UINIDAD I SISTEMA DE CONTROL POR COMPUTADORA CONTROL.- El concepto de control es extraordinariamente amplio, abarcando des de un simple interruptor que gobierna el encendido de una bombilla o el grifo que regula el paso de agua en una tubería, hasta el más complejo ordenador ordenador de proceso o el piloto automático de un avión. Podríamos definir el control como la manipulación indirecta de las magnitudes de un sistema denominado planta a través de otro sistema de control. En la fig. 1.1 muestra esquemáticamente un diagrama de bloques con los 2 elementos esenciales: sistema de control y planta Figura 1.1 Sistemas de control. Operador
M
Sistema de control 1
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Planta Señales De Control
Magnitudes De respuesta
SISTEMAS DE CONTROL El objetivo de un sistema de control es el de gobernar la respuesta de una planta, sin que el operador intervenga intervenga directamente directamente sobre sus elementos de salida. Dicho operador manipula únicamente las magnitudes denominadas consigna y el sistema de control se encarga de gobernar dicha salida a través de los accionamientos. El concepto lleva de alguna forma que el sistema de control opera, en general, con magnitudes de baja potencia, llamadas genéricamente señales, y gobierna unos accionamientoss que son los que realmente modulan la potencia entregada a la planta accionamiento Esta idea se refleja en la figura 1.2 Energía
Sistema de control de control
Planta
Accionamiento
Repuesta
señales de consigna
señales de control ELEMENTO DE SEÑAL
ELEMENTO DE POTENCIA Fig- 1-2 Sistema de control en lazo abierto abierto
El conjunto de sistema de control y accionamiento se limitaría a ser un convertidor amplificador de potencia que ejecuta las órdenes dadas a través de las magnitudes de consigna. Este tipo de sistema se denomina en lazo abierto, por el hecho que no recibe ningún tipo de información del comportamiento de la planta. Lo habitual, sin embargo, es que el sistema de control se encargue de la toma de ciertas decisiones ante determinados comportamiento de la planta. Hablándose entonces de sistema automáticos de control. Para ello se requiere la existencia de algunos sensores que detecten el comportamiento de dicha planta y de una interfaces para adaptar las señales de los sensores a las entradas del sistema de control. El diagrama de bloques será, en este caso, el de la figura 1.3. este tipo de sistema se le denomina de lazo cerrado, ya que su diagrama muestra claramente una estructura con una cadena directa y un retorno o realimentación, formando un lazo de control. Energía
Señales de consiga Entradas
Unidad de control de control
Interfaces Señales de alimentación
Salidas
Planta
Accionamiento Señales de control
Sensore s
ELEMENTO DE SEÑAL
ELEMENTO DE POTENCIA Fig- 1-3 Sistema de control en lazo cverrado
CONTROL DIGITAL DIRECTO (DDC) En el control digital que apareció hacia los años 1960, el computador llevada a cabo todos los cálculos que realizaban individualmente los controladores P, P + I, P + I + D generando directamente las señales que van a la válvulas : este tipo de control se denomina control digital directo ó DDC, el computador está enlazado con el proceso en las partes que pueden verse en la figura 1.3. Las señales procedentes de los transmisores de campo se reúnen en un termino y pasan a una unidad de filtrado y acondicionamiento donde son convertidas a señales digitales, para ser usadas en los cálculos posteriores de control.
COMPUTADOR MEMORIA
UNIDAD DE DISCO RELOJ DE TIEMPO REAL
UNIDAD CENTRAL DE TRATAMIENTO
ALARMAS CONSOLA DEL OPERADOR
UNIDAD ARITMETICA UNIDAD DE CONTROL
INTERFASE
D/A
DIGITAL / ANALOGICO/A
IMPRESORA
A/D
ANALOGICA / DIGITAL
MULTIPLICADOR
TERMINAL
TRANSMISOR
I/P PROCESO
Estas señales de tensión procedentes de: •
Termopares, que se caracterizan por una f.e.m pequeña que le hace sensibles al ruido
•
eléctrico, no mantienen una linealidad, entre f.e.m y la temperatura y necesitan
una compensación de la unión fría. •
Reóstatos
•
Tacómetros
•
pH y conductividad
Señales de corriente procedentes de transmisores. •
Variaciones de resistencia de sondas que se caracterizan por una relación no lineal con
relación a la temperatura A continuación se conectan a un multiplexor donde, de forma aleatoria o secuencial, pasan Al computador. El computador permite comprobar cada señal de entrada y compararla entre limites prefijados para detectar si sale fuera de estas magnitudes y determinar así, a través de la lógica del computador, las causas de la desviación iniciando una alarma o bien Imprimiendo instrucciones para la operación de la planta.
El sistema DDC compara la señal enviada a la válvula de control con la entrada y determina la aceptabilidad de la información para la acción de control. Si está no es aceptable se retiene la última posición de la válvula y el operador es prevenido, tomando el computador una acción de emergencia. De este modo, los límites de operación del proceso pueden estrecharse con seguridad de manera que éste pueda llevarse a un punto de operación crítico sin problemas. El DDC permite una transferencia automático-manual sin perturbaciones y admite una fácil modificación de la acciones y de la configuraciones de los sistemas de control, lo cual es muy importante en la puesta en marcha de la planta. El DDC tiene la ventaja sobre los controladores convencionales de estar provisto de un calibrado automático que corresponde a las condiciones de operación instantáneo. Es decir, el computador ajusta la calibración de sus algoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable de medida o de una combinación de variables en ,lugar de requerir periódicamente la calibración individual de cada instrumento por un instrumentista o especialista, tal como ocurre en los instrumentos convencionales.
CONTROL SUPERVISOR A pesar de estas ventajas , el gran problema que presenta el DDC es, son las fallas de sus componentes a pesar de los avances constantes en la tecnología de los circuitos integrados y la simplificación creciente lograda en el diseño de los computadores. Para alcanzar la máxima seguridad de funcionamiento y lograr la optimización idónea del proceso, el computador podría determinar los puntos de consignan más convenientes en cada instante, aplicarlos a los lazos de control situados dentro del propio computador o bien en el exterior en controladores individuales. Este tipo de control recibe el nombre de control de puntos de consigna o SPC ( Set point control), o bien control supervisor. En la figura 1.4 se observa que en paralelo con el bucle de control entre el transmisor y el controlador analógico, el computador calcula los puntos de consigna y los envía secuencialmente a cada instrumento. Si se presenta cualquier avería, el controlador regula la variable del proceso en el último punto de consigna que recibió del computador.
SPC
D/A
A/D
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
MULTIPLICADOR
Consigna
TRANSMISOR
Controlador analógico PROCESO
FIG. 1.4 Control supervisor
Bucle de controlador
Dentro del control supervisor se usa el término SCADA ( Supervisory Control Data And Adquisición) Nombre genérico que recibe el sofware que realiza las funciones de interfase con el operador,. el ordenador central ( o supervisor) y la recolección de datos históricos, informes, etc. Es un sistema de 2 vías, que no sólo recibe información de lo que ocurre a distancias remotas si no que también pueda dar órdenes a los instrumentos distantes. El ordenador central (host) usa los datos transmitidos desde campo y presenta los resultados
al operador para que actué como supervisor e inicie alguna acción de control, y utiliza unidades remotas de transmisión situadas a largas distancias (kilómetros) del ordenador. La Aplicación típicas de SCADA son controles por parte del operador de procesos distribuidos
en grandes áreas ( pequeñas centrales hidroeléctricas de generación de energía, campos de extracción de petróleo, redes de tuberías de gas ó petróleo). Cambiando los puntos de consigna de controladores situados a distancia, abriendo o cerrando o posicionando válvula a distantes, parando o arrancando motores, excitando interruptores y alarmas, recogiendo información de variables de la planta.
Central Energía ( Fuel-Gas- Agua) )
FIG. 1.5 Control SCADA Radio Radio
PLC
PLC
B
Válvula
Bomba
Sensor nivel
Sensor Presión
B
Válvula
Bomba
Sensor caudal
Sensor nivell
Sensor Presión
Sensor caudal
Planta Planta de control distribuido
Servidor de control
Estación de trabajo
Datos
Históricos Modem firewall Impresora Estación de trabajo Interruptor
Líneas telefónicas y radio
LAN
Radio
Router
Radio
Poco a poco, las funciones aportadas por los sistemas SCADA se han hecho semejantes al Control distribuido, y al única diferencia reside en el tipo de circuito, SCADA transmite las señales a través de circuitos de baja velocidad ( 300 bits/seg a 2400 bits/seg) y poco fiables para la integridad de los datos (línea telefónicas y radio ), mientras que el control distribuido o el integrado lo hace mediante circuito locales de alta velocidad y seguridad de transmisión
CONTROL DISTRIBUIDO ( DCS )
El control distribuido es un sistema jerarquizado en varios niveles con uno o varios microproce sadores controlando las variables que están repetidas por la planta, conectados por un lado a las señales de los transmisores de las variables y por el otro a las válvulas de control. La filosofía de este control es distribuir
el riesgo de fallo (limitando sus consecuencias)
agrupando los instrumentos de tal forma que los diversos estados de operación, reserva y espera que puedan adoptar los microprocesadores de control disminuyan la probabilidad de la ocurrencia de dos o más fallos simultáneos. Los equipos que forman parte del control distribuido (Figura 1.6 ) son : El controlador básico del sistema que es un microprocesador que proporciona a los clásicos
controles PID y otros algoritmos de control. Es apto para el manejo de varios lazos ( típicamente ocho) que proporciona, entre otros, los siguientes algoritmos de control: Todo-nada Flotante
Proporcional de tiempo variable. PID normal PID con autoajuste de las acciones de control PID con ajuste externo del punto de consigna. PID con control anticipativo (feedforwand) Rampas programadas ( temperatura en procesos discontinuos Bloques de recetas (reclpes)( procesos discontinuos, etc.) Funciones auxiliares: sumador, multiplicador-divisor, relación, contador, adelanto-retardo,
generador de funciones, limitador de valores alto/bajo, limitador de pendiente de variable, control secuencial ( enclavamientos), selector máximo / mínimo, etc. Funciones de cálculo: valor absoluto, extractor de raíz cuadrada, caudal masa de gases (
presión diferencial, presión
y temperatura), totalización, comparador de desviaciones,
humedad relativa, punto de rocío, valores promedio. Funciones matemáticas: suma, resta, multiplicación, división, ecuaciones, valor absoluto,
exponencial, logaritmos, raíz cuadrada.
Fig. 1.6 Control distribuido
Funciones lógicas: AND; OR; XOR; NOT; Flip- Flop, etc Alarmas: alta, baja, analógica, monitorización de sistemas. Comunicaciones.
Entradas al controlador de mV, V, mA, termopares ( J, K, R, S, T …), termo resistencia ( Pt, níquel, cobre …), resistencia en ohm, etc. El Controlador Multifuncional.- proporciona las funciones de control lógico que permiten
regular un proceso discontinuo ( batch control), y el manejo de procesos complejos, en los que el controlador básico está limitado. Utiliza en su programación un lenguaje de alto nivel. Tal es el caso de control de una columna de destilación, donde el control es dinámico, y es necesario realizar cálculos en « tiempo real « sobre las ecuaciones de equilibrio entre el reflujo interno y el reflujo externo en cabeza de la columna discontinuos. El Control Discontinuo.- ( batch control) se caracteriza por
autorizar la entrega de
ingredientes, en particular en la industria farmacéutica, definiendo su naturaleza
y
cantidades en lo que se llama la fórmula (recipe). Debido a que se fabrican muchos productos diferentes en la misma unidad de fabricación, es necesario que el equipo de con rol sea versátil para satisfacer las gran variedad de fórmulas ( recipes) que pueden
Los controladores programables ( PLC, Programable Logical Control).
Sustituyen a los relés
convencionales utilizados en la industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y para el accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de mandos y con los consiguientes cables de conexión, voluminosos y caros, el controlador programable a porta la solución versátil, práctica y elegante del software en un lenguaje especial, basado en la lógica de relés llamado «Ladder Logic» ( Lógica de escalera), mucho más pensado para control digital que analógico, si bien actualmente dispone de todas las funciones analógicas imaginables
Memoria Ram
Buses
Memoria Rom
Datos
Unidad de discos
Direcciones Control
Fig. 1.7 Control mediante PLC
Secuencia ejecución del programa
Periféricos - Monitor, Teclado, Impresora - Módulos E/S
El control secuencia .- Enlaza el control analógico ( modulante con posiciones que varían
continuamente en la válvula de control) con el control lógico. Por ejemplo, el arranque y el paro de una caldera de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente el riesgo de una explosión. El control secuencial se realiza con un conjunto de instrucciones o sentencias, parecidas a programas de ordenador, que establecen en el tiempo los puntos de ajuste de cada elemento para que tenga lugar la secuencia deseada. Vía de comunicación.- por la que circulan mensajes controlados mediante varios mecanismo
de comprobación de errores y que es redundante ( 2 cables coaxiales) para que de este modo, una avería en un cable por cualquier motivo transfiera automáticamente las comunicación es al otro cable, sin que el control se interrumpa-
DICCIONARIO DE REDES MULTIPLEXER.- EN COMUNICACIONES, ES UN DISPOSITIVO QUE MEZCLA VARIOS CANALES DE TRANSMISIÓN DE BAJA VELOCIDAD EN UN CANAL DE ALTA VELOCIDAD A UN LADO DE ENLACE . MULTIPLEXOR.- DISPOSITIVO QUE INVIERTE ESTE PROCESO DE FRECUENCIA- DIVISIÓN AL OTRO LADO DEL ENLACE PARA REPRODUCIR LOS CANALES D BAJA VELOCIDAD. FRECUENCIA- DIVISIÓN MULTIPLEXING.- ES UN METODO DE COMPARTIR UN CANAL DE TRANSMISIÓN, DIVIDIENDO EL ANCHO DE BANDA EN VARIOS CAMINOS PARALELOS, QUE ESTÁN DEFINIDOS Y SE PARADOS POR BANDAS GUARDIAS DE DIFERENTES FRECUENCIAS. TODAS LAS SEÑALES SE TRANSPORTAN SIMULTÁNEMAENTE. FDM SE USA EN TRANSMISIONES ANÁLOGAS, COMO EN COMUNICACIONES SOBRE LÍNEAS TELÉFONICAS O EN UNA RED DE BANDA BASE Bits/seg.- Es el número de dígitos binarios, o bits que se transmite cada segundo durante un procedimiento de transferencia de datos Lan.- producto combinado de hardware y software de network communication Corpporation, que se utiliza para encontrar errores y monitorear el rendimiento o actividad en rede de área local Interface.- Punto en la cual se hace una conexión entre 2 dispositivos de hardware entre un usuario y un programa o el sistema operativo, o entre 2 aplicaciones Router.- Dispositivo inteligente de conexiones que puede enviar paquetes al segmento correcto de una red de área local (LAN) y así llevarlos a su destino.
Banda ancha.- En redes, es la capacidad de transmisión de un computador o de un canal de comunicaciones En comunicaciones.- es la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja que está disponible para la transmisión en cualquier rango determinado. Hardware.- son todos los componentes físicos electrónicos de un sistema de computación, incluyendo los dispositivos periféricos, tarjeta de circuito impresos, pantallas e impresoras. Si se puede tocar, debe ser hardware. Software.- Programa de aplicación a sistemas operativos que puede ejecutar un computador. Software es un término amplio que puede implicar una o más programas y también se puede referir a aplicaciones que pueden estar compuesta de uno o mas programas. El protocolo Internet
La capa de red internet consta de tres elementos principales.
El primer componente.- es el protocolo de la capa de la red, que define el direccionamiento de la capa de red, los campos del datagrama y las acciones tomadas por los routers y los sistemas finales sobre el datagrama basándose
En los valores de dichos campos. El protocolo de red de Internet se denomina protocolo internet, o más comúnmente IP, hoy en día hay 2 versiones de IP. Examinaremos la versión 4 del protocolo Internet, conocida como IPv4, de amplia difusión.
El segundo elemento principal de la capa de red es el componente de determinación de ruta, que determina el camino que habrá de seguir un datagrama desde la fuente al destino.
El último componente de la capa de red es un mecanismo de la información de errores mediante datagramas ( Unidad de un mensaje que contiene información de las direcciones origen y destino, así como también información que se envía a través de una red de conmutación de paquetes) , el cual responde diversas solicitudes de
información de la capa de red.
Capa de transporte: TCP, UDP
Protocolo IP Convenciones de direccionamiento Formato de datagramas Convenciones de manejo de paquetes
Protocolo de rutado Selección de ruta RIP, OSPF, BGP
• •
•
•
•
Capa de red
Tabla de encaminamiento
Protocolo ICMP Informe de errores Señalización de router •
•
Capa de enlace Capa de física Inspección del interior de la capa de red de internet
Memoria Ram.- Es la cantidad de memoria instalada en el computador y el contenido lo mantiene temporalmente Rom.- Es la memoria que puede mantener permanente el contenido
