unidad v tópicos de control asistidos por computadora

8/16/2019 Unidad v Tópicos de Control Asistidos Por Computadora

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Unidad V TÓPICOS DE CONTROL ASISTIDOS POR

COMPUTADORAEl propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físico como voltaje,corriente, temperatura, presión o sonido. La adquisición de datos basada en PC utiliza unacombinación de ard!are modular, soft!are de aplicación y una PC para realizar medidas.

"ientras cada sistema de adquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación,cada sistema comparte una meta en com#n de adquirir, analizar y presentar información. Lossistemas de adquisición de datos incorporan se$ales, sensores, actuadores, acondicionamiento dese$ales, dispositivos de adquisición de datos y soft!are de aplicación.

La adquisición de datos o adquisición de se$ales, consiste en la toma de muestras del mundo real%sistema analó&ico' para &enerar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otraselectrónicas %sistema di&ital'. Consiste, en tomar un conjunto de se$ales físicas, convertirlas entensiones eléctricas y di&italizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora oP(C. )e requiere una etapa de condicionamiento, que adecua la se$al a niveles compatibles con elelemento que ace la transformación a se$al di&ital. El elemento que ace dica transformación es

el módulo de di&italización o tarjeta de (dquisición de *atos %*(+'.

( lo lar&o del curso se a observado que eisten dos tipos de control, el analó&ico y el di&ital, sibien es cierto que el primero es el m-s usado en países del tercer mundo como el nuestro else&undo es asta oy, el m-s ventajoso a emplear en los procesos industriales. *ebido a locómodo que resulta tratar eclusivamente con n#meros puros y ser ideal para la resolución deproblemas numéricos. (simismo la alta velocidad conse&uida en las se$ales de mando a losdiversos instrumentos de control, permite mantener el set piont casi constante y monitoreado entodo momento.

)in embar&o este tipo de control frente al analó&ico, tiene la desventaja de que al muestrear el

proceso pierde parte de la información. Lo anterior puede ser corre&ido con complejos al&oritmosmatem-ticos %al comparar este y el analó&ico en cuestión de costos, el control di&ital pierde&ravemente' que le asi&nan versatilidad e interacción ami&able en la modificación de par-metros yvariables que operan en el proceso.

(unado a lo anterior, con el control di&ital asistido por computador se puede/

0 Lo&rar mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menorescostes &racias a la utilización eficiente del material y del equipo.0 "ayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos.0 "ayor se&uridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas es casi inmediata.


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INTRODUCCION AL CONTROL ASISTIDO POR COMPUTADORA

1oy en día, ante la complejidad creciente de los procesos industriales y el aumento en laproducción de estos, resulta necesario desde el punto de vista financiero lo&rar una producciónóptima que sea capaz de reducir sus costos y de proporcionar una calidad buena en susproductos. Lo anterior solo puede lo&rarse con un adecuado control industrial. ( lo lar&o del cursose a observado que eisten dos tipos de control, el analó&ico y el di&ital, si bien es cierto que elprimero es el m-s usado en países del tercer mundo como el nuestro el se&undo es asta oy, elm-s ventajoso a emplear en los procesos industriales.

*ebido a lo cómodo que resulta tratar eclusivamente con n#meros puros y ser ideal para laresolución de problemas numéricos. (simismo la alta velocidad conse&uida en las se$ales demando a los diversos instrumentos de control, permite mantener el set2point casi constante ymonitoreado en todo momento. )in embar&o este tipo de control frente al analó&ico, tiene ladesventaja de que al muestrear el proceso pierde parte de la información. Lo anterior puede ser corre&ido con complejos al&oritmos matem-ticos %al comparar este y el analó&ico en cuestión decostos, el control di&ital pierde &ravemente' que le asi&nan versatilidad e interacción ami&able en lamodificación de par-metros y variables que operan en el proceso. (unado a lo anterior, con elcontrol di&ital asistido por computador se puede/ Lo&rar mayor rendimiento de los procesos y por lotanto una mejor producción con menores costes &racias a la utilización eficiente del material y delequipo.

0"ayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos.0 "ayor se&uridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas es casi inmediata.Proporciona una &ran cantidad de información a la dirección de control, en forma simult-nea y entiempo real.

(dquisición de datosLa adquisición de datos o adquisición de se$ales, consiste en la toma de muestras del mundo real

%sistema analó&ico' para &enerar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otraselectrónicas %sistema di&ital'. Consiste, en tomar un conjunto de se$ales físicas, convertirlas entensiones eléctricas y di&italizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora oP(C. )e requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la se$al a niveles compatibles conel elemento que ace la transformación a se$al di&ital. El elemento que ace dica transformaciónes el módulo de di&italización o tarjeta de (dquisición de *atos %*(+'.

Proceso de adquisición de datos*efiniciones*ato/ 3epresentación simbólica %numérica, alfabética...', atributo o característica de un valor. 4otiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado %procesado' se puede utilizar en larelación de c-lculos o toma de decisiones.

(dquisición/ 3eco&ida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje y di&italización demanera que se puedan procesar en un ordenador.)istema/ Conjunto or&anizado de dispositivos que interact#an entre sí ofreciendo prestaciones m-scompletas y de m-s alto nivel. 5na vez que las se$ales eléctricas se transformaron en di&itales, seenvían a través del bus de datos a la memoria del PC. 5na vez los datos est-n en memoria puedenprocesarse con una aplicación adecuada, arcivarlas en el disco duro, visualizarlas en la pantalla,etc...


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6it de resolución/ 4#mero de bits que el convertidor analó&ico a di&ital %(*C' utiliza pararepresentar una se$al.3an&o/ 7alores m-imo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajounas especificaciones.

8eorema de 4yquist/ (l muestrear una se$al, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que dosveces el anco de banda de la se$al de entrada, para poder reconstruir la se$al ori&inal de formaeacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecer- el fenómeno del aliasin& que seproduce al infra2muestrear. )i la se$al sufre aliasin&, es imposible recuperar el ori&inal. 7elocidadde muestreo recomendada/

9frecuencia mayor %medida de frecuencia' 9frecuencia mayor %detalle de la forma de onda'

Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados queconvierten cualquier par-metro de medición de una se$al eléctrica, que se adquiriere por elard!are de adquisición de datos. Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en unordenador, ya sea utilizando el proveedor de soft!are suministrado u otro soft!are. Los controles yvisualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios len&uajes de pro&ramación de propósito&eneral como 7isual6():C, C;;, , que ofrece un entorno &r-fico depro&ramación optimizado para la adquisición de datos, y "(8L(6. Estos entornos de adquisiciónproporcionan un len&uaje de pro&ramación adem-s de bibliotecas y erramientas para laadquisición de datos y posterior an-lisis.

*e la misma manera que se toma una se$al eléctrica y se transforma en una di&ital para enviarla al

ordenador, se puede también tomar una se$al di&ital o binaria y convertirla en una eléctrica. Eneste caso el elemento que ace la transformación es una tarjeta o módulo de (dquisición de *atosde salida, o tarjeta de control. La se$al dentro de la memoria del PC la &enera un pro&ramaadecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y, lue&o de procesarla, es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mec-nicos, a través de servomecanismos, que tambiénson del tipo transductores.

5n sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores, amplificadores, convertidoresanaló&ico 2 di&ital %(?*' y di&ital 2 analó&ico %*?(', para procesar información acerca de un sistemafísico de forma di&italizada.

@Cómo se adquieren los datosALa adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto %objetode la investi&ación' que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio detemperatura o la temperatura de una abitación, la intensidad o intensidad del cambio de unafuente de luz, la presión dentro de una c-mara, la fuerza aplicada a un objeto, o mucas otrascosas. 5n eficaz sistema de adquisición de datos pueden medir todos estos diferentes propiedadeso fenómenos.


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5n sensor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una se$al eléctricacorrespondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia ocondensador, etc. La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintosfenómenos depende de los transductores para convertir las se$ales de los fenómenos físicosmensurables en la adquisición de datos por ard!are. 8ransductores son sinónimo de sensores ensistemas de *(+. 1ay transductores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición dela temperatura, la presión, o flujo de fluidos. *(+ también desplie&a diversas técnicas deacondicionamiento de )e$ales para modificar adecuadamente diferentes se$ales eléctricas entensión, que lue&o pueden ser di&italizados usando CE*.

Las se$ales pueden ser di&itales %también llamada se$ales de la ló&ica' o analó&icas en funcióndel transductor utilizado.

El acondicionamiento de se$ales suele ser necesario si la se$al desde el transductor no esadecuado para la *(+ ard!are que se utiliza. La se$al puede ser amplificada o desamplificada, opuede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar demodulación. 7arios otros ejemplos de acondicionamiento de se$ales podría ser el puente deconclusión, la prestación actual de tensión o ecitación al sensor, el aislamiento, linealización, etc.Este pretratamiento de la se$al normalmente lo realiza un peque$o módulo acoplado altransductor.

*(+ ard!are son por lo &eneral las interfaces entre la se$al y un PC. Podría ser en forma demódulos que pueden ser conectados a la computadora de los puertos %paralelo, serie, 5)6, etc...'o ranuras de las tarjetas conectadas a %PC:, :)(' en la placa madre. Por lo &eneral, el espacio enla parte posterior de una tarjeta PC: es demasiado peque$o para todas las coneiones necesarias,de modo que una ruptura de caja eterna es obli&atorio. El cable entre este recuadro y el PC escara debido a los numerosos cables y el blindaje necesario y porque es eótico. Las tarjetas *(+ amenudo contienen m#ltiples componentes %multipleores, (*C, *(C, 88L2:B, temporizadores de

alta velocidad, memoria 3("'. Estos son accesibles a través de un bus por un micro controlador,que puede ejecutar peque$os pro&ramas. El controlador es m-s fleible que una unidad ló&icadura cableada, pero m-s barato que una CP5 de modo que es correcto para bloquear con simplesbucles de pre&untas.

*river soft!are normalmente viene con el ard!are *(+ o de otros proveedores, y permite que elsistema operativo pueda reconocer el ard!are *(+ y dar así a los pro&ramas acceso a lasse$ales de lectura por el ard!are *(+. 5n buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso.

Ejemplos de )istemas de (dquisición y control/ 0 *(+ para reco&er datos %datalo&&er'medioambientales %ener&ías renovables e in&eniería verde'. 0 *(+ para audio y vibraciones

%mantenimiento, test'. 0 *(+ ; control de movimiento %corte con laser'. 0 *(+ ; control demovimiento; visión artificial %robots modernos'.8iempo de conversiónEs el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, y depender- de latecnolo&ía de medida empleada. Evidentemente nos da una cota m-ima de la frecuencia de lase$al a medir.


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Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una se$al de inicio deconversión %normalmente llamada )BC, )tart of Conversión' asta que en la salida aparece undato v-lido. Para que ten&amos constancia de un dato v-lido tenemos dos caminos/0 Esperar el tiempo de conversión m-imo que aparece en la oja de características.0 Esperar a que el convertidor nos envíe una se$al de fin de conversión.)i no respetamos el tiempo de conversión, en la salida tendremos un valor, que dependiendo de laconstitución del convertidor ser-/0 5n valor aleatorio, como consecuencia de la conversión en curso0 El resultado de la #ltima conversiónLa etapa de acondicionamiento de la se$alCon m-s detalle, en una etapa de acondicionamiento podemos encontrar estas etapas, aunque notodas est-n siempre presentes/0 (mplificación0 Ecitación0 eatstone'.


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Linealización 2 "ucos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no linealante cambios lineales en los par-metros que est-n siendo medidos. (unque la linealización puederealizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser unabuena idea el acer esta corrección mediante circuitería eterna.Ejemplo/

( veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control, y por tanto la informaciónrecibida se procesa para obtener una serie de se$ales de control. En este dia&rama podemos ver los bloques que componen nuestro sistema de adquisición de datos/Como vemos, los bloques principales son estos/0 8ransductor 0 El acondicionamiento de se$al0 El convertidor analó&ico2di&ital0 La etapa de salida %interfaz con la ló&ica'El transductor es un elemento que convierte la ma&nitud física que vamos a medir en una se$al desalida %normalmente tensión o corriente' que puede ser procesada por nuestro sistema. )alvo quela se$al de entrada sea eléctrica, podemos decir que el transductor es un elemento que convierteener&ía de un tipo en otro. Por tanto, el transductor debe tomar poca ener&ía del sistema bajoobservación, para no alterar la medida.El acondicionamiento de se$al es la etapa encar&ada de filtrar y adaptar la se$al proveniente deltransductor a la entrada del convertidor analó&ico ? di&ital. Esta adaptación suele ser doble y seencar&a de/0 (daptar el ran&o de salida del transductor al ran&o de entrada del convertidor.%4ormalmente entensión'.0 (coplar la impedancia de salida de uno con la impedancia de entrada del otro.La adaptación entre los ran&os de salida del convertidor y el de entrada del convertidor tiene comoobjetivo el aprovecar el mar&en din-mico del convertidor, de modo que la m-ima se$al deentrada debe coincidir con la m-ima que el convertidor %pero no con la m-ima tensión admisible,ya que para ésta entran en funcionamiento las redes de protección que el convertidor lleva

inte&rada'.Por otro lado, la adaptación de impedancias es imprescindible ya que los transductores presentanuna salida de alta impedancia, que normalmente no puede ecitar la entrada de un convertidor,cuya impedancia típica suele estar entre I y IG J.El convertidor analó&ico?di&ital es un sistema que presenta en su salida una se$al di&ital a partir deuna se$al analó&ica de entrada, %normalmente de tensión' realizando las funciones decuantificación y codificación.La cuantificación implica la división del ran&o continuo de entrada en una serie de pasos, de modoque para infinitos valores de la entrada la salida sólo puede presentar una serie determinada devalores. Por tanto la cuantificación implica una pérdida de información que no podemos olvidar.La codificación es el paso por el cual la se$al di&ital se ofrece sen un determinado códi&o

binario, de modo que las etapas posteriores al convertidor puedan leer estos datosadecuadamente. Este paso ay que tenerlo siempre en cuenta, ya que puede acer queobten&amos datos erróneos, sobre todo cuando el sistema admite se$ales positivas y ne&ativascon respecto a masa, momento en el cual la salida binaria del convertidor nos da tanto la ma&nitudcomo el si&no de la tensión que a sido medida.La etapa de salida es el conjunto de elementos que permiten conectar el s.a.d con el resto delequipo, y puede ser desde una serie de buffers di&itales incluidos en el circuito convertidor, asta


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una interfaz 3)2KK, 3)2MF o Eternet para conectar a un ordenador o estación de trabajo, en elcaso de sistemas de adquisición de datos comerciales.7entajas


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controlar procesos industriales m-s complejos y restrin&idos al perímetro de una planta por ejemplo, los sistemas de control de una refinería, los de una planta de LP, etc.

El )C(*( describe un n#mero de unidades terminales remotas %385Vs, 3emote 8erminal 5nits'instaladas en las cercanías del proceso, las cuales se comunican con una estación maestra %"85,"aster 8erminal )tation' ubicada en una sala de control central.

5na 385 es un sistema que cuenta con un microprocesador e interfaces de entrada y salida tantoanaló&icas como di&itales que permiten tomar la información del proceso provista por losdispositivos de instrumentación y control en una localidad remota y, utilizando técnicas detransmisión de datos, enviarla al sistema centralizado maestro. La "85, bajo un soft!are decontrol, permite la adquisición de la data a través de todas las 385s ubicadas remotamente ybrinda la capacidad de ejecutar comandos de control remoto cuando es requerido por el operador.La data adquirida por la "85 se presenta a través de una interfaz &r-fica en forma comprensible yutilizable, y m-s a#n esta información puede ser impresa en un reporte.

Control :ndustrial *istribuido

:ntroducciónLa medición y el control en la industria son muy importantes, tanto desde el punto de vista delfuncionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado entre costesy producto final.

El control autom-tico de procesos industriales es oy en día una actividad multidisciplinar, en laque ay que tener en cuenta aspectos técnicos %electrónica, inform-tica de sistemas, etc.',científicos %investi&ación de nuevos criterios y materiales, etc.' y económicos %mejora de losm-r&enes comerciales sin perder calidad y competitividad'. Los sistemas de control sofisticados deltipo de los instalados mediante complejos elementos de instrumentación, no se an creado de la

noce a la ma$ana, aunque el au&e que viven actualmente así lo pueda parecer. )on el resultadode m-s de cien a$os de trabajo de fabricantes y usuarios, quienes no an de dejado de buscar lasmejores soluciones al control industrial automatizado.


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)olución tecnoló&icas en el control automatizadoLo que no cabe duda es que el papel Tdiri&enteU en cualquier solución a un problema deautomatización correr- a car&o de la inform-tica industrial y que el microprocesador, en cualquierade sus formas o versiones, ir- copando posiciones relevantes asta estar presente en todos losniveles que constituyen un control distribuido. En todo caso, independientemente del tipo de controlutilizado, los objetivos del control de procesos pueden resumirse en/I. Bperar el proceso en forma se&ura y estable.K. *ise$ar sistemas de control que el operador pueda vi&ilar, comprender y, cuando sea necesario,manipular en forma selectiva.

. Evitar desviaciones importantes respecto a las especificaciones de productos durante lasperturbaciones.. Permitir que el operador cambie un valor deseado o punto de consi&na %valor de referencia' sinperturbar indebidamente otras variables controladas.F. Evitar cambios considerables y r-pidos en variables manipuladas que podrían incumplir restricciones de operación, o perturbar unidades inte&radas o situadas en escalafones inferiores.H. Bperar el proceso en forma con&ruente con los objetivos de calidad de cada producto. (sí, lasdesviaciones en la calidad podrían ser menos permisivas %muco m-s costosas' en un productoque en otro.O. Controlar las cualidades del producto en valores que maimicen su utilidad cuando seconsideren índices y valores de productos y adem-s, minimicen el consumo de ener&ía.

Control (utom-ticoEl control autom-tico de procesos es un caso particular del término automatización y en&loba alcontrol electrónico, por ser esta la rama técnica que a permitido una evolución continua de laautomatización industrial.


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=eraquía del control autom-tico

Es posible definir el control autom-tico de procesos como/ La elaboración o captación de unproceso industrial a través de varias etapas, con el uso libre de los equipos necesarios para aorrar tiempo manual y esfuerzo mental. 8al como se a dico, el control autom-tico de procesos ace unuso eaustivo del control electrónico, valiéndose de éste para completar su esquema cl-sico,basado en el concepto de lazo o bucle de control de realimentación, cuya presencia en los distintosniveles del control autom-tico es normal.

1istoria del control de procesosEl control de procesos a evolucionado istóricamente acia la consecución de un &rado deautomatización lo m-s elevado posible.

Control "anual (l principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador. Eloperador observaba lo que sucedía %una bajada de temperatura, por ejemplo' y acía ajustes%manipular una v-lvula' basados en las instrucciones de operación y en el propio conocimiento queel operador tenía del o en la fi&ura si&uiente ilustra un concepto b-sico en el control de procesos.proceso. Este Tlazo de controlU %proceso ? sensor ? operador ? v-lvula ? proceso' mostrada.


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Control manual

Control Local

5n controlador local permite a un operador llevar el control de varios TlazosU del proceso. Como unre&ulador de la presión del &as doméstico, un controlador local usa la ener&ía del proceso o el airecomprimido de la planta para ajustar la posición de una v-lvula de control o cualquier otro elementofinal de control. Por todo lo anterior, podemos concluir diciendo que los controladores localespermitían el control de un mayor n#mero de variables del proceso, pero no solucionaban losproblemas que planteaba el eco de la presencia física del operario en los lu&ares y momentosnecesarios para acer mucas de las operaciones.

Control 4eum-tico CentralizadoEl desarrollo de los dispositivos de control operados neum-ticamente, permitieron un notable

avance en el control de procesos. Con ésta tecnolo&ía, las variables del proceso podían serconvertidas a se$ales neum-ticas y transmitidas acia controladores remotos. )e entraba en laconfección de los denominados Tcircuitos neum-ticosU. 5sando combinaciones de orificios,palancas, amorti&uadores y otros dispositivos mec-nicos complejos, un controlador neum-ticopuede acer c-lculos elementales basados en el punto de consi&na y el valor de la variable acontrolar, ajustando el elemento final de control consecuentemente.Control electrónico de lazo simple

En los a$os HG, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para ir reemplazando a loscontroladores neum-ticos. Los controladores electrónicos analó&icos de lazo simple eran precisos,r-pidos y f-ciles de inte&rar en peque$os lazos interactivos. *e este modo, la interface para su

manejo y control ofrece mejoras respecto de los controles neum-ticos, adem-s de permitir lacaptación electrónica de datos y un procesado de éstos con un índice de erroresconsiderablemente mejorado respecto de aquellos.

Control centralizado por computadora5n sistema basado en este modo de control, estaba estructurado en torno a una computadoracentral que recibe todas las entradas del proceso %variables', ejecuta los c-lculos apropiados yproduce salidas que se diri&en acia los actuadores o dispositivos finales de control. (sí, nació el


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llamado Control *i&ital *irecto o **C. La computadora puede controlar un elevado n#mero delazos y variables temporales, adem-s de ejecutar estrate&ias de control. 5n teclado y un monitor acoplados directamente a la PC proporcionan una interface del usuario %operador' con el proceso

Control centralizado por computadora

La introducción de un ordenador como elemento que lleva a cabo toda la supervisión, adquisición yan-lisis de datos, permite a los sistemas de control avanzar m-s all- del lazo de control delproceso aora pueden ejercer labores de administración, ya que el ordenador puede tambiénrecibir y procesar datos, calcular y presentar operaciones financieras que optimicen la estrate&ia deproducción, y que junto a las consi&nas propuestas por el consejo de administración, establezcanlos criterios b-sicos para diri&ir la producción en el sentido adecuado.

Control )upervisadoPara dotar a los sistemas con ordenador centralizado del nivel de se&uridad adecuado y evitar queuna TcaídaU de éste paralice todo el sistema, se empezaron a utilizar mucas veces controladoresanaló&icos vinculados directamente al proceso, esto es, optimizados para la variable que debíancontrolar. Estos controladores son aora los que realmente controlan el proceso, dejando al


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ordenador central la función de los cambios de puntos de consi&na, es decir, el valor de referenciacon el que se a de comparar la variable controlada para mantenerla siempre optimizada. Estacombinación de actuaciones recibe el nombre de control supervisor o control de puntos deconsi&na %)PC, )et Point Control' y una estructura típica sería la ofrecida en la si&uiente, en la cualpuede observarse como es en la parte m-s próima al proceso donde se materializa la principaldiferencia con el **C.

Control supervisado

El estado de la variable a controlar lle&a aora tanto al ordenador como al controlador analó&ico,que adem-s recibe la consi&na adecuada en cada instante y que ser- calculada por el ordenador.

)i se presenta cualquier avería %especialmente en el ordenador' el controlador re&ula la variabledel proceso con respecto al #ltimo punto de consi&na que recibió del ordenador central. 8oda estaactuación local formaría el Lazo de Control, tal como se muestra en la fi&ura si&uiente, yproporciona un cierto &rado de autonomía al proceso respecto del control centralizado. (unque el)PC permite que el control b-sico del proceso contin#e a pesar del posible fallo del ordenador central, si&ue necesitando una ampliación del cableado y un soft!are adicional en caso de querer ampliar el n#mero de entradas y?o salidas.

Control *istribuidoEl control distribuido es el paso si&uiente en la evolución de los sistemas de control que se anepuesto en el punto anterior. (sí, en los sistemas centralizados, ya cl-sicos, su potencia de

tratamiento se concentra en un #nico elemento %el ordenador central', mientras que en el controldistribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en el espacio.Podríamos decir que los sistemas de control distribuido fueron desarrollados para proporcionar lasventajas del control por ordenador pero con m-s se&uridad y fleibilidad.En los a$os setenta, dentro de los esfuerzos de investi&ación dedicados a la resolución delproblema del control electrónico de f-bricas con &ran n#mero de lazos %variables', y teniendo encuenta el estado de la técnica de los microprocesadores por un lado y la Tfuerte inerciaU de laindustria a los cambios por otro, se lle&ó a las si&uientes conclusiones &enerales/


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a' *escartar el empleo de un #nico ordenador %control **C' por el serio inconveniente de lase&uridad y sustituirlo por varios controladores di&itales capaces de controlar individualmente uncierto n#mero de variables, para así TdistribuirU el ries&o del control #nico.b' Cada controlador di&ital debía ser TuniversalU, es decir, disponer de al&oritmos de controlseleccionables por soft!are, que permitieran resolver todas las situaciones de control y dieran asíversatilidad al sistema.c' La velocidad en la adquisición de los datos y su salida acia los actuadores debía ser en TtiemporealU, lo que obli&aba a utilizar la tecnolo&ía m-s avanzada en microprocesadores.d' Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo %que suministran datos', loscontroladores y las interfaces para la comunicación con el operador de planta, se adoptó el empleode una vía de comunicaciones, en forma de cable coaial instalado en la planta, con un recorridoparalelo a los edificios y a la sala de control.e' El panel cl-sico requerido por el control tradicional, se sustituir- por uno o varios monitores C38,en los cuales, el operador con la ayuda del teclado?puntero deber- eaminar las variables deproceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta y conla opción de cambiar cualquiera de las características de control de las variables de proceso.En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control cl-sico puede compararse a laeistente entre una m-quina cuya confi&uración se ace mediante el cambio de cables y otradonde cualquier modificación se ace por soft!are. En este aspecto el ordenador personal es unelemento fundamental, tanto a nivel de planta como en escalafones superiores y permite lavisualización de las se$ales de m#ltiples transmisores, el dia&nóstico de cada lazo de control, elacceso a los datos b-sicos de calibración y a los datos de confi&uración de los transmisores.

3ed de control distribuido

)us elementos principales son/

Controlador 6-sicoEs un módulo estructurado en torno a un microprocesador que permite realizar controles P:*%Proporcional2:nte&ral2*erivativo' y otros al&oritmos de control basados en sumas, multiplicaciones,divisiones, relaciones, raíces cuadradas, contadores, etc. 5n controlador b-sico puede controlar varios lazos, es decir, puede estar TpendienteU de m#ltiples variables de forma simult-nea yproporcionar un control sobre ellas. Estos al&oritmos pueden confi&urarse, y en caso de avería en


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las unidades de control superiores, el control que ejercer- el re&ulador di&ital ser- elcorrespondiente al #ltimo al&oritmo confi&urado/ tipo de control %directo, inverso, etc.', tipo de se$alde entrada %lineal, eponencial, etc.', alarmas a &enerar, sensores a muestrear, etc. Como vemos,en este controlador b-sico se establece ya el primer paso en la dotación de cierta autonomía a losdiferentes elementos de un control distribuido.La red de comunicación eterna suministra los datos necesarios que definen el comportamiento delre&ulador. Estos datos eternos junto a los propios del proceso se optimizan, obteniéndose lospar-metros que se introducen en el al&oritmo de re&ulación y que unidos a la consi&na %referencia',permitir-n enviar al proceso la actualización correspondiente.

4ormalmente la optimización suele ser un acondicionamiento de se$al m-s o menos complejo/ (*C?*(C, conversión 7?


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Estación de trabajo del operador Proporciona la comunicación con todas las se$ales de la planta para el operador de proceso, elin&eniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de la información a cada unode ellos se realiza mediante pro&ramas de operación. *e este modo/a' El operador de proceso ve en la pantalla un &r-fico del proceso %o parte de él' que le interesa, ypuede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, etc. Puede arcivar datos istóricos de la planta que crea interesantes, obtener copias en impresora de las tendenciaso de los estados de alarma, etc.b' El in&eniero de proceso puede editar los pro&ramas de control del proceso, construir lasrepresentaciones en pantalla de partes del proceso, etc. 8endr- un acceso al proceso muco m-sTcríticoU que el operador y su actuación ser- m-s puntual que la de éste.c' El técnico de mantenimiento se dedicar- desde la estación de trabajo, fundamentalmente, adia&nosticar y resolver problemas en los elementos de control distribuido de la planta.8odos los componentes del control distribuido est-n perfectamente comunicados entre ellos, siendoésta la clave para conse&uir una elevada eficiencia &lobal.El control distribuido tiene una se&uridad mejorada con relación a los sistemas de controlconvencionales. El sistema es redundante y limita las consecuencias de un fallo, manteniendo elcontrol del sistema y mejorando la fiabilidad.

4iveles de un control distribuidoCombinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistema de controldistribuido %*C)' consta de uno o m-s TnivelesU de control, los cuales, est-n vinculados con el finde ejecutar conjuntamente tareas complejas con un m-imo de efectividad y una elevadaoptimización en el uso de los recursos.En la fi&ura si&uiente se muestra la relación eistente entre los diferentes niveles de un *C), sobrelos cuales sería interesante acer la si&uiente precisión/ en su definición ori&inal %cl-sica' eran losniveles I, K y los que realmente formaban el *C), estando el restante %' m-s vinculado alsistema de &estión de la empresa. )in embar&o, oy en día, cuando se abla de control distribuido

se est- aciendo referencia a la totalidad de la fi&ura si&uiente, de aí que se tienda a utilizar cadavez m-s el nombre de sistemas de información total. En los niveles inferiores de un controldistribuido estar-n aquellos elementos que est-n en contacto con el proceso y, por tanto, ajustadosa los par-metros y variables que el proceso suministra y que el *C) debe controlar.En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómatas puedenllevar a cabo funciones adicionales tales como/ concentración de datos, an-lisis y optimización deunidades %plantas o divisiones corporativas con cierto &rado de autonomía' del proceso. La adiciónde aln otro nivel al *C) puede también ayudar a inte&rar actividades relacionadas con unadivisión o una planta, tal como compras, recepción de material, control de inventario, facturación,control de calidad y servicios al cliente o usuario.Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidades de un sistemas de

control centralizado, mientras conservan la fleibilidad, se&uridad y rapidez de respuesta de loscontroladores autónomos basados en microprocesadores. Por ejemplo, el fallo de cualquier componente de un *C) afecta sólo a una peque$a parte del proceso, si acaso. Por otro lado, si unelemento de un nivel superior falla, los controladores del 4:7EL I continuar-n el control delproceso normalmente, entendiendo por normalidad la ejecución de la #ltima labor encomendada%pro&ramada'.

( diferencia de un sistema centralizado, sólo el 4:7EL I debe estar conectado a las entradas ysalidas del proceso. 5n bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y la


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interface del operador. Esta distribución física en varios niveles de control puede reducir si&nificativamente el coste del cableado y las modificaciones y mantenimiento pueden llevarse acabo sin interrumpir el proceso.:nclusive, los *C) son f-cilmente ampliables. Cualquier dispositivo que aya de a$adirse secomunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lu&ar. Esta modularidad proporciona unasi&nificativa mejora de costes durante todas las fases de un plan de automatización.

4iveles de un control distribuido

En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómatas puedenllevar a cabo funciones adicionales tales como/ concentración de datos, an-lisis y optimización deunidades %plantas o divisiones corporativas con cierto &rado de autonomía' del proceso. La adiciónde aln otro nivel al *C) puede también ayudar a inte&rar actividades relacionadas con unadivisión o una planta, tal como compras, recepción de material, control de inventario, facturación,control de calidad y servicios al cliente o usuario.Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidades de un sistemas decontrol centralizado, mientras conservan la fleibilidad, se&uridad y rapidez de respuesta de loscontroladores autónomos basados en microprocesadores. Por ejemplo, el fallo de cualquier componente de un *C) afecta sólo a una peque$a parte del proceso, si acaso. Por otro lado, si un

elemento de un nivel superior falla, los controladores del 4:7EL I continuar-n el control delproceso normalmente, entendiendo por normalidad la ejecución de la #ltima labor encomendada%pro&ramada'.

( diferencia de un sistema centralizado, sólo el 4:7EL I debe estar conectado a las entradas ysalidas del proceso. 5n bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y lainterface del operador. Esta distribución física en varios niveles de control puede reducir si&nificativamente el coste del cableado y las modificaciones y mantenimiento pueden llevarse acabo sin interrumpir el proceso.:nclusive, los *C) son f-cilmente ampliables. Cualquier dispositivo que aya de a$adirse secomunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lu&ar. Esta modularidad proporciona unasi&nificativa mejora de costes durante todas las fases de un plan de automatización.

Elementos requeridos por nivelEste nivel es el denominado de planta o proceso y es el que físicamente se encuentra en contactocon el entorno a controlar, tal como su nombre indica. Para maimizar los beneficios de un *C), eneste nivel se utilizan sensores, actuadores y módulos de E?) de los denominados Tinteli&entesU yque &eneralmente est-n basados en microprocesadores %re&ulación di&ital'. Este tipo de elementosson muy fleibles, permitiendo modificar tanto el control como los cambios requeridos en elproceso, adem-s de ofrecer una f-cil ampliación en caso necesario. :nclusive, los módulos de E?)


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pueden manejar varios lazos de control, ejecutar al&oritmos específicos, proporcionar alarmas,llevar a cabo secuencias ló&icas y al&unos c-lculos y estrate&ias de control altamente interactivas.

Los sensores, transductores, actuadores y dem-s instrumentos de an-lisis incluidos en el 4:7EL I,se encar&an de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por un lado, y por otro,ajustan el proceso de acuerdo con las órdenes recibidas desde el sistema de control, del mismonivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores e instrumental decampo y en el se&undo los actuadores.La coordinación de todos estos elementos se ace, bien mediante un bus de campo, bien medianteun bus de dispositivos. La coneión de los actuadores y sensores al resto del *C) se ar-directamente al bus de comunicación o a los módulos de E?), dependiendo de las posibilidades decomunicación que posean. ( su vez, los módulos de E?) pueden ser unidades de peque$osautómatas, siendo estos los que inte&rar-n las comunicaciones necesarias. La instalación de todolo relacionado con este nivel de control se lleva a cabo por personal altamente especializado, yaque el mismo elemento %sobre todo transductores y actuadores' unos centímetros adelante o atr-sno mide o act#a con i&ual fidelidad.Estos componentes, sobre todo los transductores, son muy sensibles y precisan unas condicionesde trabajo muy definidas, por lo tanto es fundamental ele&ir el dispositivo adecuado para evitar multitud de problemas Tsin ló&ica aparenteU.

4ivel K)uele denominarse &eneralmente de control y re&ulación. En este nivel se encuentra la interfacede operaciones de cada uno de los procesos controlados. La interface de operaciones o consolaser- una estación tipo ordenador personal, ya que constar- de teclado, unidad de visualización ypuntero. Esta interface permite al operador observar el estado del proceso y pro&ramar loselementos vinculados a él, individualmente si ello es necesario.Los autómatas %PLCWs' ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones m-s llevadas, dotados demódulos de comunicaciones industriales %buses de campo', adem-s de sus funcionalidades

características. Por otro lado, los ordenadores ir-n equipados con tarjetas a modo de interface, quepermitir-n la relación adecuada con el entorno. (mbos equipos TetraenU los datos m-ssi&nificativos del nivel inferior mediante los puentes de comunicaciones adecuados %&ate!ay obrid&e' y los ponen a disposición de la interface de operaciones. La interface de operacionespermite al operador ver datos del proceso en cualquier formato. Los formatos pueden incluir unavisión &lobal del estado del proceso, representaciones &r-ficas de los elementos o equipos deproceso, tendencias de las variables, estado de alarmas y cualquier otro tipo de información. Eloperador usa el teclado?puntero para diri&ir los controladores, requerir información del proceso,ejecutar estrate&ias de control y &enerar informes de operación. Esta interface se ubica físicamentecerca del proceso o procesos controlados.

En este se&undo nivel nos encontramos con las celdas o células, vinculadas a los diferentesprocesos %cada una a uno, normalmente' y en ellas se pueden producir los primeros descartes deproductos a raíz de las anomalías detectadas.Los niveles I y K tienden a inte&rarse cada vez m-s en uno solo/ control y re&ulación en planta.Ello es debido, principalmente a que los elementos de campo %4:7EL I' son cada vez m-ssofisticados, arrebatando el campo a los controladores del 4:7EL K, ya que al&unos de ellosadem-s de incluir varios elementos a la vez %transductor, acondicionador, re&ulación di&ital', poseeuna interface lo suficientemente potente como para comunicar directamente con niveles superiores.


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*e eco, la consola de operaciones del 4:7EL K puede ser usada para interro&ar o diri&ir uncontrolador inteli&ente del 4:7EL I. Esta combinación de inteli&encia, controladoresindependientes e interface de operador, proporciona la se&uridad, velocidad, potencia y fleibilidadque es la esencia de un *C).4ivel Este nivel es el conocido como de mando de &rupos y en él se sit#a la denominada en su díaTinterface del in&enieroU y que oy en día suele conocerse como Tinterface para el control de lalínea de producciónU. Esta interface %con cualquiera de sus nombres' de un *C) facilita lacoordinación de las diferentes células eistentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa ycontrola toda un -rea, permitiendo obtener una visión m-s amplia de lo que se est- ejecutando enla planta. 8ambién proporciona información importante a los in&enieros después de la instalación ypuesta en marca del sistema.Para mejorar la productividad, una Tinterface de in&enieroU deber- ser f-cil de usar, r-pida yeficiente. "en#s de operaciones y bases de datos ayudan a mejorar el uso y la productividad. *eaí que en este nivel se incluyan, sobre todo, ordenadores con soft!are muy específico.

En este nivel se produce también un an-lisis pormenorizado de los datos &enerados en nivelesinferiores y se producen los descartes definitivos. (dem-s se aplican los criterios m-s ei&entes decontrol de calidad y se planifica la producción a medio y corto plazo.

En el 4:7EL de un sistema de control distribuido se produce la primera centralización,entendiendo por ello la concentración masiva de información, &racias a lo cual se pueden planificar estrate&ias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. (sí, en este nivel se decidenaspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir, la lo&ística deaprovisionamiento.4ivel Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define la estrate&ia de la producción enrelación con el an-lisis de las necesidades del mercado y se formulan previsiones de producción a

lar&o plazo. )obre estas previsiones, se planifica la producción en el 4:7EL .

En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simular estrate&ias deproducción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados %dise$o, :;*, etc', adem-s deestablecer posibles cambios en in&enierías de los procesos. Es un nivel con enfoques m-smercantiles, por lo que no profundizaremos m-s en él y tan sólo a$adiremos que los ordenadoresen este nivel est-n especializados en &estión y almacenamiento de datos, adem-s de estar vinculados mediante la red de comunicación correspondiente a sus respectivas aplicaciones.

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