1 introducció
Un sistema de control és un conjunt de components que actuen conjuntament i que persegueixen un objectiu determinat (manteniment d’una temperatura, pressió…).
Els sistemes de control tenen unes entrades i unes sortides. Les entrades són els estímuls o les excitacions que s’apliquen externament al sistema amb la finalitat d’obtenir d’aquest una resposta especificada. Les sortides són les respostes obtingudes dels sistemes de control.
Un sistema es representa simplificadament:
L’estudi d’un sistema consisteix a obtenir la relació entre les sortides i les entrades. O sigui:
Si(t)=fi(e1(t), e2(t),…,em(t))
Malgrat tot, en la pràctica estudiem una sola de les sortides, i de les variables d’entrada ens fixem en aquella que actua de manera més directa, considerant la resta com pertorbacions. Simplificant:
S(t)=f(e(t)).
2 Elements components d’un sistema de control
Generador del senyal de referència: dispositiu capaç de generar una senyal d’igual o diferent magnitud que la senyal de sortida del sistema que es vol controlar. Aquesta senyal, relacionada directament amb el valor de sortida, és l’encarregada d’imposar el valor desitjat a la sortida.
La senyal de referència es canalitza cap a un dispositiu comparador, amb la finalitat de ser comparada amb la senyal que tenim a la sortida , a través del llaç de realimentació, i detectar el possible error.
Les senyals més utilitzades com a variables de referència solen ser: tensió o intensitat elèctrica, pressió pneumàtica o posició mecànica.
Transductor de la senyal de sortida: dispositiu capaç de mesurar en cada instant el valor de la magnitud de sortida i proporcionar una senyal proporcional a aquest valor. Normalment consta de dues parts:
El captador (sensor) : Capta directament la magnitud mesurada (pressió, nivell, cabal, velocitat, posició, il·luminació, Tª…) amb objecte de transformar-la en una altra magnitud de valor proporcional. Normalment desplaçament linear o angular.
El transmissor: transforma la magnitud vista pel captador a una altra magnitud que sol ser elèctrica o pneumàtica. Aquesta senyal es la enviada al comparador per a que sigui comparada amb la senyal de referència.
El comparador (detector d’error): Compara la senyal de referència amb la senyal realimentada (es resten), el resultat constitueix l’error de funcionament o desviació de la sortida respecte del valor previst. Físicament pot ser un amplificador diferencial, un potenciòmetre…
El controlador (corrector d’error): amplifica i modifica la senyal d’error amb la finalitat de que l’acció de control sobre el sistema sigui més eficaç i presenti millors característiques de funcionament en quant a precisió, estabilitat, temps de resposta i sobreoscil·lacions. Els correctors d’error més utilitzats són: el proporcional derivatiu P.D., proporcional integral P.I., proporcional integral-derivatiu P.I.D.
A vegades el controlador agrupa en un sol mòdul: el generador del punt de consigna, el comparador, i l’algoritme de control (P, PD, PID…).
L’amplificador de control (amplificador de potència): amplifica la senyal del corrector fins a uns nivells que siguin capaços d’activar els elements de control. (Amp. magnètics, amp. transistoritzats, relés, tiristors i triacs, etc… )
L’element final de control (actuadors): Té l’objectiu de modificar el comportament de la planta o procés, actua directament per a que la variable de sortida tingui el valor desitjat. Les variables que activen aquests elements acostumen a ser del tipus d’intensitat elèctrica, cabal de líqud o vapor… .Com a elements de control destaquen els servomotors elèctrics, hidropneumàtics, resistències…
La planta o procés és el lloc on es desitja realitzar una acció de control: habitació, forn, dipòsit…
Un exemple d’un sistema de control seria una regulació automàtica d’una magnitud de sortida sobre una planta o procés, per exemple la temperatura, que roman constant o que varia lentament amb el temps i on la tasca fonamental consisteix en mantenir el valor desitjat a la sortida malgrat les pertorbacions presents. Per automatitzar aquest sistema ens caldrà disposar d’elements de medició de temperatura (transductors com PTC, o NTC…), que captin aquesta magnitud, la comparin amb una senyal d’entrada (temperatura desitjada) apreciïn si hi ha o no un error a través dels elements comparadors (potenciòmetre, amplificador operacional…) i proporcionin una informació a un controlador, en aquest cas de tipus elèctric. El controlador analitzarà la informació que li és proporcionada, i actuarà en conseqüència activant o desactivant un element de control, que en aquest cas pot ser un reòstat o una estufa.
L’adaptació i amplificació de senyal es pot fer abans o després del comparador, dependrà de les característiques del nostre sistema, tot i que és més usual fer-ho abans, a fi de condicionar les senyals dels transductors, que acostumen a ser dèbils.
Aquest sistema de control s’anomena de llaç tancat ja que la sortida té un efecte directe sobre la acció de control.
Altres exemples d’aplicació de controls automàtics: A més de la importància en vehicles espacials, guiatge de projectils, pilotatge d’avions, també són molt importants en operacions industrials: control de pressió, temperatura, humitat, viscositat, flux, velocitat…i en processos productius: maquinat, maniobra i muntatge de peces…
Qualsevol sistema de control requereix: Que sigui estable i que la velocitat de resposta sigui raonablement alta , presentant un amortiment raonable. A més ha de poder reduir a zero o a un valor baix els errors.
Els sistemes automàtics permeten un funcionament òptim de sistemes dinàmics , milloren la qualitat i abarateixen els costos de producció, augmenten el ritme de producció, alliberen de la complexitat de moltes rutines, de tasques manuals repetitives, etc…
L’aplicació microelectrònica i l’ordinador han aconseguit un augment i una optimització de la productivitat en tots els processos.
El CONTROLADOR és aquell dispositiu, dins el sistema de control, que s’encarrega d’analitzar la informació provinent del comparador; i a través d’uns algoritmes de control, proporciona una informació als elements de control, per a corregir els desequilibris que puguin existir en el sistema. Depenent del tipus de resposta que escollirem un controlador o un altre.
El control programat és aquell tipus de control que realitza les tasques amb cert element dotat d’intel·ligència, és a dir incorpora un microprocessador CPU i una unitat de memòria més o menys gran. Les diferents tasques de control es realitzen per programa, i segons les aplicacions i la importància de l’aplicació podem trobar-nos amb:
1. controladors de llaços individuals.
2. autòmats programables o PLC.
3. ordinadors de control de processos.
4. sistemes de control distribuït.
3 LES ACCIONS DE CONTROL BÀSIQUES.
3.1 TIPUS DE CONTROLS AUTOMÀTICS
Depenent de la seva acció de control es poden classificar els controls automàtics en:
1. Controls de 2 posicions, (tot/res).
2. Controls proporcionals. P
3. Controls integrals. I
4. Controls proporcionals i integrals. PI
5. Controls proporcionals derivatius. PD
6. Controls proporcionals derivats i integrats. PDI.
3.2 INFLUÈNCIA DELS CONTROLADORS SOBRE EL SISTEMA A CONTROLAR
Les seves accions dins d’un sistema de control són:
Controls de 2 posicions (tot/res).
Quan la variable és inferior a un valor consigna, el controlador dona una senyal de sortida màxima el que fa que la variable manipulada prengui el valor màxim (vàlvula de control completament oberta). Amb això s’aconsegueix un canvi en la variable controlada de signe oposat. Quan la variable controlada supera el valor de referència , el controlador cessa de produir senyal de sortida i la variable manipulada es fa zero. (Vàlvula de control tancada).
Aquest tipus de control s’utilitza usualment amb una banda diferencial o zona neutra en la que l’element final de control roman en la seva última posició per a valors de la variable compresos entre la banda diferencial. Un exemple d’aplicació seria el d’un controlador de temperatura. (Fig6 CEDE67).
L’acció proporcional ( P ).
Canvia la posició de la vàlvula proporcionalment a la senyal d’error.
Una característica del dispositiu de regulació amb controlador P és la permanència d’una de la desviació reguladora o offset, sense la qual es regulador no pot funcionar.
L’acció integral ( I )
Mou la vàlvula a una velocitat proporcional a la desviació.
No hi ha offset, ja que la senyal de sortida canvia mentre persisteix l’error. Però la resposta és lenta. Raó per la qual es sol utilitzar amb un amb combinació amb un controlador proporcional i integral PI.
Per una banda el regulador PI compensa el offset però no és suficientment ràpid.
L’acció derivada ( D )
Corregeix la posició de la vàlvula proporcionalment a la velocitat de canvi de la variable controlada.
El regulador D s’utilitza amb el P per a format un regulador PD, que millora la rapidesa de resposta de sistemes lents. Però no pot compensar l’offset.
L’acció proporcional integral derivada (PID)
Existeix la possibilitat de combinar un regulador PI amb un PD per a obtenir un regulador PID. Resposta ràpida i amb regulació total de l’offset.
3.3 CRITERIS PER A LA SELECCIÓ DEL SISTEMA DE CONTROL
La selecció del sistema de control es realitza determinant la qualitat del sistema i el preu que estem disposats a pagar.
Es a dir, ha de ser suficient per a satisfer la tolerància però no ha d’incloure excessius refinaments que encareixin el regulador. Malgrat tot no hi ha una diferència excessiva entre un controlador PI i un PID així que al estudiar sistemes en que les pertorbacions no siguin ben conegudes pot resultar més barat adquirir un controlador PID per a obtenir una major flexibilitat en el control de procés.
EL CONTRoLADOR PROGRAMAT.
Els autòmats programats (PLC) són avui un equip familiar en la indústria que, en menys de 20 anys, ha desplaçat els armaris de control convencionals amb els seus complexes circuits de relés.
La evolució dels autòmats programats en els últims 10 anys ha sigut molt accelerada, disminuint en volum i preu a mesura que anaven augmenten en capacitat i prestacions.
Definits en el seu dia com a “equips electrònics programats pel personal no informàtic, destinats a efectuar funcions lògiques seqüencials a temps real en ambient industrial”: en aquest moment degut a la seva evolució paral·lela a la de la microelectrònica e informàtica s’han convertit en autèntics equips informàtics industrials que, si be és cert que per la seva utilització no són necessaris coneixements de informàtica, resulta, al menys dubtós, que no siguin precisos per la seva programació.
Els autòmats avui en dia no poden contemplar-se ja com elements aïllats en uns instal·lació o màquina, si no com equips capaços de realitzar complexes funcions de control.
S’entén per Controlador Lògic Programat (PLC), o Autòmat Programat, a tota màquina electrònica, dissenyada per controlar en temps real i en medi industrial processos seqüencials. El seu maneig i programació pot ser realitzat per personal elèctric o electrònic sense coneixements informàtics. Realitza funcions lògiques: sèries, paral·lels, temporitzacions, comptatges i altres més potents com càlculs, regulacions, etc.
També es pot definir com una “caixa negra” en la que existeixen uns terminals d’entrada als que es connectaran polsadors, finals de cursa, fotocèl·lules, detectors…: uns terminals de sortida als que es connectaran bobines de contactes, electrovàlvules, làmpades.., de tal forma que l’actuació d’aquests últims està en la funció de les senyals d’entrada que estiguin activades en cada moment, segons el programa emmagatzemat.
Això vol dir que els elements tradicionals com relés auxiliars, relés d’enclavament, temporitzadors…són interns. La tasca de l’usuari es redueix a realitzar el “programa”, que no és més que la relació entre els senyals d’entrada que es tenen que complir per activar cada sortida.
ESTRUCTURA.
HARDWRE.
És bàsicament la mateixa però amb una memòria i uns sistemes exteriors diferents:
CPU: Idèntica a la d’un ordenador.
Memòria: Normalment és bastant més petita, d’accés molt ràpid i amb la necessitat de tenir que ser permanentment alimentada per una pila per evitar que perdi la seva informació.
Unitats exteriors: Poden ser les mateixes que les d’un ordenador, però no és molt corrent.
L’autòmat treballa principalment amb:
Mòduls d’entrades/sortides digitals:
Permeten rebre senyals produïdes per interruptors, finals de cursa, sensors de proximitat, etc., i accionar contactors, arrencadors suaus, relès, etc.
Mòduls d’entrades/sortides analògics:
permeten l’entrada de senyals procedents de termòmetres, pressió, humitat, conductivitat, etc.,i actua sobre variables de velocitat, de potència, de caudal, etc.
Mòduls intel·ligents:
Permeten resoldre problemes de regulació, posicionament.
Mòduls de comunicació:
Permeten la unió a xarxes locals formades per altres autòmats i ordenadors, així com la unió a estacions centrals de control en el procés de fabricació.
TIPUS COMPACTA.
Aquests tipus d’autòmat es distingeix per presentar en un sol bloc tots els elements, això és, font d’alimentació, CPU, memòries, entrades7sortides, etc. En quan a la seva unitat de programació, existeixen tres versions: unitat fixa o connectada directament en el autòmat, connectada mitjançant un cable i connector, o la possibilitat de les dues connexions. Si la unitat de programació és substituïda per un PC, ens trobarem que la possibilitat de connexió del mateix serà mitjançant cable i connector. El muntatge del Autòmat a l’armari que ha de contenir, es realitza per qualsevol dels sistemes coneguts: carril DIN, placa perforada, etc.
TIPUS MODULAR.
Com el seu nom indica, l’estructura d’aquest tipus d’autòmat es divideix en mòduls o parts del mateix que realitzen funcions especifiques. S’ha de fer dos divisions per distingir entre les que denominarem estructura americana i europea.
A) Estructura americana.
Es caracteritza per separar las E/S de la resta del Autòmat, de tal forma que en un bloc compacte estan reunides les CPU, memòria d’usuari o de programa i font d’alimentació, i separadament les unitats de E/S en els blocs o targes necessàries.
B) Estructura europea.
La seva característica principal és la que existeix un mòdul per cada funció: font d’alimentació, CPU, entrades/sortides, etc. La unitat de programació s’uneix mitjançant cable i connector. La subjecció dels mateixos es fa be sobre carril DIN o placa perforada, be sobre RACK, on va allotjat el BUS extern d’unió dels diferents mòduls que el componen.
CAMPS D’APLICACIÓ.
El PLC per les seves especial característiques de disseny té un camp d’aplicació molt estens. La constant evolució del hardware i software amplia contínuament aquest camp per poder satisfer les necessitats que es detecten en l’espectre de les seves possibilitats reals.
La seva utilització es dona fonamentalment en aquelles instal·lacions on es necessari realitzar processos de maniobra, control, senyalització, etc. Per tant, la seva aplicació engloba des de processos de fabricació industrial de qualsevol tipus de transformacions industrials de control instal·lacions, etc.
Les seves reduïdes dimensions, la extremada facilitat del seu muntatge, la possibilitat de emmagatzemar els programes per la seva posterior i ràpida utilització, la modificació o alteració dels mateixos, etc. Fa que la seva eficàcia es valori fonamentalment en processos en que es produeixen necessitats tal com:
-Espai reduït.
-Processos de producció periòdicament canviants.
-Processos seqüencials.
-Maquinària de processos variables.
-Instal·lacions de processos complexes i amplis.
-Revisió de programació centralitzada de les parts del procés.
Exemples d’aplicacions generals poden ser les següents:
A) Maniobra de màquines.
-Maquinària industrial del moble i la fusta.
-Maquinaria en processos de grava, sorra i ciment.
-Maquinaria en l’indústria del plàstic.
-Màquines eines complexes.
-Maquinària en processos tèxtils i de confecció.
-Maquinària d’assemblatge
-Màquines transfer.
B) Maniobra d’instal·lacions.
-Instal·lacions d’aire condicionat, calefacció, etc.
-Instal·lacions de seguretat.
-Instal·lacions de fred industrial.
-Instal·lacions d’emmagatzematge i transvasament de cereals.
-Instal·lacions de plantes embotelladores.
-Instal·lacions en l’indústria d’automoció.
-Instal·lacions de tractaments tèrmics.
Instal·lacions de plantes depuradores de residus.
-Instal·lacions de ceràmica.
C) Senyalització i control.
-Revisió de programes.
-Senyalització de l’estat de processos.