UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE MONAGAS

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS

CURSO ESPECIAL DE GRADO – ACPI

ESTRATEGIAS DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL (EAI)

EL CONTROL COMO HERRAMIENTA FUNDAMENTAL EN EL PROCESO DE AUTOMATIZACIÓN EN LA INDUSTRIA (PARTE 2)

UNIDAD III: CONTROL, COMUNICACIÓN, SUPERVISIÓN Y MONITOREO EN LA INDUSTRIAL

ASESOR:

ING. JUDITH DEVIA

EQUIPO CIM

ROJAS S., ROSANGI F. C.I.: 19.909.224

PALMA J., YDDANY G. C.I.: 19.663.847

MATURÍN, ABRIL DE 2015

INDICE

Contenido Pág.

INTRODUCCIÓN................................................................................................................3

MARCO TEÓRICO.............................................................................................................4

PROCESOS EN LA INDUSTRIA...................................................................................4

TIPOS DE CONTROL DE CONTINUOS.....................................................................4

CONTROL DISCRETOS.................................................................................................6

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL............................................7

DISCUSIÓN........................................................................................................................10

CONCLUSIÓN....................................................................................................................11

BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................12

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INTRODUCCIÓN

El desarrollo y evolución industrial ha traído consigo la aparición de múltiples procesos productivos, los cuales en su mayoría eran llevados a cabo de forma manual, pero conforme aumento la población y consigo la demanda de productos y servicios, la industria se vio en la necesidad de masificar aún más su producción.

Ante esto, y en vista de que requería mayor inversión, con la finalidad de protegerla, se persigue la búsqueda de estrategias y sistemas de control que permitan de una u otra forma, llevar a cabo procesos de forma eficiente y controlada, para evitar en lo posible eventos indeseados.

En el siguiente documento se expondrá los diferentes tipos y clasificación de los sistemas de control industrial, para así tener conocimiento de cada uno de ellos y de su utilización en la automatización industrial.

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MARCO TEÓRICO

PROCESOS EN LA INDUSTRIA

1. CONTROL CONTINUOS

Los sistemas en tiempo continuo, son aquellos cuyo campo de evaluación se realiza en un lapso de tiempo permanente y sin pausas, en cambio un sistema en tiempo discreto es aquel que es evaluado durante pequeños lapsos de tiempo intermitentes denominados períodos de muestreo. Entre ellos conseguimos:

A la medida (tipo Job Shop): pocas piezas, secuencias de procesado diferentes para cada pieza, equipos de propósito general (ej. Industria aeronáutica, maquinaria especial)

Producción por lotes o en tanda (Batch): demanda continuada de clientes, equipamiento de propósito general pero adaptado a elevadas velocidades de producción (ej. uso de alimentadores) (ejemplos: componentes electrónicos, herramientas).

Producción en masa: Alto volumen de producción, Equipamiento muy especializados, muy altas velocidades de producción (ej.: bombillas, tornillería).

1.1. TIPOS DE CONTROL DE CONTINUOS

En base a su principio de funcionamiento los sistemas de control pueden emplear o no, información acerca de la planta, a fin de elaborar o no, estrategias de supervisión y control, se cuenta con dos tipos de sistemas de control: de lazo abierto y de lazo cerrado.

1.1.1.SISTEMAS DE CONTROL DE BUCLE CERRADO

La clave del control en bucle cerrado (feedback) es que el valor medido de la variable controlada es comparado con el valor deseado (referencia) y la diferencia es usada para decidir el valor de la variable manipulada (qué acción de control tomar).

Un sistema de control de lazo cerrado, es aquel en donde la señal de salida o parte de la señal de salida es realimentada y tomada como una señal de entrada al controlador. Se representa a través del siguiente diagrama de bloques.

TIPOS DE CONTROL DE BUCLE CERRADO

Existen dos tipos de sistemas de control de lazo cerrado, el de realimentación positiva y el de realimentación negativa.

Realimentación Positiva: Es aquel en donde la señal realimentada se suma a la señal de entrada. Se conoce también como regenerativa, no se aplica en el campo de control de procesos industriales. Un ejemplo es el caso de los osciladores. Estos se representan a través del siguiente diagrama de bloques.

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Figura 1: Sistemas de control de lazo cerrado con retroalimentación positiva.

Realimentación Negativa: Es aquella en donde la señal realimentada, se resta de la señal de entrada, generando un error, el cual debe ser corregido. Este es el caso común utilizado en el campo del control de procesos industriales. Estos se representan a través del siguiente diagrama de bloques.

Figura 2: Sistemas de control de lazo cerrado con retroalimentación positiva.

Entre los sistemas de Lazo Cerrado, conseguimos:

CONTROL ON-OFF: Este método solo acepta dos posiciones para el actuador: encendido (100%) y apagado (0%). La lógica de funcionamiento es tener un punto de referencia, si la variable es mayor el actuador asume una posición, y si la variable es menor el actuador asume la otra posición.

CONTROL ANTICIPATORIO o FEEDFORWARD: Este método permite al controlador analiza r los da tos de entrada y de salida y mediante algoritmos matemáticos calculará la próxima salida probable, de modo tal que autoajusta sus parámetros con la finalidad de adecuarse al cambio, y minimizar la diferencia de medidas. Se recomiendan para procesos lentos y su desventaja radica en que es necesario medir todas las variables perturbadoras, ya que no corrige las perturbaciones no medidas. Por ejemplo tenemos los sistemas de seguridad contra robos, las refrigeradoras domésticas, sistemas de aire acondicionado, etc.

CONTROL PID: Según Wikipedia, Es un mecanismo de control (cálculo matemático) por realimentación ampliamente usado en sistemas de control industrial. Este calcula la desviación o error entre un valor medido y un valor deseado. A continuación se detalla la función de su acrónimo:

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P: acción de control proporcional, da una salida del controlador que es proporcional al error.

I: acción de control integral: da una salida del controlador que es proporcional al error acumulado, lo que implica que es un modo de controlar lentamente.

D: acción derivativa se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral).

1.1.2.SISTEMAS DE CONTROL DE LAZO ABIERTO (OPEN LOOP)

Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual no existe realimentación del proceso al controlador. Algunos ejemplos de este tipo de control están dados en los hornos, lavadoras, licuadoras, batidoras, etc.

Su principal ventaja consiste en su facilidad para implementar, además son económicos, simples, y de fácil mantenimiento.

Sus desventajas consisten en que no son exactos, no corrigen los errores que se presentan, su desempeño depende de la calibración inicial.

Se representa a través del siguiente diagrama de bloques:

Figura 3: Diagrama de bloque de un sistemas de lazo abierto.

2. CONTROL DISCRETOS

Automatismos: Los automatismos se pueden implementar de forma cableada (Eléctricos, Neumáticos, Hidráulicos, Mecánico, electroneumáticos, electrohidráulicos, electromecánicos) o programada (software, Programmable Logic Controllers (PLCs) o Autómatas programables), así como también por Microcomputador dedicado a realizar funciones lógicas.

− Automatismos Cableados: estos autómatas, también denominados de lógica cableada, tienen una arquitectura básicamente rígida de tal forma que al diseñarlas se debe tomar en cuenta que cualquier cambio en el proceso por insignificante que sea, implica la modificación de elementos, cambio de conexiones y en ocasiones hasta el rediseño de todo el sistema.

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− Automatismo por PLC´s: Se trata de un sistema modular, con una CPU y terminales de entrada/salida. Los PLC´s, son máquinas electrónica programable por personal no informático, destinada a cumplir en un ambiente industrial y en tiempo real funciones de automatismos lógicos, combinatorios y secuenciales.

− Automatismo por Microprocesador: El microprocesador permite la ejecución de un programa que se ejecuta de forma secuencial, esta secuencia se realiza de forma cíclica ejecutando lo que se denomina bucle de control.

Sensores y actuadores binarios: En control secuencial las medidas son del tipo ON/OFF (abierto/cerrado, encendido/apagado). Puede haber miles en una instalación. Los sensores binarios se usan para detectar posición (fines de carrera), Contadores de objetos (o personas), Valores límites de temperatura, presión o nivel (termostatos). Son muy robustos, en su proceso intervienen miles de conmutaciones y son de tipo normalmente abiertos o normalmente cerrados.

Lógica de Contactos: Basada en la lógica de Boole (1850). Aplicada por Shannon (1940) a circuitos eléctricos, trabajan con Variables lógicas (cierto/falso, 0/1, ON/OFF, abierto/cerrado) y operaciones a través de interruptores manuales o electromecánicos. Hoy en día funciona con transistores. TTL: Tensión entre 0 y 0.8 V: “0”. Mayor que 2V: “1”, maneja diversas operaciones lógicas: suma, producto, negación y se fundamentan en el computador digital.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

Según su dimensión:

Sistemas de parámetros concentrados : Son aquellos que pueden ser descritos por ecuaciones diferenciales ordinarias. También son conocidos como sistemas de dimensión finita.

Sistemas de parámetros distribuidos : Son aquellos que requieren ecuaciones en diferencia (ecuaciones diferenciales con derivadas parciales). También son conocidos como sistemas de dimensión infinita.

Según el conocimiento de sus parámetros:

Sistemas determinísticos: En estos sistemas se conocen exactamente el valor que corresponde a los parámetros. Por ejemplo un circuito RLC encargado de suministrar tensión a un equipo.

Sistemas estocásticos: En este caso, la forma de conocer algunos o todos los valores de los parámetros, es por medio de métodos probabilísticas. Por ejemplo: un horno o

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caldero que ha acumulado sarro y otras impurezas (las cuales no tienen una función matemática conocida).

Según el carácter de transmisión en el tiempo:

Sistemas continuos: Son aquellos descritos mediante ecuaciones diferenciales, donde las variables poseen un valor para todo tiempo posible dentro de un intervalo de tiempo finito. Está referido a las señales analógicas, y su comportamiento matemático es similar a una onda continua. Por ejemplo un proceso de llenado de balones de gas.

Sistemas discretos : Son aquellos descritos mediante ecuaciones en diferencia y solo poseen valores para determinados instantes de tiempo, separados por intervalos dados por un período constante. Está referido a las señales digitales, y su comportamiento matemático es similar a un tren de pulsos. Por ejemplo, el encendido y apagado de un switch que acciona una alarma.

Según la presencia de linealidad:

Sistemas lineales: Son aquellos cuyo comportamiento está definido por medio de ecuaciones diferenciales lineales, es decir, los coeficientes son constantes o funciones de la variable independiente. Deben cumplir con el principio de superposición. Por ejemplo, un amplificador de señales.

Sistemas no lineales: En caso de que una o más de las ecuaciones diferenciales no sea lineal, todo el sistema será no lineal. También se considerará como sistema no lineal a aquellos para los cuales el principio de superposición no sea válido. Por ejemplo el calentamiento de un horno.

Según el comportamiento en el tiempo:

Sistemas invariantes en el tiempo: Ocurre cuando todos sus parámetros son constantes, y por tanto se mantiene en un estado estacionario permanentemente. Se define por ecuaciones diferenciales cuyos coeficientes son constantes. Por ejemplo la mezcla de sustancias dentro de un tanque que siempre contiene la misma cantidad y tipo de elementos.

Sistemas variantes en el tiempo: Ocurre cuando uno o más de sus parámetros va ría en el tiempo, y por lo tanto no se mantiene en estado estacionario. Se define por ecuaciones diferenciales cuyos coeficientes son funciones del tiempo. Por ejemplo para un motor de un vehículo de carrera, la masa del vehículo va a variar por acción del consumo de combustible.

Según sus aplicaciones:

Sistemas servomecanismos: Son aquellos en donde la variable controlada es la posición o el incremento de la posición con respecto a l tiempo. Por ejemplo un mecanismo de control de velocidad, un brazo robótico, etc.

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Sistemas secuénciales: Son aquellos en donde un conjunto de operaciones preestablecidas es ejecutada en un orden dado. Por ejemplo el arranque y parada de un motor, la conmutación delta -estrella de un motor, etc.

Sistemas numéricos : Esta referido a sistema s de control que almacenan información numérica, la cual incluye algunas variables del proceso codificada s por medio de instrucciones. Por ejemplo tornos, taladros, esmeriles, los cuales almacenan información referente a posición, dirección, velocidad, etc.

Dentro de otras clasificaciones se encuentran:

Sistemas de Control Jerárquico : El enfoque tradicional para el diseño de los sistemas CIM es el jerárquico. Algunas arquitecturas jerárquicas han sido desarrolladas por NIST (AMRF, y más recientemente FCS y MSI). El diseño está basado en un enfoque top-down y define estrictamente los módulos del sistema y su funcionalidad. Más aún, la comunicación entre los módulos también se define estrictamente, y se limita, ya que los módulos sólo pueden comunicarse con sus módulos padres y módulos hijos. En una arquitectura jerárquica, los módulos no pueden tomar la iniciativa. De esta manera el sistema es vulnerable ante perturbaciones y su autonomía y reactividad ante disturbios son débiles. La arquitectura resultante es muy rígida, y por tanto cara de desarrollar y difícil de mantener.

Sistemas de Control Heterárquico : El enfoque heterárquico prohíbe toda tipo de jerarquía con el objeto de dar todo el poder a los módulos básicos, generalmente llamados “agentes”. Cada orden negocia con las estaciones de trabajo para obtener el procesamiento de los recursos, para ello utiliza todas las posibles alternativas de procesamiento disponibles para poder afrontar situaciones imprevistas. Mientras que este sistema es de hecho muy ágil, y simple de diseñar, de entender y de mantener, es muy difícil de operar siguiendo un plan pre-definido. La previsibilidad de la producción es muy baja.

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DISCUSIÓN

Los sistemas de control han contribuido enormemente al desarrollo y eficiencia de la industria a nivel mundial porque han reducido las posibilidades de fallos como también obtener los resultados deseados. Los sistemas de control se clasifican en: lazo abierto y lazo cerrado, pero salvo excepciones por sencillez y costo, los que predominan actualmente en la industria mundial son los de lazo cerrado porque son los que miden la variable de salida y la comparan con la entrada y así poder tomar las acciones correctivas o preventivas.

Los sistemas de control van de la mano con dispositivos de medición y conversión de señales, ya que para poder tener un buen control y automatización de los procesos sea cual sea la industria es indispensable medir las variables de salida. Los dispositivos más comunes en las industrias son: automatismo, sensores y actuadores, y lógica de contactos. Cada uno de ellos a su vez tiene una clasificación para adaptarse de la mejor manera a la industria o rama que se requiera.

Una vez que se midan las variables de control, las mismas deben ser organizadas para administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento del sistema, es decir, definir el sistema de control.

Debido a la gran cantidad de sistemas de control que existen, el ingeniero puede usar o combinar cualquiera de ellos dependiendo de los requerimientos, precisión y recursos disponibles.

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CONCLUSIÓN

Los sistemas de control son indispensable en la industria mundial, ya que se han logrado adaptar a cualquier rama de la industria, demostrando ser altamente eficientes y precisos. Ellos se clasifican en dos tipos: Lazo abierto y lazo cerrado. Este primer tipo solo quedaron para controles domésticos o aquellos procesos que no sean tan determinísticos, ya que aunque son sencillos y de fácil concepto, Nada asegura su estabilidad ante una perturbación, porque La salida no se compara con la entrada. En cambio los de control cerrado son los predominantes porque Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida.

Este tipo de control se vuelve más imprescindible cuando: Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre, Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar y para Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos casos y requiere una atención que el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.

Aunque los sistemas de control de lazo cerrado son complejos, tienen una amplia cantidad de parámetros y lo permite ser más robusto y confiable. Otra de las ventajas que tienen los procesos sistemas de control cerrado es su capacidad de control predictivo, ya que mejora la eficiencia del proceso contrarrestando rápidamente los efectos.

Por otro lado es importante resaltar, que la gran cantidad de tipos de sistemas de control es porque se deben adaptar al área que estos vayan abarcar, pero en los últimos años se han comprobado, que el éxito está en tener sistemas de control combinados, que van desde su dimensionamiento, hasta la naturaleza de la señales de procesos.

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BIBLIOGRAFÍA

Mendiburu, H. (sin año). AUTOMATIZACIÓN MEDIOAMBIENTAL. [Documento en Línea]. Consultado el 13 de abril de 2015 en: http://www.liceus.com/cgi-bin/ac/pu/AutomatizacionMedioambiental.pdf

Turmero, P. (sin fecha). Automatismos y control. Sistemas básicos de control industrial. [Documento en Línea]. Consultado el 13 de abril de 2015 en: http://www.monografias.com/trabajos101/automatismos-y-control-sistemas-basicos-control-industrial/automatismos-y-control-sistemas-basicos-control-industrial.shtml

Vela, Y. (2010). COMUNICACIÓN CIENTÍFICA. [Documento en Línea]. Consultado el 13 de abril de 2015 en: http://comunicacioncienticaftdoctorado.blogspot.com/2010/07/automatizacion-de-nuevas-estructuras.html

Sin nombre. (sin fecha). AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES. [Documento en Línea]. Consultado el 13 de abril de 2015 en: http://arminluer.cl/archivos/9noSemestre/AutomatizacionProcProd/IVelasquez/Materia/introduccion_05_06.pdf

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