Sistemas automáticos II: Elementos de los circuitos de control. Antiguamente el control de los procesos industriales se realizaba de forma manual; era el operario quien, basándose en su experiencia, realizaba los cambios que creía convenientes sobre el proceso para obtener el producto final. Posteriormente, la exigencia de una mayor calidad en la fabricación de productos requirió otro tipo de control mucho más exacto, en el cual se controlaban automáticamente las variables más importantes que influían en el proceso. En un sistema de control y regulación podemos distinguir los siguientes elementos o componentes: Transductores y captadores. Comparadores o detectores de error Elementos de control y regulación Elementos finales o actuadores. 1. ELEMENTOS TRANSDUCTORES Y CAPTADORES. Los elementos de los que vamos a tratar en esta parte del tema son: - Sensores.- Son elementos que reaccionan a la variación de las magnitudes físicas, variando alguno de sus parámetros característicos: volumen, temperatura, densidad, resistencia, capacidad, etc. - Transductores.- Dispositivos que nos transforman una señal que viene dada con un tipo de energía en otra de salida más conveniente para el sistema (generalmente esta energía es eléctrica), pero tanto una como otra puede ser señales físicas como: mecánicas, térmicas, magnéticas, eléctricas, ópticas o químicas. La misión del transductor es transformar la señal de mando en otra señal, denominada señal de referencia, que pueda adaptarse para ser comparada en el detector de error con la señal de realimentación. - Captador.- La señal de realimentación proviene de una adaptación de la señal de salida mediante un elemento llamado captador. La naturaleza de un captador es idéntica a la de un transductor, de hecho, un captador es un transductor colocado en un lugar distinto del sistema, por lo tanto las dos funciones que desempeñan ambos pueden ser realizadas por un mismo componente físico. 1
El captador recibe ese nombre porque la misión que tiene este transductor es captar una determinada información, en lugar de reaccionar a una determinada señal de mando. Entre estos elementos existen por tanto varias similitudes en cuanto a identidad de principios, aunque hay diferencias entre ellos dependiendo de la situación en un sistema. Por tanto dado que captadores y transductores son,en esencia, los mismos dispositivos, en adelante utilizaremos genéricamente el término transductor. Clasificación de los transductores. En función del tipo de magnitud física que convierten, podemos establecer la siguiente clasificación: 1.a Transductores de posición y proximidad. Proporcionan una señal binaria (0 ausencia de objeto, 1 presencia del mismo) ante la presencia de un objeto, no siendo a veces necesario el contacto entre el objeto y el sensor (transductores de proximidad). Entre ellos destacan:. - Finales de carrera: interruptores que detectan la posición de las piezas cuando estas chocan con ellos. - Transductores inductivos: Se basan en la variación de la intensidad de un campo magnético que se produce al interferir un objeto metálico con dicho campo. La proximidad del cuerpo metálico, origina un campo que se opone al principal, robando de éste parte de su energía. La disminución energética de este campo alterno provoca una disminución de la amplitud de la señal,generándose en un circuito eléctrico una señal equivalente a esa disminución - Transductores capacitivos:. es capaz de detectar cualquier objeto, metálico o no, que se introduzca en el campo de actuación del detector.cuando el cuerpo se acerca al condensador de estos transductores, altera su capacidad, generándose una tensión eléctrica equivalente a esta variación. Por tanto, convertimos la señal de proximidad en eléctrica. -Transductores ópticos: basan su funcionamiento bien en la interrupción de un haz luminoso o bien por la reflexión de este haz sobre el objeto que se detecta, que incide en un elemento fotosensible (semiconductor LDR o célula fotovoltaica o célula fotoeléctrica). El elemento sensible (sensor) detecta el objeto por ausencia o presencia de este haz luminoso. Son detectores que constan de dos partes. Una es el emisor o dispositivo que se encarga de emitir este haz luminoso. Otra parte sería el receptor o detector propiamente dicho. Este consta del elemento sensor, que en este caso sería la resistencia LDR, encargada de convertir la presencia o ausencia de luz en una resistencia variable, el transductor, que convierte esas variaciones de 2
resistencias en variaciones de tensión, en virtud de un circuito electrónico A veces, en vez de tratarse de una radiación luminosa se trata de una radiación infrarroja. 1.b. Transductores de desplazamiento lineal. En este caso no se trata de detección de una información del tipo digital, sino de una información analógica que indica la posición y, con los incrementos de ésta, el desplazamiento de un objeto dentro de un campo o intervalo preestablecido. Haya varias formas de medir un desplazamiento lineal y transformarlo en otro tipo de señal (eléctrica sobre todo)en primer lugar están los potenciómetros lineales, que asociados mecánicamente al elemento útil del que se desea captar su desplazamiento, convierten la variación de resistencia en una variación de posición y, por tanto, de desplazamiento. Se utilizan para medir desplazamientos pequeños(pequeñas distancias).para desplazamientos muy pequeños se utilizan elementos como las galgas extensiométricas, que son resistencias de hilo metálico o material semiconductor cuyo valor óhmico varia al ser deformadas Para grandes distancias, se usan dispositivos como el radar (Radio Direction and Ranging) que utiliza ondas electromagnéticas y el Sonar, que utiliza ultrasonidos. Ambos miden el tiempo que tarda en rebotar en el objeto una emisión electromagnética o ultrasónica Este tiempo será proporcional a la distancia a la que se encuentra el objeto. En este caso, el dispositivo consta de una parte emisora de la onda ultrasónica y una parte receptora que se encarga de medir el tiempo de retardo de la onda recibida y aportar una señal eléctrica de control, proporcional a ese tiempo de retardo. 1.c. Transductores de desplazamiento angular. Para medir un ángulo o desplazamiento angular, podemos utilizar potenciómetros circulares acoplados al eje de un motor con ayuda de un sistema reductor de engranajes. Tienen los inconvenientes del acoplamiento mecánico y del desgaste de l contacto en el potenciómetro. Existen otros elementos o dispositivos que, sin las limitaciones que se han visto, son capaces de medir un desplazamiento angular. Estos elementos son dispositivos ópticos (encoder) y electromecánicos (resolver) que, permiten además la medida de velocidad angular, que veremos en el apartado siguiente. 1.d. Transductores de velocidad angular. Son dispositivos que generan una señal eléctrica de determinadas características a partir de una velocidad o movimiento angular. En primer lugar tenemos las nos encontramos con los generadores y dinamos tacométricas. Se trata de una pequeña dinamo o generador de cc, cuyo campo inductor es un imán permanente. Acoplada al eje cuya velocidad se desea determinar, aporta en los bornes (terminales) de su inducido una tensión proporcional a la velocidad de giro. Es el sistema comúnmente empleado por lazos de regulación de velocidad en motores de c.c. En este caso, la dinamo tacométrica sólo aporta información de velocidad angular. 3
Existen otros dispositivos que ya se han nombrado en el apartado anterior y que pueden aportar información, tanto de la velocidad como de la posición o ángulo de giro de desplazamiento. Entro ellos destacan -Los tacómetros ópticos o Encoders, que se basan en el hecho de que el eje de giro se realiza una muesca o se coloca un reflector de manera que cuando éste pase por el sensor óptico es detectado, conociendo así el número de veces /tiempo que la muesca o la cinta reflectora pasa por delante del detector. -El resolver o sincrodesfasador.es una máquina que tiene en el estator dos bobinas separadas y colocadas en cuadratura. El rotor está constituido por una única bobina, que se alimenta por una tensión alterna. Estos dispositivos se emplean, fundamentalmente, en controles rigurosos de posicionamiento y velocidad y son bastante más caros que las dinamos tacométricas.. 1. e.transductores de presión La presión es otra de las magnitudes cuya regulación y control se realiza con mayor frecuencia dentro del proceso industrial, tanto en lo referente a la presión de fluidos líquidos como gaseosos. En este grupo destacan: - - Manómetro de tubo en U o el tubo Bourdon que analizan los desplazamientos que produce una presión sobre un tubo en forma de anillo. Este anillo está cerrado en un extremo y por el otro se le aplica la presión a medir. Al aplicar la presión, el tubo tiende a enderezarse. El movimiento resultante generará una señal eléctrica a través de un transductor de posición. 4
-Diafragma: una o varias cápsulas circulares que se deforman con los cambios de presión. Se emplea para presiones pequeñas. -Fuelle: parecido al diafragma pero de una sola pieza flexible. Se dilata o se contrae en función de la presión. - Transductores piezoeléctricos: que convierten una fuerza en una tensión eléctrica, debido al fenómeno piezoeléctrico(generación de corriente dentro de un material cristalino cuando sobre se aplica una determinada presión que da como resultado el movimiento de cargas dentro del material) de un elemento cristalino (normalmente cuarzo). -Transductores de presión inductivos : la señal de presión provoca variaciones en la posición de una bobina de un transformador, asociado al sensor lo cual genera las variaciones de tensión -Transductores de presión capacitivos, : la presión hace que varían la capacidad de un condensador al variar, por 1 desplazamiento, la posición de una placa con respecto de la otra. Esto provoca variaciones de tensión proporcionales(por tanto traducimos presión a señal eléctrica). -Galgas extensiométricas. La variación de presión provoca variación en la longitud de estos elementos y por tanto en el valor de su resistencia. Varía así la tensión del circuito eléctrico conectado a la galga, produciéndose la traducción presión-tensión. 3.7. Transductores de temperatura. -Entre los que aportan señales digitales, (encender apagar)) tenemos los termostatos, que suelen adoptar la configuración de elemento o plaquita bimetálica actuando como sensor. La dilatación que sufren estas placas (con distinta constante de dilatación térmica) por efecto de la temperatura, se traduce en la activación o desactivación de unos contactos eléctricos. Se utilizan cuando el control de temperatura no es muy exigente, en sistemas conexión-desconexión. Dentro de los dispositivos que aportan una señal analógica podemos distinguir: -Termorresistencias. Están basadas en que la resistencia eléctrica de los metales varía, de forma directamente proporcional, con la temperatura: R (1 ) T = R0 +αt siendo R T la resistencia en Ohmios a TºC, R 0 ídem pero a 0ºC y a el coeficiente de temperatura. Se suelen utilizar en la construcción de éstos transductores, materiales como el níquel y cobre(hasta 150ºC), el platino (hasta 750ºC) y el wolframio(por encima de 1000ºC).Estos materiales se bobinan sobre núcleo cerámico y se encierran en una carcasa metálica, constituyendo un termómetro. Adosado a este va el circuito eléctrico que convierte esa variación de resistencia eléctrica en una variación de tensión o intensidad. -Termopares. Su funcionamiento se basa en el efecto Seebeck que afirma en un circuito eléctrico cerrado formado por dos metales distintos,aparece una corriente eléctrica cuando las zonas de unión de ambos metales se mantienen a diferente temperatura,de forma que la tensión eléctrica(v) que se genera sólo depende de la naturaleza de los metales y de la diferencia de temperatura de los mismos 5
Por tanto si se calienta, una de las uniones y dejamos libre la otra se e desarrolla una diferencia de potencial en sus extremos libres que provoca la aparición de una corriente eléctrica, convirtiendo así una señal de temperatura en una señal eléctrica. Existen distintos tipos de termopares, según sea la composición de los dos hilos que lo forman; de menor a mayor temperatura se utilizan los siguientes: T Cobre-Constantán (-200ºC+260ºC) J Hierro-Constantán (0ºC a + 400ºC) K Cromel-Alumel (0ºC a 1200ºC) R o S Platino rodio-platino (0ºC a 1600ºC) B Platino rodio-platino rodio (Hasta 1800ºC La relación tensión eléctrica/temperatura de estos elementos no es lineal, por lo que las escalas de los instrumentos de control de temperatura dependerá de cada tipo de termopar utilizado. -Termistores. Son resistencias fabricadas con materiales semiconductores, cuyo valor óhmico depende de la temperatura. Podemos distinguir: -PTC (Coeficiente de temperatura positivo.) su resistencia aumenta al aumentar la temperatura. -NTC Coeficiente de temperatura negativo) Su resistencia disminuye al aumentar la temperatura. En el mercado las podemos encontrar con muchas formas diferentes. La ventaja que tiene sobre otros transductores resistivos es su bajo costo, alta sensibilidad, masa pequeña pero el rango de temperatura no es muy grande. -Pirómetros de radiación: captan la energía que radia del cuerpo del que se quiere captar la temperatura y la enfocan sobre un elemento sensible(sensor-transductor), donde se transformará en señal electrica.se basan en la ley de Stephan-Boltzman, según la cual la energía que irradia un cuerpo es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura.se usan para medir-traducir temperaturas entre 1000-3000ºC. 6
1.f Transductores de iluminación. Convierten señales luminosas en señales eléctricas. Algunos de los más representativos: - Resistencias variables con la luz (LDR). Dependiendo del nivel de luz que llegue a la resistencia esta variará su valor modificando los valores eléctricos del circuito donde se encuentre. A mayor luminosidad menor será el valor de la resistencia LDR. - Fotodiodo. Es un dispositivo que conduce una cantidad de corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que incide sobre él (lo ilumina).esta corriente eléctrica fluye en sentido opuesto a la flecha del diodo y se llama corriente de fuga. 2. ELEMENTOS COMPARADORES EN LOS CIRCUITOS DE CONTROL. Dentro de los distintos elementos que constituyen un sistema de control de lazo cerrado, como el que aparece en el esquema adjunto, nos ocuparemos a partir de aquí por una parte del comparador que es parte integrante de lo que se denomina controlador, y en segundo lugar del controlador en sí, en la práctica, un mismo elemento realiza la función de detección de error o comparación y control del proceso. El elemento del circuito de control que nos proporciona la señal que informa de la diferencia que hay entre la señal de salida deseada y la obtenida es el COMPARADOR. Normalmente activa o excita al regulador o controlador mediante la señal diferencia o señal activa o señal de error, de forma que el COMPARADOR actúa sobre el proceso a controlar, llevando la señal de salida al valor adecuado, para que de este modo la señal de error sea cero. Los comparadores más sencillos y eficaces suelen ser eléctricos y electrónicos, existiendo multitud de circuitos que efectúan esta misión, desde un potenciómetro hasta un circuito electrónico específico. Es imprescindible que las señales de referencia y de realimentación sean eléctricas, por lo que tenemos que emplear transductores adecuados. Como la salida también es eléctrica, si el proceso a controlar no lo es tendremos que hacer una nueva transformación mediante el actuador adecuado. 7
2.aComparadores eléctricos y electrónicos. Potenciómetros Un comparador potenciométrico es aquel que nos proporciona una señal activa eléctrica, función directa entre dos señales: la de referencia y la de realimentación, con el uso de un potenciómetro, es decir, de una resistencia variable en función de a variación de la tensión. El valor medio de la variable comparada y el valor de consigna son diferencia de potencial. El valor de referencia lo fijamos por un potenciómetro de resistencia nominal R c y cuyo cursor se desliza o gira accionado por un dispositivo o manualmente con un movimiento lineal o angular. El circuito ofrece a su salida de diferencia entre el valor media de la variable controlada y el valor de referencia fijado. Puente de Wheastone Se trata de un circuito donde se han dispuesto estratégicamente un serie de resistencia con las características que veremos a continuación siguiendo el esquema dibujado. Condición de equilibrio R 1 = R 2 R R 3 4 Cuando sometemos a este circuito a corriente el galvanómetro indicará una tensión que dependerá del valor de las resistencias que constituyen el circuito, pero si dichas resistencias guardan la relación de equilibrio anteriormente apuntada, el galvanómetro indicará 0V. Si R 3 es la resistencia que queremos medir y R 4 hasta obtener 0V en el galvanómetro, cuado esto ocurra la lectura que tengamos en la resistencia variables será el valor que buscamos de R 3. 8
2. bcomparadores neumáticos Dispositivos Neumáticos Consisten en un fuelle que nos da la diferencia que hay entre dos señales de presión. Esta variación nos produce el desplazamiento de la palanca indicadora. Transductor de Presión Diferencial Los aparatos que producen señales eléctricas o neumáticas a partir de la diferencia de presiones, se denominan transmisores de Presión diferencial. A parte de la señal de error en presión que puede ser obtenida con ellos, otro gran número de magnitudes físicas pueden medirse a partir de las diferencias de presión de aire. Estas magnitudes pueden ser flujos de caudal, densidades y niveles líquidos. 2. c.comparadores mecánicos. Dispositivos mecánicos (no aparecen señales eléctricas) Diferencial.- Se basa en el uso de engranajes. Hay dos segmentos dentados que engranan sobre una pieza circular dentada. Los dos segmentos se mueven libremente, siendo uno la entrada y otro la señal de realimentación. La salida es la pieza circular que se moverá cuando el desplazamiento de las otras dos sea diferente. Varilla Oscilante.- El sistema consiste en una barra vertical que como vemos en el dibujo está unida en sus dos extremos mediante rótulas a dos barras respectivamente a y b. En una de las barras se produce el desplazamiento de referencia y en la otra el desplazamiento de la variable medida. La desviación de la barra central de la posición vertical, determina la medida de error. Es válido para desplazamiento pequeños comparados con la longitud de la varilla, para que el desplazamiento se considere lineal y no angular 9
. 3. CONTROLADORES. Es el cerebro de un sistema de control siendo el encargado de interpretar el error o desviación entre las magnitudes que él mismo o el comparador, más específicamente, detecta y actuar para intentar anular dicho error. La tecnología de los controladores, hasta la época de los 50, fue neumática, hidráulica o electromagnética. Posteriormente se fueron afianzando los reguladores analógicos electrónicos basados en el Amplificador Operacional (A.O) debido al avance de la electrónica del sólido. En los 70 comienza la utilización de técnicas digitales para el control de procesos y dentro de estas técnicas el empleo del ordenador como elemento de control. Hoy en día, el método más utilizado es el microcontrolador o microprocesador, que por decirlo rápidamente, es un pequeño ordenador integrado en la placa de control y programado por un especialista para que actúe sobre los elementos actuadores con la referencia obtenida del elemento comparador. Esto es, el microcontrolador tiene puertos de entrada que reciben la información del elemento comparador y en función a la lógica programada (instrucciones del programador) activa, desactiva o configura los elementos actuadores (que son los que pretenden resolver el error cometido). En procesos simples, podemos dejar de lado el microcontrolador e implementar sistemas de control básicos mediante amplificadores en cualquiera de sus configuraciones (que son muchas y objeto de estudio en la universidad). 4. ACTUADORES. El comparador a su salida nos da la señal activa o señal de error, esta señal de error es la que lleva la información necesaria para que mediante el actuador obtengamos en la salida el valor deseado. La señal activa normalmente tiene poca potencia por lo que tendremos que amplificarla y adaptarla. En la mayoría de los casos es una señal eléctrica, pero podemos encontrar en muchos casos que el actuador no es eléctrico, que es neumático o hidráulico, y en ese caso tendremos que adaptarla. En los casos que el actuador sea eléctrico, simplemente con amplificar la señal, será suficiente, otras veces tendremos que adaptarla y a veces no tendremos que manipularla. Actuadores 10
El actuador es el elemento al que llega la señal de error, después de amplificarla y adaptarla(convertirla en señal activa) y nos sirve para obtener el fin previsto. Las misiones más comunes de estos actuadores son la de generar movimientos rotatorios y lineales. Los podemos clasificar de acuerdo con la energía que emplean: Neumáticos Hidráulicos Eléctricos Comparación de los actuadores neumáticos, hidráulicos y eléctricos Los actuadores neumáticos emplean el aire comprimido como fuente de potencia. El aire es barato, no contamina, no tiene problemas para el almacenamiento y alcanza velocidades de trabajo muy altas. Dada la compresibilidad del aire, su regulación no es constante, su instalación es cara y ruidosa, pero cuando hay que hacer mucha fuerza son preferible los hidráulicos. - Compresores (de paletas turbocompresores..) - Cilindros neumáticos (de simple y de doble efecto) - Motores neumáticos (de paletas, de pistones, de engranajes, turbomotores) Los actuadores hidráulicos emplean aceite como fuente de potencia. Es mas cara, es contaminante, son mas lento en cuanto a velocidad de trabajo y su instalación es cara. Tienen la ventaja de que su regulación es constante, y para grandes esfuerzos son mejores que los neumáticos. - Bombas hidráulicas (de engranajes, paletas, pistones...) - Cilindros hidráulicos (de simple y doble efecto) - Motores hidráulicos (de engranajes, paletas, pistones...) Los actuadores eléctricos tienen la ventaja de que no son contaminantes, no necesita almacenamiento y su instalación es barata, sencilla y la hay en todos los sitio. - Motores de corriente continua (shunt, serie, compoud...) - Motores de corriente alterna - Motores híbridos. Debemos tener en cuenta que existe una red eléctrica que llega a todos los lugares, lo que nos facilita su uso. Pero la gran capacidad de carga sólo puede ser soportada por los actuadores hidráulicos, mientras que la posibilidad de hacer movimientos rápidos y potentes está en la neumática. 11