Clasificación de los sistemas de control
Los sistemas de control se clasifican básicamente en sistemas
de lazo abierto y sistemas de lazo cerrado.
En los sistemas de lazo abierto la señal de salida no tiene
influencia sobre la entrada. El proceso se ejecuta estableciendo las condiciones
iniciales necesarias para obtener un resultado determinado.
Si por acción de la variación de las condiciones externas al
sistema no se logra el resultado deseado, no hay posibilidad de poderlos cambiar
durante el proceso.
En cambio, en los sistemas de lazo cerrado la señal de salida
tiene influencia sobre la entrada, es decir, que si existe una desviación entre
la salida real y la deseada, el autómata realiza los ajustes necesarios para
aproximarlas lo más posible, ya que aquí si existe realimentación de
información.
Los sistemas modernos de control se basan en el concepto de
lazo o bucle cerrado. En el mismo, cíclicamente se realizan las siguientes
tareas durante el proceso:
1- Captación del valor de las señales de entrada a través de
los sensores y los dispositivos de entrada respectivos.
2- Evaluación o procesamiento de los valores recibidos en comparación con los
valores deseados.
3- Si es necesario, generación de una respuesta correctiva por parte del
actuador final.
Componentes básicos
Los sensores o detectores captan las entradas procedentes del
proceso y entorno externo. Estos transductores convierten la información física
real, como tensión, temperatura, posición, etcétera, en una señal que
generalmente es de tipo eléctrico.
Los sensores suelen clasificarse en función de la magnitud que miden
(temperatura, intensidad, velocidad, nivel, etcétera).
Asimismo, las señales que entregan pueden ser del tipo analógico o digital,
incluyéndose en este último grupo los que detectan estados ON / OFF, como por
ejemplo los límites de carrera.
Una señal analógica puede adquirir un número ilimitado de
valores, dentro de un rango limitado por un máximo y un mínimo. Por ejemplo son
las generadas por sensores de presión, temperatura, peso, flujo de caudal.
En cambio, una señal digital sólo puede adquirir un número
determinado de valores. Los mismos habitualmente se codifican empleando un
sistema binario de numeración (basado en dos valores: 0 y 1). Habitualmente
estos ceros y unos se agrupan en conjuntos de 8 ó 16 dígitos binarios (8 y 16
bits), formando valores interpretables por el autómata.
En los detectores ON/OFF, como los interruptores de final de
carrera, adopta el valor 0 ó 1 dependiendo de su estado (hay tensión o no hay
tensión).
Las dispositivos de entrada permiten establecer el diálogo
hombre-máquina para que el operador pueda gobernar el funcionamiento correcto de
las máquinas instaladas, verificando condiciones de arranque, alterando el
proceso, cambiando la velocidad, realizando paradas de emergencia.
También pueden medirse determinadas condiciones externas, como
tensión, intensidad y temperatura del entorno, y ser utilizadas para alterar el
proceso de control.
A menudo la señal eléctrica producida por el sensor o
dispositivo de entrada no está en una forma directamente utilizable por el
autómata o controlador lógico. Por lo tanto necesita ser previamente convertida;
amplificándola si es débil, filtrándola para cambiar su frecuencia,
convirtiéndola de digital a analógica o viceversa.
El controlador lógico o autómata programable (PLC) es el
cerebro del sistema de control. Recibe las señales procedentes de los sensores y
dispositivos de entrada, y las interpreta para decidir cuál salida tiene que
accionar, si es necesario.
Las redes de datos vinculan los distintos autómatas que
intervienen en un proceso productivo, para coordinar su funcionamiento conjunto.
Las redes pueden ser Ethernet, Profibus y otras, tanto de área local (LAN) como
extendida (WAN).
Los dispositivos de actuación o actuadores convierten las
señales eléctricas de salida del controlador lógico en acciones físicas sobre el
sistema controlado. Pueden ser motores de velocidad variable, contactores,
válvulas.
Los dispositivos de indicación permiten que el autómata vaya
informando al operador el estado del proceso o las variables del mismo, mediante
dispositivos como pantallas de cristal líquido, tubos de rayos catódicos,
impresoras, alarmas.
Estructura y funcionamiento del autómata
El autómata programable es un dispositivo electrónico destinado
a controlar las operaciones de cualquier proceso de producción. Tiene una gran
capacidad de adaptación y con un simple ajuste del programa, cualquier producto
o sistema de producción puede sustituirse por otro para adecuarse a las
necesidades de la empresa en cada momento.
Los autómatas internamente están constituidos por un conjunto
de tarjetas o circuitos en los que se han montado diversos circuitos
electrónicos integrados. Las conexiones entre tarjetas tienen lugar a través de
un circuito impreso llamado bus de datos situado generalmente en la parte
posterior. Las partes principales que componen un autómata son: el procesador,
la memoria, las tarjetas de E / S, la interfase o consola de programación, el
puerto de comunicaciones y la fuente de alimentación.
La unidad central de procesos o CPU contiene habitualmente el
procesador y la memoria. El procesador está formado por el microprocesador y el
reloj. Alrededor del microprocesador se sitúan varios circuitos integrados,
principalmente la memoria ROM del sistema destinada a que el microprocesador
realice las tareas propias del procesador del autómata.
La CPU es el cerebro de la máquina, siendo ahí donde se
interpretan las instrucciones del programa. De su potencia depende el grado de
complejidad de los automatismos que pueden ser resueltos y la facilidad con que
se efectúa la programación. Las tareas de la CPU comprenden:
- Adquisición y actualización de los estados de las señales de
E / S.
- Interpretación de las instrucciones del programa de usuario.
- Vigilancia y diagnóstico del funcionamiento del equipo.
- Comunicación con las distintas partes de la unidad central mediante bus o
barras de datos.
- Comunicación con periféricos y otros autómatas.
El procesador del equipo lee e interpreta las instrucciones del
programa grabado en memoria, y deduce de él las operaciones a efectuar. Es una
unidad que básicamente realiza instrucciones lógicas AND, OR, etc.
Los programas actuales han dejado de lado los controles
proporcionales, derivativos e integrales (PDI) que caracterizaban a los
controladores neumáticos, para volcarse a los controles secuenciales digitales.
En estos últimos no sólo se consideran los valores actuales de
las magnitudes controladas, sinó también se evalúan los estados anteriores
(registro cronológico de eventos) para predecir mejor la evolución del sistema y
ordenar las acciones correctivas convenientes. En algunos casos se establecen
"recetas" que ante alteraciones previsibles le permiten responder de una forma
determinada por el programador. Los programas pueden tener diferentes modos de
trabajo: lista de instrucciones booleanas, esquema de contactos o esquemas de
funciones.
En función del programa contenido en la memoria, y en el
momento deseado, el procesador elabora y transmite las órdenes de las salidas
hacia los actuadores. Las funciones tienen lugar secuencialmente; los valores de
las entradas suelen ser tenidos en cuenta en el momento de su utilización, y las
salidas se activan a medida que tienen lugar los cálculos y en función de su
resultado.Así el ciclo simple de la CPU comprende:
- Lectura del direccionamiento de cada uno de sus módulos
periféricos.
- Comprobación del estado de las entradas.
- Lectura del programa.
- Tratamiento de instrucciones de programación
- Activación o desactivación de las salidas según este programa.
- Actualización de las salidas y reinicio del ciclo.
La memoria es el dispositivo o soporte tecnológico capaz de
almacenar información binaria ( ceros o unos ). Esta organizada en palabras y
registros constituidos por cierto número de dígitos binarios ( 8, 12, 16 ó 32
bits).
Hay distintos modelos constructivos de memorias:
- RAM. (Memoria de acceso aleatorio) De lectura y escritura. Se
puede leer o escribir en ellas, pero pierden su contenido cuando le falta la
energía.
- ROM. (Memoria de sólo lectura) Se puede acceder a su contenido pero no
escribir en ella. Su contenido se mantiene cuando le falta la energía.
- EPROM. Es una ROM borrable a través de rayos UV y programable eléctricamente.
- EEPROM. Es una ROM borrable y programable eléctricamente.
Según su función, la memoria se divide en:
La memoria de sistema (Ejecutiva - Scratch - Pad) es sólo de
lectura (ROM) y no resulta accesible al usuario. En la misma se almacenan los
programas ejecutivos o firmware y un espacio de memoria de almacenamiento
temporal intermedio utilizado por dichos programas.
La memoria de datos (Tabla E / S - Relés internos) es una
memoria de acceso aleatorio (RAM) donde se almacena información del estado de E
/ S, estados internos intermedios ó auxiliares y los datos del número.
En la memoria del usuario (Registro de Datos - Instrucciones
del Programa de Control (puede ser una RAM, EPROM ó EEPROM)) se almacenan las
instrucciones del programa de control.
Cada entrada, salida, registro de datos o variable interna
lleva asociada una dirección en memoria. Existe una correspondencia directa
entre las direcciones de la tabla de memorias de E / S y los módulos exteriores
de entradas y salidas.
Siempre hay que tener en cuenta esta correspondencia en la
programación, ya que el procesador acude a las direcciones de la tabla de
entrada y salidas para tomar el estado de las variables que se almacenan como 1
cuando existe tensión en el borne del circuito de entrada o como 0 cuando no la
hay.
El sistema de entrada/salida (E/S) de un autómata tiene dos
funciones principales:
1 - Adaptar la tensión de trabajo de los dispositivos de
proceso a la de los elementos electrónicos del autómata y viceversa.
2 - Proporcionar una adecuada separación eléctrica entre los circuitos lógicos y
de potencia.
Las informaciones que se reciben del proceso toman el nombre de
entradas y las acciones de control sobre el proceso toman el nombre de salidas.
Los módulos de E/S discretos (de todo o nada) están destinados
a la generación o captación de señales hacia o de dispositivos con dos estados
que corresponderán a la ausencia o presencia de tensión, mientras que los
módulos de E/S analógicos están destinados a la conversión de una magnitud
analógica en una digital, para que pueda ser procesada por la CPU.
Tanto los módulos de entrada como los de salida están
disponibles con diferentes configuraciones en cuanto al número de circuitos (8,
16, 32 bits), en cuanto a la tensión de entrada (libres de tensión, 24V cc/ca,
48V cc/ca, 110V cc/ca, 220V ca) y en cuanto al tipo de salida (relé, transistor,
triac).
La interfase de programación actualmente consta de una simple
sección de E/S de datos a la que se conecta una terminal de mano o una
computadora portátil con el software apropiado.
En algunos casos también se instala una pantalla de cristal
líquido sensible al tacto o similar, que permite realizar ligeras modificaciones
en forma local, controlando el acceso según el nivel del usuario.
El adaptador o puerto de comunicaciones establece la
vinculación con la red de datos, para intercambiar información con otros
autómatas.
La fuente de alimentación brinda la energía eléctrica necesaria
para el funcionamiento del sistema de control. En algunos procesos críticos, se
dispone de un sistema de energía ininterrumpible (UPS).
Los autómatas pueden construirse en dos configuraciones
diferentes: modular y compacta.
En la configuración compacta todos sus elementos, (CPU, fuente
de alimentación, memorias y E/S) se integran en un solo bloque. Esta
configuración se caracteriza por su bajo costo, reducido volumen y facilidad de
montaje.
En la configuración modular sus elementos se disponen en
diferentes partes o módulos. Con este modelo constructivo se logra una gran
flexibilidad para ampliar la cantidad de E/S, resultando mas apropiado para el
control de grandes instalaciones.
Este tipo de configuración tiene dos formas de estructura:
- Estructura americana: Separa las E / S del resto del
autómata, dejando en un bloque compacto la CPU, las memorias y la fuente de
alimentación.
- Estructura europea: Separa todos los módulos, uno para cada función. La unión
de estos se realiza mediante un rack.
En los sistemas modernos de control, generalmente los autómatas
programables forman parte de un sistema de control, supervisión y adquisición de
datos (SCADA) mayor.
Para efectuar tal supervisión en un amplio rango de
aplicaciones en diferentes tipos de instalaciones, en la actualidad se utilizan
programas que funcionan bajo plataforma Windows 9x/NT.
Los mismos presentan una interfase con distintos objetos de
pantalla, como íconos, pulsadores, textos, alarmas, animaciones, gráficos de
barras, etcétera; que permiten crear, mantener y modificar sistemas SCADA en una
forma rápida, fácil e intuitiva.
Dada la evolución histórica que han tenido los autómatas
programables, es común que en las grandes líneas de producción se encuentren
instalados controladores de distintas marcas y generaciones, que utilizan
diferentes protocolos e interfases de comunicación (RS232, RS485, y varios
sistemas propietarios de fibra óptica y onda portadora).
Por lo tanto, los programas y la red de datos deben brindar una
adecuada conectividad entre los distintos modelos de PLC, de manera que se
puedan intercambiar datos sin cambios en el firmware. En algunos casos deben
insertarse adaptadores (gateways) que traducen el protocolo del PLC al de la
red.
Estos sistemas pueden configurarse en una arquitectura
cliente-servidor o en una arquitectura usuario-usuario, donde cada PLC recibe y
emite órdenes. En sistemas de gran dispersión geográfica, como las redes de alta
tensión, además se introducen unidades de terminal remota (RTU) que reúnen todas
las informaciones disponibles en los PLC a nivel local y las envían a las
restantes. Tales comunicaciones se realizan mediante paquetes de datos o
telegramas que llevan las informaciones correspondientes y un indicador (flag)
de la criticalidad y prioridad del mensaje, según una jerarquía determinada
previamente.
En los últimos años se ha venido imponiendo el uso de
comunicación mediante el protocolo TCP/IP de uso en Internet. Esto brinda la
posibilidad de visualizar datos, alarmas y eventos del PLC desde el navegador
Web o el programa de Telnet de una PC remota. Además, pueden enviarse órdenes y
modificar programas, previa comprobación del nivel de acceso autorizado al
operador.
Dada la amplia aceptación y extensión del uso del protocolo
TCP/IP en distintos tipos de actividades, es posible que en el futuro todas las
redes de autómatas programables empleen dicho protocolo, dejándose de lado los
diferentes sistemas propietarios.
Fuente: Sica |
