QUE ES LA AUTOMATIZACIÓN

INTRODUCCION A LA AUTOMATIZACIÓN

A lo largo de la historia el hombre se ha sentido fascinado por maquinarias y dispositivos capaces de imitar las funciones y movimiento de los seres vivos.

En la era contemporánea la producción industrial se ha caracterizado principalmente por la optimización de los procesos empleando avances tecnológicos de la comunicación y el control a fin de lograr productos a bajo costo, alta calidad capaz de cumplir con los estándares exigidos por el mercado.

Las diversas formas de automatizar los procesos y servicios se realizan a través del uso de sensores, controladores y actuadores facilitando la producción y minimizando los recursos humanos.

La tecnología actual permite supervisar y controlar diversas industrias del tipo productivo o manufacturero en tiempo real. En nuestro país el control y la automatización a través de la electrónica han experimentado un cambio importante en la mayoría de las industrias, para ampliar y mantener su posición en los respectivos campos de acción.

A. DEFINICIONES DE INTERÉS:

· Planta: equipo con el objetivo de realizar una operación o función determinada. Es cualquier equipo físico que se desea controlar (motor, horno, reactor, caldera, entre otros).

· Proceso: cualquier serie de operaciones que se desea controlar con un fin determinado.

· Perturbación: señal de comportamiento no previsible que tiende a afectar adversamente al valor de la salida de un sistema.

· Realimentación: operación que, en presencia de perturbaciones tiende a reducir la diferencia entre la salida y la entrada de referencia, utilizando la diferencia entre ambas como parámetro de control.

· Servomecanismo: sistema de control realimentado en el cual la salida es una magnitud de tipo mecánico (posición, velocidad o aceleración).

· Sistema de regulación automática: sistema de control realimentado en el que la entrada de referencia y/o la salida deseada varían lentamente con el tiempo.

· Control en bucle (lazo) abierto: sistema de control en el que la salida no tiene efecto sobre la acción del control (Ejemplo: semáforos).

· Control en bucle (lazo) cerrado: aquel en el que la salida tiene un efecto directo sobre la señal de control (utiliza la realimentación para reducir el error).

1. CONTROL AUTOMÁTICO

Se entiende por control automático, el mantener estable una variable de proceso mediante un dispositivo, por lo general electrónico, cuyo valor deseado está almacenado en la memoria de éste y al recibir la señal de la variable controlada realiza los cálculos y estima la acción sobre la variable manipulada, corrigiendo y estabilizando el sistema de control.

Este dispositivo eléctrico conocido como controlador, se encuentra en el mercado bajo la denominación de PLC (Controlador Lógico Programable), controlador de lazo digital (microcontrolador) y PC (computadora personal).




2. SISTEMAS DE CONTROL

Para mostrar de una manera más fácil un sistema de control (figura 1.1) se tomará como ejemplo un proceso típico de intercambio de calor.

Figura 1. Intercambiador de Calor a ser controlado

 

Si el Intercambiador de Calor (proceso), fuese manejado solamente por un hombre; sería como se detalla en la figura 2. 

Figura 2. - Representación del control del intercambiador por una persona

 

Analizamos el control manual de la figura 2, donde el operador mide la temperatura de salida, compara el valor deseado, calcula cuanto más abrirá la válvula de vapor, y hace las correcciones correspondientes; así las funciones básicas del control manual realizado por un ser humano son:

- Medir

- Comparar

- Calcular

- Corregir

Luego los fundamentos de un sistema de control automático deben de provenir de las funciones básicas del control manual realizadas por un ser humano.

2.1 ELEMENTOS DEL SISTEMA DE CONTROL

Un sistema de control automático simple generalmente debe contar con los siguientes elementos: sensor, proceso, controlador y actuador, ver figura 3.

a) Variable Controlada

Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control.

Al analizar el ejemplo mostrado del intercambiador de calor se observa, la intención de calentar agua a través del vapor, para lo cual se deberá tener en cuenta las diversas variable de proceso como son: los flujos de vapor y agua, las presiones de vapor y las temperaturas del agua; pero, la más importante del sistema es la temperatura de salida del agua, por lo tanto la Variable Controlada.

 
b) Variable Manipulada

Es el parámetro a través del cual se debe corregir las perturbaciones del proceso, colocándose un actuador para lograr estabilizar el sistema. En el ejemplo del intercambiador de calor, quien proporciona mayor o menor cantidad de energía al sistema es el ingreso de vapor, por lo tanto la variable a manipular será el flujo de ingreso de vapor.


c) Variable Perturbadora

Es el parámetro desestabilización del sistema por cambios repentinos afectando el proceso.
En el ejemplo, la variable perturbadora sería el flujo de entrada de agua fría, si por una baja de tensión se altera el funcionamiento de la bomba de suministro de agua, provocaría un menor ingreso de flujo al proceso originando la desestabilización del sistema.


d) Variable Medida

Es todo parámetro del proceso requerido para conocer su valor, por lo tanto deberá ser monitoreado; no siendo necesariamente la más importante para controlar el sistema, pero si para mantener un registro de datos.



2.2 SENSOR Ó ELEMENTO PRIMARIO DE MEDICIÓN

Los sensores son los elementos primarios de medición de variables del proceso, siendo algunos usados para lectura e indicación y otros para transformar la variable medida en una señal eléctrica, los más usados en la industria son los de nivel, de presión, de temperatura, de flujo, de proximidad entre otros.

Esta señal va hacia la entrada del controlador para ser comparada con el valor de referencia o “set point” determinando el error y la acción de control.
 


2.2.1 Tipos de Sensores:


a. De Contacto o No Contacto

Los sensores pueden ser clasificados de diversas maneras, una forma común y simple es dividir los sensores en dos categorías: de contacto o no contacto. Los sensores de contacto realizan la medida “contacto físico” con el producto; por ejemplo los sensores de boyas para medir el nivel de un tanque.
Un sensor de no contacto se basa en las propiedades físicas de los materiales para realizar su medida, son menos propensos a fallas; su uso se ve limitado por la característica del material a medir o por la gran interferencia en el ambiente de instalación, ocasionando malas lecturas. Un ejemplo de este tipo de sensor es el medidor de flujo ultrasónico.




b. Digital o Análogo

Otra forma de clasificar los sensores es por el tipo de señales de salida, estas pueden ser de tipo digital o análogo. Los sensores digitales son más fáciles de usar y trabajan como una computadora en forma binaria (unos y ceros), los sensores digitales trabajan en dos estados: encendido (on) o apagado (off). Muchas aplicaciones implican tener conocimiento de la ausencia o presencia de algo. Los sensores análogos proporcionan medidas continuas, pudiendo ser más utilizadas en diversos parámetros de operación, como son: el nivel, la presión, temperatura y el flujo, caracterizándose por funcionar en un rango de 4 a 20 mA.



2.3 CONTROLADOR

El controlador es un instrumento para detectar los desvíos existentes entre el valor medido por un sensor y el valor deseado o “set point”, programado por un operador; emitiendo una señal de corrección hacia el actuador como se observa en la figura 1.4.

Los controladores pueden ser del tipo: manual, neumático ó digitales; así como las computadoras con tarjetas de adquisición de datos y los PLC (Controladores Lógicos Programables).

2.4 ACTUADOR Ó ELEMENTO FINAL DE CONTROL

Los actuadores son los elementos finales de control, tienen por función alterar el valor de la variable manipulada con el fin de corregir o limitar la desviación del valor controlado, respecto al valor deseado. Los fabricantes actualmente proveen una serie de actuadores como: motores, válvulas, relés, e interruptores. A continuación describiremos los actuadores más importantes:

2.4.1 Actuadores Eléctricos

Son usados en la industria y en aplicaciones comerciales para posicionar dispositivos de movimientos lineal o rotacional. Tales como relés, motores y otros.

2.4.2 Actuadores Neumáticos

Aceptan señales de presión pequeñas, desde los posicionadores neumáticos y mediante un diafragma, convierten estas señales en movimientos mecánicos.

2.4.3 Actuadores Hidráulicos

Los actuadores hidráulicos operan en forma similar a los posicionadores neumáticos, pero con una mayor fuerza de acción, para ser usados en compuertas, grúas, elevadores y otros.

2.5 PROCESO

El término proceso, para los fines de control significa el equipo a automatizar en donde se estabiliza la variable de control, a través de los sensores, actuadores y controladores.

3. SEÑALES

Una señal se define como una cantidad física variando con el tiempo, el espacio o cualquier otra variable independiente.

3.1 Señales Eléctricas

 

Las señales eléctricas pueden representar su información clasificándolas en:

- Señales Analógicas

- Señales Digitales.

Los equipos para medir las señales analógicas y digitales pueden ser:

- Los Multímetros, miden tensiones, corrientes, entre otras.

- Las sondas lógicas, indican si se encuentra en el nivel (0 ó 1).

3.2 Señal Neumática

Se define como la variación física a través de la compresión o expansión de un fluido gaseoso generalmente el aire en un determinado tiempo.
Su uso es en la actuación sobre elementos finales de control como las válvulas, pistones robots, etc.

3.3 Señal Hidráulica

Es la variación de la presión de un fluido líquido como aceites de alta viscosidad con respecto al tiempo.

Se utiliza en la actuación de elementos finales de control donde requieran actuación con una fuerza considerable, como por ejemplo, compuertas, robots, pistones, etc.

3.4 Señales de Sonido

Es el movimiento vibratorio de los cuerpos en una frecuencia determinada generando una onda al desplazarse a través de un fluido. Su aplicación es en la transmisión de información a alarmas, etc.

4. SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO

El objetivo de cualquier estrategia de control es mantener una variable llamada controlada próxima a un valor deseado conocido como punto de ajuste “set-point”.

El término regularización es usado para describir la acción de control de agentes de perturbación del estado de equilibrio de la variable controlada.

La variable controlada permanecerá estable, en el proceso mientras se encuentre en estado estacionario.