Introducción a la Tecnología de Control

La tecnología de control abarca todos los procedimientos y sistemas que permiten automatizar máquinas, aparatos y procesos de fabricación.

Sistema de Control

Un sistema de control es un conjunto de elementos que actúan coordinadamente para conseguir una acción de gobierno dentro de un proceso, mediante la manipulación directa o indirecta de las magnitudes que intervienen.

Sistema de Control Automático

Un sistema de control automático es un conjunto de elementos técnicos que tiene por objetivo conseguir que una máquina o un proceso haga sus funciones con una intervención humana mínima. (La intervención humana consiste en introducir las órdenes de funcionamiento en el sistema de control para que ejecute de manera adecuada las fases de trabajo.

Ejemplo: El funcionamiento de una lámpara temporizada. El objetivo de este automatismo es sustituir la operación de apagar la luz.)

Tecnología Cableada

La tecnología cableada se aplica a dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos y electrónicos. Se lleva a cabo a partir de uniones físicas de los elementos que constituyen el sistema de control (muy empleado en la industria).

Inconvenientes:

• Es poco flexible ante futuras modificaciones.
• Ocupa mucho espacio.
• No permite funciones de control complejas.
• Difícil resolver averías.
• Es poco adaptable a la vez de alterar las funciones.

Tecnología Programable

La tecnología programable no presenta los inconvenientes anteriores y goza de gran cantidad de ventajas. Es muy adaptable y puede llevar a cabo diferentes funciones de control sin alterar la configuración física, solamente hay que cambiar el programa de control.

Sistemas Analógicos

Los sistemas analógicos trabajan con señales de tipo continuo, con un margen de variación determinado. Suelen representar magnitudes físicas del proceso (temperatura, presión, velocidad) mediante una tensión o corriente proporcional a su valor (0 a 10V).

Sistemas Digitales

Los sistemas digitales trabajan con señales todo o nada (binarios 0-1) que sólo pueden representar dos niveles (abierto/cerrado). Suelen representarse por variables lógicas.

Sistemas Híbridos Analógico-Digitales

Los sistemas de control actuales, con un cierto grado de complejidad, procesan señales analógicas y digitales al mismo tiempo. Existe la tendencia a que la unidad de control sea totalmente digital porque aporta una gran capacidad de cálculo y procesamiento.

Sistemas de Control de Lazo Abierto

Los sistemas de control de lazo abierto se caracterizan porque, una vez activados, ejecutan el proceso durante un tiempo prefijado, independientemente del resultado obtenido. El sistema de control no supervisa el resultado de la salida del proceso.

Ejemplo: La luz temporizada de la escalera (temporizador = dispositivo de control, luces escala = dispositivos que queremos controlar). La luz se apaga en un tiempo determinado. Por lo tanto, no supervisa si el vecino de arriba ha llegado a casa o no, se apaga cuando transcurre el tiempo programado (esto hace que sea de lazo abierto).

Sistemas de Control de Lazo Cerrado

En los sistemas de lazo cerrado, el resultado del proceso es analizado para que cumpla una consigna (valor que se quiere obtener a la salida) mediante un proceso continuo de realimentación. Este proceso comprueba el resultado de salida y modifica la respuesta del automatismo en función de la consigna.

Ejemplo: Un termostato o la luz temporizada con un sistema de lazo cerrado. Este último recibiría información de la presencia de vecinos y mantendría las luces encendidas hasta que no hubiera.

Función de Transferencia

La función de transferencia es la expresión matemática que, en un bloque, relaciona la variable de salida con la variable de entrada.

Componentes de los Sistemas de Control

Dispositivos de Entrada de Órdenes

• Elementos binarios (activado/desactivado, sí/no). Ejemplo: interruptor, pulsador.
• Elementos numéricos (entrada de números). Ejemplo: calculadora, teclado.

Dispositivos de Entrada de Información

Son básicamente constituidos por sensores, que son dispositivos que miden los datos de salida y las transmiten a la unidad de control. De acuerdo con esta información, el sistema de control ordenará una cosa u otra sobre los actuadores.

Controlador

Forma el sistema de tratamiento de la información del proceso y establece la manera en que tiene que trabajar el sistema.

Dispositivos de Salida de Información

Se encargan de la comunicación con el operador (trabajador). Ejemplo: timbre, sirena, impresoras.

Actuadores y Preactuadores

Se encargan de operar sobre el proceso. Ejemplo: motores, cilindros (actuadores), interruptores, variadores de velocidad (preactuadores).

El Controlador

El controlador es el dispositivo responsable de elaborar la señal correctora con el objetivo de obtener el valor de consigna (evitar desviaciones respecto a la consigna) deseado al final del proceso, haciendo las modificaciones necesarias sobre la máquina.

Acciones Básicas de Control

Acción proporcional (P), integral (I), derivativa (D).

Acción Proporcional (P)

La señal de control es proporcional a la señal de error: cuanto mayor es la señal de error, mayor es la señal de control. Es de efecto instantáneo y enérgico, aunque suele presentar desviación por momentos (offset).

Acción Integral (I)

Este tipo de controlador emite una señal que varía con una velocidad proporcional a la magnitud de error. Con una señal de error grande, varía rápidamente para intentar corregir la desviación. Es de efecto lento y progresivo, pero sigue actuando hasta anular la desviación permanente. Es poco enérgica en los instantes inmediatos a la aparición brusca de una desviación, porque tiene un efecto progresivo. Puede provocar inestabilidad en el sistema. En la práctica no se usa de forma pura, sino asociada con un controlador proporcional (P) o proporcional-derivativo (PD).

Acción Derivativa (D)

Llamado control de velocidad, genera una señal que es proporcional a la velocidad de variación de la señal de error. Si el error aumenta uniformemente siguiendo una forma de rampa, la salida del controlador es constante y de valor proporcional a la pendiente de la señal de error. No corrige un error constante en el sistema, se utiliza para corregir eventuales errores que pueden presentarse y anticiparse a los mismos. Produce un efecto de anticipación. Permite obtener una respuesta dinámica más rápida, esto es, conseguir un tiempo de respuesta menor.

Control PID

El comportamiento de un controlador PID corresponde a la superposición de estas tres acciones. La acción proporcional actúa sobre el total de la respuesta. El objetivo de este tipo de control es obtener todas las ventajas de los otros tres y superar los inconvenientes.

Control Todo o Nada

La salida del controlador sólo adopta dos estados: conectado y desconectado, o lo que es lo mismo, máxima y mínima salida.

Transductores

Son dispositivos que transforman una magnitud física en otra magnitud física, a menudo una señal eléctrica, entre las cuales hay una relación determinada.

Estructura

• Elemento sensor o captador: Convierte las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética.
• Bloque de tratamiento de señal: Tiene como función filtrar, preamplificar y tratar la señal para adaptarla a la etapa siguiente.
• Etapa de salida: Comprende los amplificadores, relés, convertidores de código, etc., todos aquellos circuitos que adaptan la señal a las necesidades de la carga exterior: normalmente un controlador o un comparador.

Clasificación

Pueden ser de carácter activo o pasivo, según si son los que generan directamente la señal captada o necesitan una alimentación externa para captar la señal. También se pueden clasificar teniendo en cuenta la manera de codificar la magnitud medida: analógicos, digitales y todo o nada. Por último, se pueden clasificar según la magnitud física que se quiere detectar:

• Posición: final de carrera, microrruptor.
• Proximidad: óptico, magnético.
• Desplazamiento lineal: láser, ultrasónicos.
• Velocidad lineal o angular: dinamo tacométrica.
• Temperatura: termostato, PTC, NTC.
• Presión: presostato, piezoeléctricos.

Comparador

Llamado también detector de error, es el dispositivo encargado de comparar el valor de referencia con el valor medido de la variable de salida mediante el transductor de realimentación. El resultado de esta comparación constituye el error de funcionamiento o desviación de la salida del valor previsto.

Autómata Programable o PLC

Es una máquina electrónica diseñada para hacer, en tiempo real y en ambiente industrial, automatismos combinacionales y secuenciales. Este tiene un campo de aplicación muy amplio dentro del sector industrial gracias a sus particulares características de diseño: dimensiones reducidas, simplicidad de montaje y posibilidad de almacenamiento y modificación de los programas.

Ventajas

• Posibilidad de introducir modificaciones sin tener obligación de cambiar la red de conexiones.
• Espacio de ocupación reducido.
• Reducción del coste de la mano de obra de la instalación.
• Reducción del tiempo de elaboración del proyecto.
• Posibilidad de mandar diferentes máquinas con un único autómata.
• Reducción del tiempo de la puesta en funcionamiento.
• Reducción del coste de mantenimiento.
• Reutilización del PLC.

Inconvenientes

• Disponer de personal con un cierto grado de especialización para programarlo y hacer el mantenimiento posterior.
• El precio inicial puede ser un inconveniente, ya que podría ser más elevado que otras opciones tecnológicas.

Estructura

Un equipo de control, que consta de un hardware independiente del proceso que se quiere controlar, y de un software que contiene la secuencia de operaciones de control que hay que llevar a cabo. Tanto las señales de entrada al autómata como las de salida al proceso se cablean directamente en los bornes de conexión del PLC. Un PLC consta de tres partes fundamentales: la unidad central de proceso o de control (CPU), la memoria y los elementos de entrada y salida.

Grafcet

(Gráfica de mando etapa-transición), normalizado según la norma internacional IEC 848, representa directamente la sucesión de las etapas dentro de un ciclo de producción, separadas por transiciones o condiciones de salto entre etapas.