CAPITULO III CONTROLADORES 3.1 Controladores El controlador es el segundo elemento en un sistema de control automático, éste toma una señal de entrada y la compara con un valor establecido para obtener de forma automática una respuesta o señal de salida hacia los elementos actuadores, en otras palabras es el cerebro del sistema de control.
3.2 Sistemas de datos muestreados Landau y Zito (2006) detallan dos caminos para introducir un computador digital en un lazo de control. De acuerdo con estos autores, la mayoría de los sistemas de control digital se diseñan Relé o relevador: Un dispositivo que convierte una señal pequeña de voltaje en una con mayor potencia. Capítulo 2: Componentes de los sistemas de control automático como la Figura, este modelo se conoce como modelo de tiempo discreto. La planta, que incluye el actuador, el proceso y el sensor, como en prácticamente todas las aplicaciones de control, es un sistema que trabaja en el tiempo continuo, por tanto es un sistema analógico. En cambio, la salida del proceso debe convertirse en una señal digital para que el computador pueda leerla. Esta operación se realiza con un convertidor analógico-a-digital (convertidor A/D o ADC). Una vez que el computador calcula la salida, se envía el dato a un convertidor digital-a-analógico (convertidor D/A o DAC) para obtener la señal de control analógica.
La operación normal requiere el uso de un reloj de tiempo real, de manera que cada cierto intervalo de tiempo definido, Δts, se realiza una muestra. Como el proceso necesita de una señal sostenida para operar en vez de una señal pulsante, un retenedor de orden cero (ZOH) tiene el efecto de multiplicar el valor digital, en cada instante, por la unidad. El tiempo total desde la conversión A/D más el cálculo de la salida más la conversión D/A debe de ser menor al intervalo de muestreo En el segundo modelo, llamado modelo de tiempo continuo (Figura ), se convierte la señal analógica del error en un valor digital a través de un convertidor A/D, el computador calcula la salida y la envía al convertidor D/A. Si bien no parece haber gran diferencia con el modelo anterior, el sistema ADC-computador-DAC debe comportarse de igual manera que un controlador analógico, lo que implica el uso de una alta frecuencia de muestreo, con un algoritmo de control bastante simple, desaprovechando las capacidades del computador digital (Landau & Zito, 2006). Los autores Landau y Zito (2006) aseguran que para tomar ventaja de las capacidades de las computadoras digitales se requiere reemplazar los sistemas de tiempo continuo por modelos de tiempo discreto, los controladores tipo analógicos por algoritmos digitales y usar técnicas de control dedicadas. De manera que se logre hacer uso de varias estrategias de alto rendimiento que no pueden ser implementadas con los controladores analógicos.
3.3 TIPOS DE CONTROLADORES INDUSTRIALES 3.3.1 Controladores Lógicos Programables Un Controlador Lógico Programable, o PLC por sus siglas en inglés, es un computador especializado para control de máquinas y procesos. Utiliza una memoria programable para almacenar instrucciones y ejecutar funciones específicas que incluyen control de dos posiciones, conteo, secuenciado, aritmética y manejo de datos. Se les llama lógicos
pues tienen la habilidad de tomar decisiones cuando uno o más factores diferentes deben ser tomados en cuenta antes de realizar alguna acción (Petruzella, 2005). Un PLC típico puede dividirse en partes, estas son la unidad de procesamiento central (CPU), la sección de entradas/salidas (E/S), la fuente de energía, y el dispositivo de programación. Las entradas y salidas pueden ser fijas o modulares. Las E/S fijas son típicas de PLCs pequeños que vienen en un solo paquete sin unidades removibles separadas. El procesador y las E/S se ensamblan juntos y las terminales de E/S están disponibles pero no se pueden cambiar. La principal ventaja es el menor costo, la desventaja es la falta de flexibilidad. Las E/S modulares están divididas por compartimentos en los cuales se pueden conectar módulos separados, esto aumenta las opciones y la flexibilidad de la unidad. El controlador modular básico consiste en un estante, la fuente de energía, el módulo del procesador (CPU), módulos de E/S y una interfaz de operador para programar y supervisar. Los módulos se enchufan en el estante y el procesador del PLC puede comunicarse con todos los módulos en el estante (Bolton, 2004; Petruzella, 2005). El diseño de la mayoría de los PLCs es propietario, esto significa que es más difícil conectarlos a dispositivos y programas hechos por otros fabricantes, o sea que no cualquier hardware genérico o software se puede usar con un PLC en particular (Petruzella, 2005)
3.3.2 Microcontroladores Según Ibrahim (2006), el interés en el control digital ha crecido rápidamente en las últimas décadas desde la introducción de los microcontroladores. Los microcontroladores son como un computador en un solo chip, con procesamiento de señales de entrada y salida incorporados en el mismo circuito integrado, a menudo incorporan convertidores A/D y D/A. Puede verse un como un pequeño computador orientado a aplicaciones de control. Los microcontroladores pueden controlar motores, pantallas, comunicarse con PCs, leer valores de sensores externos, conectarse en una red de microcontroladores y todo esto sin uso de componentes externos o con muy pocos de ellos (Bolton, 2004; Ibrahim, 2006). Los microcontroladores se fabrican específicamente para las aplicaciones de control digital directo (DDC), en las que el computador sólo se utiliza para llevar a cabo la acción de control. Son dispositivos de muy bajo costo y bajo consumo de potencia que pueden utilizarse muy fácilmente en aplicaciones de control digital, la mayoría traen incorporada la circuitería necesaria para las aplicaciones de control por computador (Ibrahim, 2006).
3.3.3 Computadores personales En general, prácticamente cualquier computador digital puede ser usado para control digital, satisfaciendo ciertos requerimientos previos. La mayoría de las aplicaciones de control digital directo de pequeña y mediana escala se basan en microcontroladores. Aplicaciones donde se requiere interacción del usuario y control supervisor se diseñan comúnmente alrededor de hardware PC estándar (Ibrahim, 2006). Un computador personal puede convertirse en un controlador digital si se le provee alguna forma para que reciba información de los dispositivos como botones o interruptores; también se requiere de un programa para procesar las entradas y decidir si encender o apagar los dispositivos. Sin embargo, algunas características importantes distinguen a los controladores industriales como los PLCs de los computadores de uso general. Primero, a diferencia de los computadores un PLC, por ejemplo, está diseñado para funcionar en el ambiente industrial con amplios ámbitos de temperatura y humedad ambientales. Una segunda distinción es que el hardware y el software de los PLCs son diseñados para el empleo fácil por electricistas y técnicos de planta, quienes tan sólo requieren un conocimiento limitado de las computadoras y lenguajes de programación (Bolton, 2004; Petruzella, 2005). A diferencia de los computadores, el PLC se programa en lógica escalonada de relevadores o algún otro lenguaje fácil y viene con el lenguaje de programación incorporado en su memoria permanente. Un PLC no tiene ningún teclado, unidad de CD, monitor, o disco duro; en cambio, tiene una caja autónoma con puertos de comunicación y un juego de terminales para dispositivos de entrada y salida. Algunos fabricantes desarrollan programas y tarjetas de interfaz que permiten a un computador personal hacer el trabajo de un PLC, estos sistemas son llamados soft logic controllers. Algunas de las ventajas de sistemas de control basados en computadores personales son el costo inicial más abajo, requieren menos hardware y software propietarios, permiten el intercambio de datos con otros sistemas, procesamiento veloz de los datos y fácil personalización.