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Principios de control automático yprogramación de controladores lógicos programables (PLC)

Contenido

� Tema 1 Introducción a la problemática del control automático.� Conceptos y terminología básica de control.� Terminología, sensores y actuadores.

� Tema 2 Configuraciones de control� Redes de control� DCS� SCADA� Proyectos de automatización.

� Tema 3 Aspectos generales de los PLC� Tipos y partes de un PLC� Lógica de funcionamiento.

� Tema 4 Programación� Diagrama Escalera� Listado de Instrucciones

� Tema 5 Estudio de casos típicos

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Bibliografía

� Ingeniería de Control Moderna, Katsuhiko Ogata, Editorial Pearson, 2000

� Autómatas programables, Joseph Balcells, Editorial Alfaomega Marcombo, 2001

� Instrumentación Industrial, Antonio Creus, Editorial Marcombo, 7ma edición

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Tema 1, Introducción a la problemática de Control

� Inicios de la era industrial� Procesos más simples� Operario: control manual� Instrumentos simples

� Actualmente� Procesos más complejos de controlar� Operario: supervisión y vigilancia� Control Automático

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Señales y Procesos

� Análogas

� Discretas

� Conceptos y terminología básica de control.

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Donde se utiliza el control automático?

� Procesos industriales

� Transporte� Autos� Trenes� Barcos� Aviones� Naves espaciales

� Generación de energía

� Transmisión de energía

� Instrumentación� Artefactos

electrónicos� Economía� Medicina

Para qué se invierte en control?

� productos de mayor calidad� minimización de desperdicios� protección del medio ambiente� mayor rendimiento de la capacidad

instalada� mayores márgenes de seguridad

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Elementos que intervienen en un sistema de control

� la planta� el proceso o los procesos a ser controlados

� los objetivos� los sensores� los actuadores� las comunicaciones� el cómputo� la configuración e interfaces� los algoritmos� las perturbaciones e incertidumbres

La planta

� La estructura física de la planta es una parte intrínseca del problema de control.

� Por lo tanto, los ingenieros de control deben estar familiarizados con la «física» del proceso bajo estudio.

� Esto incluye conocimientos básicos de balances de energía, balances de masas, y flujo de materiales en el sistema.

MODELO DEL PROCESO

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Objetivos

� Antes de diseñar sensores, actuadores, o configuraciones de control, es importante conocer los objetivos de control.

� Estos incluyen � Qué es lo que se pretende alcanzar (reducción de

energía, mayor produción, etc.).� Qué variables deben controlarse para alcanzar los

objetivos.� Qué nivel de calidad se necesita (precisión,

velocidad, etc.).

Los sensores

� Los sensores son los ojos del sistema de control, que le permiten ver qué estápasando. De hecho, algo que suele decirse en control es:� Si se puede medir, se puede controlar.

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Los actuadores

� Una vez ubicados los sensores para informar el estado de un proceso, sigue determinar la forma de actuar sobre el sistema para hacerlo ir del estado actual al estado deseado.

� Un problema de control industrial típicamente involucrará varios actuadores distintos.

Las comunicaciones

� La interconección de sensores y actuadoresrequieren el uso de sistemas de comunicación.

� Una planta típica va a tener miles de señales diferentes que seberán ser transmitidas largas distancias. Así, el diseño de sistemas de comunicación y sus protocolos asociados es un aspecto cada vez más importante de la ingeniería de control moderna.

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El cómputo

� En los sistemas de control modernos la interconección de sensores y actuadores se hace invariablemente a través de una computadora de algún tipo. Por lo tanto, los aspectos computacionales son necesariamente una parte del diseño general.

� Los sistemas de control actuales usan una gama de dispositivos de cómputo, que incluyen DCS (sistemas de control distribuido), PLC (controladores lógicos programables), PC (computadoras personales), etc.

Configuración e interfaces

� La cuestión de qué se conecta con qué no es trivial en el diseño de un sistema de control. Podría pensarse que lo mejor siempre sería llevar todas las señales a un punto central, de manera que cada acción de control esté basada en información completa (el denominado control centralizado).

� Sin embargo, esta raramente es la mejor solución en la práctica. De hecho, hay muy buenas razones por las que no conviene llevar todas las señales a un punto común. Algunas obvias son complejidad, costos, limitaciones en tiempo de cómputo, mantenimiento, confiabilidad, etc.

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Algoritmos

� Finalmente, llegamos al corazón de la ingeniería de control:� los algoritmos que conectan sensores y actuadores. Es muy

fácil subestimar este aspecto final del problema. Como ejemplo simple de nuestra experiencia diaria, consideremos el problema de jugar tenis a primer nivel internacional.

� Claramente, se necesita buena visión (sensores) y fuerza muscular (actuadores) para jugar tenis en este nivel, pero estos atributos no son suficientes. De hecho, la coordinación entre ojos y brazo es también crucial para el éxito.

� En resumen:� Los sensores proveen los ojos

� Los actuadores los músculos

� La teoría de control provee la destreza.

Perturbaciones e incertidumbre

� Uno de los factores que hacen a la ciencia del control interesante es que todos los sistemas reales están afectados por ruido y perturbaciones externas.

� Estos factores pueden tener un impacto significativo en el rendimiento del sistema. Como ejemplo simple, los aviones están sujetos a ráfagas de vientos y pozos de aire; los controladores de crucero de los automóviles deben adecuarse a diferentes condiciones de la ruta y diferentes cargas del vehículo.

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� La Ingeniería de Control está presente en virtualmente todos los sistemas modernos de ingeniería.

� El control es una tecnología a menudo «invisible», ya que el éxito mismo de su aplicación la vuelve indetectable.

� El control es la clave tecnológica para lograr� productos de mayor calidad� minimización de desperdicios� protección del medio ambiente� mayor rendimiento de la capacidad instalada� mayores márgenes de seguridad

� El control es multidisciplinario (incluye sensores, actuadores, comunicaciones, cómputo, algoritmos, etc.)

� El diseño de control tiene como meta lograr un nivel de rendimientodeseado frente a perturbaciones e incertidumbre.

Problema de Control

� El problema central en control es encontrar una forma técnicamente realizable de actuar sobre un determinado proceso de manera que éste tenga un comportamiento que se aproxime a cierto comportamiento deseado tanto como sea posible.

� Además, este comportamiento aproximado deberá lograrse aún teniendo incertidumbres en el proceso, y ante la presencia de perturbaciones externas, incontrolables, actuando sobre el mismo.

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Lazo Abierto de Regulación

Controlador ProcesoElementoPrimarioDe Medida

ElementoDeTransmisión

IndicadorORegistrador

Valor DeseadoPunto de ConsignaReferencia

Lazo Cerrado de Regulación

Controlador

Proceso

ElementoPrimariaDe Medida

ElementoDeTransmisión

IndicadorORegistrador

ElementoFinal de Control

error

referencia

Entrada delproducto

Salida delproducto

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Tarea, para la próxima clase

� Averigüe el significado de los siguientes términos aplicados a los instrumentos:� Campo de medida

(range)� Alcance (span)� Error� Precisión (accuracy)� Zona Muerta� Sensibilidad (sensitivity)� Repetibilidad

(repeatibility)� Histeresis (hysteresis)

� Busque la especificación técnica de cualquier tipo de sensor y verifique los valores que entrega el fabricante para cada uno de los términos.

Otros términos

� Algunas Definiciones:� TRANSDUCTOR

� Dispositivo que convierte una magnitud física a otra magnitud física de naturaleza distinta.� TRANSMISOR

� Dispositivo que acopla el mensaje en el canal en la forma de una señal transmitida.� CANAL O MEDIO DE TRANSMISION

� Es la conexión entre el Tx y el Rx.� RECEPTOR

� Extrae la señal deseada del canal y la entrega al tranductor.� DISTORSION

� Es la alteración de la forma de la señal debido a la respuesta imperfecta del sistema.� INTERFERENCIA

� Deformación producida por señales externas.� RUIDO

� Deformación producida por señales aleatorias de origen natural, externas o internas.� ATENUACIÓN

� Debilitamiento progresivo de la señal en la distancia.

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Propiedades deseables de los sensores

� Confiabilidad. Deben operar dentro de rangos adecuados.� Exactitud. Para una variable de valor constante, la medición debe

estabilizarse en el valor correcto.� Sensibilidad. La medición debe seguir los cambios de la variable

medida. Una medición demasiado lenta puede no sólo afectar la calidad del control sino también inestabilizar el lazo, aún cuando el lazo fuera diseñado para ser estable asumiendo mediónexacta de la variable del proceso.

� Inmunidad a ruido. El sistema de medición, incluyendo los transmisores, no deben ser significativamente afectados por señales espúreas como ruido de medición.

� Linealidad. Si el sensor es no lineal, al menos la alinealidad debe ser conocida para que pueda ser compensada.

� No intrusividad. El dispositivo de medición no debe afectar en forma significativa el comportamiento de la planta.

Ejemplos de lazos de control

� Ver fig. 1.1� Ver fig. 1.2