal hecho fue la necesidad de elimin mi nar el gran gr an costo que que se produc produc a al reemp re empla lazzar el complej complejo o sis si stema de control control basado basa do en rel relés és y contac contactor tores es.. La Bedford Associates propuso algo denominado Controlador Digital Modula Modularr (MOD (MODIC ICON ON,, MOdula MOdularr DIgit DIg itaal CONtroler) a un gran fabricante de coches coches.. Otra Otrass compañ compañ as propu propusi sieeron, on, a la vez, vez, esque e squema mass basados as ados en ordenador, denador, uno de los cuales uales se basa basa-ba en el PDP-8. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente. El problema de los relés era que cuando los requerimientos de produ producc cción ión cambiab cambiaban an,, también también lo hac hac a el sistema de con control. trol. Esto comenzó a resultar bastante caro cuando los cambios fueron frecuentes. Dado que los relés son dispositivos mecánicos y poseen una vida limitada, se requer a una estricta manutención planificada. Además, a 79
veces se deb an realizar conexiones entre cientos o miles de relés, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseño y mantenimiento. Los “nuevos contr oladores” deb an ser fácilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida deb a ser largo y los cambios en el programa ten an que realizarse de forma sencilla. Finalmente se impon a que trabaja ran sin problemas en entornos industriales adversos. La solución fue el empleo de una técnica de program ación familiar y reemplazar los relés mecánicos por relés de estado sólido. A mediados de los setenta, las tecnolog as dominantes de los PLC’s eran máquinas de estado secuenciales y CPU basadas en desplazamiento de bit. Los AMD 2901 y 2903 fueron muy populares en el MODICON y PLC’s A-B. Los microprocesadores convencionales cedieron la potencia necesar ia para resol ver de for ma r ápida y completa la lógica de los pequeños PLC’s. Por cada modelo de micr oprocesador hab a un modelo de PLC basado en el mism o. No obstante, el 2903 fue de los más utilizados. Las habilidades de comunicación comenzaron a aparecer en 1973 aproximadamente. El primer sistema fue el bus Modicon (Modbus). El PLC pod a ahora dialogar con otros PLC’s y en conjunto pod an estar aislados de las máquinas que controlaban. También pod an enviar y recibir señales de tensión variables, entrando en el mundo analógico. Desafortunadamente, la falta de un estándar acompañado con un continuo cambio tecnológico ha hecho que la comunicación de PLC’s sea un maremágnum de sistemas f sicos y protocolos incompatibles entre s . No obstante, fue una gran década para los PLC’s. En los ochenta se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones con el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de la General Motor’s. También fue un tiempo en el que se redujeron las dimensiones del PLC y se pasó a programar con programación simbólica a través de ordenadores personales en vez de los clásicos terminales de programación. Hoy d a el PLC más pequeño es del tamaño de un simple relé.
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Los noventa mostraron una gradual reducción en el número de nuevos pr otocolos y en la modernización de las capas f sicas de los protocolos más populares que sobrevivieron a los ochenta. El último estándar (IEC 1131-3) intenta unificar el sistema de programación de todos los PLC’s en un único estándar internacional. Ahora disponemos de PLC’s que pueden ser programados en diagramas de bloques, lista de instrucciones y texto estructurado al mismo tiempo. Los PC’s están comenzando a reemplazar al PLC en algunas aplicaciones, incluso la compañ a que introdujo el MODICON 084 ha cambiado al control basado en PC, por lo cual, no ser a de extrañar que en un futuro no muy lejano el PLC desaparezca frente al cada vez más potente PC, debido a las posibilidades que los ordenadores pueden proporcionar.
3.2. INTRODUCCIÓN A LOS PLC Hasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se hac a de forma cableada por medio de contactores y r elés. Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exig a tener altos conocimientos técnicos para poder rea lizar las y posteriormente mantener las. A demás, cualquier vari ación en el proceso supon a modificar f sicamente gran parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran esfuerzo técnico y un mayor desembolso económico. En la actualidad, no se puede entender un proceso complejo de alto nivel desarrollado por técnicas cableadas. El ordenador y los autómatas programables han intervenido de forma considerable para que este tipo de instalaciones se hayan visto sustituidas por otras controladas de forma programada. El Autómata Programable Industrial (API) nació como solución al control de circuitos complejos de automatización. Por lo tanto, se puede decir que un API no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A él se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores,...) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, pequeños receptores,...), por otra (ver Figura 3.1).
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Figura 3.1.E squema del autómata programable TSX17-10.
3.2.1. Definición de autómata programable Se entiende por Controlador Lógico Programable (PLC), o autómata programable, a toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Esta definición se está quedando un poco desfasada, ya que han aparecido los micro-plc’s, destinados a pequeñas necesidades y al alcance de cualquier persona.
3.2.2. Campos de aplicación Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidades: Espacio reducido. Procesos de producción periódicamente cambiantes. Procesos secuenciales. Maquinaria de procesos variables. Instalaciones de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso. Aplicaciones generales: Maniobra de máquinas. 82
Maniobra de instalaciones. Señalización y control. Tal y como se mencionó anteriormente, esto se refiere a los autómatas programables industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para uso más personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como la puerta de una cochera o el alumbrado).
3.2.3. Ventajas e inconvenientes de los PLC’s Entre sus ventajas están: Menor tiempo de elaboración de proyectos. Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros componentes. M nimo espacio de ocupación. Menor costo de mano de obra. Mantenimiento económico. Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata. Menor tiempo de puesta en funcionamiento. Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial, puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción. Entre los inconvenientes se puede mencionar: Adiestramiento de técnicos. Costo. Hoy en d a, estos inconvenientes se han minimizado, ya que en todas las carreras de ingenier a se incluye la automatización como una de sus asignaturas y en cuanto al costo, tampoco hay muchos problemas, pues hay autómatas para todas las necesidades y a precios ajustados.
3.3. ESTRUCTURA. CONCEPTOS GENERALES La mejor opción para el control de procesos industriales es el empleo de autómatas programables. Estos aparatos se basan en la aplicación de un microcontrolador para el manejo de las entradas y salidas. La memoria del aparato contendrá tanto el programa de usuario que se introduzca como el sistema operativo que permite ejecutar secuencialmente las instrucciones del programa. De forma opcional, en la mayor a de los 83
autómatas, también se incluyen una serie de funciones preimplementadas de uso general (como reguladores PID). La mayor ventaja es que si hay que variar el proceso basta con cambiar el programa introducido en el autómata (en la mayor a de los casos). Otra ventaja es que el autómata también permite saber el estado del proceso, incluyendo la adquisición de datos para un posterior estudio.
3.3.1. Estructura externa Todos los autómatas programables poseen una de las si guientes estructuras: Compacta: en un solo bloque están todos lo elementos. Modular: – Estructura amer icana: separa las E/S del resto del autómata. – Estructura europea: cada módulo es una función (fuente de alimentación, CPU, E/S, etc.). Exteriormente nos encontraremos con cajas que contienen una de estas estructuras, las cuales poseen indicadores y conectores en función del modelo y fabricante. Para el caso de una estructura modular se dispone de la posibilidad de fijar los distintos módulos en ra les normalizados, para que el con junto sea compacto y resistente. Los microautómatas suelen venir sin caja, en formato kit, ya que su empleo no es determinado y se suele incluir dentro de un conjunto más grande de control o dentro de la misma maquinaria que se debe controlar (ver Figura 3.2).
Figura 3.2.E jemplos de PLC.
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3.3.2. Estructura interna En la Figura 3.3 se muestra la estructura interna de un PLC.
Figura 3.3.E structura int erna de un PLC.
Los elementos esenciales que todo autómata programable posee como m nimo, son: Sección de entradas: se trata de l neas de entrada, las cuales pueden ser de tipo digital o analógico. En ambos casos tenemos unos rangos de tensión caracter sticos, los cuales se encuentran en las hojas de caracter sticas del fabricante. A estas l neas se conectan los sensores. Sección de salidas: son una serie de l neas de salida, que también pueden ser de carácter digital o analógico. A estas l neas se conectan los actuadores. Unidad central de proceso (CPU): se encarga de procesar el programa de usuar io que le intr oducir emos. Para ell o disponemos de diversas zonas de memoria, registros e instrucciones de progra ma. Adicionalmente, en determinados modelos más avanzados, se dispone de funciones ya integradas en la CPU, como reguladores PID, control de posición, etcétera (ver Figura 3.4).
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Figura 3.4.E ntradas y salidas de lo s PLC’s.
Tanto las entradas como las salidas están aisladas de la CPU según el tipo de autómata que se utilice. Normalmente se suelen emplear optoacopladores en las entradas y relés/optoacopladores en las salidas. Aparte de estos se puede disponer de los siguientes: Unidad de alimentación (algunas CPU la llevan incluida). Unidad o consola de programación: que permitirá introducir, modificar y supervisar el programa de usuario. Dispositivos periféricos: como nuevas unidades de E/S, más memoria, unidades de comunicación en red, etcétera. Interfases: facilitan la comunicación del autómata mediante enlace serie con otros dispositivos (como un PC). En los siguientes apartados se trata la estructura de cada elemento. 3.3.2.1. Memoria
Dentro de la CPU vamos a disponer de un área de memoria, la cual se emplea para diversas funciones: Memoria del programa de usuario: aqu se introduce el programa que el autómata va a ejecutar c clicamente. Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas según el tipo de datos (como marcas de memoria, temporizadores, contadores, etc.). Memoria del sistema: aqu se encuentra el programa en código máquina que monitoriza el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa es ejecutado directamente por el microprocesador/microcontrolador que posea el autómata. 86
Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que se emplea para almacenar el programa de usuari o, y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla de datos. Suele ser de uno de los siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH. Cada autómata divide su memoria de esta forma genérica, haciendo subdivisiones espec ficas según el model o y fabricante.
3.3.2.2. CPU
La CPU es el corazón del autómata programable. Es la encargada de ejecutar el programa de usuario mediante el programa del sistema (es decir, el programa de usuario es interpretado por el programa del sistema). Sus funciones son: Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda un determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta función se le suele denominar Watchdog (perro guardián). Ejecutar el programa de usuario. Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas. Renovar el estado de las salidas en función de su imagen, obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario. Chequeo del sistema. Para ello el autómata va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma continua:
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3.3.3. Unidades de E/S (entrada y salida de datos) Generalmente se dispone de dos tipos de E/S: Digital. Analógica. Las E/S digitales se basan en el principio de todo o nada, es decir, o no conducen señal alguna o poseen un nivel m nimo de tensión. Estas E/S se manejan a nivel de bit dentro del programa de usuario. Las E/S analógicas pueden poseer cualquier valor dentro de un rango determinado especificado por el fabricante. Se basan en convers ores A/D y D/A ai slados de la CPU (ópticamente o por etapa de potencia). Estas señales se manejan a nivel de byte o palabra (8/16 bits) dentro del programa de usuario. Las E/S son le das y escritas dependiendo del modelo y del fabricante, o sea, pueden estar incluidas sus imágenes dentro del área de memoria o ser manejadas a través de instrucciones espec ficas de E/S (ver Figura 3.5).
Figura 3.5.U nidades de entrada/salida.
3.3.4. Interfases Todo autómata, salvo casos excepcionales, posee la virtud de poder comunicarse con otros dispositivos (como un PC). Lo normal es que posea una E/S serie del tipo RS-232 / RS-422. A través de esta l nea se pueden manejar todas las caracter sticas internas del autómata, incluida su programación, y suele emplearse para monitoreo del proceso en otro lugar separado. 88
3.3.4.1. Equipos o unidades de programación
El autómata debe disponer de alguna forma de programación, la cual se suele realizar empleando alguno de los siguientes elementos: Unidad de programación: suele ser en forma de calculadora. Es la forma más sim ple de programar el autómata, y se suele reser var para pequeñas modificaciones del programa o la lectura de datos en el lugar de colocación del autómata. Consola de prog ramación: es un terminal a modo de ordenador que proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario y observar parámetros internos del autómata. Desfasado actualmente. PC: es el modo más potente y empleado en la actualidad. Permite programar desde un ordenador personal estándar, con todo lo que ello supone: herramientas más potentes, posibilidad de almacenamiento en soporte magnético, i mpr esión, transferencia de datos, monitorización mediante software SCADA, etcétera. Para cada caso, el fabricante proporciona lo necesar io, bien el equipo o el software/cables adecuados. Cada equipo, dependiendo del modelo y fabricante, puede poseer una conexión a uno o varios de los elementos anteriores. En el caso de los micro-plc’s se escoge la programación por PC o por unidad de programación integrada en la propia CPU (ver Figura 3.6).
Figura 3.6.E jemplo de equipo o unidad de programación.
3.3.4.2. Dispositivos periféricos
El autómata programable, en la mayor a de los casos, puede ser ampliable. Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, 89
que van desde las redes internas (LAN, etc.), módulos auxiliares de E/S, memoria adicional, hasta la conexión con otros autómatas del mismo modelo (ver Figura 3.7).
Figura 3.7. Ejemplo de dispositivos periféricos.
Cada fabricante facilita las posibilidades de ampliación de sus modelos, los cuales pueden variar, incluso, entre modelos de la misma serie.
3.3.5. Ciclo de trabajo de un autómata El autómata va a ejecutar el programa de usuario en un tiempo determinado, el cual va a depender, sobre todo, de la longitud del programa. Esto es debido a que cada instrucción tarda un tiempo determinado en ejecutarse, por lo que en procesos rápidos será un factor cr tico. En un sistema de control mediante autómata programable tendremos los siguientes tiempos: 1. Retardo de entrada. 2. Vigilancia y exploración de las entradas. 3. Ejecución del programa de usuario. 4. Transmisión de las salidas. 5. Retardo en salidas. Los puntos 2, 3 y 4 sumados dan como total el tiempo de ciclo del autómata. Tras este ciclo es cuando se modifican las salidas, por lo que si var an durante la ejecución del programa, tomarán como valor el último que se haya asignado.
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Esto es as debido a que no se manejan directamente las entradas y las salidas, sino una imagen en memoria de estas que se adquiere al comienzo del ciclo (2) y se modifica al final de este (retardo). En la etapa de vigilancia ( watchdog ) se comprueba si se sobrepasó el tiempo máximo de ciclo, activándose en caso afirmativo la señal de error correspondiente.
3.4. ESTRUCTURA INTERNA DEL PLC A continuación se describe de forma abreviada la estructura interna de los autómatas programables (PLC).
3.4.1. Entradas y salidas Salvo excepciones y ampliaciones, los autómatas presentan ocho entradas (E) norma les de 1 bit: E32.0 ... E32.7 y dos entradas especiales de 1bit: E33.0 y E33.1. Estas últimas tienen la peculiaridad de funcionar como entradas digitales o como entrada de alarma (E33.0) y entrada rápida (E33.1). Hay seis salidas (A) de 1 bit cada una: A32.0 ... A32.5.
3.4.2. Marcas de memoria También son denominadas como variables de memoria. Son de propósito general, es decir, podremos emplearlas en lo que se desee. Se distinguen dos tipos de marcas de memoria: Remanentes: estas marcas permanecerán en memoria aunque se apague el autómata. En total hay 64 bytes de memoria para estas marcas, por lo que existen 512 marcas remanentes de 1 bit cada una: M0.0 ... M63.7. No remanentes: estas marcas se borrarán en cuanto se apague el autómata. También se tiene 64 bytes destinados a estas marcas, por lo que existen 512 marcas no remanentes de 1 bit cada una: M64.0 ... M127.7. Hay que destacar que las marcas se ponen a cero cada vez que reseteamos el autómata. Esta caracter stica puede ser de mucha utilidad en algunos casos.
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3.4.3. Registros y acumuladores Todas las operaciones que hagamos con las entradas y las salidas se deben efectuar en algún sitio. Para ello, se definen: Registro de estado (VKE): su tamaño es de 1 bit. Aqu es donde se efectúan las instrucciones combinacionales, la carga de entradas y la asignación de salidas a nivel de bit. Acumuladores (AKKU1 y AKKU2): sus tamaños son de 16 bits cada uno. Cada vez que se carga un dato en los acumuladores, se seguirá la sig uiente secuencia: Contenido de AKKU2 ===> Se pierde el contenido Contenido de AKKU1 ===> AKKU2 DATO ===> AKKU1 A su vez, cuando se realiza una operación entre AKKU’s (como suma o resta), el resultado se introduce en el AKKU1, perdiéndose el valor antes all contenido.
3.4.4. Temporizadores y contadores Var an en función de marcas y modelos, pero los más usados suelen incorporar 32 temporizadores: T0 ... T31 y 32 contadores: Z0 ... Z31. De los 32 contadores, ocho no se borran al desconectar el autómata (son remanentes), dichos contadores son Z0 a Z7. Para consultar el estado de cada uno de ellos se pueden usar como si fueran entradas (mediante operaciones combinacionales) o introduciendo su valor en los AKKU.
3.4.5. Constantes A la hora de cargar datos en acumuladores, temporizadores, registros, etcétera, se tienen varias posibilidades en la forma de introducir el dato: KB: 8 bits (0 a 255 en decimal). KC: 8 bits (2 caracteres alfanuméricos). KF: 16 bits ( nº en coma fija, +32768 a –32768). KH: 16 bits ( nº hexadecimal, 0000 a FFFF). KM: 16 bits (binario natural). KY: 16 bits (2 bytes, 0 a 255 en decimal cada uno). KT: 16 bits (valor de preselección de temporizadores, 0.0 a 999.3 en decimal). KZ: 16 bits (valor de preselección de contadores, 0 a 999 en decimal). 92
3.4.6. Estructura del programa Hay dos opciones para escribir el programa: Lineal . Se emplea un único módulo de programa (OB1). Este módulo se procesa c clicamente, es decir, tra s la última instrucción se volverá a ejecutar la primera. Si la tarea que se va a controlar es simple, esta es la m ejor forma. Estructurada. Para el caso de tareas complejas es más conveniente dividir el programa en módulos. Mediante esta forma logramos un programa más claro y adquirimos la posibilidad de poder llamar a un módulo desde distintas partes del programa (lo que evita repetir código).
En la programación estructurada se comienza y termina en el módulo OB1, desde el cual se salta y retorna a los módulos que interesen. Por supuesto, se podrá saltar desde un módulo a otro (anidado), siempre que no se superen los 16 niveles de salto que permite como máximo el autómata. Otras limitaciones son: El salto de un módulo a otro debe ser siempre haci a adelante (ejemplo: se podrá s altar de PB1 a PB2, pero no a la inversa). No se pueden dar dos saltos a un mismo módulo desde el módulo actual (ejemplo: no se podrá saltar dos veces a PB3 desde PB2, pero s puede saltarse a PB3 desde distintos módulos). Tanto en la programación lineal como en la estructurada, los módulos acabarán mediante la instrucción BE. La memoria del autómata S5-90U está limitada a 2 kbytes. Cada instrucción ocupa generalmente 2 bytes, por lo que dispondremos de 1 000 l neas de programa aproximadamente. 93
3.4.7. Tipos de módulos Generalmente, existen cuatro tipos de módulos en cualquier autómata programable: Módulos de organización (OB): son los que gestionan el programa de usuari o. Numerados OB1, OB3, OB21 y OB22. Se destacan el OB1, que es el módulo del progra ma principal; el OB3, que es el que contiene el programa controlado por alarma, y el OB13, que es el módulo para programas controlados por tiempo. El OB22 es empleado por el sistema operativo. Módulos de programa (PB): son los que incluyen el programa de usuario dividido, normalmente, según aspectos funcionales o tecnológicos. PB0 ... PB63. Módulos funcionales (FB): son módulos de programa especiales. Aqu se introducen las partes de progra ma que aparecen con frecuencia o poseen gran complejidad. Poseen un juego de instrucciones ampliado. FB0 ... FB63. Módulos de datos (DB): en ellos se almacenan datos para la ejecución del programa, como valores reales, textos, etcétera. Adoptan los valores DB0 ... DB63. Los módulos DB1 y DB2 se utilizan para definir las condiciones internas del autómata, por lo que no deben emplearse más de 256 palabras de datos. Para emplear un módulo de datos es necesario activarlo previamente (como se verá más adelante). La mayor ventaja que aportan es la facilidad para variar el pr oceso que controlan, ya que basta con cambiar el pr ogra ma introducido en el autómata (en la m ayor a de los casos). Otra ventaja es que el autómata también permite saber el estado del proceso, incluyendo la adquisición de datos para un posterior estudio.
3.5. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la necesidad de sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-máquina deber a ser similar a la utilizada hasta ese momento. El lenguaje 94
usado deber a ser interpretado, con facilidad, por l os mismos técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación. Estos lenguajes han evolucionado, en los últim os tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el t pico plano eléctr ico a relés. Los lenguajes más significativos se explican a continuación.
3.5.1. Lenguaje a contactos: LD o KOP Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar cuadros de automatismos. Muchos autómatas incluyen módulos especiales de software para poder programar gráficamente de esta forma.
Ejemplo de un programa en diagrama de contactos
3.5.2. Lenguaje por lista de instrucciones: IL o AWL En los autómatas de gama baja, es el único modo de programación. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los s mbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos. Este tipo de lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida de programación e, incluso, la más potente. 95
000
005
010
LD AND AND AND AND S LD AND OR R LD ST
%10.1 %10.0 %M3 %10.5 %10.4 %M0 %M2 %10.5 %10.2 %M0 %M0 %Q0.0
Bp. inicio ciclo Dp. presencia veh culo Bit autorización reloj calendario Fc. alto rodillo Dc. detrás pórtico Memo inicio ciclo Bp. parada ciclo Piloto ciclo
Ejemplo de un programa en lista de instrucciones.
3.5.3. GRAFCET Es el llamado Gráfico de Orden Etapa Transición. Ha sido especialmente diseñado para resolver problemas de automatismos secuenciales. Las acciones son asociadas a las etapas y la s condiciones que se deben cumplir, a las transiciones. Este lenguaje resulta enormemente sencillo de interpretar por operarios sin conocimientos de automatismos eléctricos. Muchos de los autómatas que existen en el mercado permiten la programación en GRAFCET, tanto en modo gráfico como por lista de instrucciones.
Ejemplo d e un programa en GRAFCET
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Ta mbién podemos uti liza r lo par a r esolver pr oblemas de automatización de forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de contactos.
3.5.4. Plano de funciones: FBD El plano de funciones lógicas resulta especialmente cómodo de utilizar para los técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, pues la simbolog a usada en ambos es equivalente.
Ejemplo de bloqu es de funciones
3.6. ESTÁNDAR IEC 1131-3 La creciente complejidad en la programación de los autómatas programables requiere más que nunca de la estandarización de la misma. Bajo la dir ección del IEC se ha definido el estándar IEC 1131-3 (IEC 65) para la program ación de PLC’ s. Esta norma alcanzó el estado de Estándar Internacional en agosto de 1992. Los lenguajes gráficos y textuales definidos en el estándar son una fuerte base para entornos de programación potentes en PLC’s. Con la idea de hacer el estándar 97
adecuado para un gran abanico de aplicaciones, cinco lenguajes han sido definidos en total: Gráfico secuencial de funciones (GRAFCET). Lista de instrucciones (LDI o AWL). Texto estructurado. Diagrama de flujo. Diagrama de contactos.
3.6.1. Gráfico secuencial de funciones (GRAFCET) El gráfico secuencial de funciones (SFC o GRAFCET) es un lenguaje gráfico que proporciona una representación en forma de diagrama de las secuencias del programa. Soporta selecciones alternativas de secuencia y secuencias para lelas. Los elementos básicos son pasos y transiciones. Los pasos consisten de piezas de programa que son inhibidas hasta que una condición especificada por las transiciones es conocida. Como consecuencia de que las aplicaciones industriales funcionan en forma de pasos, el SFC es la for ma l ógica de especificar y programar el más alto nivel de un programa para PLC.
3.6.2. Lista de instrucciones La lista de instrucciones (IL o AWL) es un lenguaje de bajo nivel, similar al lenguaje ensamblador. Con IL solo una operación es permitida por l nea (ejemplo: almacenar un valor en un registro). Este lenguaje es adecuado para pequeñas aplicaciones y para optimizar partes de una aplicación.
3.6.3. Texto estructurado El texto estructurado ( structured text o ST) es un lenguaje de alto nivel estructurado por bloques que posee una sintaxis parecida al PASCAL. El ST puede ser empleado para realizar rápidamente sentencias comple jas que manejen variables con un amplio rango de diferentes tipos de datos, incluyendo valores analógicos y digitales. También se especifica tipos de datos para el manejo de horas, fechas y temporizaciones, algo importante en procesos industriales. El lenguaje posee soporte para bucles 98
iterativos como REPEAR UNTIL, ejecuciones condicionales empleando sentencias IF-THEN-ELSE y funciones como SQRT() y SIN().
3.6.4. Diagrama de contactos El diagrama de contactos ( ladder diagram o LD) es un lenguaje que utiliza un juego estandarizado de s mbolos de programación. En el estándar IEC los s mbolos han sido racionalizados (se ha reducido su número).
3.6.5. Diagrama de funciones El diagrama de funciones ( function block diagram o FBD) es un lenguaje gráfico que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados entre s de form a análoga al esquema de un circuito. El FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o datos entre componentes de control.
3.6.6. Organización de tareas El estándar también define una nueva arquitectura para la organización e interacción de tareas con PLC’s. Una tarea controla la ejecución de un programa ejecutándolo periódicamente o en respuesta a un espec fico evento. Para optimizar los recursos del controlador, una aplicación puede ser fragmentada en un número de pequeños programas concretos. Cada programa está bajo el control de una tarea que se ejecuta a la velocidad que requiera la E/S asociada.
3.6.7. Bloques de funciones Los bloques de funciones (FB’s) son bloques estándar que ejecutan algoritmos como reguladores PID. El estándar IEC asegura que los FB’s se definan empleando una metodolog a estándar. Hay controles utilizando parámetros externos, mientras que los algoritmos internos permanecen ocultos aplicando programación orientada a objetos. Todas las especificaciones de la norma IEC 1131-3 pueden consultarse en la dirección ftp://ftp.cle.ab.com/stds/iec/sc65bwg7tf3/html/ welcome.htm 99
3.7. SISTEMAS LÓGICOS. ÁLGEBRA DE BOOLE 3.7.1. Funciones generales Las operaciones combinacionales más comunes se realizan con los bloques de funciones básicas, conexión serie, par alelo, negación, etcétera. Todas las funciones AND, OR, XOR, NA ND y NOR tienen tres entradas y una salida. Si se desean realizar operaciones con más de tres entradas, se conectan varios bloques en cascada:
La función inversora, NOT, tiene una entrada y una salida. Y la función OR exclusiva (XOR) posee dos entradas y una salida.
3.7.2. Funciones especiales Temporizador co n retardo a la conexión Activa la salida Q una vez que ha transcurrido el tiempo programado. Temporizador con retardo a la desconexión Desactiva la salida una vez transcurrido el tiempo programado. El temporizador se pone en marcha en flanco descendente. 100
Relé de impulsos Tiene el mismo funcionam iento que un telerruptor. La salida cambia de estado, de 0 a 1, cada vez que cambia la señal e n la entrada Trg. Reloj Permite controlar los instantes de activación y desactivación de la salida en un d a de la semana y a una hora determinada. Relé de automantenimiento Función biestable R-S. Permite realizar la función paro-marcha t pica de los automatismos a contactores. La situación no permitida R = 1 S = 1 se soluciona dando preferencia a R. Generador de pulsos Genera pulsos de reloj a intervalos iguales. Funcionamiento similar a un intermitente. Temporizador a la conexión con memoria De funcionamiento similar al temporizador a la conexión, pero con la caracter stica que no es necesario mantener la señal en Trg. Contador progresivo/regresivo Permite contar y descontar los pulsos aplicados a su entrada CNT. Contador de horas de servicio Permite medir el tiempo que está activada la entrada En. Esta función solamente se puede utilizar como bloque inicial. Relé de supresión Activa la salida hasta que haya transcurrido el tiempo de T. Si este no ha terminado y Trg se pone a 0, la salida también lo hace. Esta función solamente se puede utilizar como bloque inicial. 101
Conmutador de v alor de umbral para frecuencias Permite contar los impulsos aplicados a su entrada y dependiendo de estos conmutar la salida. En el Logo! L con entradas a 24 V, la entrada I12 está preparada para procesos de cómputo rápidos: máx. 150 Hz . Esta función solamente se puede utilizar como bloque inicial.
3.8. EJEMPLOS DE APLICACIÓN A continuación proponemos dos ejemplos donde se ilustra un posible uso de los autómatas programables.
3.8.1. Control de los movimientos de subida y bajada de un ascensor Cada planta tiene un pulsador de llamada, que cuando es accionado, la cabina se posiciona en dicha planta. Los pulsadores del interior de la cabina son los mismos que los que se encuentran en el exterior, por lo tanto, no necesitan programación, ya que se conectarán en paralelo de forma cableada.
Leyenda: I1: Pulsador de llamada de la 1 planta. I2: Pulsador de llamada de la 2 planta. I3: Pulsador de llamada de la 3 planta. I4: Final de carrera de la 1 planta. I5: Final de carrera de la 2 planta. I6: Final de carrera de la 3 planta. Q1: Salida g obierno del c ontactor de subida. Q2: Salida g obierno del c ontactor de bajada. ª
ª
ª
ª
ª
ª
102
3.8.1.1. Movimientos
Cada uno de los movimientos está controlado por un biestable. En la entrada Set se establecen las condiciones de funcionamiento y en el Reset las de parada. Por ejem plo: para que el asc ensor suba desde la primera planta a la tercera, movimiento X1, será necesar io que el final de carrera I4 esté accionado y se pulse I3 (S = I4*I3). Cuando la cabina llega a arriba, el pulsador I6 es accionado, deteniendo el movimiento. Todos los movimientos de s ubida (X1, X2 y X3) activará n Q1 y todos los movimientos de bajada (X3, X4 y X5) activarán Q2. En las ecuaciones de las salidas, se realizará el producto negado de la variable de salida contraria, para evitar cortocircuitos en el circuito de fuerza. Hay que tener en cuenta que se gobernará un motor trifásico a 220 V o 380 V .
103
3.8.1.2. Circuito lógico
3.8.2. Taladro semiautomático Al accionar el pulsador S1 se activa la sali da Q1 bajando el taladro. Una vez que la pieza es perforada, la salida Q2 se pone activa subiendo el taladro hasta la posición de reposo. El motor M2, que permite el giro del portabrocas, estará activo cuando el motor suba o baje en condiciones normales de funcionamiento. El pulsador de emergencia S2 tiene como función, detener la ba jada del taladro, poner en marcha el contactor de s ubida para si tuar la máquina en posición de reposo y detener el motor de giro M2. Se tendrá en cuenta que el inver sor que controla los movimientos de subida y bajada, gobierna un motor trifásico de 220 V o 380 V, por lo tanto, es absolutamente necesario prever que las dos salidas que controlan estos movimientos, nunca puedan activarse a la v ez. Si esto no se hace as , puede producirse un peligroso cortocircuito en el circuito de fuerza que controla el motor.
104
Ecuaciones lógicas Movimi entos: Bajada del taladro: Q1: S = I1 * I3 * Q2 R = I2 + I4 Subida del taladro: Q2: S = ( I2 +I 4) Q1 R = I1 Giro de l a broca: Q3: S = I1 * I3 R = ( Q2 * I1) + 14
3.8.2.1. Circuito lógico
3.9. ELEMENTOS DEL GRAFCET A continuación se muestran los elementos básicos que componen el lenguaje de programación GRAFCET.
Figura 3.8.E lement os básicos del GRAFCET.
3.9.1. Etapas iniciales
106
Una etapa inicial se representa con un doble cuadrado. Las etapas inicia les de un sistema se activan al iniciar el GRAFCET. Una vez que se han iniciado, las etapas iniciales tienen el mismo tratamiento que las otras etapas. Un sistema debe tener como m nimo una etapa inicial.
3.9.2. Etapas normales
Las etapas representan los estados estables del sistema. Las etapas del GRAFCET se representen mediante un cuadrado numerado. Las etapas deben estar numeradas, aunque no necesariamente de forma correlativa. No puede haber dos etapas con el mismo número. Las etapas pueden estar activas o inactivas. Al representar el estado del GRAFCET en un momento dado, se puede indicar que una etapa está activa, con un punto de color (etapa 4). En las etapas, puede haber o no acciones asociadas.
3.9.3. Acciones asociadas
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Una etapa sin ninguna acción asociada (etapa 2) puede servir para hacer detener una acción monoestable que se realizaba en la etapa anterior, o como etapa de espera. Una acción asociada (etapa 3). Nos indica que al estar activa la etapa, el motor gi rará a la derecha. En una etapa puede haber múltiples acciones asociadas (etapa 4). Al estar la etapa 4 activa, el motor girará a la derecha, y al mismo tiempo el ventilador estará funcionando. Si en un sistema en un momento concreto solo hay una sola etapa activa, entonces, únicamente estarán funcionando los elementos acti vados por las acciones asociadas en esa etapa (a no ser que en otra etapa se haya activado de forma biestable otra acción).
3.9.4. Acciones asociadas condicionadas La acción que se va a realizar en una o más de las acciones asociadas a una etapa, puede estar condicionada a una función booleana adicional. En este caso, el motor girará a la derecha mientras esté activa la etapa 3 y, además, la puerta no haya llegado ya a la derecha. En el rectángulo donde se representa la acción asociada, hay una entrada para las condiciones. La norma IEC-848 propone las representaciones sig uientes para las acciones asociadas condicionadas. C Acción condicionada D Acción retardada L Acción limitada en el tiempo P Impulso S Acción memorizada 108
3.9.4.1. Acción condicionada
Suponga un sistema en que se tiene un cuadro electrónico para la regulación de unas máquinas. Si está activa la etapa de espera 2 y el term ostato indica un sobre calentamiento, el ventilador se pondrá en marcha. Esta condición se puede representar dentro del recuadro de la acción, o bien fuera. 3.9.4.2. Acción retardada
El motor A se pondrá en marcha 5 seg undos después de activarse la etapa 10; si la transición r se activa antes de ese tiempo, el motor no llegará a ponerse en marcha. 3.9.4.3. Acción limitada
La bomba se pondrá en funcionamiento 10 segundos después de haberse activado la etapa 11; pasado este tiempo, aunque no se active la transición s, la bomba dejará de funcionar. 3.9.4.4. Acción de impulso
Al activarse la etapa 12, se activará la electroválvula K con un impulso de señal. 3.9.4.5. Acción memorizada
Cuando se active la etapa 13, el motor A se pondrá en marcha de forma biestable (set), y al salir de la etapa, continuará funcionando hasta que se haga un rese t a la acción. 109
Al activarse la etapa 14, el motor A se detendrá, ya que en esa etapa, la acción hace un reset al funcionamiento del motor.
3.9.5. Transiciones Las transiciones representan las condiciones que el sistema debe superar para poder pasar de una etapa a la siguiente. Al pasar una transición, el sis tema deja de estar en una etapa e inmediatamente va a la siguiente. Validar la transición implica un cambio en las etapas activas del GRAFCET. Las transiciones se representan con un pequeño segmento horizontal que corta la l nea de enlace entre dos etapas. Son etapas de entrada a una transición, todas las etapas que conducen a una transición. Son etapas de salida a una transición, las etapas que salen de una transición.
3.9.6. Receptividades asociadas a las transiciones La condición o condiciones que se deben superar para poder pasar una transición, reciben el nombre de receptividades. En una transición se puede tener: Una condición simple [Pm]. Una función booleana [( Pm + Pk]*Pp’]. La señal de un temporizador o contador [T03]. En este caso, es habitual que el temporizador se haya activado a contar en la acción asociada de la etapa de entrada. os indi La activación de otra etapa del GRAFCET [X12], donde Xn ca que la receptividad está condicionada al hecho de que la etapa (en este caso la 12) esté activa. 110
3.9.7 3.9.7.. L neas de enlace Las l neas de enlace son l neas verticales u horizontales, que unen con una dirección significativa (a no ser que se indique lo contrario de arriba arr iba a abajo) abajo) las distint distintas as etapas etapas con con las transicion transicionee s, y las transiciotransiciones con las etapas.
3.10. DISEÑO Y ESTRUCTURAS DEL GRAFCET A continuación se muestran las reglas que se deben seguir a la hora hora de diseñar diseñar,, estructu estructura rarr y crear crea r un progra programa ma en el lenguaje GRAFCET. GR AFCET.
Ejemplo Ejemplo d e un programa en GRAFCET GRAFCET
111
3.10.1. 3.10.1. Des Desar arro roll llo o del del sistema El diagrama diagr ama se s e dibu di buja ja con una una sucesión alternada de etap e tapas as y transiciones. No puede haber dos etapas seguidas, ni tampoco dos transiciones seguidas.
Entre las la s etapas etap as 200 y 201 201 o entre las etapas 200 y 202 hay dos condiciones para la transición (000 y 001 o 000 y 002). En este caso, esto se puede resolver haciendo que la receptividad de la transición se cumpla si es válida la función AND (000 (000 * 001) 001) o la (000 (000 * 002). 002).
Al superar supera r la condición condición 003 003 de la transición, el motor motor debe debe girar gira r a la derec derech ha y también se debe accionar el ventilador. Para realizar esto se han de poner poner todas todas les acciones acciones asociaa sociadas en la m isma etapa. No puede hab h aber er dos do s etapas etapas segui seguidas, das, ni n i tampo tampoco co dos do s transiciones seguidas.
112
3.10.2. Evolución Evoluci ón del del sistema si stema Para que que el sistema s istema pueda pueda evolucion evolucionar ar,, es necesar necesario: io: Validar la transición. Todas las etapas de entrada a la transición deben estar activas. Que sea cierta la receptividad asociada. Deben ser ciertas las condiciones de la transición.
La primera transición se podrá validar si la etapa etapa 123 123 está está activa, y, además además,, se cump cumple le la cond co ndición ición 000. 000. En este es te momento deja de estar activa la etapa 123, y le toma el relevo la 124. El GRAFCET GR AFCET evolucion evolucionar aráá a la etapa etapa 125, 125, si estando estando activa activa la l a e tapa tapa 124 124 se cumple cumple la la condic condición ión 002 002 y también tambi én la 005. 005.
Las etapas 200 y 210 son etapas de entrad entradaa a la transición. Para Para validar la transición, deben estar activas las dos etapas. Para poder poder entrar entrar a la l a etapa etapa 220, 220, la transición tiene que estar validada y se debe de cumplir cumplir la receptivida receptividad d asociada (003 (003)) a la transición.
113
3.10.3. Secuencia única
Un GRAFCET será de secuencia única, cuando en el diagrama solo hay una sola rama; el conjunto de etapas se irán activando una tras la otra, después de validarse las recepciones asociadas a las transiciones.
3.10.4. Bifurcación en O. Selección de secuencia
Habrá una selección de secuencias, cuando al llegar a un punto encontremos una bifurcación en O. En él será necesario escoger cuál de las distintas sucesiones de etapas y transiciones se debe seguir. No es necesario que los diferentes caminos tengan el mismo número de etapas, pero s con viene que las receptividades asociadas a las transiciones, sean excluyentes entre s .
114
Giro a derecha o a izquierda de un motor Para seleccionar el sentido de giro de un motor, utilizaremos la bifurcación en O. Un motor puede girar: a la derecha o a la izquierda.
3.10.5. Bifurcación en Y. Trabajos en paralelo En automatismo, habrá una bifurcación en Y o “trabajos paralelos”, cuando a partir de un punto, debe evolucionar de forma simultánea por todas las ramas. Al final de estas, encontraremos unas etapas de espera. (108, 132, 155) El sistema continuará su evolución, cuando cada una de las ramas haya llegado a su etapa de espera. El nombre de las etapas de las diferentes ramas puede ser distinto de una a la otra.
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Motores con trabajos simultáneos Dos motores MA y MB, desplazan unas piezas. Primero el motor MA va desde FcAe a FcAd , entonces es el MB quien lo hace desde FcBe hasta FcBd . Después los dos vuelven a las posiciones iniciales FcAe y FcBe. El ciclo se reinicia cuando los dos están de nuevo en las posiciones iniciales.
3.10.6. Saltos de etapas
En un punto puede haber una bifurcación que provoque un salto sobre un con j unto de etapas. Que se si ga o no la secuencia completa o bien el salto, está determinado por el estado de la condición a la transición ( H ). Se debe tener presente que las condiciones de entrada o no, deben ser excluyentes ( H y H’). También puede real izarse el salto en sentido ascendente (en este caso se indicará en las l neas de enlace) como pasa en los “bucles”.
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En un tren de lava do de coches, si no está activa la selección RBajos (lavado a presión de los bajos y las ruedas del coche), al llegar a la etapa 5 el automatismo debe hacer un salto hasta la etapa 7. Por el contrario, si está activa esta selección, entrará a la etapa 6 y la bomba de presión, y las pistolas dirigibles y el temporiza dor T04 actuarán.
3.10.7. Bucles Habrá un “bucle” o estructura repetitiva (mientras) cuando una, o un conjunto de etapas se repitan, varias veces (controladas por un temporizador, un contador, o hasta que se cumpla una condición determinada). El ciclo de lavado de una lavadora repite varias veces esta estructura (giro a la derecha, espera, giro a la iz quierda, espera).
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3.10.8. Subrutinas Una subrutina es una parte de un programa que realiza una tarea concreta, a la que se puede invocar una o varias veces por parte del programa principal. Un vez realizadas las acciones de la subrutina, el programa continúa en el punto donde estaba.
Los trabajos que se desarrollan en un automatismo se pueden dividir entre diferentes diagr amas. Puede haber un diagrama principal (0-5) y otros secundarios (10-14) que hacen determinadas funciones, las cuales una vez realizadas devuelven el contr ol al diagr ama principal. Al ll egar a la etapa 2 o 4 del pr imer diagra ma se valida la transición X2 + X4 y empieza la subrutina. Al llegar a la etapa 14 se valida la transición X14 y continúa la evolución del diag rama principal a las etapas 3 o 5 r espectivamente.
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3.10.9. Macro-etapas Al hacer la descripción del automatismo, el GRAFCET permite empezar desde un punto de vista muy general y a partir de él hacer descripciones cada vez más concretas del proceso de control. El diseño se realiza de forma descendente, en gra ndes bloques que se van resolviendo de forma modular. Una macro-etapa es la representación mediante una única etapa de un conjunto de etapas, transiciones y acciones as ociadas, a las que llamamos expansión de la macro-etapa. La expansión de la macro-etapa es, en realidad, una parte del diagrama del GRAFCET, con sus etapas, transiciones y normas de evolución, pero que en un diseño descendente hemos englobado en una macroetapa. Podr amos decir que al hacer la expansión de la macro-etapa, en realidad lo que hacemos es una especie de zoom, que nos enseña en detalle, etapas, transiciones y acciones concretas, a las que antes nos hemos referido de forma general. El diagrama principal evoluciona a partir de la etapa 0 y la transición a; una vez activa la etapa 1, la transición b estará receptiva, y, al val idar se, entr aremos a la macro-etapa M2; la etapa E2 estará activa, y según el estado de la tr ansición d , e volucionará hacia la etapa 10 o la 12, y al llegar a la etapa S2 volverá al diagrama principal. La etapa E2 es la etapa de entrada a la ma cro 2, la etapa S2 es la etapa de salida de la macro 2.
3.10.10. Diagramas paralelos Para resolver un automatismo, se pueden describir diferentes diagramas paralel os, que evolucionarán cada uno de ellos por separado y a su ritmo. E stos pueden tener relación entre s en varios puntos. 119
Figura 3.9.E jemplo de diagramas paralelos.
CAPÍTU LO 4
SISTEMAS DIGITALES
El objetivo principal de la automatización industrial consiste en gobernar la actividad y la evolución de los procesos sin la intervención continua de un operador humano. En los últimos años, se ha estado desarrollando un sistema, denominado SCADA ( Supervisory Control and Data Adquisition ), el cual permite supervisar y controlar las distintas variables que se encuentran en un proceso o planta determinada. Para ello se deben utilizar distintos periféricos, softwares de aplicación, unidades remotas, sistemas de comunicación, etcétera, los cuales permiten al operador, mediante la visualización en una pantalla de computador, tener el completo acceso al proceso. Existen varios sistemas que permiten controlar y supervisar, como lo son: PLC (controladores lógicos programables), DCS (sistemas de control distribuido) y ahora SCADA, que se pueden integrar y comunicar entre s , mediante una red Ethernet, y as mejora r, en tiempo real, la interfaz al operador. Ahora no solo se puede supervisar el proceso, sino, además, tener acceso al historia l de las alarmas y variables de control con mayor claridad, combinar bases de datos relacionadas, presentar en un simple computador, por ejemplo, una plantilla Excel, documento Word, todo en ambiente Windows, siendo as todo el sistema más amigable.
4.1. SISTEMAS DIGITALES EN LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. PIRÁMIDE DE CONTROL En este tema se precisan las funciones tan importantes que está realizando la computadora en el contexto de la automatización industrial. 121
En el inicio de este siglo XXIXI existe un debate permanente sobre la posi posición ción que que asum as umee o podrá podrá asumir as umir el control control bas basado ado en computado computadora ras. s. Algunos permanecen reticentes porque le atribuyen menor fiabilidad, seguridad o robustez tecnológica a la PC en ambientes de procesos industriales agresivos. Se trata de usar el PC no solamente como interfas interfasee hombrehombre- máquina máquina o como como herr herrami amient entaa de pr pr ogramación ograma ción,, sino s ino para las tarea s de cont control. rol. En la Revista Española de Automática e Instrumentación No. 284 de 1998, se presentaban las previsiones del software de control basado en PC, dado el auge del incremento de su demanda y por las peculiaridades de sistemas de control abiertos que permite. Se asevera que el software de interfase hombre-máquina es el elemento clave en los sistemas de control actuales.
4.1.1. La computado computadora ra como herram herr amie ienta nta La computadora tiene una versatilidad impresionante en el contexto de la automatización industrial y, en particular, es una herramienta de uso extendido en el análisis, diseño y s ntesis de sistemas de control. Por análisis de un sistema de control se entiende la investigación, bajo condiciones condiciones e specificadas specifi cadas,, del comportam comportamiento iento de un sistema cuyo modelo matemático se conoce. El análisis implica la existencia de un modelo matemático. De aqu podemo podemoss extraer el primer prim er uso de la PC como herramienta herra mienta y es en la l a simula ción a través de algoritmos al goritmos numéri numé rico coss matemáticos matemáticos del modelo del proceso para validar este. Otro Otro uso uso está es tá en el propio propio análisis, anális is, una una vez valid vali d ado el modelo, modelo, de sus respuestas ante la experimentación y aplicación de diferentes señales para analizar el comportamiento del proceso en estados transitorios y estacionarios en función de los algoritmos de control que se prueben. El diseño y la s ntesis del controlador, fases siguientes al análisis, son un proceso proceso re petitivo petitivo de tanteo tanteo en el que que se pr pr ueba, ueba, v a simulación en la PC, has ta encont encontra rarr el cont controlador rolador que sati sfaga el ndice ndice de de comportamiento que se prefije. De la misma manera que en el resto de las tareas en el que se emplea la PC en O fimática se usa en el área ár ea de aut a utom omatización atización indusindustrial y para realiz ar análisis estad estad sticos, sticos, elaboració elaboración n de informes informes o reportes portes de de los sistemas siste mas de cont control. rol. Existen Exi sten sistemas sis temas de de gestión de calidad cali dad que que verifican verifica n los requerimient requerimie ntos os de las la s piezas, part par t es o produ producto ctoss que que está generando la fábrica automatizada antes de salir al mercado. 122
4.1.2. La comput computado adora ra como controlado controladorr 4.1.2. 4. 1.2.1. 1. Contexto Contexto histórico de la PC control control de procesos procesos
En el campo del con co ntrol trol de proce procesos sos se observa bserv a cómo los los pr imeros dispositivos de control fueron mecánicos. Posteriormente aparecieron los primeros reguladores neumáticos implementando los controladores PID. En la década del treinta, los reguladores neumáticos son de tipo transmisor y las variables medidas se convierten en señales neumáticas que se transmiten a una sala de control. En las décadas del cincuenta y sesenta aparecen los reguladores electrónicos con la ventaja de disponer de sensores eléctricos (mayor precisión precisi ón,, se susti sustitu tuyen yen las tuber tuber as por por cables, se el iminan los retardo r etardoss de tiempo). En la década del setenta irrumpe irr umpe el e l PLC (cont (control rol lógi lógico co programable progra mable), ), aparecen los microprocesadores, provocando que los reguladores pasen de de la electrónica analógica analógica a la digital digital y la infor informática, mática, las operaperaciones ciones y los algoritmo alg oritmoss se implementan implementan por por software. software. La primera computadora industrial que se empleó como monitor de planta planta aparece en 1958 1958 en la compañ compañ a Lousiana Lousiana Power Power and Light y la primera primer a comput computaa dora dora de cont control rol industria industriall en lazo laz o cerrado cerr ado se atribu a tribu- ye a una una aplicaci ón en 1959 1959 en una una refiner a de petróleo p etróleo en Texas. 4 .1.2 .1 .2.2. .2. Funci Fun cione oness de la l a comput compu tadora en el control control de pro p rocesos cesos
Desde que se incorporó la computadora al control de procesos se ha visto desempeñando diferentes funciones, las cuales se tratan a continuación: 4.1.2. 4. 1.2.3. 3. Computadora C omputadora en contro controll digital dig ital directo (DDC) (DDC)
Como computadora en control digital directo (DDC) la computadora calcula la ley de control sustituyendo a los reguladores analógicos. La PC está en lo que se llama nivel de campo o planta por su intercambio directo con los elementos de medición y acción final dentro del lazo de control. Esta sustitución involucra los siguientes pasos: Medir la variable analógica con un sensor, y convertirla en una señal de corriente continua (4-20 mA, 0-5 V, 0-10 V). Conexión con el ordenador a través de un periférico (tarjeta de adquisición de datos) que convierte la señal continua en bits para que puedan ser le dos por el ordenador (conversión A/D). 123
El ordenador calcula la señal de control aplicando la ley de control a través través de una una fórmula fórmula matemática matemática y la env env a al periférico. periférico. Acondicionar la señal calculada por el ordenador en una señal de corriente continua (convertidor D/A) y enviarla al actuador. Funciones Fu nciones de la PC en el control digital dig ital directo directo
1. 2. 3. 4.
Conv Convertir ertir los dato datos en unid unidades ades de ingenie ingenierr a (ajustes). (ajustes). Present resentar los los datos datos por por pant antalla. Calcular Calcular las señales de co control. Permitir ermitir cambio cambioss al operario operario sob sobre la referencia referencia,, lo l os parámetros parámetros del controlador, paso de automático-manual, etcétera (buena interfase hombre-máquina). 5. Emit Emitir ir inf informes. rmes. Para esto es necesario escribir un programa que permita realizar rograma ma d e control control ) que todas estas funciones ( progra que se ejec uta uta contin continuauamente mente => => pr ograma ogram a en tiempo real . Un sistema de control digital directo presenta ventajas y desventa jas sob s obre re el control analógico. Las ventajas están dadas por: Coste. Funcionamiento: sustituye y mejora la instrumentación. Regulación más precisa: posibilidad de implementar nuevos controladores (PID, avanzados, cascada, etcétera). Capacidad de crecimient crecim iento o y flexibilidad flexibilidad del sistema. Almacenamiento de de dat da tos. Estad sticas. Almacenamiento Programas CAD para entrenamiento, simulación, diseño, entre otros. La principal desventaja radica en la implementación del algoritmo de control desde el punto de vista informático. Un caso muy particular y general del control digital directo puede omputadora de contr control ol centralizado, en la qu ser la computadora que a la PC PC se enco enco-mienda todas las funciones de control de la planta. 4.1.2.4. 4. 1.2.4. Computad C omputadora ora de vigi vig ilancia
Como computadora de vigilancia o monitorización se mantienen otros control controlad adore oress en los niv niveeles le s de camp cam po (ele (electróni ctrónicos cos y neumáticos) y la PC se sitúa en un nivel superior, donde realiza las siguientes tareas: Recoge y almacena la información que llega de los sensores y actuadores de la planta o de otros controladores del nivel inferior. 124
Trata la informa ción para calcular ndices, inferir variables no medibles, compar ar los datos con un umbral par a disparar alarmas, etcétera.
4.1.2.5. Computadora de supervisión
Como computadora de control supervisor se encuentra en un ni vel superior al de campo o planta e interviene e n el laz o de control fijando las referencias de los controladores analógicos. Esto permite la optimización del punto de operación. Permite dar el estado de opera ción de la planta, tratar las alarmas, capturar, alm acenar y recuperar datos.
4.1.3. Sistemas de control distribuido Como control distribuido se emplean sistemas basados en PC, autómatas o controla dores de propósito espec fico para el control local de unos pocos lazos y enlazar todo ello mediante un sistema de comunicaciones al que se conectan también las consolas de operario (ver Figura 4.1).
Figura 4.1.E squema de un sistema de control distribuido.
Los sistemas de control distribuido (SDC) han de cubrir los dos primeros niveles de la estructura de control jerárquico y posibilitar la 125
conexión con computadoras que se encarguen de realizar el control en los niveles superiores. Tareas de un SDC
Operación de la planta en régimen normal. Control de cada unidad de la planta, adquisición de datos, control de las variables del proceso. Control supervisor. Supervisión de funcionamiento y gestión de emergencias. Vigilancia y evolución de las variables, autocomprobación, informe al operador, reconfiguración automática y acciones de seguridad. Configuración y modificación del control. Programación del sistema, análisis de datos, simulación.
Ventajas de un sistema de control distribuido
Expansionabilidad y escalabilidad => sistema modular. Capacidad de control: tiene las ventajas del control digital directo. La capacidad aumenta al compartir las tareas, los diferentes controladores. No hay un único punto de fallo: redundancia tanto en los controladores como en el sistema de comunicación. Costes de instalación: se reduce el cableado. Buenas interfases hombre-máquina.
Desventajas
Retardo inherente al sistema de comunicaciones. Complejidad. Control jerárquico. El estado final y deseable de una instalación industria l ha de ser la instalación de un sistema de control global de una factor a mediante computadoras organizadas por niveles en una estructura je rárquica. La división se hace en términos de tiempo de respuesta. En el fondo de la pirámide se requiere respuesta rápida (ms); a medida que se asciende, se incrementa la complejidad de los cálculos y el tiempo de respuesta (ver Figura 4.2).
126
Figura 4.2.P irámide de control.
Nivel 1: Nivel de campo => adquisición, chequeo y acondiciona-
miento de los datos, control de lazos, monitorización. Nivel 2: Supervisión => determinar las condiciones óptimas de trabajo de la planta y generación de puntos de consigna, gestión y corrección de alarmas, etcétera. Nivel 3: Coordinación de área => control y organización de la producción de un área. Nivel 4: Gestión => información y gestión de todas las áreas y planifica la producción del conjunto de la factor a con la consiguiente distribución de recursos, en función del inventario, restricciones de energ a, etcétera. Nivel 5: Planificación => establece los planes de producción y la pol tica de fabricación de una empresa a partir de los pedidos del cliente, recursos, costes y mercado existente que suele ser cambiante.
4.2. SISTEMAS DE TIEMPO REAL El concepto de tiempo real no está sujeto a una única definición universal, sino que tiene que ser especificado en función de toda una serie de parámetros, muchos de los cuales están en función de la
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aplicación que impone las restricciones temporales. Una definición, generalmente aceptada, de sistema de tiempo real es: “Un sistema de tiempo real es aquel que para funcionar correctamente depende no solo de los resultados adecuados del procesamiento, sino también de que estos resultados se produzcan a tiempo”. En la misma l nea, una definición más detallada es la siguiente: “Un sistema informático de tiempo real es aquel en el que el comienzo y la finalización de actividades debe cumplir restricciones temporales espec ficas, lo cual implica asociar valores dependientes del tiempo a la finalización de las actividades. El comportamiento del sistema se determina mediante algoritmos diseñados para maximizar el valor de una función que depende globalmente del tiempo”. Conviene recalcar que tiempo real y procesamiento rápido no es lo mismo. El objetivo del procesamiento rápido es minimizar el tiempo medio de respuesta de un conjunto de tareas, mientras que el objetivo del procesamiento en tiempo real es respetar los requisitos temporales individuales de cada tarea o proceso. El principal problema de los entornos tiempo real es la predecibilidad, no la velocidad. Dependiendo de que las restricciones temporales impuestas sean o no de imperativo cumplimiento, se distingue entre sistemas de tiempo real hard y soft, aunque esta dicotom a es radical y se ha comenzado a cuestionar desde hace algunos años. Sistema de tiempo real soft . Aplicación en la que es tolerable un cierto nivel de pérdida cuya consecuencia se manifiesta como una degradación en las prestaciones del sistema y que solo si la pérdida es continua, puede llegar a provocar situaciones inaceptables. Un requisito de prestaciones t pico en estos entornos es un tiempo de respuesta de 1 segundo para, al menos, 95 % de las transacciones. Sistema de tiempo real hard . La consecuencia de no cumplir una restricción temporal afecta gravemente al funcionamiento del sistema e, incluso, puede s er catastrófica. A estos sistemas se les suele denominar safety critical . La imposición de restricciones temporales a los tiempos de entrega de los mensajes intercambiados es una consecuencia directa de la existencia en el sistema de aplicaciones con restricciones de tiempo real. Uno de los primeros aspectos que se deben considerar es cómo especificar dichas restricciones. De forma global podemos afirmar que el sistema de comunicaciones debe proporcionar retardos de entrega acotados a las unidades de información intercambiadas entre aplicaciones. Si este retardo no está acotado, la red puede entregar mensajes con un retardo que, o bien 128
hace imposible el cumplimiento de las restricciones por parte de la tarea receptora, o bien hace que los datos ya no sean útiles para la aplicación, por ejemplo, valores medidos del proceso en un cierto instante. Si relacionamos y clasificamos los requerimientos de tiempo real con el rol de la PC en los sistemas revisados en el ep grafe anterior, podemos aseverar que mientras más cercanos estemos a la base de la pirámide de control jerárquico, los requisitos de tiempo real hard son más estrictos; mi entras que si vamos subiendo de nivel, nos movemos hacia sistemas de tiempo real soft . En los sistemas operativos de tiempo real el tratamiento de un evento se debe realizar en el momento en que estos ocurren, lo que dificulta bastante la confección de este tipo de sistemas. Sin embargo, el hecho de no contar con un sistema operativo de tiempo real no significa que no podamos hacer una aplicación en “tiempo real” entendiéndose en este caso el tiempo real como la capacidad del sistema de dar respuesta a un evento dentro de una ventana de tiempo, que se calcula en dependencia de la aplicación. De esta manera podemos encontrarnos en muchas aplicac iones informáticas, sistemas que procesan información en ese “tiempo real” y que están soportadas sobre Windows, el cual, como se conoce, no es un sistema de tiempo real en el sentido estricto de la palabra.
4.3. SISTEMAS SCADA El nombre SCADA significa: Supervisory Control And Data Adquisition (Control Supervisor y Adquisición de Datos). Un sistema SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación digital con los instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel con el usuario (pantallas táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos, etc.). Aunque inicialmente solo era un programa que permit a la supervisión y adquisición de datos en procesos de control, en los últimos tiempos han ido surgiendo una serie de productos hardware y buses especialmente diseñados o adaptados para este tipo de sistemas. El sistema permite comunicarse con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, sistemas de dosificación, etc.) para controlar el proceso en forma automática desde la pantalla del ordenador, que es configurada por el usuario y puede ser modificada con facilidad. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios. 129
Los sistemas SCADA se utilizan en el control de oleoductos, sistemas de transmisión de energ a eléctrica, yacimientos de gas y petróleo, redes de distribución de gas natural, subterráneos, generación energética (convencional y nuclear), etcétera.
4.3.1. Caracter sticas de un sistema SCADA Los sistemas SCAD A, en su función de sistemas de control, dan una nueva caracter stica de automatización que realmente pocos sistemas ofrecen: la de supervisión. Es bueno aclarar que existe una diferencia entre monitorización y supervisión, un sistema de monitoreo es aquel en el que se muestra toda la información del proceso pero no ofrece la posibilidad de efectuar acción sobre él, mientras que un sistema de supervisión s es capaz de efectuar acciones sobre el proceso del cual se trate. Sistemas de control hay muchos y muy variados y todos, bien aplicados, ofrecen soluciones óptimas en entornos industriales. Lo que hace de los sistemas SCADA una herramienta diferenciada es la caracter stica de control supervisado. De hecho, la parte de control viene definida y supeditada, por el proceso que se va a controlar, y, en última instancia, por el hardware e instrumental de control (PLC´s, controladores lógicos, armarios de control, etc.) o los algoritmos lógicos de control aplicados sobre la planta, los cuales pueden existir previamente a la implantación del sistema SCADA, el cual se instalará sobre y en función de estos sistemas de control. En consecuencia, supervisamos el control de la planta y no solo monitoreamos las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta; esto es, podemos actuar y variar las variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad intuitiva que dan los sis temas SCADA. Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspección superior en determinados casos, ver con atención o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo; de esta acción depende, en gran medida, garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla. En el supervisor descansa la responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan. Por lo tanto, tenemos una toma de decisiones sobre las acciones de control por parte del supervisor, que en el caso de los sistemas SCADA, estas recaen sobre el operario. 130
Esto diferencia notablemente los sistemas SCADA de los sistemas clásicos de automatización, donde las variables de control están distribuidas sobre los controladores electrónicos de la planta y dificulta mucho una variación en el proceso de control, ya que estos sistemas, una vez implementados, no permiten un control a tiempo real óptimo. La función de monitorización de estos sistemas se re aliza sobre un PC industrial ofreciendo una visión de los parámetros de control sobre la pantalla de ordenador, lo que se denomina un HMI ( Human Machine Interface ). Es decir, los sistemas de automatización de interfaz gráfica tipo HMI básicos, ofrecen una gestión de alarmas en formato rudimentarias mediante las cuales la única opción que le queda al operar io es real izar una para da de emergencia, reparar o compensar la anomal a y realizar un reset. En los sistemas SCADA, se utiliza un HMI interactivo, el cual permite detectar alarmas y a través de la pantalla solucionar el problema mediante las acciones adecuadas en tiempo real . Esto otorga una gran flexibilidad a los sistemas SCADA. En definitiva, el modo supervisor del HMI de un sistema SCADA no solamente señala los problemas, sino lo más importante, orienta en los procedimientos para solucionarlos. A menudo, las palabras SCADA y HMI inducen cierta confusión (con frecuencia alentada por los mismos fabricantes en su afán de diferenciar el producto o exaltarlo comercialmente). Cierto es que todos los sistemas SCADA ofr ecen una interfaz gráfica PC-Opera rio tipo HMI, pero no todos los sistemas de automatización que tienen HMI son SCADA. La diferencia radica en la función de supervisión que pueden realizar estos últimos a través del HMI. Adquis ición y alm acenado de datos, para recoger , procesar y almacenar la información recibida, en forma continua y confiable. Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitoriza ción de estas por medio de alarmas. Ejecutar acciones de control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas. Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación. Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación. Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control. 131
Transmisión, de información con dispositivos de campo y otros PC. Base de datos, gestión de datos con bajos tiempos de acceso.
Suele utilizar ODBC. Presentación, representación gráfica de los datos. Interfaz del operador o HMI ( Human Machine Interface ). Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estad stico, gestión de la producción y gestión administrativa y f inanciera. Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis.
4.3.2. Prestaciones Las prestaciones que puede ofrecernos un sistema SCADA eran impensables hace una década y son las siguientes: Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del ordenador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. Creación de informes, avisos y documentación en general. Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o, incluso, el programa total sobre el autómata (bajo ciertas condiciones). Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador, y no sobre la del autómata, menos especializado, etcétera. Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones basadas en el PC, con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, env o de resultados a disco o impresora, control de actuadores, entre otras.
4.3.3. Requisitos Estos son algunos de los requisitos que debe cumplir un sistema SCADA para sacarle el máximo provecho: Deben ser sistemas de arquitecturas abiertas, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. 132
Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente para el usuario con el equipo de planta ( drivers ) y con el resto de la empresa (acceso a redes locales y de gestión). Los programas deberán ser sencillos de instalar, sin excesivas exigencias, y fáciles de utilizar, con interfases amables con el usuario (sonido, imágenes, pantallas táctiles, etc.).
4.3.4. Componentes de hardware Un sistema SCADA, como aplicación de software industria l espec fica, necesita ciertos componentes inherentes de hardware en su sistema, para poder tratar y gestionar la información captada (ver Figura 4.3).
Figura 4.3.E structura básica de un sistema SCADA a nivel hardware.
Ordenador central o MTU (Master Terminal Unit). Se trata del ordenador principal del sistema, el cual supervisa y recoge la información del resto de las subestaciones, bien sean otros ordenadores conectados (en sistemas complejos) a los instrumentos de campo o directamente sobre dichos instrumentos. Este ordenador suele ser un 133
PC, que soporta el HMI. De esto se deriva que el sistema SCADA más sencillo es el compuesto por un único ordenador, el cual es el MTU que supervisa toda la estación. Las funciones principales de un MTU de SCADA son: Adquisición de datos. Recolección de datos de los RTU’s ( Remote Terminal Unit ). Trending. Salvar los datos en una base de datos, y ponerlos a disposición de los operadores en forma de gráficos. Procesamiento de alarmas . Analizar los datos recogidos de los RTU’s para ver si han ocurrido condiciones anormales, y alertar a personal de operaciones sobre estas. Control . Control a lazo cerrado, e iniciados por operador. Visualizaciones . Gráficos del equipamiento actualizado para reflejar datos del campo. Informes . La mayor a de los sistemas SCADA tienen un ordenador dedicado a la producción de reportes conectado en red (LAN o similar) con el principal. Mantenimiento del Sistema Mirror . Es decir, mantener un sistema idéntico con la capacidad segura de asumir el control inmediatamente si el principal falla. Interfases con otros sistemas . Transferencia de datos hacia y desde otros sistemas c orporativos para, por ejemplo, el procesamiento de órdenes de trabajo, de compra, la actualización de bases de datos, etcétera. Seguridad . Control de acceso a los distintos componentes del sistema. Administración de la red . Monitoreo de la red de comunicaciones. Administración de la base de datos. Agregar nuevas estaciones, puntos, gráficos, puntos de cambio de alarmas, y, en general, reconfigurar el sistema. Aplicaciones especiales. Casi todos los sis temas SCADA tendrán cierto software de aplicación especial, asociado generalmente al monitoreo y al control de la planta. Sistemas expertos, sistemas de modelado. Los más avanzados pueden incluir sistemas expertos incorporados, o capacidad de modelado de datos. Ordenadores remotos o RTU´s (Remote Terminal Unit). Estos ordenadores están situados en los nodos estratégicos del sistema gestio134
nando y controlando las subestaciones del sistema, r eciben las señales de los sensores de campo y comandan los elementos finales de control, ejecutando el software de la aplicación SCADA. Se encuentran en el nivel intermedio o de automatización, a un nivel superior está el MTU y a un nivel inferior los distintos instrumentos de campo que son los que ejercen la automatización f sica del sistema, control y adquisición de datos. El SCADA RTU es una pequeña y robusta computadora que proporciona inteligencia en el campo para permitir que el máster se comunique con los instrumentos. Es una unidad stand-alone (independiente) de adquisición y control de datos. Su función es controlar el equipamiento de proceso en el sitio remoto, adquirir sus datos, y transferirlos al sistema central SCADA. Hay dos tipos básicos de RTU’s: single boards (de un solo módulo), compactos, que contienen todas las entradas de datos en una sola tarjeta; y modulares, que poseen un módulo CPU separado, y pueden tener otros módulos agregados, normalmente enchufándolos en una placa común (simi lar a una PC con una placa madre donde se montan procesador y periféricos). Un RTU single board tiene normalmente E/S fijas, por ejemplo, 16 entradas de información digitales, ocho salidas digitales, ocho entradas de información analógicas y cuatro salidas analógicas. No es normalmente posible ampliar su capacidad. Un RTU modular se diseña para ser ampliado agregando módulos adicionales . Los módulos t picos pueden ser un módulo de ocho entradas análogas, un módulo de ocho salidas digitales. 4.3.4.1. Funcionalidad del hardware de un RTU
El hardware de un RTU tiene los siguientes componentes principales: CPU y memoria volátil (RAM). Memoria no volátil para grabar progra mas y datos. Capacidad de comunicaciones a través de puertos seriales o a veces con modem incorporado. Fuente de alimentación segura (con salvaguardia de bater a). Watchdog timer ( que asegure reiniciar el RTU si algo falla). Protección elé ctrica contra fluctuaciones en la tensión. Interfases de entrada-s alida a DI/DO/AI/AO’s. Reloj de tiempo real. 135
Figura 4.4. Diagrama funcional de un RTU.
4.3.4.2. Funcionalidad del software de un RTU
En muchos RTU’s la funcionalidad se puede mezclar y no necesariamente ser identificable como módulos separados. Todos los RTU’s requieren la siguiente funcionalidad: Sistema operativo en tiempo real. Driver para el sistema de comunicaciones, es decir, la conexión con el máster. Drivers de dispositivo para el sistema de entrada-salida a los dispositivos de campo. Aplicación SCADA para exploración de entradas de información, procesamiento y el grabado de datos, respondiendo a las peticiones del máster sobre la red de comunicaciones. Algún método para permitir que las aplicaciones de usuario sean configuradas en el RTU. Esta puede ser una simple configuración de parámetros, habilitando o deshabilitando entradas-salidas espec ficas que invalidan o puede representar un ambiente de programación completo para el usuario. Diagnóstico. 136
Algunos RTU’s pueden tener un sistema de archivos con soporte para descarga de archivo, tanto programas de usuario como archivos de configuración. Red de comunicación. Este es el nivel que gestiona la información que los instr umentos de campo env an a la red de ordenadores desde el sistema. El tipo de BUS utilizado en las comunicaciones puede ser muy variado según las necesidades del sistema y del software escogido para implementar el sistema SCADA, ya que no todos los softwares (as como los instrumentos de campo como PLC`s) pueden trabaja r con todos los tipos de BU S. Hoy en d a, gra cias a l a estandarización de las comunicaciones con los dispositivos de campo, se puede implementar un sistema SCADA sobre prácticamente cualquier tipo de BUS. Es posible encontrar SCADA`s sobre formatos estándares como los RS-232, RS-422 y RS-485 a partir de los cuales, y mediante un protocolo TCP/IP, se conecta el sistema sobre un BUS ya existente; pasando por todo tipo de buses de campo industria les, hasta formas más modernas de comunicación como Bluetooth (bus de radio), microondas, satélite, cable, etcétera. Aparte del tipo de BUS, existen interfases de comunicación especiales para la comunicación en un sistema SCADA, como puede ser modem para estos sistemas que soportan los protocolos de comunicación SCADA y facilitan la implementación de la aplicación. Otra caracter stica de la s comunicaciones de un sistema SCADA es que la mayor a se implementan sobre sistemas WAN ( Wide Area Networks ) de comunicaciones, es decir, los distintos ter minales RTU pueden estar deslocalizados geográficamente. Los instrumentos de campo son todos aquellos que permiten tanto realizar la automatización o control del sistema (PLC`s, controladores de procesos industriales y actuadores en general), como los que se encargan de la captación de información del sistema (sensores y alarm as). Una caracter stica de los sistemas SCADA es que sus componentes son diseñados por distintos proveedores, sin coordinación entre s . As , se tienen diferentes proveedores para los RTU´s (incluso, es posible que un sistema utilice RTU´s de más de un proveedor), modems, radios, minicomputadores, software de supervisión e interfase con el operador, software de detección de pérdidas, y otros.
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4.4. SOFTWARE SCADA Y PRINCIPALES PRODUCTOS COMERCIALES Para obtener las caracter sticas y prestaciones propias de un sistema SCADA, su software debe presentar las siguientes funciones: Manejo del soporte o canal de comunicación. Manejo de uno o varios protocolos de comunicación ( driver ). Manejo y actualización de una base de datos. Administración de alarmas (eventos). Generación de archivos históricos. Interfases con el operador (HMI - Human Machine Interface ). Capacidad de programación (Visual Basic, C). Transferencia dinám ica de datos (DDE). Conexión a redes. Debe tener capacidad para comunicarse con múltiples redes de instrumentos, aun siendo de distinta procedencia y fabricantes (Standard IEC 1131.3). (Ver Figura 4.5.)
Figura 4.5.E ntorno de un software SCADA.
A continuación se exponen los principales softwares SCADA que podemos encontrar en el merca do, as como los fabr icantes y dis tribuidores. En algunos casos no tan solo proporcionan una solución puramente SCADA, sino que incluyen el registro y gestión de datos sobr e software MES (Manufacturing Execution System) para explotación de datos de fabricaci ón. Este tipo de integración de software MES en un sistema SCADA es una solución cada vez más demandada por los usuarios. 138
Fabricantes y distribuidores de software SCADA Nombre del producto Aimax All-Done Scada Automainge Captor Checksys Objects CIC Cube Cx-SuperVisor Digivis Experi on PKS
Distribuidor (y fabricante )/Fabricante Design Instruments, S.A. (T.A. Engineering) Freizas i Ros, S.L. Automainge Sisteplant M2R, S.A. CJM Software, S.A. ORSI España, S.A. Omron Elsag bai ley Hartmann & Braun, S.A. Honeywell , S.A. Evolución de los anteriores
Factory Suite A2
TDC3000, TPS y Plantscape Logitek, S.A./ Wonderware. Evoluci ón del F actory Suite 2000
Factorylink ECS y Xfactory Gefit Genesis CE (Pocket) y 32 Glassmaster Control System GPAO -SAC I/A iFIX 3.5
Tecnomatix (USDATA) Mondragón Sistemas Aplein Ingenieros, S.A./Iconics Mediterranean Import Trade, S.L./Precise Control Systems Sistemas Avanzados de Control, S.A. Foxboro Intellution (GE Fanuc Automation). Evolución del FIX DMACS 7.0 creado por: CIM (Computer Integrated Manufacturing), F isher, Rosemount, Omron / Intellution
IGSS32 Intouch JUMO SVS-2000 LabVIEW DSC NI Lookout 5.1 Monitor Pro V7.x P6008 Pac k-Centre PCVUE 32
AN Consult España, S.L./7-Technologies A/S (DK) Logitek, S.A./Wonderware Jumo Sercon, S.A. (D) National Instruments (1) National I nstruments AEA Tec hnology Foxboro Scada (1) Agecontrol Rasesa Automatismos, S.L./ARC I nformatique
Fabricantes y distribuidores de software SCADA (continuación) Nombre del producto Proasis DAS-Win Processyn Pyman Quick SPC RSView32 Scada-Vs SIMATIC(WinCC) Symcont SYSMAC-SCS Tactician T3500 TCS01 TD-Pro Test Point TQWIN WizFactory
Distribuidor (y fabricante)/Fabricante Design Instruments, S.A. OBM de Equipos Eléctricos, S.A./Logique Industrie Pyssa Marposs, S.p.A (I) Rockwell Automation/Rockwell Software Foxboro/Foxcada (Australia) Siemens (2) Adasoft, S.A. Omron Eurotherm España/Eurotherm Process Automation (UK) Sistemas Eléctricos Personalizados, S.L. Pertegaz, S.L. (I) Instrumentos de Medida, S.L. Vertex Serveis Informàti cs, S.L. Wizcon Soft España, S.L./PC soft International, Ltd (Israel)
4.5. ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE UN SOFTWARE SCADA Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes: Configuración. Permite al usuario definir el entorno de trabajo de su aplicación según la disposición de pantallas requerida y los niveles de acceso para los distintos usuarios. Dentro del módulo de configuración el usuario define las pantallas gráficas o de texto que va a utilizar, importándolas desde otra aplicación o generándolas desde el propio SCADA. Par a ello, se incorpora un editor grá fico que perm ite dibujar a nivel de p xel (punto de pantalla) o utilizar elementos estándar disponibles, l neas, c rculos, textos o figuras, con funciones de edición t picas como copiar, mover, borra r, etcétera. También durante la configuración se sele ccionan los drivers de comunicación que permitirán el enlace con los elementos de campo y la 140
conexión en red o no de estos últimos, se selecciona el puerto de comunicación sobre el ordenador y los parámetros de la misma, etcétera. En algunos sistemas es en la configuración donde se indican las variables que después se van a visualizar, procesar o controlar, en forma de lista o tabla donde pueden definirse a ellas y facilitar la programación posterior. Interfaz gráfico del operador. Proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso que se va a supervisar se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación de uso general (Paintbrush, DrawPerfect, AutoCAD, etc.) durante la configuración del paquete. Los sinópticos están formados por un fondo fijo y varias zonas activas que cambian dinámicamente a diferentes formas y colores, según los valores le dos en la planta o en respuesta a las acciones del operador. Se deben tener en cuenta algunas consideraciones a la hora de diseñar las pantallas: Las pantallas deben tener apariencia consistente, con zonas diferenciadas para mostrar la planta (sinópticos), las botoneras y entradas de mando (control) y las salidas de me nsajes del sistema (estados, alarmas). La representación del proceso se realizará preferentemente mediante sinópticos que se desarrollan de izquierda a derecha. La información presentada aparecerá sobre el elemento gráfico que la genera o soporta, y las señales de control estarán agrupadas por funciones. La clasificación por colores ayuda a la comprensión rápida de la información. Los colores serán usados de forma consistente en toda la aplicación: si rojo significa peligro o alarma, y verde se percibe como indicación de normalidad, este será el significado dado a estos colores en cualquier parte de la aplicación. Previendo dificultades en la observación del color debe añadirse alguna for ma de redundancia, sobre todo en los mensajes de alarma y atención: textos adicionales, s mbolos gráficos dinámicos, intermitencias, sonido, entre otras. Módulo de proceso.E jecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de vari ables le das. 141
Sobre cada pantalla se puede programar relaciones entre variables del ordenador o del autómata que se ejecutan continuamente mientras la pantalla esté activa. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (C, Basic, etc.). Es muy frecuente que el sistema SCADA conf e a los dispositivos de campo, principalmente autómatas, el trabajo de control directo de la planta, reservándose para s las operaciones propias de la supervisión, como el control del proceso, análisis de tendencias, generación de históricos, etcétera. Las relaciones entre variables que constituyen el programa de mando que el SCADA ejecuta de forma automática, pueden ser de los tipos siguientes: Acciones de mando automáticas preprogramadas dependiendo de valores de señales de entrada, salida o combinaciones de estas (ver figuras 4.6 y 4.7).
Figura 4.6.A rquitectura de un software SCADA.
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Figura 4.7. Ejemplo de una interna HMI del software SCADA.
Maniobras o secuencias de acciones de mando. Animación de figuras y dibujos, asociando su forma, color, tamaño, etcétera, a valores actuales de las variables. Gestión de recetas, que modifican los parámetros de producción (consignas de tiempo, de conteo, estados de variables, etc.) de forma preprogramada en el tiempo o dinámicamente según la evolución de planta. Gestión y archivo de datos.S e encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, según formatos inteligibles para periféricos hardwa re (impresoras, registradores) o software (bases de datos, hojas de cálculo) del sistema, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Pueden seleccionarse datos de planta para ser capturados a inter valos periódicos, y almacenados cada cierto tiempo, como un registro histórico de actividad, o para ser procesados inmediatamente por alguna aplicación software para presentaciones estad sticas, análisis de calidad o mantenimiento. Esto último se consigue con un intercambio de datos dinámico entre el SCADA y el resto de aplicaciones que corren bajo el mis mo sistema operativo. Por ejemplo, el protocolo DDE de Windows permite intercambio de datos en tiempo real. Para ello, el SCADA actúa como un servidor DDE que carga variables de planta y las deja en memoria para su uso por otras aplicaciones de Windows, o las lee en memoria para su propio uso después de haber sido escritas por otras aplicaciones. 143
Una vez procesados, los datos se presentan en forma de gráficas analógicas, histogramas, representación tridimensional, etcétera, que permiten, después, analizar la evolución global del proceso (ver Figura 4.8).
Figura 4.8.E jemplo de gráficas en un SCADA.
4.6. INTERFASES DE COMUNICACIÓN Es la que permite al PC MTU acceder a los disposi tivos de campo, a través de los RTU`s. As , la interfaz de comunicación enlazará el MTU con los distintos RTU`s del sistema mediante el BUS de campo (ver Figura 4.9). La interfaz de comunicación consta de distintos elementos: La base del sistema de comunicación es el BUS de campo que es el que transporta la información y las órdenes de control; este vendrá definido en función del tamaño del sistema SCADA (número de E/S del sistema), distancias entre RTU´s y(o) disponibilidad del servicio público de comunicación (par a sistemas SCADA de tipo red WAN en interconexión entre distintas plantas). Los modems que conectan f sicamente los RTU´s y el MTU al BUS. 144
El módulo de comunicaciones contiene los drivers de conexión con el resto de elementos digitales conectados, entendiendo el driver como un programa (software) que se encarga de la iniciación del enlace, aplicación de los formatos, ordenación de las transferencias, etcétera, en definitiva, de la gestión del protocolo de comunicación. Estos protocolos pueden ser abiertos (ModBus, FieldBus, Map, etc.), o propios de fabricante.
Figura 4.9.D iagrama de conexión informática de un sistema SCADA.
Estos drivers, propios del software SCADA, deben comunicarse con otros paquetes de software por medio del DDE ( D ynamic Data Extrange ), DLL ( Dynamic Link Libraries ) como canal de comunicación, implementados por el sistema operativo, que permite que diversos paquetes de software env en y reciban datos comunes. Por ejemplo, se puede relacionar una celda de una hoja de cálculo con una variable del sistema y as variar puntos de consignas del proceso, o bien comunicación directa con los drivers de E/S de los dispositivos de campo. (Ver Figura 4.10.)
Figura 4.10.D iagrama de la arq uitectura de los driversd e un SCADA.
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Adicionalmente, y en los SCADA´s distribuidos en arquitecturas cliente-servidor, los módulos de comunicaciones son también los responsables del enlace entre los diferentes ordenadores de proceso que soportan la aplicación, enlace probablemente establecido sobre una red local DECnet, TCP/IP, IPX/SOX, NETBIOS, MAP/TOP, Novell, etcétera.
4.6.1. Tecnolog as de integración microsoft (drivers espec ficos) 4.6.1.1. COM/DCOM
COM (Component Object Model) permite que una aplicación utilice funcionalidades de otra aplicación residente en la misma computadora, ello se hace incorporando a la aplicación principal objetos software propios de la otra aplicación. El DCOM (Distributed COM) supone extender el estándar COM a sistemas formados por redes. 4.6.1.2. Visual Basic for Applications (VBA)
VBA es el lenguaje de programación (basado en scripts ) incorporado en las aplicaci ones de Microsoft Office y ofrece diversas ventajas. Está muy extendido y es aceptado por diversos fabricantes, por lo que se va convirtiendo en un estándar que presenta una muy buena relación entre potencia y dificultad de aprendizaje y uso. El uso de un lenguaje común también facilita la integración de objetos suministrados por terceros, en la medida que aplican este mismo estándar. Además, permite interactuar directamente con las aplicaciones de Office (Access, Excel, Word,...), de BackOffice y de otros productos compatibles. 4.6.1.3. Interfaz OPC
OPC ( OLE for Pr ocess Control ) es el estándar diseñado para comunicar sistemas y dispositivos. Esto incluye tanto las comunicaciones entre un software SCADA y los buses de comunicación con los autómatas, como las comunicaciones entre una aplicaci ón SCADA y otras aplicaciones, como pueden ser las de gestión, abriendo a estas últimas el acceso a los datos de planta, como datos históricos, datos batch (por lotes), etcétera. Los productos OPC (Clientes y Servidores), pueden ser usados con Visual Basic y sus variantes (ver Figura 4.11). Es decir, OPC corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de Microsoft (COM, DCOM, OLE Automation y ActiveX) que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre 146
aplicaciones y dispositivos, especialmente en lo que se refiere a la atención al tiempo real.
Figura 4.11. Interfaz OPC Cliente-Servidor.
Las especificaciones OPC se mantienen a través de la OPC Foundation, conjunto de especificaciones técnicas no-propietario que define un conjunto de interfases estándar basadas en la tecnolog a OLE/COM de Microsoft . La tecnolog a COM permite la definición de objetos estándar as como de métodos y propiedades para los servidores de inform ación en tiempo real. La tecnolog a OLE Automationp osibilita comunicar las aplicaciones con datos recibidos a través de LAN, estaciones remotas o Internet. Antes del OPC, cada software requer a de un interfase espec fico (servidor, driver ) para intercambiar datos con una determ inada familia de dispositivos de campo. Y para intercambiar datos entre aplicaciones se utiliz aba el estándar DDE o bien interfases espec ficos para cada pareja de aplicaciones. OPC elimina esta necesidad y permite utilizar una misma operativa para comunicar aplicaciones, dispositivos y drivers. Los proveedores, tanto de hardware como de software, pueden suministrar productos con una elevada conectividad y compatibilidad, y los usuarios tienen una amplia gama de opciones para construir la solución que mejor se adapta a sus necesidades. 4.6.1.4. ActiveX
Incorporar un control ActiveX en una pantalla supone añadir un objeto con código asociado que realiza una determinada función de 147
forma totalmente integrada dentro de la aplicación que estamos tratando, basta con establecer los enlaces necesarios entre las variables de la aplicación y las del control ActiveX. Un control ActiveX no es un lenguaje de programación, es una pequeña pieza de software, escrita según las especificaciones COM, y tiene propiedades, métodos y eventos. Cuando se compra un objeto ActiveX en realidad se compra una licencia para usar este objeto en su aplicación. Un objeto ActiveX puede ser el servidor o driver de un PLC como SIMATIC (Siemens). Este driver tiene propiedades para definir los datos a ser le dos desde el PLC, métodos para iniciar la lectura de los valores y eventos para informar que los datos han sido recibidos desde el PLC. Debido a que los objetos ActiveX son basados en COM, ellos pueden usarse en cualquier aplicación que soporta COM, tales como: Visual Basic, Internet Explorer, Borland Delphi, Software SCADA Genesis32 de Iconics, etcétera. Existen varios objetos ActiveX que pueden comprarse independientemente para agregarlos a su aplicación SCADA basada en tecnolog a COM. Se tiene, por ejemplo, drivers para comunicación con PLC’s, DCS, conectividad a bases de datos, reportes, tendencias, s mbolos de instrumentos de medición, selectores, barras indicadoras, por citar algunos. 4.6.1.5. Conectividad remota WebServer (conexión a través de Internet)
El trabajo en un entorno Intranet es considerado normal para bastantes proveedores que incluyen funcionalidades de cliente y de servidor de Web. Algunas de las ventajas de la utilización de Internet en los entornos SCADA son el ofrecimiento de una funcionalidad total, ofreciendo su operatividad a través de cualquier navegador estándar. La información en tiempo real de la planta de proceso es inmediatamente accesible para cualquier persona autorizada de la organización, esté donde esté, con el coste más bajo (ver Figura 4.12). Por ejemplo, mediante la herramienta VBScript de Visual Basic usada en el Web browser de Microsoft Internet Explorer, se permite que en una aplicación Intranet dentro de una planta, se pueda construir páginas Web usando controles ActiveX para visualizar datos de planta. Esta aplicación SCADA usa un PLC con servidor ActiveX (OPC) para adquisición de datos, gráficos dinámicos y tendencias (curvas de comportamiento de valores de procesos) basadas en ActiveX. Los usuarios ven la información en una interfase amigable y usan un softwa re 148
modular que integra sus diversos componentes gracias a un lenguaje estándar que tiene la posibilidad de reutilizar los scripts (ver Figura 4.13).
Figura 4.12. Configuración Cliente-Servidor para conexiones remotas.
Figura 4.13. Diagrama de la arquitectura OPC.
4.7. EVOLUCIÓN DEL SOFTWARE SCADA En los últimos años ha existido una evolución de los productos software de superv isión y control para PC (SCADA) orientada a ampliar su campo de aplicación. De una supervisión y control iniciales a nivel 149
de máquina o de proceso se ha pasado a una supervisión y control a nivel de planta. De una adquisición y registro de datos orientada a un control de proceso o de l nea se ha ampliado su utilidad a proveer información en tiempo real del estado de la planta o de la fábrica. El software orientado inicialmente a supervisión y control de proceso (máquina, proceso y l nea) fue aprovechado para ampliar su utilidad a la supervisión y control de la producción. La adopción de forma generalizada de los estándares COM/DCOM, ActiveX, OPC y ODBC, entre otros, por parte de la gran mayor a de proveedores, facilitaba que los datos adquiridos mediante la aplicación SCADA estuvieran disponibles para otras aplicaciones como gestión de almacenes, ERP, etcétera. Una de las demandas más generalizadas y, al mismo tiempo, una de las más cr ticas, es la capacidad de efectuar consultas trabajando con datos procedentes de diversas fuentes: de diferentes aplicaciones (SCADA, ERP, etc.) o de bases de datos distintas y ubicadas en diferentes puntos del sistema. Disponer del conjunto de drivers necesario para intercomunicar los diversos componentes de la solución completa, configurarlos y activarlos de forma transparente, es un elemento esencial para disponer de una integración efectiva. Actualmente, diversos proveedores ofrecen módulos espec ficos orientados al almacenamiento de grandes cantidades de datos, as como servidores de datos capaces de atender consultas de grandes cantidades de datos y que implican tanto a datos recogidos de proceso como a datos almacenados en otras bases de datos, y aptos para servir a múltiples usuarios, conectados a una red para la gestión y el control de la fábrica. Por su naturaleza, estos módulos pueden llegar a constituir aplicaciones aptas para trabajar con SCADA´s de otros fabricantes, servidores de datos históricos y servi dores de datos integr ados (procedentes de diferentes bases de datos o aplicaciones, pero interrel acionados). Entre estos productos podemos citar: IndustriaISQL Server de Wonderware, RSSql de Rockwell Software, historian de GE Fanuclntellution, etcétera. Una de las necesi dades del resultado de esta ampliación del entorno de aplicación ha sido la necesidad de disponer de herramientas cómodas, simples y potentes para la generación de interfases de usuario que les permita acceder a la información que es de su interés. Dado que el entorno f sico donde se ubican estos usuari os también se ampl a, el medio generalizado de comunicación es Internet y la aplicación más común es cualquiera de los navegadores más difundidos. Asimismo, es conveniente disponer de herramientas que ofrezcan a cualquier usuario la posibilidad de diseñar y configurar una Web es150
pec fica que les permita dialogar con el sistema de información y obtener los datos necesarios. Un ejemplo de este tipo de aplicación es el infoAgent de GE Fanuc-Intellution, un software de edición, configuración y activación de portales de Internet que proporciona un servidor y admite múltiples clientes.
4.7.1. Tendencias La madurez de los productos software para la adquisición y registro de datos en tiempo real y la supervisión y control de procesos ofrecen una evolución en los siguientes ámbitos: Su integración en entornos completos para la gestión del negocio disponiendo de información de planta en tiempo real, control y tratamiento de datos, y supervisión y gestión global de la empresa. La existencia de aplicaciones MES, los servidores de datos y los servidores de Web son una prueba de ello. En el tratamiento de los datos adquiridos en planta por parte de sistemas expertos que ofrecen funcionalidades de detección y diagnóstico de fallos. Son evidentes las ventajas que supone disponer de un sistema experto que, a partir de los datos adquiridos de planta tanto en proceso continuo como discontinuo, pueda aplicar un conjunto de reglas que ayude al personal de operación en planta a detectar los fallos o situaciones delicadas y a tener una diagnosis de las causas que lo provocan, as como conocer cuál es la correcta actuación que se debe seguir. La mejora de las interfases con el usuario con el empleo de entornos gráficos de alta calidad, la incorporación de elementos multimedia de audio y v deo, la mejora de los sistemas operativos para incrementar las velocidades de respuesta, el empleo de software orientado a objeto, con diálogos conversacionales con programador y usuario, etcétera, todo ello soportado por un hardware cada vez más compacto, fiable, potente, de mayor ancho de BUS y más rápido.
4.8. ALGUNAS APLICACIONES DE LOS SCADA´s EN LA INDUSTRIA Y LOS SERVICIOS De igual manera, en muchos procesos industriales, como, por ejemplo, los de fabricación de alimentos y bebidas, los SCADA´s pueden ser utilizados cuando se requiere mezclar diferentes l quidos como agua, 151
aceite, jugos y mieles, con otros materiales como azúcar, harina, entre otros, los cuales son también transportados por conductos empleando corrientes de air e. En este tipo de procesos, los SCADA´s además de controlar válvulas y bombas para la transportación de l quidos, y de monitorear niveles en depósitos, se utilizan también para monitorear temperaturas, presiones y coloraciones, y controlar bombas de aire, hornos y aparatos de mezclado. Sin embargo, las aplicaciones de los SCADA´s son mucho más di versas, incluimos aqu algunas que consideramos relevantes: Equipos para el ahorro de energ a
En este caso, más que desempeñar funciones de control, los SCADA´s estarán monitoreando el conjunto de equipos y aparatos que intervienen en un proceso, as como la energ a que se está utilizando para su realización. El SCADA cuenta con tablas de consumo de energ a para los diferentes equipos, las cuales utiliza de manera permanente para estimar los consumos de los equipos en operación; este consumo teórico es comparado con el consumo real y en caso de existir una diferencia, el operador del SCADA tiene de inmediato la información para ordenar al personal de mantenimiento el ais lamiento de la posible falla y la corrección del equipo defectuoso. Un número creciente de industrias, empresas de transporte y oficinas de administración pública emplean SCADA´s en todo el mundo para el ahorr o de energ a. En el transporte
Hoy en d a prá cticamente todos los metros y ferrocarriles suburbanos del mundo utilizan sistemas para el monitoreo y control central de sus trenes. Sin ser exactamente SCADA´s, estos sis temas se parecen mucho a los SCADA´s. Aunque, si bien es posible modelar los trenes en los túneles como fluidos en las tuber as, existen algunas diferencias sustanciales: En el caso de los trenes se debe asegurar que ellos no se alcancen entre s , pues eso implicar a accidentes que pondr an en riesgo la vida de los pasajeros y la integridad f sica de los trenes. Esto no sucede en el caso de los fluidos. Los trenes se mueven dentro de los túneles con ciertos grados de autonom a, incluso deteniéndose para cargar y desca rgar pasajeros en 152
las estaciones. Esto tampoco pasa con los fluidos, cuyo movimiento es más simple, homogéneo y sencillo de prever. Por ello los sistemas modernos de administración y control de trenes, si bien están basados en SCADA´s, son mucho más complejos que estos. También, si se piensa en el funcionamiento de un aeropuerto, quizá se tenga la idea de que se trata de procesos relativamente sencillos y que las únicas dificultades reales se encuentran en la torre de control que regula el tráfico de llegadas y despegues. Esto no es as , considérese, por ejemplo, la sola tarea de prender y apagar la iluminación del aeropuerto y de sus pistas de aterrizaje. Se podr a pensar en tr es reglas básicas: De d a las luces están apagadas. De noche las luces están encendidas. Luego de que aterriza el último vuelo de la noche, y los pasajeros y empleados se retiran, las luces se apagan. Para cumplir estas tres reglas bastar a tener un interruptor general, pero esto no es cierto. Muchos aparatos e, incluso, lámparas deben estar encendidos durante el d a. De igual manera, existen una serie de aparatos de comunicación que no deben apagarse después de cerrar el último vuelo; unos muy simples de entender son los aparatos de refrigeración de alimentos y(o) medicinas que el aeropuerto debe conservar. Por todo esto, un SCADA podr a funcionar aqu como un control maestro de distribución y apagado de la energ a eléctrica del aeropuerto, pero ello es un solo ejemplo de las aplicaciones que los SCADA´s tienen en este tipo de instalaciones. Otros ejemplos estar an en el funcionamiento de equipos automáticos como: escaleras eléctricas, bandas transportadoras y plataformas de equipaje. Una aplicación más sofisticada es la referente a los sistemas de distribución de equipaje para los diferentes vuelos en proceso. Otra aplicación se puede encontrar en el control de tráfico de autopistas. Hoy en d a operan con éxito algunos sistemas capaces de identificar veh culos en movimiento en una carretera y llevar cuenta de ellos. Se trata de sistemas inteligentes de reconocimiento de imágenes captadas por cámar as de televisión colocadas a lo largo de la carretera. Una aplicación inmediata de esta capacidad tecnológica ha sido lograda a través de los SCADA´s, utilizados normalmente para el control de fluidos, modelando como tal el tráfico de veh culos en la carretera. As , se puede pensar en una autopista de seis car riles que comunica varias ciudades intermedias. En lugar de utilizar tr es carriles en cada dirección, la autopista deja solo dos carriles en cada caso, mientras 153
que los dos carriles centrales son empleados para cubrir la dirección con más tráfico, abriendo y cerrando para ello barreras de contención en forma automática y utilizando letreros luminosos que indican a los conductores cuándo pueden usar los carriles centrales y cuándo deben salir de ellos. Con este mecanismo, la autopista de seis carriles opera con una capacidad similar a una de ocho carriles. A través de sistemas SCADA´s podrá gestionar e integrar los complejos sistemas de los edificios de hoy en una sola solución, permitiéndole controlar su entorno. Es posible controlar la temperatura ideal en los pisos, el encendido de los sistemas de corriente alterna, el apagado de la iluminación donde y cuando no sea necesaria, el control de acceso de todas las áreas comunes y oficinas claves, hoteles, centros de negocios, edificios corporativos, detalles de qué oficinas están siendo utilizadas, qué luces están encendidas, si los sistemas contra incendio están trabajando e, incluso, qué lámpara necesita ser reemplazada.
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GUÍA GEN ERAL PARA EL ESTU DIO ASIGNATU RA: TEMAS ESPECIALES DE INSTRUM ENTACIÓN Y CONTROL
INTRODUCCIÓN La aceleración del progreso técnico trae consigo una utilización cada vez mayor de las técnicas de instrumentación y contr ol. Esto, por supuesto, tiene vastas implicaciones humanas, sociales y económicas. El ahorro energético y el cumplimiento de las exigencias medioambientales en las industrias son áreas en las que se puede lograr beneficios a partir de la introducción del control automático. En este libro se tratan los elementos básicos de los sistemas de instrumentación y control, con el objetivo de proveer fundamentalmente a los especialistas en el campo de la gestión energética, de las herramientas necesarias para la comprensión de estos sistemas, de manera que puedan utilizar la información que ellos brindan y explotarlos en función del ahorro energético. En todo el texto se tratan aspectos generales necesarios para comprender los sistemas de instrumentación y control actuales. Se tratan inicialmente los principios y caracter sticas generales de sensores y actuadores necesarios para comprender estos elementos integrantes de todo sistema de control. Los sistemas de control se tratan a partir del control con retroalimentación y las a cciones básicas de control. El empleo de los controladores lógicos programables (PLC) también es un tema tratado en el texto por su importancia y proliferación. Por último, se tra ta de dar una visión más amplia de la automatización al estudiar los sistemas de control digitales, sistemas SCADA ( Supervisory 156
Control And Data Adquisition ) y sus aplicaciones, as como el papel de
la computadora en los sistemas de control.
OBJETIVO GENERAL Conocer los principales elementos y el funcionami ento de los sistemas de instrumentación y control existentes para la adquisición y el manejo de la información, para la supervisión y el control, y aplicarlos como herramientas en la toma de decisiones asociadas al uso eficiente de la energ a en la industria y los servicios.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Clasificar y describir el principio de operación de los sensores y actuadores más comunes en los sistemas de automatización industrial y seleccionar adecuadamente aquellos que formen parte de un sistema de automatización industrial y que garanticen el uso eficiente de la energ a. 2. Definir y caracterizar los sistemas de control automático presentes en la industria. 3. Sintonizar regulador es PID utilizando las reglas de Ziegler y Nichols. 4. Conocer el estándar IEC 1131 referente a los controladores lógicos programables y aplicaciones de estos en los sistemas de automatización industrial. 5. Clasificar los sistemas digitales i ndustriales. 6. Describir la arquitectura y las peculiaridades de los sistemas de control distribuido. 7. Sintetizar las funciones básicas de un sistema de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA). 8. Demostrar que el manejo adecuado de la energ a en la industria se puede lograr a través del empleo de los sistemas digitales.
SISTEMA DE CONTENIDO POR TEMAS Tema 1. Sensores y actuadores Sensores. Clasificación. Principio de operación. Criterios de selección. Acondicionamiento de señales. Calibración. Actuadores. Clasificación. Principio de operación. Criterios de selección. 157
Tema 2. Sistemas de control Sistemas de control de procesos. Objetivos del control automático de procesos. Control regulatorio y servomecanismos. Estrategias de control. Control por retroalimentación. Control anticipatorio. Acciones básicas de control. Controladores proporcionales, integral es, proporcionales-integrales, proporcionales-derivativos, proporcionales-integrales-derivativos. Reglas de sintonización para controladores PID.
Tema 3. Controladores lógicos programables (PLC) Controladores lógicos programables. Estándar IEC 1131. Hardware. Lenguaje de programación. Aplicaciones.
Tema 4. Sistemas digitales Sistemas digitale s en la automatización industrial. Pirámide de control. Sistemas de control distribuido. Arquitectura. Caracter sticas generales. Aplicaciones. Sistemas SCADA. Componentes. Módulos de software. Aplicaciones. Sistemas a base de PLC y PC. Caracter sticas generales.
SISTEMA DE EVALUACIÓN 1. Realizar un trabajo investigativo relacionado con las mediciones de varios parámetros en un equipo o proceso asociado al consumo de portadores energéticos seleccionado por el cursante en su empresa (demostrar habilidades en la selección de sensores y transmisores). 2. Realizar un trabajo investigativo relacionado con la descripción de un lazo de control real existente en su empresa y los ajustes del regulador. 3. Realizar un trabajo investigativo final que debe ser discutido con el profesor, donde se describa una tarea técnica de automatización y de posibles sistemas de monitoreo y control automático en la empresa del cursante, asociándolos de alguna manera con ahorro de portadores energéticos o toma de decisiones que tributen a estos. 158
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA G ÓMEZ S ARDUY , J.R.; R. R EYESC ALVOy D. G UZMÁN DEL R ÍO: Temas especiales de Instrumentación y Control , Texto Básico, Universidad de Cienfuegos, 2007.
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA DOEBELIN , ERNEST O.: Measurement Systems. Applications and Design, Fourth Edition, 1990. HUGH, J ACK: Automating Manufacturi ng Systems with PLC´s, Version 4.7, 14 April, 2005. OGATA, K ATSUHIKO: Ingenier a de control moderna, tercera edición, 1998.
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I NDICACION ES PARA EL ESTU DIO POR TEMAS
Tema 1. Sensores y actuadores A partir del Cap tulo 1 del libro de texto y de la bibli ograf a complementaria, siga las sig uientes indicaciones: Explique el significado de los términos sensor y transductor, y resuma los parám etros que se tienen en cuenta para especificar un sensor. Construya una tabla en la que se relacionen los sensores estudiados con su clasificación atendiendo a principio de conversión, variable medida, tecnolog a empleada y aplicación. Resuma y explique los tipos de sensores más comunes de medición de temperatura basados en variaciones de las caracter sticas eléctricas de los materiales con la misma. Explique cómo trabaja un tubo Bourdon como sensor de presión. Describa el principio de operación de los siguientes sensores de caudal: a) Placa de orificio. b) Ventur i. c) Turbina. d) Electromagnético. e) Ultrasónico. Explique diversas maneras en que se pueden lograr sensores discretos y continuos de nivel.
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Compare un LVDT con un potenciómetro como sensor de posición. ¿Qué ventajas y desventajas tiene el uso de un LVDT? Explique en qué consisten los sensores inteligentes empleados actualmente en los sistemas de medición y resuma sus funciones principales. Explique las tecnolog as de acondicionamiento de señales empleadas en los sistemas de medición y control, y diga por qué son necesarias. Defina qué se conoce como actuador y realice un resumen de ellos agrupándolos por su clasificación de acuerdo con la energ a que convierten.
Evaluación
Trabajo investigativo TI-1. Sensores de medición. Objetivo
Mostrar las caracter sticas fundamentales de algún sistema de medición donde trabaja el maestrante relacionado con las mediciones de varios parámetros en un equipo o proceso asociado al consumo de portadores energéticos y establecer si los sensores son los adecuados desde los puntos de vista estudiados. Presentación
Informe escrito en formato electrónico. Contenido del informe: Explique auxiliado de esquemas, fotograf as, etcétera, un sistema de medición, ya sea de un equipo espec fico o proceso seleccionado en su centro de trabajo. Identifique los diferentes sensores que se emplean y clasif quelos de acuer do con la variable medida. Diga sus especificaciones y trate de determinar si son los adecuados y por qué. En caso necesario haga la propuesta adecuada (de acuerdo con los conocimientos básicos del maestrante). Diga las tecnolog as de acondicionamiento de señal que se emplean en este sistema y explique por qué son necesarias. Explique cómo relaciona usted este sistema con la gestión energética.
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Tema 2. Sistemas de control A partir del Cap tulo 2 del libro de texto y de la bibliograf a complementaria, siga las sig uientes indicaciones: Explique y trate de ejemplificar en cada caso las ventajas que ofrece el control automático en la industria. Diga brevemente cuál es el objetivo del control automático de procesos. Explique qué se entiende por control de lazo abierto y control de lazo cerrado. Ejemplifique en cada caso a par tir de sus conocimientos prácticos. Dibuje el diagrama de bloques de un control de lazo cerrado e identifique cada uno de sus elementos. Resuma cómo se obtiene la función transferencia de un sistema. De acuerdo con lo estudiado diga si esta brinda algún tipo de información acerca de la estructura del sistema f sico. Explique en qué consisten las estrategias de control estudiadas. Realice un resumen de la clasificación de los sistemas de control. Construya una tabla en la que coloque resumidamente, bajo cada categor a de las acciones básicas de control, la ecuación que la caracteriza, su función transferencia, los parámetros regulables del controlador y su respuesta ante una señal escalón unitario. Describa brevemente la respuesta en el tiempo de un sistema de control de segundo orden cuando la señal de entrada es un escalón unitario. Estudie y sintetice los pasos fundamentales que deben darse para sintonizar un controlador PID por el método de Ziegler y Nichols. Evaluación
Trabajo investigativo TI-2. Sistemas de control. Objetivo
Explicar las caracter sticas fundamentales de algún sistema o lazo de control seleccionado donde trabaja el maestrante e identificar el tipo de controlador y el ajuste de sus parámetros. Presentación
Informe escrito en formato electrónico. 162
Contenido del informe: Explique auxiliado de esquemas, fotograf as, etcétera, un sistema o lazo de control, ya sea en un equipo espec fico o proceso seleccionado en su centro de trabajo. Identifique los diferentes elementos que lo componen. Clasifique este sistema de acuerdo con las categor as empleadas. Obtenga su diagrama de bloques y seleccione los parámetros del controlador a partir de la simulación.
Tema 3. Controladores lógicos programables (PLC) A partir del Cap tulo 3 del libro de texto y de la bibliograf a complementaria, siga las sig uientes indicaciones: Diga las ventajas que ofrecen los PLC´s en los sistemas de control de procesos de las industrias actuales. Desarrolle un esquema en el que se describa la estructura de los PLC`s a partir de los conocimientos adquiridos en la asignatura. Para la programación de los PLC´s se ha creado el estándar IEC 1131. Resuma en qué consiste el mismo. Realice un programa para controlar el encendido y parada de un motor con un PLC usando dos pulsadores, uno para arrancar y otro para parar el motor. Realice los programas en Diagrama de contacto y en GRAFCET. Mencione varias aplicaciones donde se utilicen PLC.
Tema 4. Sistemas digitales A partir del Cap tulo 4 del libro de texto y de la bibliograf a complementaria, siga las sig uientes indicaciones: Mencione las posibles funciones de la computadora dentro del entorno industrial para el control de procesos. Diga en qué consiste un sistema de control distribuido en el entorno industrial, as como sus ventajas. Mencione los niveles que conforman la pirámide de control y explique brevemente la composición de cada uno de ellos. Diga qué es un sistema de tiempo real. Diga las ventajas de los SCADA´s. Mencione los módulos que componen los sistemas SCADA. 163
