INTRODUCCION AL CONTROL AUTOMATICO

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1 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 1 de 8 INTRODUCCION AL CONTROL AUTOMATICO El control automático industrial que también se llama tecnología de instrumentación de procesos, robótica industrial o simplemente automatización, se ha desarrollado tanto en aplicación como en sofisticación. Breve Historia de la automatización Año Descripción 1774 James Watt utiliza el primer sistema de control retroalimentado, mediante un regulador centrífugo (flyball) para controlar la velocidad de su maquina de vapor Oliver Evans utiliza técnicas de control para automatizar una fabrica de flúor en Philadelphia Se suministran los primeros instrumentos de medición de procesos directamente conectados Los sistemas de transmisión neumáticos se desarrollan, permitiendo elaborar redes complejas y cuartos de control Disponibilidad de la instrumentación electrónica, su popularidad crece rápidamente Producción de técnicas de computadora o procesador digital aplicándolas a procesos complejos de fabricación Empleo de la combinación de sistemas analógicos y digitales 1900 Incorporación de las redes de comunicación 2000 Uso del internet y telefonía celular 2010 Utilización de los sistemas de control y robótica en la medicina, industria el comercio y las residencias La tendencia actual es a utilizar y mejorar la robótica en las aplicaciones anteriores y el transporte donde está teniendo gran aceptación tanto en los aviones como en el automóvil no tripulado o sin piloto humano. Matriz No.1 Breve historia de la aplicación de la automatización industrial. Es preciso indicar que la automatización y la robótica no deben su desarrollo precisamente a la aplicación industrial, aunque a lo mejor esta aplicación ha permitido despertar un interés mas profundo por el uso de la misma, ha sido en los programas espaciales, la generación de energía eléctrica, los generadores de vapor, las maquinas herramientas, la energía nuclear, los trenes de alta velocidad, las armas, la medicina, las incursiones a las profundidades oceánicas, los avances del microprocesador, los sistemas de comunicación satelital y los sistemas electrónicos computacionales, quizá, los que mas han contribuido a su desarrollo. TRABAJO DIRIGIDO No, 1, Discuta con los demás discentes y anote, las aplicaciones que conoce de automatización y robótica, participe en el orden indicado por docente.

2 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 2 de 8 AUTOMATIZACIÓN En todo proceso físico entre los que tenemos los procesos de producción o fabricación interesa observar el comportamiento de los recursos que se necesitan para producir un bien o servicio, por esta razón, el fabricante o el ingeniero encargado del control y la automatización, necesita medir y controlar la energía, así como, los insumos, materiales, y demás recursos. Estos procesos pueden ser eléctricos, térmicos, hidráulicos, neumáticos, gaseosos, mecánicos, o de cualquier otra clasificación física y químicos, tales procesos son susceptibles de ser controlados o gobernados en virtud de que todos ellos siguen las mismas leyes básicas de física y dinámica. El comportamiento de un proceso respecto al tiempo define su característica dinámica, un estado estático caracteriza un proceso que no involucra al tiempo. Tanto las respuestas estáticas como dinámicas deben considerarse en el momento de comprender la operación de un proceso y es vital considerar estas características o comportamientos para diseñar el sistema de control correspondiente. TIPO DE SISTEMAS Para efectos didácticos consideramos cuatro tipos de procesos, y nos limitaremos a una restricción y una simple capacidad, la idea es, mostrar que todos tienen la mima respuesta característica, consideraremos los procesos eléctrico, hidráulico, neumático y calorífico o térmico. Veamos sus esquemas y sus respuestas o curvas características. V C V Curva Característica Figura No. 1, Componentes de un sistema eléctrico simple, con resistencia R y capacitor C, y su curva característica de comportamiento dinámico.. Altura PROCESO Curva Característica Tiempo Figura No. 2, Componentes de un sistema hidráulico simple, con restricción R, y Tanque captador C, y su curva característica de comportamiento dinámico.

3 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 3 de 8 Aire o Presión en el tanque (capacidad) Presión Presión en el tanque Alimentación PROCESO Curva Característica Tiempo Figura No. 3, Componentes de un sistema neumático simple, con restricción R, y Tanque de almacenamiento c, y su curva característica de comportamiento dinámico. C Capacidad de transferencia de calor Fuente de calor Tiempo PROCESO Curva Característica Figura No. 4, Componentes de un sistema Térmico simple, con restricción R, y Tanque transferencia de calor c, y su curva característica de comportamiento dinámico. RESPUESTA DE LOS SISTEMAS FISICOS. La respuesta de estos sistemas es una curva de crecimiento exponencial, es básica en el control automático, el comportamiento se estabiliza a cinco (5) constantes de tiempo, para el caso del circuito RC se puede comprobar que esa constante de tiempo que se representa por la letra griega tau, tiene un valor de RC, o sea: Ec. 1 = RC Todo el cálculo integro-diferencial y la teoría de control que se estudia en la carrera de Ingeniería Eléctrica o Mecánica Eléctrica, se aplican en el diseño e implementación de los sistemas de control automático o automatización. Este comportamiento análogo entre los sistemas físicos permite la generación o construcción de un sistema eléctrico para simular su comportamiento, el uso de simuladores cada día se vuelve de vital importancia en el que hacer de los científicos tales como los Ingenieros Mecánicos electricistas, electricistas y de proceso y todo aquel profesional dedicado a la automatización y robótica.

4 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 4 de 8 SISTEMA DE CONTROL Un sistema de control, permite la manipulación indirecta de las magnitudes o variables de un sistema físico, proceso o planta, este control debe mantener el balance entre el suministro o fuente y la demanda, consumo o carga, se identifica en todo control de proceso al menos una variable controlada que se registra o monitorea con sensores o instrumentos de medida, tal como, una temperatura, una corriente eléctrica, un nivel, un caudal o una presión y una variable manipulada que se interviene con un actuador, tal como, una válvula para regular el suministro de combustible o vapor, un interruptor para controlar un voltaje, u motor para brindar variaciones suaves de posición, un cilindro neumático o hidráulico para posicionar un elemento o abrir y cerrar una puerta o compuerta y así sucesivamente. Figura No. 5, Esquema de sistema de control aplicado a una planta. Para poder comparar la señal del sensor se requiere un punto de referencia a lo que llamamos una consigna o set point, tanto las lecturas de los instrumentos de los sensores como las consignas se les llama entrada y las señales hacia los actuadores se les llama salidas, se manejan dos tipos de señales básicamente, las digitales y las analógicas, también se utilizan en las unidades o equipos de control los conversores analógico-digital A/D y conversores digital-analógico D/A, a las unidades de control que tienen módulos digitales y analógicos para el manejo de variables de proceso se les conoce como controlador lógico programable y se conocen por sus siglas del inglés PLC, Programmer Logic Controler. Figura No. 6, Esquema de las señales entrada digitales y analógicas con su convertidor así como las salidas correspondientes a la Unidad de Control.

5 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 5 de 8 RELACIÓN ENTRE LAS VARIABLES CONTROLADA Y MANIPULADA La variable controlada se observa a la salida del proceso, mientras que la variable manipulada se observa en la entrada de energía o material al proceso. Nótese que, hablamos de entradas al proceso y entradas al sistema de control. Por tanto, el sistema de control es un sistema que permite manipular, controlar o gobernar un sistema de proceso, planta de producción o fabrica. Unos diagramas pueden ayudar a explicar mejor estos conceptos. CONTROL MANUAL DE PROCESOS En la figura No. 7 se representa a un operador que observa al tacto o con un termómetro indicador, la temperatura del agua caliente que sale de un intercambiador de calor, según el valor observado corrige la entrada girando la válvula de entrada de vapor hasta conseguir la temperatura deseada a la salida del agua caliente. Figura No.7. Esquema de un control Manual. El ejemplo mas sencillo de control manual es el que se efectúa cuando tratamos de llenar la bañera o tina con agua tibia, tenemos suministro de agua fría y caliente abrimos y cerramos las llaves o válvulas según vamos palpando la temperatura del agua hasta dejarla a la temperatura deseada. UN CONTROL AUTOMÁTICO SENCILLO BIEN CONOCIDO Quizá el control de nivel mas sencillo y económico conocido es el utilizado en los tanques o reservorios de agua de los servicios sanitarios, este controlador es mecánico y tiene incorporado un actuador proporcional, los tipos de actuadores y los controladores proporcionales, derivativos e integrales o los algoritmos PID son objeto de estudio en este curso.

6 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 6 de 8 Span o rango de medida Medidor de nivel o flotador Controlador Fuente o flujo de entrada Nivel Carga Porcentaje de apertura de la válvula Descarga o Salida de flujo Figura No. 8. Control automático utilizado en los tanques o reservorios de los servicios sanitarios. LAZO O BUCLE ABIERTO DE CONTROL La característica de un lazo abierto de control es que carece de detector de señal de error o controlador. Figura No. 9, Lazo abierto de Control. LAZO O BUCLE CERRADO DE CONTROL Un lazo cerrado, regula automáticamente al menos una variable de un proceso, los dispositivos o elementos que típicamente contiene un lazo cerrado son: un sensor, que

7 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 7 de 8 detecta el valor de la variable que se quiere entregar en un cierto valor, un transmisor que lleva la señal del sensor hacia el controlador, este controlador puede tener indicación y un medio para que la persona operadora pueda ingresar el valor deseado de la variable a controlar, llamado set point, consigna o valor deseado, el controlador, compara el valor recibido del transmisor y la consigna, del error o diferencia envía una señal positiva o negativa hacia el actuador del elemento que permite mayor o menor paso del agente que interactúa para permitir que la variable controlada cambie, esta rutina se repite hasta alcanzar el valor consignado o set point. Entrada de Vapor, variable manipulada Actuador Válvula Transmisor Sensor Intercambiador de Calor Controlador Indicador Salida de Agua Caliente Variable Controlada Trampa de vapor Entrada de Agua Salida de Condensado fría Figura 10, Intercambiador de Calor con lazo cerrado de control, tanto el actuador como el transmisor y el controlador intercambian información por circuitos neumáticos necesitan una alimentación de 20 PSI. Lazo de retroalimentación controlada manipulada Intercambiador de Calor Figura No.11, Esquema o Diagrama de bloques que representa el proceso del intercambiador de calor de la figura No.10.

8 MSc. Edgar Carrera Automatización Industrial Pagina: 8 de 8 Por ejemplo en la figura No. 10, se representa la regulación de la temperatura del agua calentada en el intercambiador de calor, para ello se posiciona la válvula en la entrada de vapor al valor necesario, este trabajo lo realiza el controlador indicador de temperatura utilizando un sensor de temperatura que envía su señal al controlador por medio de un transmisor, el operador establece el valor de la temperatura deseada o consigna o set point en el controlador, el trabajo del controlador es comparar el valor de temperatura reportado por el transmisor y el valor establecido por la persona operadora, la diferencia o error, le sirve al controlador para posicionar la válvula en la entrada de vapor, así una diferencia cero, esto es la temperatura del agua es igual al valor deseado, la válvula permanecerá con una apertura fija puede ser el 50%, si la deferencia es debido a que la temperatura del agua de salida es menor, la válvula abrirá mas allá del 50% y hasta el 100%, pero si la temperatura del agua de salida es mayor que la consigna, la válvula cerrará por abajo del 50% hasta 0%. La figura No. 11 es un diagrama de bloques para representar el proceso mostrado en la figura No. 10, note el uso de la simbología. TRABAJO DIRIGIDO No, 2, Discuta con los demás participantes y anote, para las planchas de uso domestico, donde no hay energía eléctrica se utiliza una plancha de carbón, donde hay energía eléctrica se utiliza con termostato, Qué tipo de lazo de control usan?, participe en el orden indicado por el docente.