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• Andres Lozano

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Automatización y Control

1. Automatización Industrial 1.1 Introducción a la automatización industrial Un sistema de control automático es aquel que controla una variable física sin intervención humana.

Esta variable física puede ser una temperatura, una velocidad, una presión, un flujo o gasto, un nivel, etc., etc. El controlar una magnitud física como las mencionadas anteriormente es estrictamente necesario para el buen desarrollo de determinados procesos sobre todo en la industria. El control automático llamado simplemente automatización ha sido la base sobre la cual descansa el gran adelanto industrial de los países más poderosos del planeta.

Esto es así porque los procesos industriales susceptibles de ser automatizados, cuando operan así, entregan un producto de mucho mejor calidad que cuando son manejados nada más por personas.

Desde luego que se tiene un riesgo de desempleo.

En nuestro país se ha introducido ya la Automatización en cierto grado. Pero los aparatos con que se realiza esa automatización de Procesos no se fabrican aquí (PLC o Computadoras Digitales)

La necesidad de efectuar el control sobre diversas magnitudes físicas se hizo sentir en la naturaleza desde los más remotos tiempos, podemos decir que desde el nacimiento de la vida, sea vegetal, animal o humana.

Y así podemos mencionar varios sistemas de control Automático que posé el cuerpo humano: Temperatura, Presión sanguínea, Emociones, Flujo sanguíneo, Mecanismo de adaptación visual, Nivel de Azúcar en la sangre y así varios otros.

Todos estos procesos lo resolvió la naturaleza mediante maravillosos mecanismos cuyos componentes son diversos órganos tales como el cerebro, corazón, hígado, riñones, páncreas etc., etc. En estos procesos se ha inspirado el hombre para crear diversos inventos de gran utilidad.

Para controlar una variable física es necesario conocer su magnitud, es decir, es necesario medirla

Entonces podemos decir que la técnica de las mediciones, es la base en que se apoya la técnica del Control Automático

En Europa los profesores que fundaron las carreras de Ingenieros en Automatización fueron Ingenieros que se especializaron en mediciones físicas, y los laboratorios de Automatización se crearon a partir de los laboratorios de Mediciones.

1.2 El proceso productivo y los niveles de automatización

En la segunda mitad del siglo pasado, se consideraron tres grandes rubros para medir el grado de industrialización de un país. Estos eran: Industria Eléctrica, Industria Petrolera e Industria Siderúrgica. Ahora hay que agregar el grado de Automatización que tiene la industria de un país para que se pueda decir que es industrializado y en qué nivel. Según expertos en el tema, en la industria pesada, tal como la siderúrgica y la energética (Eléctrica y Petróleo principalmente), sus procesos deben estar automatizados cuando menos en un 70% para que se puedan considerar como actualizados y cumplan con los estándares de calidad mínimos.

Es un hecho que con procesos automatizados, las industrias progresan en cuanto que producen con mayor calidad y en menos tiempo, es decir, se hacen más competitivas.

1.3 Componentes de un sistema automatizado

Un sistema automatizado puede ser en lazo abierto o en lazo cerrado. En el primer caso la variable física a controlar, por ejemplo la velocidad de un motor no se retroalimenta a un controlador. En el segundo caso la variable física a controlar, se retroalimenta a un controlador a fin de que éste equipo (controlador) compare con el valor requerido el cual se ha fijado de antemano y decida si hay que efectuar alguna corrección, en caso de que la variable a controlar salga del rango en que deba estar.

Estos procesos son tan antiguos como el hombre mismo ya que en nuestro organismo tenemos un sinnúmero de procesos automáticos en lazo cerrado tales como: nivel de adrenalina, nivel de glucosa, mecanismo de visión, sistema nervioso etc., etc.

Los principales componentes de un sistema automatizado son:

1.- Proceso a controlar 2.- Sensor o detector que mide la variable física a controlar e informa esta medición al controlador. 3.- Controlador. Es el cerebro que de acuerdo a la información enviada por el sensor toma decisiones para corregir si este es el caso a la variable física bajo control. 4.- Comparador. Elemento que forma parte del controlador o puede estar fuera de él y compara el valor de la variable física a controlar con el valor que debe tener y que se denomina referencia, informando esto al controlador. 5.- Actuador. Elemento que recibe las instrucciones del controlador para actuar en un sentido o en otro y corregir así el valor de la variable a controlar. Por ejemplo, abrir o cerrar una llave para que fluya más o menos líquido hacia un recipiente.

2.- Actuadores

Estos elementos deben estar hechos para soportar condiciones de rudeza ya que están dentro del proceso mismo, el cual en ocasiones presenta condiciones duras, tales como procesos de fundición o procesos con ácidos, etc. 2.1 Actuadores neumáticos e hidráulicos. Son principalmente válvulas neumáticas e hidráulicas que abren o cierran el paso de un fluido dentro de una tubería. 2.2. Actuadores visualización

térmicos,

luminosos

y

dispositivos

de

2.2.1 Actuadores térmicos Son elementos calentadores que mediante flama o calentamiento eléctrico introducen calor o lo disminuyen dentro de un proceso. Pueden ser mecheros o resistencias eléctricas. 2.2.2 Actuadores luminosos Son elementos que por medio de un circuito electrónico y una pequeña cámara envían una señal luminosa que activará o desactivará un proceso o una parte de él. Ejemplo de estos actuadores son las camaritas que envían una señal luminosa para cerrar puertas como la de los elevadores para personas, instalados en edificios. 2.3 Actuadores electromagnéticos y piezoeléctricos 2.3.1 Actuadores electromagnéticos Estos dispositivos principalmente son válvulas solenoide que como el nombre lo indica abren y cierran una abertura colocada en un ducto. Poseen una bobina, la cual, al recibir una señal eléctrica, crea un campo magnético que atrae a un émbolo de hierro para abrir o cerrar la apertura en el ducto. En esta categoría entran también los relés y los contactores.

2.3.2 Actuadores Piezoeléctricos Estos dispositivos están formados por dos placas metálicas con un cristal de cuarzo entre ellas: Al aplicarse una fuerza entre ellas se genera un pequeño voltaje, el cual es proporcional a la fuerza aplicada. Entonces a la inversa, si a las placas se les aplica una señal eléctrica pueden generar una pequeña fuerza. 2.4 Motores eléctricos Los motores eléctricos en tanto que actuadores son muy importantes pues se usan para abrir o cerrar puertas, ventanas, rejas, etc., controlados a distancia por medio de un pequeño aparato llamado control remoto. También juegan un gran papel al impulsar bandas transportadoras. 2.5 Sistemas de transmisión de potencia Dentro del campo de la automatización la transmisión de potencia, se puede efectuar por medio de corriente eléctrica, fluido sea líquido o gaseoso, pero sin duda el más empleado por su facilidad de instalación y su relativo bajo costo es el sistema eléctrico para lo cual se requiere de una fuente de energía eléctrica que generalmente es la que proporciona la empresa suministradora, siendo aquí en México la Comisión Federal de Electricidad. Se re quieren además dispositivos de protección como los interruptores y finalmente los conductores eléctricos. 2.6 Sistemas de almacenamiento y transporte Dentro de los procesos automatizados, es muy importante el papel que juegan los depósitos de almacenamiento, por ejemplo de botellas en espera de ser llenadas por algún líquido y luego transportadas generalmente por medio de alguna banda hasta su destino final. 2.7 Sistemas de actuación de propósito especial En éste punto podemos mencionar a los impulsores (motores) de barras de control de los reactores nucleares de una planta

nucleoeléctrica (planta generadora de electricidad usando energía atómica)

3.- Sensores Los sensores en un sistema automático son elementos que captan y miden una variable física y este resultado lo transmiten al controlador para que éste tome una decisión con tal información. 3.1 Interruptores mecánicos y magnéticos Estos elementos forman parte de un circuito eléctrico y no son propiamente captores sino que protegen al circuito eléctrico cuando se produce una falla o bien sirven para poner en marcha un circuito eléctrico: Ahora bien, existen interruptores que si desempeñan una función importante en un sistema de control automático y son los interruptores de límite, de presión, etc. Interruptores de límite Se usan mucho en elevadores, para desenergizar (abrir) el circuito cuando el elevador llega al límite marcado. Este elevador acciona un brazo del interruptor, el cual abre los contactos del circuito de control del elevador, deteniéndolo. También existe el interruptor de presión usado mucho en compresoras. Este interruptor abre el circuito del motor eléctrico de la compresora, cuando el aire ha alcanzado en el interior de la misma cierto valor de presión. 3.2 Sensores piezoeléctricos.

resistivos,

inductivos,

capacitivos

y

3.2.1 Sensores resistivos En este campo están principalmente los potenciómetros, que son elementos hechos de una bobina formada por hilos de cobre sobre el cual se desplaza un cursor conectado al circuito eléctrico que está alimentando a la bobina proporcionando así un voltaje variable ya que el cursor se desplaza a lo largo de la bobina. En la sección de diapositivas se muestra el diagrama.

3.2.2 Sensores fotoresistivos

Estos elementos varían su resistencia eléctrica al recibir en una pequeña ventana, determinada iluminación que puede ser natural o artificial. Se usan en circuitos de alumbrado para apagar o encender lámparas con la ausencia (noche) o presencia (día) de luz natural respectivamente. 3.2.3 Sensores inductivos Estos sensores trabajan por medio de la variación de inductancia en una bobina. Esta variación se puede obtener por medio del desplazamiento de un cursor como en el caso del potenciómetro o por otros medios parecidos. Se usan para detectar por ejemplo la aceleración de un elemento mecánico en un determinado mecanismo. 3.2.4 Sensores capacitivos Estos sensores trabajan por medio de la variación de la distancia entre las placas que forman el condensador o capacitor. Se usan sobre todo en radio comunicación ya que al variar la distancia entre las placas, se varía la capacitancia y por lo tanto, se varía en forma inversamente proporcional, la frecuencia de la señal. 3.2.5 Sensores piezoeléctricos Estos sensores detectan el valor de una fuerza mecánica que se ejerce sobre las placas que lo forman ya que al presentarse esa fuerza en las placas que contienen el material piezoeléctrico se genera una tensión eléctrica proporcional a dicha fuerza. 3.3 Sensores ópticos y ultrasónicos 3.3.1 Sensores ópticos Estos sensores son pequeñas ampollas de material transparente dentro de la cual se encuentran dos placas metálicas a manera de electrodos. Al recibir la ampolla una señal luminosa, se genera una corriente eléctrica en una de las placas llamada ánodo que es la que recibe la señal, viajando esta corriente hacia la otra placa (cátodo) y posteriormente al circuito exterior que cumplirá la misión encomendada por ejemplo accionar un relé.

3.3.2 Sensores ultrasónicos Estos elementos captan el nivel del ultrasonido informándolo así al controlador. 3.4 Codificadores de posición Estos sensores proporcionan la información sobre la posición de determinado objeto mediante un código, por ejemplo el binario. Puede ser una tira metálica con ventanitas en su longitud. El objeto cuya posición se requiere detectar permitirá si está ausente el paso de luz proveniente de una fuente luminosa o lo impedirá si está presente creándose así el código binario respectivo. 3.5 Sensores de temperatura Esta detección se efectúa por medio de termómetros, termopares o pirómetros. Los termómetros generalmente son de mercurio. Los termopares consisten en un circuito formado por una unión de dos metales diferentes, flexionándose uno de ellos a determinada temperatura enviando así la información correspondiente. Los pirómetros son elementos que recogen la radiación del cuerpo que se produce a determinada temperatura.

4.- Controladores y Adquisición de datos 4.1 Controladores digitales 4.1.1 Microprocesadores Estos son circuitos eléctricos integrados en una sola pastilla (chip) y que contienen los circuitos lógicos necesarios para las unidades de control y de cálculos (aritmética- lógica). Es el elemento más importante de una computadora y se le nombra C P U. 4.1.2 Microcontraladores Esta unidad contiene además del microprocesador , la unidad de memoria y dispositivos de entrada y salida, lo cual le permite recoger la información captada en el terreno del proceso bajo control, que le envían los sensores, pasar dicha información a la unidad de control y de cálculo (toma de decisiones), y enviar las señales necesarias a los elementos actuadores para corregir sí así se requiere, alguna variable física en el proceso bajo control. 4.1.3 Dispositivo de entrada y salida del microcontrolador A estos dispositivos se les denomina periféricos. Un dispositivo de entrada es el teclado de la máquina. Las demás señales de entrada son las que le envían los sensores y las señales de salida son las que envía el controlador a los actuadores dentro del proceso de controlar. 4.2 Convertidores Analógicos / Digital (A/D) y Digital / Analógico (D/A) Estos elementos, por medio de circuitos (compuertas) lógicos, convierten en el primer caso señales analógicas (continuas) a digitales (discontinuas) y en el segundo caso, convierten señales digitales a analógicas. 4.3 Sistema de adquisición de datos

Se entiende por sistema de adquisición de datos, la forma en que la información de proceso o procesos bajo control, llega a la máquina (controlador). Un sistema muy popular es el llamado Fieldbus, el cual consiste en un controlador central, que puede ser una computadora o un controlador lógico programable que recibe información y envía instrucciones a otros controladores de menor capacidad colocados en puntos necesarios del proceso o procesos bajo control.

5.- Programación de Sistemas automatizados 5-1 Fundamentos de Sistemas de control retroalimentados. Un sistema de control automático retroalimentado negativamente es aquel en que la variable a controlar se retroalimenta físicamente hasta el punto de inicio del proceso para que en un elemento denominado comparador se compare con el valor establecido como referencia, es decir, saber si la variable a controlar tiene el valor deseado o está apartada de tal valor. En caso de que exista una diferencia entre estas dos señales (la de salida que es valor real de la variable a controlar y el de la referencia que se denomina entrada), se genera una señal llamada de error. Esta diferencia es una suma algebraica entre la entrada que tiene una polaridad eléctrica positiva y la salida que tiene una polaridad eléctrica negativa. Si el error es positivo quiere decir que es mayor la referencia (entrada) que la salida (valor real de la variable bajo control) y si la señal de error es negativa esto indica que domina la señal de salida, es decir, la variable bajo control tiene un valor más alto que el que debe tener de acuerdo a lo que demanda el proceso. El caso ideal es que no haya señal de error, es decir, que la variable física bajo control tenga el valor deseado que es el marcado por la señal de referencia (entrada). En cualquiera de los tres casos (error cero, error positivo o error negativo), el controlador con tal información tomará la decisión correspondiente que enviará al actuador. Es muy importante hacer énfasis en que en un Sistema de control Automático Retroalimentado la retroalimentación debe ser negativa (de polaridad eléctrica negativa), y la señal de referencia (entrada) debe ser de polaridad eléctrica positiva. Características de Retroalimentado

un

Sistema

de

Control

Automático

Para que sea efectivo y verdaderamente útil, un sistema de Control Automático Retroalimentado debe reunir las siguientes características: 1.- Exactitud 2.- Precisión 3.- Rapidez de respuesta

4.- Estable 1.- Exactitud.- La variable bajo control debe tener el valor marcado por la señal de referencia dentro de un rango de tolerancia (error) de diseño. 2.- Precisión.- El sistema debe trabajar siempre con la misma exactitud. 3.- Rapidez de respuesta.- El sistema debe responder con la velocidad con que se diseñó. 4.- El sistema debe ser estable, es decir, una vez superado el régimen transitorio y alcanzado el régimen permanente, la variable física bajo control, debe tener siempre el mismo valor y no estar oscilando. 5.2 Controladores Lógicos Programables (PLC) Este aparato es una computadora digital de propósito especial, pensada y diseñada para controlar de manera automática la operación de procesos principalmente industriales. Existen diferentes modelos y marcas, y el usuario podrá escoger, asesorado por un especialista si así se requiere, el modelo que se adapte a sus necesidades. Este equipo como ya se dijo es una computadora digital de propósito especial y por lo tanto posé un CPU. (Unidad de Control y Cálculo aritméticos), su memoria, sus registros y sus elementos periféricos (actuadores y sensores), Posee un teclado para programación y sus terminales de entrada y salida. Generalmente posee un circuito que le permite barrer o peinar (scanner) el estado de las salidas a fin de detectar cualquier falla en el proceso. En la actualidad existen programas que permiten simular en una PC. La operación del sistema de control del proceso que se desea automatizar y de esta manera, saber si se está programando correctamente. Existen varios métodos de programación de los PLC pero el que más se ha usado y se usa es el método llamado escalera el cual consiste

en realizar primero la programación del sistema de control en la forma tradicional llamada de escalera, que no es sino que un diagrama de control electromagnético con relevadores y contactores y de este diagrama pasar ya a elaborar el correspondiente al PLC. Actualmente existen muchas herramientas para programar sistemas automatizados, pudiendo señalar principalmente los programas Aurora y Mat Lab.