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 térmicos, luminosos y dispositivos de

visualización

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 resistivos, inductivos, capacitivos y

piezoeléctricos.

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 un Sistema de Control Automático

Retroalimentado

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.