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Sistemas de control

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

 

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