Sistemas de Control Industrial y Niveles de Automatización
Automatización: Tecnología por la que se lleva a cabo un proceso sin intervención humana.
Arquitectura de Control
- Nivel 0: Control de dispositivos (sensores/actuadores)
- Nivel 1: Controlador de máquina
- Nivel 2: Control de célula, supervisor
- Nivel 3: Control de planta
- Nivel 4: Control de empresa
Funciones Avanzadas de Automatización
- Monitorización de la seguridad (sensores para identificar peligros)
- Diagnóstico de mantenimiento y reparación (monitorización del estado, diagnóstico de fallos, recomendación del proceso de reparación)
- Detección de errores
Tipos de Industrias
- De Proceso: Material tipo continuo (polvo, gases, etc.)
- Discretas: Material tipo discreto (piezas)
Control Continuo
Sistema: Elementos que transforman una señal de entrada en una salida.
Planta: Recursos a controlar.
Proceso: Operación a controlar, responsable de que la planta funcione.
Control: Para disminuir el error.
Elemento Final de Control: Actuador que regula la salida.
Perturbación: Señal de entrada indeseable que afecta a la salida.
Referencia: Señal de entrada.
Error: Objetivo – resultado.
Realimentación: Incrementa la exactitud y mejora el comportamiento; mal aplicada, produce oscilación e inestabilidad.
Tipos de Control
Control con Realimentación (Feedback)
Mantiene el comportamiento del proceso dentro de una tolerancia. Existe un error.
Bloques
- G (planta)
- H (sensor)
- K (controlador)
- F (prefiltro)
Señales
- Entrada: r (referencia), l (perturbación carga), d (perturbación salida planta), n (ruido sensores)
- Salida: e (error seguimiento), u (señal mando control), y (salida planta)
Control PID
El más antiguo y usado. Obtiene la señal de control a partir del error. U = Up + Ui + Ud
- Proporcional: Up = Ke
- Integral: Ui = K/Ti ∫e(τ)dτ
- Derivativo: Ud = KTd * de/dt
Se elimina el error con K = infinito o U = Uo. Con Up la salida tiene error, Ui para repararlo (Uo). Ti = tiempo para que la acción integral contribuya a la salida del controlador en una cantidad igual a la acción proporcional. A menor Ti, menor estabilidad.
Control con Prealimentación (Feedforward)
Anticipa el efecto de las perturbaciones detectándolas antes. Se combina con realimentación.
Optimización en Estacionario
(Lazo abierto, IP definido)
Control Adaptativo
(Lazo abierto, forma de autocorrección de control óptimo, incluye retroalimentación). Identifica cuándo se produce un cambio en la dinámica del sistema y se adapta, compensa el entorno mediante la alteración de su algoritmo de control.
Funciones
- Identificación
- Decisión
- Modificación
Control Adaptativo con Estrategias Online
(No se conoce la relación entre parámetros de entrada e IP). Realiza experimentos sobre el proceso, hace cambios en base a los efectos observados.
Control Discreto
(Cambios dirigidos por eventos, c.d. por tiempo).
Control por CPU
Monitorización del Proceso por CPU
La CPU observa el proceso y recoge y registra los datos de la operación (de proceso, de equipos, del producto). La CPU no controla directamente el proceso.
Control Digital Directo (DDC)
Controladores reemplazados por CPU digital, CNC y Robótica, PLC, Supervisor (controla cintas, máquinas y robots).
Control Numérico
Controla mediante programa las posiciones entre el cabezal de trabajo y la pieza. Lo realiza la Unidad de Control de Máquina (MCU).
CNC (Control Numérico Computarizado)
Aplicaciones
Mecanizado (torneado, fresado), Conformado (corte láser y plasma, troquelado, contorneado, punzonado, prototipado rápido).
Industrias
Aeroespacial, maquinaria, eléctrica, fabricación de bienes, automoción, instrumentación, fabricación de moldes.
Productos
Bloque motor, piezas hidráulicas, turbina, molde frontal vehículo, carcasa móvil, prototipos.
Operaciones
Almacena más de un programa pieza, ciclos fijos y subrutinas programadas, interpolación, cálculo de aceleración y deceleración, interfaz de comunicaciones.
Ventajas
Productividad, calidad, reducción de inventario, mecanizado de formas complejas, gestión.
Inconvenientes
Alto coste (>18.000), mantenimiento, no rentable para poca producción, personal experimentado en mecánica y electrónica.
Elementos
- Programa Pieza: Instrucciones codificadas para producir la pieza. Formato bloques (nº secuencia, modo interpolación lineal, coordenadas, velocidad avance).
- Dispositivos de Entrada/Salida del Programa: Teclado, puerto serie RS232 y redes de comunicaciones.
- Unidad de Control de Máquina (MCU): Lee instrucciones, las decodifica, implementa las interpolaciones, comandos de movimiento de ejes, recibe señales de realimentación, implementa funciones de control auxiliar.
- Sistema de Accionamiento: Circuitos de amplificación, motores paso a paso, husillos de bolas (movimiento rotacional → movimiento traslación).
- Dispositivos de Realimentación: Potenciómetro, Encoder (información de posición lineal o rotacional en señal de salida eléctrica, hay ópticos y magnéticos), Resolver (da señal de salida, rotativo), Tacómetro (realimenta velocidad).
DNC (Control Numérico Directo)
Control por 1 CPU, conexión directa en tiempo real, los 60, ambos sentidos.
Control Numérico Distribuido
Actual, CPU central conectada a MCUs, ambos sentidos.
Sistema de Coordenadas
- Piezas Planas y Prismáticas: (x, y, z; fresado y taladrado, eje de rotación en cada eje)
- Piezas de Rotación: (x, z; torneado)
Control de Movimiento
- Sistema Punto a Punto: (De posicionado, se mueve y después realiza la operación)
- Trayectoria Continua: (De contorneo, fresado o torneado; realiza la operación durante el movimiento)
Interpolación
(Lineal, circular, helicoidal, parabólica y cúbica)
Posicionamiento
(Absoluto o incremental)
Programación CNC
Cada letra asociada con un tipo de acción específica o información requerida por la máquina.
Códigos G
(Funciones que se relacionan con movimientos reales de la herramienta. Marcha, interpolación, espera, aceleración, planos, unidades)
Códigos M
(Funciones variadas que implican acciones necesarias para mecanizar. Parada, fin, giro, refrigerante, cambio de herramienta)
IJK (coordenadas en giro), R (radio), F (velocidad de avance), S (velocidad del husillo), T (nº identificación de la herramienta a usar)