Tema 70B – Control programado, tipos, elementos y características

I índice

1. Introducción. 2

1.1. Bucle elemental de control por ordenador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Tipos. 3

2.1. Control secuencial o logico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2. Control digital directo. DDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3. Control Analogico-Digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.4. Control Digital descentralizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3. Elementos. 6

3.1. Convertidores A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.2. Convertidor D/A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.3. Multiplexores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.4. Microprocesador y programa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1

1. Introducción.

El presente tema tiene por objetivo fundamental el mostrar las posibilidades que ofrece un computador como elemento de un sistema de control. Como se verá este dispositivo de cálculo va a permitir abordar problemas que con los elementos convencionales de control son difícilmente resolubles. Esto, unido a la gran proliferación de dispositivos de cálculo digital, cada vez mejores y más asequibles, ha hecho que, con la inclusión de estos elementos, sea previsible en pocos años una total transformación´ n de los sistemas de control. El conjunto de conocimientos necesario para un correcto diseño de sistemas de control por computador, se podría desglosar en dos campos: uno referente a los dispositivos de cálculo a incluir en estos, que denominaremos computadores de procesos, y otro relativo a las técnicas de análisis y diseño de los mismos.

Los sistemas de control digital se emplean en multiples aplicaciones: para máquinas herramienta, procesos metalurgicos, procesos químicos, control de aviones, control de tráfico de automo´ viles, etc. Los sistemas controlados automáticamente por computador se emplean para propositos tan diversos como la medición de la refracción de objetivos del ojo humano y la frecuencia de chispa de un motor o la relación´ n aire-combustible (dosado) de motores de automoviles. Estas últimas innovaciones son necesarias para reducir las emisiones contaminantes de los automoviles e incrementar la economía del combustible.

El esquema básico de un sistema de control con computador se muestra en la figura, en la que se puede apreciar que el computador realiza las funciones del comparador y del regulador.

1.1. Bucle elemental de control por ordenador.

Antes de entrar a estudiar con más detalle un bucle de control con computador, es importante significar la clara diferencia existente entre el bloque denominado computador y los otros dos. Mientras en estos las entradas y salidas son señales que toman valor en todo instante de tiempo, el computador acepta entradas y genera salidas en instantes determinados de tiempo. Así pues el computador, a partir de la medida del captador en un cierto instante, calcula el valor de la entrada al proceso y, en un instante posterior, la genera, repitiendo este proceso cada cierto periodo de tiempo.

Los sistemas en los que, como el computador, su entrada y salida solo se considera en determinados instantes de tiempo, se denominan discretos, a diferencia de los continuos caracterizados porque las señales a ellos asociados toman valor en todo instante de tiempo. La denominación de sistema digital, ya especıfica de los computadores, suma a la idea de sistema discreto, la transformación´ n de los valores reales de las variables en valores numéricos, con un numero fijo de cifras definido por las características del computador.

Los sistemas de control con computador como los esquematizados en la Figura 1 tienen pues dos tipos de elementos, los discretos y los continuos. La diferencia entre ellos estriba en sus señales de entrada y salida. En los primeros son secuencias de numeros, mientras que en los segundos son funciones del tiempo. Para formar un conjunto con estos dos tipos de elementos es necesario incluir unos elementos capaces de transformar estas secuencias en señales continuas y viceversa. Estos elementos se denominan convertidores.

Las necesidades de transformación´ n exigen la existencia de dos tipos de convertidores, los convertidores analogico-digitales (CAD) y los digitales-analogicos (CDA). Esta denominación responde al sentido de la transformación que realizan. Con estos convertidores, el esquema de un sistema de control con computador es el de la Figura 2 la cual indica, asimismo, el carácter analogico o discreto de las distintas señales de entrada y salida de los bloques que aparecen en él.

Los elementos que en este esquema aparecen se pueden agrupar en tres: los continuos, los discretos y los híbridos. Estos últimos son fundamentalmente los convertidores. El conjunto de ellos se denomina interface.

2. Tipos.

Los computadores de procesos realizan operaciones sobre los mismos que se pueden agrupar en tres niveles: tratamiento de datos, supervisión´ n y control. Centrándonos sobre el tercer grupo de operaciones, las de control, cabe considerar estas a distintos niveles y efectuadas según´ n diferentes esquemas. Se puede hablar de cuatro esquemas de control:

El secuencial o logico.

El control digital directo (DDC)

El control analogico-digital (DAC)

El control descentralizado.

2.1. Control secuencial o logico.

El control secuencial o logico esta´ caracterizado porque las señales intercambiadas entre el proceso y el computador son digitales.

La forma de estas señales hace que los accionadores y captadores sean dispositivos con dos estados, tales como válvulas que permanecen abiertas o cerradas, sensores que se disparan cuando la variable medida sobrepasa un valor, etc.

El computador, en este tipo de control, sustituye, con un programa que ejecuta, a un circuito logico de tipo secuencial. Esta sustitución se está realizando en el campo industrial de una manera extraordinariamente rápida especialmente usando microprocesadores. Es frecuente denominar a los sistemas logicos de control con computador sistemas de logica programada, diferenciándolos así de los sistemas con circuitos logicos convencionales, que se denominan de logica cableada.

Las ventajas de la logica programada sobre la cableada son su flexibilidad en cambios de estrategia de control, por cuanto estos se reducen a cambios en un programa, y la comodidad del mantenimiento, puesto que es más sencilla la revisión de un programa que la de un circuito, con sus componentes, soldaduras, contactos, etc. El inconveniente mayor de la logica programada es que cualquier avería afecta a la totalidad del sistema de control, no permitiendo funcionamientos parciales del mismo.

Este tipo de control es en realidad un automatismo, solamente se interpreta un circuito logico para realizar la acción de control. Este tipo de control esta implementado mediante los llamados Automatas Programables (PLC) que son, computadores específicos muy robustos diseñados exclusivamente para trabajar en ambientes industriales. Como ejemplo de este tipo de equipamientos podemos citar la serie SIMATIC-S7 de Siemens.

2.2. Control digital directo. DDC

Es frecuentemente conocido por las siglas DDC, que proceden de su denominación anglosajona (Direct Digital Control). Su acción de control responde a la idea expuesta en este capítulo como motivación del uso de computadores para control. La figura esquematiza este tipo de control, indicando los componentes necesarios para su implantación.

Como se puede ver en la figura, se utiliza un computador para llevar en este caso dos bucles de control, aunque normalmente serian muchos más. Aparece en el esquema un elemento no mencionado hasta el momento: el multiplexor. Su objetivo es alternar la toma de muestras del convertidor analogico-digital entre las distintas salidas de los captadores permitiendo con un solo convertidor muestrear distintas señales. Su inclusión´ n en el esquema obedece a razones economicas, debidas al precio relativamente elevado de los convertidores analogico-digital. Por las mismas razones economicas no es usual multiplexar las señales procedentes de los convertidores digital-analogico, existiendo, en general, uno por bucle de control.

2.3. Control Analogico-Digital.

Similarmente al control digital directo, es frecuentemente conocido por las siglas DAC (Digital Analog Control). Como su nombre indica, es un sistema hibrido, ya que tiene parte analogica y parte digital. La siguiente figura esquematiza un sistema de control de estas características.

Como puede verse en ella, el computador, según criterios prefijados, genera la señal de referencia de un sistema de control convencional. Ello hace que cuando este dispositivo de cálculo falle, el bucle de control siga funcionando con los reguladores analogicos. Por otra parte, el computador permite una cierta flexibilidad en el sistema de control, ya que realiza la generación´ n de la referencia del regulador analogico en base a las medidas del proceso.

Para una mayor comprensión de este sistema de control, en la figura 8 se aísla un bucle. El esquema mostrado en la misma es uno convencional de control por realimentación multiple con el regulador del bucle exterior implantado con un computador. Este regulador permite dotar de flexibilidad al conjunto, al ser fácilmente modificables sus parámetros; no obstante esta no es tan grande como la que permite un sistema DDC. Por otra parte, el DAC presenta los inconvenientes de los sistemas convencionales en cuanto a falta de precisión, derivas, desajustes, etc. La carestía de este esquema sobre el DAC puede no ser demasiada si se implanta el sistema de control sobre uno ya controlado con instrumentación convencional, ya que esta serviría igualmente para el nuevo sistema de control. Aun tratándose de una planta de nuevo diseño, el DAC es aconsejable por la seguridad ante fallos que introduce en el esquema de control.

2.4. Control Digital descentralizado.

Como un paso más en el diseño de sistemas de control de mayor calidad, se puede pensar en hacer que los reguladores analogicos del apartado anterior fueran también digitales. Desde un punto de vista tecnologico esto no entraña gran dificultad, puesto que estos reguladores digitales podrían ser implantados con microprocesadores que, como se ha dicho, tienen un bajo coste. Se llega así a una estructura de control en la que determinadas funciones se han descentralizado del computador central, realizándose en unos terminales inteligentes.

Una característica que debe presentar una estructura de este tipo es el poseer una capacidad de reconfiguración ante fallos, de tal manera que cuando algún elemento quede fuera de servicio, el conjunto se reconfigure asignando las funciones que este realizaba a otro u otros elementos.

La idea de sistema de control descentralizado mostrada en la figura anterior puede ser generalizada con una descentralización a varios niveles, llegándose a una estructura piramidal, o con mayor numero de niveles.

Como se puede ver, el proceso a controlar podría ser una fábrica con dos secciones de fabricacion, cada una de ellas con su propio equipo digital de control, y con una coordinación entre ambas ejercida por un computador que a su vez supervisa el funcionamiento de ambas. La asignacion de funciones a los diferentes niveles es un trabajo que presenta interesantes problemas si se quiere realizar con el máximo aprovechamiento del equipo de control. Una de las formas de realizarlo es estableciendo una prioridad de funciones de control y asignando la realización de estas funciones, según esta prioridad, a los distintos niveles. El sistema de control así obtenido se denomina Jerarquizado por la jerarquía de funciones de control y niveles de acción que se establece.

3. Elementos.

Además de los elementos comunes con el control analogico descritos en el Tema 65, como son los actuadores, sensores, amplificadores, etc…, el control programado cuenta además con elementos específicos entre los cuales destacamos:

Convertidor A/D.

Convertidor D/A.

Multiplexores.

Microprocesador y programa.

3.1. Convertidores A/D

Son los elementos encargados de comunicar el mundo digital con el mundo analogico.

Los convertidores Analógico/Digitales son aquellos que se encargan de muestrear y cuantificar una señal continua, para que esta pueda ser tratada por un sistema digital.

Logicamente, e´este muestreo estará´ caracterizado por el intervalo de tiempo entre dos muestras sucesivas T, que denominaremos periodo de muestreo, llamando a su inverso frecuencia de muestreo (muestras por unidad de tiempo).

El elemento que realiza este proceso se denomina muestreador, siendo la forma usual de representarlo en los diagramas de bloques la siguiente:

Intuitivamente se puede apreciar que el periodo de muestreo va a jugar un papel fundamental en este proceso, y del dependerá en gran medida el que se pierda información´ n o no en el mismo (cuanto más pequeño sea, menos información se pierde en el proceso).

Para que el proceso de muestreo no suponga ninguna pérdida de información, es necesario que la secuencia obtenida como consecuencia del mismo, sea suficiente para reconstruir de nuevo la señal continua. Las condiciones que se deben cumplir en el proceso de muestreo para que se pueda realizar esta reconstrucción´ n, se fijan en el teorema del muestreo:

Si una señal continua x(t) tiene transformada de Fourier x(ω), cumpliendo que X (ω) = 0 para valores |ω| > ω0 , entonces dicha señal estará´ completamente determinada por la secuencia xk obtenida por muestreo de la misma con periodo T = π/ω0.

3.2. Convertidor D/A

La operación´ n contraria al muestreo es igualmente necesaria en sistema de control con computador. Tal operación´ n consiste en construir, a partir de la secuencia x k generada con el computador, una señal continua x(t) con la que poder excitar el sistema continúo. El elemento en el cual se realiza esta operación´ n se denomina bloqueador.

3.3. Multiplexores.

Por motivos economicos, los convertidores A/D se suelen utilizar para convertir más de una señal analogica. Lo normal es que un solo convertidor se utilice para 8, 16 o´ 32 canales analogicos. Para hacer tal cosa se necesita un dispositivo, denominado multiplexor, cuya función´ n es la de seleccionar la señal a convertir en cada ocasión.

3.4. Microprocesador y programa.

Un microprocesador es un circuito integrado complejo, que es capaz de realizar todas las funciones logicas, aunque solamente puede realizar una de ellas a la vez. Para realizar un con- junto de funciones logicas será´ necesario, indicar al microprocesador las operaciones logicas o aritméticas que debe realizar, esto se realiza mediante instrucciones.

Por lo tanto para la realización´ n de una secuencia de numerosas operaciones que haga funcionar nuestro sistema, será´ necesario prever una secuencia ordenada de instrucciones: que es lo que se llama programa.

Así, la parte correspondiente al hardware se diseña a partir de la pastilla del microprocesador. Microprocesador que necesita un programa, es decir, una secuencia de instrucciones cuyas palabras binarias están almacenadas en una memoria de programa. El microprocesador ira´ a buscar una instrucción´ n a la memoria, ejecutara´

La operación correspondiente, ira ha buscar la memoria la siguiente instrucción´ n, y así sucesivamente. Una logica de ese tipo se denomina logica programada y corresponde al Software.

Actualmente los microprocesadores usados para el control, pueden ser, o bien microprocesadores específicos o bien de tipo comercial (PC) usando un software a medida muy robusto.

Normalmente el software usado suele ser del tipo SCADA donde se representan los elementos de la planta controlada en un diagrama sinoptico que engloba todos los procesos y controladores, de manera que la interacción´ n del operador con el proceso es más fácil e intuitiva.

4. Características.

Como ya se ha dicho, el computador en un sistema de control permite mejorar la calidad de este, por cuanto es capaz de realizar funciones de control sin apenas ninguna limitación en cuanto a complejidad. Esta podría ser la primera ventaja del control con computador sobre el control con reguladores convencionales.

Como segundo ventaja se puede mencionar la facilidad de cambiar la estrategia de control modificando el programa que la ejecuta. Este cambio puede realizarse no solo según las órdenes del operador, sino también en base a las órdenes generadas por el mismo computador, que mida la calidad del sistema de control y, según este, corrija los parámetros del regulador hasta alcanzar un nivel aceptable en el sistema de control.

En cuanto a precisión´ n, las operaciones de un computador digital son más exactas que las realizadas con dispositivos analogicos. Un computador digital maneja corrientemente numeros con 8 o 10 cifras exactas, mientras que operando analogicamente difícilmente se consiguen más de tres. Por otra parte, en dispositivos analogicos son frecuentes errores debidos a derivas, cambios de temperatura, saturaciones, etc.

Finalmente, como una ventaja más de los computadores digitales en el control, se debe considerar la posibilidad de realizar otras funciones complementarias al control, tales como almacenamiento de datos, análisis estadísticos, etc., aparte de otras ajenas al mismo que se deseen efectuar como cálculo científico, contabilidad, gestión de almacén, etc.

En el apartado de los inconvenientes cabe citar en primer lugar el precio. Es más caro usar un computador como elemento de control que los reguladores de tipo convencional. Este inconveniente se puede salvar utilizando un computador para llevar a cabo varios bucles de control. Con respecto al precio, se puede decir que, mientras con tecnología convencional aumenta linealmente desde cero con el numero de bucles, utilizando un computador, si bien hay un coste fijo, el incremento de precio por bucle sería menor.

Otros inconvenientes de uso de computadores en sistemas de control son los derivados de situaciones de avería. La tradición de la utilización de reguladores de tipo electrónico o neumático convencional ha dotado a los usuarios de estos sistemas de personal de mantenimiento cualificado cuya reconversión es difícil. Por otra parte, el utilizar un computador para llevar varios bucles de control (en muchos casos todo un proceso) hace que un fallo lleve consigo el desajuste de todos los bucles y la necesidad de parar el proceso de producción. Para salvar estos inconvenientes de averías, los estudios se orientan, más que a facilitar su pronta reparación, a evitar que es-tos se produzcan, siendo la fiabilidad de los sistemas uno de los factores que con más intensidad condicionan la elección de estos.

5. Conclusión.

La introducción de los microprocesadores en el control, ha supuesto una verdadera revolucion. No solo porque permiten realizar acciones de control de manera más flexible y economica que los medios analógicos, sino porque permiten integrar los diversos sistemas de control de la planta, en un sistema de gestión-supervisión global, en el cual aparte de realizarse las tareas propias del control, se almacenan datos, se analiza el comportamiento del sistema en definitiva se convierte en una herramienta muy poderosa para la optimización de procesos.

La meta permanente de la robotica y de los sistemas de control es proporcionar una gran flexibilidad y un alto nivel de autonomía. Los dos conceptos de sistemas se han aproximado a esta meta por diferentes trayectorias de evolución. El robot industrial del presente se percibe como autónomo: una vez que se programa, normalmente no requiere intervención posterior. Debido a las limitaciones de los sensores, estos sistemas roboticos tienen una flexibilidad limitada para adaptarse a cambios en el ambiente de trabajo, lo cual es la motivación en la investigación de la visión del computador. El sistema de control es fácilmente adaptable, pero depende de la supervisión´ n humana. Los sistemas roboticos avanzados se esfuerzan por adaptarse a las tareas mediante la retroalimentación (feed back) mejorada en los dispositivos sensores. Las áreas de investigación que se concentran en la inteligencia artificial, la integración sensorial, la vision de computadores y la programación de robots CAD/CAM fuera de línea, harán a los robots más universales y economicos. – Los sistemas de control se dirigen hacia la operación autonoma como una mejora para el control humano. La investigación en el control de supervisión, los métodos de interfaz en máquinas para reducir la carga de trabajo del operador y la administracion de bases de datos en computadores, pretende mejorar la eficiencia del operador. Muchas actividades de investigación son comunes a ambos sistemas y están dirigidas a la reducción de costos de implantación y la expansión del campo de aplicación. Estas tareas de investigación incluyen los métodos de comunicación mejorada y los lenguajes de programación avanzados.

6. Bibliografía.

Control e instrumentación´ n de procesos químicos. Autor: Pedro Ollero de Castro et alter.