Apuntes tema2 - Automática. Mantenimiento y mecanizado de máquinas PDF

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Automática. Mantenimiento y mecanizado de máquinas...

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2. AUTOMÁTICA: CONTROL DE PROCESOS, LAZO ABIERTO, LAZO CERRADO. PROCESOS INDUSTRIALES, CONTÍNUOS, DISCONTINUOS, DISCRETOS. CONTROLADORES, SECUENCIALES, ASÍNCRONOS, SÍNCRONOS. SISTEMAS CABLEADOS Y PROGRAMABLES

1. INTRODUCCIÓN • Automatización de procesos • En documento anexo.

2. CONTROL DE PROCESOS, LAZO ABIERTO, LAZO CERRADO • La transformación de unas materias primas en un producto acabado se lleva a cabo mediante un proceso de fabricación (en adelante proceso). Todo proceso lleva un sistema de control, que actúa según las condiciones que los sensores indican (que pueden ser muy variadas, como posición temperatura, cantidad, etc.). El proceso se inicia con una orden del operario y puede acabar de forma autónoma o por nueva orden del operario, algunos procesos se programan para que se detengan en espera de que el operario vuelva a dar la orden de continuación, pero lo normal es que sean los sensores los encargados de ordenar la reanudación del proceso. • Cada actuación del proceso se ejecuta con los Actuadores, que suelen estar movidos por motores eléctricos, electroimanes, mecanismos mecánicos hidráulicos etc. • Todo proceso requiere un control de actuación para que se inicie, se realice y se concluya. • Hay dos formas básicas de realizar el control sobre un proceso industrial automatizado - Control en lazo abierto. - Control en lazo cerrado.

2.1. CONTROL EN LAZO ABIERTO • El control en lazo abierto, se caracteriza porque la información o variables que controlan el proceso circulan en una sola dirección, desde el sistema de control al proceso. • En este tipo de sistema el control no recibe la confirmación de que las acciones que se realizan a través de los actuadores se han ejecutado correctamente. • Por tanto, son sistemas en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control (es decir, que la señal de salida no tiene influencia en la señal de entrada).

• La variable que queremos controlar puede diverger considerablemente del valor deseado debido a la presencia de perturbaciones externas, por lo que en este tipo de sistemas interesa una buena calibración de los componentes que forman las diversas etapas, así como la inexistencia de dichas perturbaciones. • Los elementos componentes de un sistema de control en lazo abierto son los siguientes:

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a) Transductor • Elementos que transmiten información de su entrada a su salida; transforman o adaptan un tipo de energía a otro tipo de energía más apto o conveniente para su utilización por parte del controlador. Su misión consiste en transformar la señal de mando en otra señal denominada señal de referencia. b) Amplificador • Elemento que aumenta la amplitud o intensidad de un fenómeno. • Por tanto, los sistemas en lazo abierto responden al siguiente esquema:

• Ejemplo: Sistema para mantener constante la temperatura de una habitación. - La temperatura es la variable física de entrada que se quiere controlar. - El operador actúa sobre la señal de mando (que en este caso es la temperatura deseada). Un componente del sistema de control, el transductor, se encarga de transformar una determinada magnitud de entrada en otra de salida más adecuada para su manipulación (señal de referencia). - La señal de referencia pasa por un amplificador, y una vez amplificada actúa sobre el proceso para obtener la señal controlada, en este caso la temperatura que debe tener la habitación. • En los procesos de lazo abierto tiene mucha importancia la variable tiempo (en nuestro ejemplo, el tiempo de funcionamiento de la caldera). Si, por ejemplo, las condiciones de temperatura exterior cambiasen, el sistema no tendría forma de saberlo y, por lo tanto, estaría funcionando el mismo tiempo y sin conocimiento de esta perturbación exterior, cuando en realidad tendría que actuar en función de que la temperatura exterior subiera o bajara. Los cambios exteriores significan perturbaciones en el sistema a nivel de Proceso en el diagrama anterior. • De todo ello se deduce que si en un sistema de lazo abierto existen perturbaciones no se obtiene la variable deseada, por lo que se tiene que recurrir a otro sistema de control. Ejemplos de sistema de control de lazo abierto: - Tostador de pan. - Máquina de lavar. - Puerta corredera automática. - Control de velocidad en un motor derivación.

2.2. CONTROL EN LAZO CERRADO • Se denomina lazo cerrado al control en el que existe una realimentación, a través de los sensores, desde el proceso hacia el sistema de control que permite a este conocer si las acciones ordenadas a los actuadores se han realizado correctamente sobre le proceso. • Si en un proceso se presentan perturbaciones, resulta más conveniente cuantificar o referenciar la señal o variable controladora e intervenir en la cadena de mando para que la variable o señal controlada se parezca lo más posible a la señal de mando. Por ello es necesario realizar una realimentación de la variable de salida a la entrada. Este procedimiento se denomina control en lazo cerrado. • Se puede representar de la siguiente forma:

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• En algunas ocasiones, la señal controlada y la señal de referencia no son de la misma naturaleza. • El proceso general de un control por lazo cerrado sería: 1. El instrumento encargado de detectar la señal de salida es el Captador (dispositivo que recoge una información y, en función de ella, proporciona una señal al sistema). Este elemento mide la señal controlada y la transforma en una señal que puedan entender el resto de los componentes del sistema controlador. Los tipos más habituales de señales son neumáticas o eléctricas. 2. Se compara la señal de referencia con la señal controlada (que el captador ha transformado en señal realimentada) para determinar cual es la diferencia existente entre ambas. Esta operación se realiza mediante un Comparador que proporciona a su salida una señal de error. La señal de error se denomina señal activa, y es la que entra al Regulador o Controlador. 3. El regulador o controlador actúa de forma que la variable controlada corrija las desviaciones registradas con respecto a la variable de referencia; se deben corregir los efectos de las perturbaciones con la máxima rapidez, la máxima exactitud y el mínimo de oscilaciones posible. En este elemento se deben ajustar óptimamente una serie de parámetros para obtener la respuesta deseada, por ello se considera el núcleo del sistema controlador. 4. A la salida del controlador obtenemos la variable o señal correctora precisa para conseguir un control óptimo del sistema. Pueden utilizarse controladores mecánicos, eléctricos, hidráulicos y neumáticos. • Un ejemplo de control en bucle cerrado es el control de la temperatura de una habitación mediante un termostato. Este elemento compara la temperatura indicada por el selector de referencia con la temperatura ambiente de la habitación, proporcionando en el caso de no ser iguales una señal activa que actúa sobre la caldera para ponerla en marcha hasta que las diferencias de temperaturas sean nulas. • La adecuación de la variable controlada ante una variación de la señal de mando o una perturbación no es instantánea, requiere un tiempo determinado. La variación en función del tiempo de la variable controlada es de gran importancia para el diseño y dimensionado del sistema de regulación. • La estabilidad es una condición imprescindible en un sistema de control. • Como ejemplos de sistemas de control en lazo cerrado, podemos citar: - Mecanismo de llenado de una cisterna de agua. - Sistemas de control de nivel de líquidos

3. PROCESOS INDUSTRIALES, CONTÍNUOS, DISCONTINUOS, DISCRETOS. • En función de la evolución con el tiempo, los procesos industriales se pueden clasificar en: - Procesos continuos - Proceso por lotes o discontinuos - Procesos discretos 3

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3.1. PROCESOS CONTÍNUOS • Un proceso continuo se caracteriza porque las materias primas están constantemente entrando por un extremo del sistema mientras que en el otro extremo se obtiene de forma continua un producto terminado. • Un ejemplo típico de proceso continuo puede ser un sistema de calefacción para mantener una temperatura constante en una determinada instalación industrial. La materia prima es el aire frío y la salida el aire templado, conforme el aire de va calentando la entrada y la salida se va modificando hasta que llega a una estabilización, a partir de este momento, el consumo de gas decae hasta un mínimo, que dependerá de las pérdidas de calor.

• El sistema de control consta de un comparador que proporciona una señal de error igual a la diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura que realmente existe; la señal de error se aplica al regulador que adaptará y amplificará la señal que ha de controlar la electroválvula que permite el paso de gas hacia el quemador de la caldera. • A la vista de la instalación se destacan dos características propias de los sistemas continuos: - El proceso se realiza durante un tiempo relativamente largo, requiere un período de arranque y cuando se detiene su parada no es instantánea, sino que requiere un tiempo de parada total. - Las variables empleadas en el proceso y sistema de control son de tipo analógico; dentro de unos límites determinados las variables pueden tomar infinitos valores.

3.2. PROCESOS DISCRETOS • El producto de salida se obtiene a través de una serie de operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre sí, y la entrada o materia prima es habitualmente un elemento discreto que se trabaja de forma individual. 4

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• Un ejemplo de proceso discreto es la fabricación de una pieza metálica rectangular con dos taladros. El proceso para obtener la pieza terminada puede descomponerse en una serie de estados que han de realizarse secuencialmente, de forma que para realizar un estado determinado es necesario que se haya realizado correctamente los anteriores: • Las fases del proceso son: 1. Partiendo de una pletina, se corta a la dimensión determinada la pieza necesaria. 2. Transporte de la pieza hasta la taladradora. 3. Realizar el primer taladro. 4. Desplazar la pieza. 5. Realizar el segundo taladro. 6. Evacuar la pieza. • Cada una de las fases, o estados, supone a su vez una serie de activaciones y desactivaciones de los actuadores (Motores y cilindros neumáticos) que se producirán en función de: - Los sensores (de posición) y los contactos auxiliares (situados en los contactores) que activan los motores eléctricos. - Variables que indican que se ha realizado el estado anterior.

3.3. PROCESOS POR LOTES • Se reciben a la entrada del proceso las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. • Sobre este conjunto se realizan las operaciones necesarias para producir un producto acabado o un producto intermedio listo para un procesamiento posterior. • Por ejemplo, se trata de formar un conjunto de tres piezas que se han obtenido a partir de una serie de procesos discretos; las piezas se ensamblarán como se indica en la figura y una vez colocadas se roblonarán los remaches de forma que queden unidas las piezas sin soldadura. • El proceso lleva las siguientes fases: 1. 2. 3. 4.

Posicionar las dos piezas de la base. Posicionar la pieza de unión. Colocar los roblones Remachar la cabeza de los roblones

• Estos estados, o fases, se realizan de forma secuencial, y para activar los dispositivos encargados de posicionar las diferentes piezas serán necesarias: - Señales de sensores. - Variables de los estados anteriores. • Tradicionalmente, el concepto de automatización industrial se ha ligado a la aplicación de los sistemas de control discreto y procesos por lotes, dejando los procesos continuos a la regulación automática o servomecanismos. Los autómatas programables tienen su aplicación principal en los procesos discretos y discontinuos.

4. CONTROLADORES, SECUENCIALES, ASÍNCRONOS, SÍNCRONOS. • Un controlador lógico es un dispositivo electrónico que recibe n variables binarias de entrada y produce m variables binarias de salida diseñado con el objetivo de controlar productos y procesos industriales. • Los controladores lógicos secuenciales pueden ser asíncronos o síncronos. • Los controladores lógicos asíncronos surgen de la necesidad de poder diseñar sistemas de control capaces de tomar decisiones en un instante en función del valor que las entradas tuvieron en el pasado, o lo que es lo mismo en base a la secuencia de valores de las variables de entrada a lo largo del tiempo.

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• Los sistemas secuenciales asíncronos utilizan biestables en los que las variables de entrada actúan sobre el estado interno del sistema en el mismo instante en que pasan a un determinado estado, o cambian de estado. • Las limitaciones de los controladores lógicos asíncronos provocaron el interés por buscar nuevos tipos de controladores lógicos que las superasen. • Así surgieron los controladores lógicos síncronos, el cual utiliza un sistema secuencial síncrono, para controlar un proceso físico mediante una señal de reloj que sincroniza el cambio de valor lógico de las variables de entrada.

5. SISTEMAS CABLEADOS Y PROGRAMABLES • Las tecnologías empleadas en la automatización pueden clasificarse en dos grandes grupos: tecnologías cableadas y tecnologías programadas o programables.

5.1. SISTEMAS CABLEADOS • Los automatismos cableados se realizan a base de uniones físicas de los elementos que constituyen la unidad de control. La forma en que se establecen dichas uniones se determina por la experiencia o por un planteamiento teórico empleando las ecuaciones lógicas o el álgebra de Boole. Los circuitos de los esquemas serán aplicables a dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos. • La tecnología cableada ha sido y es extensamente empleada en la industria, pero presenta ciertos inconvenientes: - En general ocupa mucho espacio. - Poca flexibilidad ante modificaciones o ampliaciones. - Es difícil la identificación y resolución de averías. - No están adaptados a funciones de control complejas.

5.2. SISTEMAS PROGRAMABLES • La disponibilidad de equipos programables (microprocesadores) inició la aplicación de la tecnología programable en el medio industrial. Un microprocesador es un dispositivo con capacidad para leer una secuencia de instrucciones (programa almacenado) en código binario y ejecutar distintas acciones dependiendo del tipo de instrucción. • Todos los equipos microprogramables, además del microprocesador, disponen de una memoria donde almacenar el programa que ejecutan y los datos con los que opera el programa, y de unas unidades de entrada/salida mediante las cuales el microprocesador se comunica con el entorno exterior. • Los microprocesadores se aplicaron allí donde la cantidad de información y la complejidad del algoritmo de control hacían extremadamente complicado el empleo de equipos cableados; un campo particularmente propicio fue el de la industria de proceso (química, petroquímica). • Los microordenadores, cuya capacidad de tratamiento de la información estaba probada en aplicaciones de cálculo y gestión, si bien paliaban los inconvenientes de las técnicas cableadas, aportaban una nueva problemática para su empleo generalizado en el control industrial por los siguientes motivos: - Poco adaptados a las condiciones del medio industrial. - Requerían personal especializado para la programación y mantenimiento. - Coste elevado del equipo. • Hoy en día, en los procesos industriales el ordenador es más empleado en tareas de supervisión, comunicado con la red de autómatas o de microcontroladores, funciones de procesamiento y almacenamiento de datos, presentación gráfica de resultados, visualización del estado del proceso, etc., que en las específicas de control. • A principios de la década de los 70 empezó a aplicarse con éxito un nuevo dispositivo programable, el autómata programable industrial, paralelamente a la difusión de la tecnología del microprocesador. El autómata surgió como 6

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alternativa a la aplicación de los equipos informáticos en la industria y se ha constituido en el principal dispositivo programable empleado en control industrial. • El autómata programable, PLC (Programmable Logic Control) es un equipo electrónico con el que pueden controlarse procesos secuenciales en tiempo real en aplicaciones industriales de diversos tipos. Las ventajas que incorpora son: - Fiabilidad. - Mejora el control de los procesos. - Permite introducir cambios rápidos en las maniobras y en los procesos. - Controla y protege los aparatos eléctricos. - Reduce el volumen de los automatismos. - Aumenta el grado de seguridad de las instalaciones que controla. • La tercera opción de la tecnología programada es el microcontrolador, que es un dispositivo que ofrece en un único circuito integrado: un microprocesador, memoria de programa (ROM) y de datos (RAM), y unidades de entrada y de salida que posibilitan su comunicación con el entorno industrial, es decir, con el proceso en el que interviene. • Esta es la solución más sencilla y económica pero no proporciona la fiabilidad y la seguridad de funcionamiento en condiciones extremas o en ambientes industriales de los autómatas programables ni la potencia de cálculo y proceso del ordenador. Sin embargo son muy populares en electrodomésticos, máquinas de oficina, automóviles, videoconsolas, y otras aplicaciones donde el medio ambiente es limpio y confortable o donde un fallo en la función de control no supone que el proceso controlado se paralice. Por ejemplo, si falla el microcontrolador-ordenador a bordo en las instalaciones del automóvil no tendremos un chequeo permanente del estado del vehículo, pero esto no influirá en el desplazamiento eficaz del vehículo.

6. BIBLIOGRAFÍA • Dorf, R.C. “Sistemas Modernos de Control. Teoría y Práctica”. Ed. Addison Wesley. • Kuo, B.J. “Sistemas de control automático”. Ed. Prentice-Hall. • Ogata, K. “Ingeniería de control moderna”. Ed. Prentice-Hall.

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