AutomatizacionMedioambiental

H en r y An t on io Men dibu r u Da z

AUTOMATIZACIN ME DIOAMBIE NTAL

Aplicacin de la automatizacin industrial y el control de procesos, en la proteccin y conservacin del medio ambiente

Lima, Per

MMIII

AUTOMATIZACIN ME DIOAMBIE NTALDerechos r eservados conforme a Ley Partida Registral N 00392-2003 Asiento 01, Expediente N 00576-2003 INDECOPI PER(VERSIN E -BOOK)

Copyright Henry Antonio Mendiburu Daz Impreso en Per Mayo/2003 Formato: 25x18cm, 319 pginasNo se permite la reproduccin total o parcial de este libro, ni el almacenamiento en un sistema informtico, ni la transmisin mediante cualquier medio electrnico, mecnico, fotocopia, por registro u otro, sin la autorizacin previa del titular del Copyright.

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PROLOGOLa s cien cia s ecolgica s y m edioa m bien t a les h a n sido cu lt iva da s por el ser h u m a n o en su a f n por con ocer e in t egr a r se con el a m bien t e qu e lo r odea ; del m ism o modo el con ocim ien t o h u m a n o h a per m it ido el progreso de la ciencia y la creacin de nuevas tecnologas. La s a ct ivida des qu e r ea liza el h om br e son los pr in cipa les a gen t es qu e va n a a fect a r a l m edio a m bien t e, m edia n t e la a u t om a t iza cin el h om br e se ve r eem pla za do por la s m qu in a s, por lo qu e la s m qu in a s a u t m a t a s se con vier t en en los pila r es en la lu ch a por la defensa del medio ambiente. La m in im iza cin de la con t a m in a cin debe ser t a m bin u n objet ivo de la in du st r ia , pu est o qu e ca da fa se del pr oceso pr odu ct ivo ofrece posibilidades para trabajar aspectos medioambientales Media n t e est a obr a se pla n t ea pon er m a yor a t en cin a l u so y a plica cin de los pr ocesos a u t om a t iza dos, pa r a qu e de est e m odo la gest in m edioa m bien t a l obt en ga la s m ism a s ven t a ja s qu e los pr ocesos pr odu ct ivos cu ya s va r ia bles y pa r m et r os de oper a cin est n debida m en t e con t r ola dos y per m a n ecen den t r o de u n r a n go de operacin que garantiza la mayor performance del sistema.

Henry Mendiburu

Henry Antonio Mendiburu Daz

NDICECaptulo I : SISTEMAS DE CONTROL 1. GENERALIDADES 2. ELEMENTOS DE UN SISTEMAS DE CONTROL 2.1. Elementos de Control en Procesos Industriales 2.2. Elementos de un Sistema de Control Automtico 2.3. Tipos de Variables 2.4. Seales de Comunicacin 3. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL 3.1. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open loop) 3.2. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback) 3.3. Sistemas en Tiempo Continuo y Tiempo Discreto 4. CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL 5. CARACTERSTICAS DEL CONTROL 6. MTODOS DE CONTROL 6.1. Mtodos de Control Clsico 6.2. Mtodos de Control Moderno 6.3. Mtodos de Control Avanzado 6.4. Estrategias de Control Captulo II : AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL 1. PANORAMA DE LA AUTOMATIZACIN 2. SISTEMAS DE AUTOMATIZACIN 2.1. Elementos de una Instalacin Automatizada 2.2. Autmatas Programables 2.3. Ciclos del Programa 2.4. Procesos de Operacin del Sistema 2.5. Seguridad de Funcionamiento del Sistema 3. INSTRUMENTACIN INDUSTRIAL 3.1. Especificaciones Tcnicas 3.2. Clases de Instrumentos 3.3. Representacin y Simbolismo 4. LENGUAJES DE PROGRAMACIN 5. REDES INDUSTRIALES 5.1. Niveles de jerarqua en una Red Industrial 31 33 33 35 38 40 42 44 44 45 46 49 50 51 01 02 02 04 07 08 09 09 10 11 11 13 17 17 19 22 26

I

AUTOMATIZACIN MEDIOAMBIENTAL

5.2. Clasificacin de las Redes 5.3. Tipos de Redes Industriales 5.4. Protocolos para Buses de Campo 6. SISTEMAS SCADA 6.1. Funciones Principales 6.2. Transmisin de la Informacin 6.3. Elementos del Sistema 7. INGENIERA ASISTIDA POR COMPUTADORA 7.1. Diseo Asistido por Computadora (CAD) 7.2. Manufactura Asistida por Computadora (CAM) 7.3. Integracin CAD/CAM 7.4. Control Numrico Computarizado (CNC) 7.5. Componentes y Aplicaciones del Sistema CIM 7.6. Control de Calidad Asistido por Computador (CAQ) Captulo III : MEDIO AMBIENTE 1. MEDIO AMBIENTE Y ECOLOGA 2. CONTAMINACIN AMBIENTAL 2.1. Contaminacin del Agua 2.2. Contaminacin del Aire 2.3. Contaminacin del Suelo 2.4. Contaminacin Sonora 2.5. Contaminacin Trmica 2.6. Contaminacin Visual 3. DAO AMBIENTAL 3.1. Administracin de los Residuos Slidos 3.2. Deterioro de la Capa de Ozono 3.3. Efecto Invernadero 3.4. Lluvia cida 4. PERTURBACIONES AMBIENTALES 4.1. Radiactividad 4.2. Deforestacin 4.3. Prdida de biodiversidad 5. NECESIDAD DE CONSERVAR EL MEDIO AMBIENTE 5.1. Consecuencias sobre la Salud 5.2. Consecuencias sobre el Confort 5.3. Equilibrio en los Ecosistemas. 5.4. Nuevas Necesidades

52 53 56 58 59 60 60 62 62 63 63 64 65 67

69 72 72 75 77 78 80 81 82 83 88 90 93 95 95 100 102 104 105 106 107 107

II


Captulo IV : INGENIERA MEDIOAMBIENTAL 1. MISIN DE LA INGENIERA MEDIOAMBIENTAL 2. DESARROLLO HUMANO 2.1. Sobrepoblacin en el Mundo 2.2. Migracin y Crecimiento Urbano 2.3. Desarrollo Industrial 2.4. Necesidad Energtica 3. GESTIN AMBIENTAL 3.1. Sistemas de Gestin Ambiental 3.2. Principios de un Sistema de Gestin Ambiental 3.3. Medios para la Gestin Ambiental 4. IMPACTO AMBIENTAL 4.1. Estudios de Impacto Ambiental 4.2. Generalidades de los Estudios de Impacto Ambiental 4.3. Clasificacin del Impacto Ambiental 4.4. Metodologa para el Estudio 4.5. Polticas de Prevencin y Correccin 5. AUDITORIA AMBIENTAL 5.1. Concepto y Generalidades 5.2. Clasificacin de la Auditora Ambiental 5.3. Instrumentos de la Auditora Ambiental 5.4. Fases de una Auditora Ambiental Captulo V : CIENCIA MEDIOAMBIENTAL 1. ECOLOGA SOCIAL Y POLTICA 1.1. Generalidades 1.2. Gestin de Ecosistemas 1.3. Gestin Adaptativa de Ecosistemas 1.4. Sistemas de Informacin Ecolgicos 2. ECONOMA AMBIENTAL 2.1. Economa de los Recursos Naturales 2.2. Costos vs Beneficios 2.3. Mtodos de Valoracin Monetaria 2.4. Eficiencia Econmica 3. LEGISLACIN AMBIENTAL 3.1. Acuerdos Internacionales 3.2. Evolucin de la Legislacin Ambiental Peruana 3.3. Normas Generales de la Legislacin Peruana 161 161 163 165 166 167 168 169 170 174 175 176 179 180 109 111 111 114 117 118 124 124 127 129 131 131 134 140 142 147 149 149 151 155 156

III


3.4. Normas Sectoriales de la Legislacin Peruana 3.5. Convenios Internacionales en la Legislacin Peruana 3.6. Legislacin Ambiental en Latinoamrica 4. NORMATIVA ISO 14000 4.1. Introduccin a las Normas ISO 4.2. Normas ISO Medioambientales 4.3. Conformacin de la ISO 14000 5. ECOLOGA INDUSTRIAL 5.1. Generalidades 5.2. Produccin ms limpia 5.3. Diseo Industrial 5.4. Simbiosis Industrial 6. ETICA Y CONCIENCIA AMBIETAL Captulo VI : RECURSOS TECNOLGICOS 1. SENSORES Y REGISTRADORES 1.1. Sensores para Lquidos 1.2. Sensores para Gases 1.3. Sensores para Slidos 1.4. Sensores Varios/Mixtos 2. EQUIPAMIENTO Y ACCESORIOS 2.1. Equipos y Herramientas 2.2. Sistemas Integrados Captulo VII : AUTOMATIZACIN APLICADA 1. PROCESOS AUTOMATIZABLES 1.1. Procesos Contaminantes Automatizables 1.2. Automatizacin del Tratamiento de Residuos Industriales 1.3. Automatizacin del Tratamiento de Aguas Residuales 1.4. Automatizacin del Tratamiento de Gases Txicos 1.5. Mtodos de Tratamiento 2. DISEO DE PLANTAS 2.1. Consideraciones de Diseo 2.2. Ubicacin y Distribucin 2.3. Modernizacin de Plantas 2.4. Sistemas de Emisin Cero 3. OPERACIONES DE MANTENIMIENTO 3.1. Generalidades

186 191 192 195 195 196 199 202 202 204 207 208 209

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IV


3.2. Tipos de Mantenimiento 3.3. Polticas de Mantenimiento 3.4. Vida til y Depreciacin 4. DISEO DE EQUIPOS, PROCESOS y SISTEMAS a) Sistemas de Compostaje b) Sistema de Digestin Anaerobia c) Incinerador de Residuos d) Sistema Automtico para Contenedores e) Sistema de Tratamiento de Residuos Inorgnicos f) Proceso de Tratamiento de Aceites Usados g) Proceso de Oxidacin con Aire Hmedo h) Lavador Venturi para gases i) Vertederos: Proceso de Solidificacin j) Condensador de Gases k) Torres de Absorcin de Gases l) Filtracin de Gases m) Precipitador Electrosttico n ) Lavadores de Gas REFLEXIN FINAL REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS REFERENCIAS DE INTERNET

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Captulo I SISTE MAS DE CONTROL1. GENERALIDADESE n m u ch os pr ocesos in du st r ia les la fu n cin de con t r ol es r ea liza da por u n oper a r io (ser h u m a n o), est e oper a r io es el qu e decide cu a n do y com o m a n ipu la r la s va r ia bles de m odo t a l qu e se obt en ga u n a ca den a pr odu ct iva continua y eficiente. La eficiencia productiva implica el constante aumento de los niveles de pr odu ccin de la m a qu in a r ia in st a la da , el m ejor a m ien t o de la ca lida d del producto final, la disminucin de los costos de produccin, y la seguridad tanto pa r a el per son a l com o pa r a los equ ipos. P a r a logr a r est o es n ecesa r io qu e los pr ocesos pr odu ct ivos se r ea licen a la m a yor velocida d posible y qu e la s variables a controlar estn dentro de valores constantes. Debido a est a s exigen cia s, la in du st r ia h a n ecesit a do de la u t iliza cin de n u evos y m s com plejos pr ocesos, qu e m u ch a s veces el oper a r io n o pu ede con t r ola r debido a la velocida d y exa ct it u d r equ er ida , a dem s m u ch a s veces la s con dicion es del espa cio don de se lleva a ca bo la t a r ea n o son la s m s adecuadas para el desempeo del ser humano. Frent e a est e pa n or a m a , su r ge la a u t om a t iza cin y los sist em a s de con t r ol com o u n a solu cin qu e va a per m it ir lleva r a la pr odu ccin a estndares de calidad mucho mejores. Actualmente en el mundo, se ve una introduccin de las computadoras y de la m icr oelect r n ica en la in du st r ia y en la socieda d, est o t r a e con sigo u n a ext en sin del ca m po de la a u t om a t iza cin in du st r ia l ya qu e per m it e a t r a vs del m a n ejo de la in for m a cin (se a les, da t os, m edicion es, et c.) t r a n sfor m a r los mecanismos de produccin y procesos productivos de algunas industrias. Se con t in a y ext ien de a s el pr oceso de a u t om a t iza cin elect r om ec n ica qu e se in icia a pr in cipios del siglo, la n u eva er a de la a u t om a t iza cin se ba sa en la fu sin de la elect r n ica con los a n t igu os m eca n ism os a u t om t icos qu e fu n cion a ba n u t iliza n do difer en t es m edios m ec n icos n eu m t icos, et c. da n do or igen a los r obot ., a la s m qu in a s y h er r a m ien t a s com pu t a r iza da s, a los sist em a s flexibles de pr odu ccin . P a r a el dise o y con t r ol de la pr odu ccin se desa r r olla r on pr ogr a m a s de com pu t a cin pa r a el dibu jo (CAD), pa r a asistir el dise o (CADICAE ), pa r a la m a n u fa ct u r a (CAM), pa r a asistir el m a n ejo de pr oyect os, pa r a asistir la pla n ea cin de 1


r equ er im ien t os, pa r a la pr ogr a m a cin de la pr odu ccin , pa r a el con t r ol de calidad, etc.

Definiciones BsicasCONTROL : Accin ejercida con el fin de poder mantener una variable dentro de un rango de valores predeterminados. SISTE MA DE CONTROL : Con ju n t o de equ ipos y com pon en t es, qu e van a permitir llevar a cabo las operaciones de control. OPE RACIONE S DE CONTROL : Con ju n t o de a ccion es qu e bu sca n m a n t en er u n a va r ia ble den t r o de pa t r on es de funcionamiento deseados. CONTROL AUTOMTICO : E s el desa r r ollo de la a ccin de con t r ol, sin la participacin directa de un ser humano (operario). AUTOMTICO : E s t odo a qu ello qu e se m u eve, r egu la , y oper a , por s solo, independiente del medio que lo rodea. AUTOMATIZACIN : Con sist e de u n sist em a de con t r ol a u t om t ico, por el cu a l el sist em a ver ifica su pr opio fu n cion a m ien t o, efect u a n do mediciones y correcciones sin la interferencia del ser humano. SISTE MA DE AUTOMATIZACIN : Con ju n t o de equ ipos, sist em a s de in for m a cin , y pr ocedim ien t os qu e va n a per m it ir a segu r a r u n desem pe o in depen dien t e del pr oceso, a t r a vs de oper a cion es de control y supervisacin. SUP E RVISIN Y MONITORE O : E s el pr oceso de lect u r a de va lor es de la s diver sa s va r ia bles del pr oceso, con el objet ivo de iden t ifica r el estado en el que se viene desarrollando el proceso en un tiempo actual.

2. ELEMENTOS DE UN SISTEMAS DE CONTROL 2.1. Elementos de Control en Procesos IndustrialesDepen dien do del t ipo de pr oceso in du st r ia l y la fu n cin de con t r ol r equ er ida , los sist em a s de con t r ol va n desde los m s sim ples com o m a n t en er el nivel de agua o de temperatura en un tanque, hasta los ms complicados en los cu a les se h a ce u so de equ ipos sofist ica dos y con ju n t os de a lgor it m os de control optimal, control robusto, inteligencia artificial, etc. Se r ea liza el con t r ol de u n pr oceso, cu a n do es posible r egu la r el va lor de la variable de salida, variando el valor de la seal de control.

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PERTURBACIONES

SEALES DE CONTROL

PROCESO INDUSTRIAL

VARIABLES DE SALIDA

PLANTA

P la n t a : E s el a m bien t e don de se en cu en t r a n los equ ipos y don de se lleva a ca bo el pr oceso. Se pu ede decir qu e es el con ju n t o de objet os fsicos, en los cu a les es n ecesa r io desa r r olla r a ccion es especia lm en te or ga n iza da s con el fin de logr a r los r esu lt a dos de fu n cion a m ien t o y per for m a n ce desea dos; est os objet os va n a ser con t r ola dos por m edio de a ccion es . Se a les de con t r ol : Son a qu ella s a ccion es ela bor a da s de con t r ol, o da da s por u n oper a r io, a t r a vs de m a n ipu la da s (por ejem plo si se desea m a n t en er u n t em per a t u r a con st a n t e, se deber m a n ipu la r el n ivel recibe la resistencia que brinda calor al tanque). por el sist em a la s va r ia bles t a n qu e a u n a de volt a je qu e

P er t u r ba cion es : Son a qu ella s a ccion es qu e n o depen den del sist em a de con t r ol n i del oper a r io, per o in t er vien en posit iva o n ega t iva m en t e en el pr oceso (por ejem plo pa r a el ca so a n t er ior si se desea m a n t en er u n a t em per a t u r a con st a n t e en u n t a n qu e, la t em per a t u r a a m bien t a l actuar e interferir con el calor del tanque) Va r ia bles de sa lida : Son a qu ella s qu e ca r a ct er iza n el est a do de los pr ocesos den t r o de la pla n t a , est a s va r ia bles son gu ia da s por va r ia bles con t r ola da s. P or ejem plo, si se cu en t a con u n r ecipien t e de a gu a en el cu a l la va r ia ble de sa lida ser el n ivel, en t on ces la variable controlada ser el flujo de lquido que ingresa al recipiente. P r oceso in du st r ia l : E s la su cesin de ca m bios gr a du a les (en el t iem po) de m a t er ia y en er ga , t odo pr oceso im plica u n a transformacin; gen er a liza n do se pu ede decir qu e es t odo fen m en o fsico qu e se pu ede m edir y con t r ola r . P u eden ser pr ocesos con t in u os (siderr gica , pet r oqu m ica ), pr ocesos de m a n u fa ct u r a

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(embotelladoras, con feccin de t ext iles), pr ocesos de ser vicio (distribucin de agua), y procesos hbridos (reciclaje de vidrio).

2.2. Elementos de un Sistema de Control AutomticoAdicion a lm en t e a los com pon en t es a n t er ior es, se en cu en t r a n a qu ellos qu e le va n a da r la pa r t icu la r ida d de ser a u t om t ico, es decir , el sist em a de con t r ol va a a ct u a r in depen dien t e del oper a r io y va a det er m in a r por s m ism o los mejores valores para las seales de control. P a r a ello se con t a r con u n a referencia, qu e es u n va lor da do por el oper a r io, est e va lor es fijo y depen de del t ipo de pr oceso y de la s exigen cia s qu e est e a m er it e; es con ocido com o set -poin t , est e va lor es el qu e se desea alcanzar y mantener.

Perturbaciones ReferenciaCONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

Variable de salidaSENSOR

As tenemos 4 elementos que conforman el sistema de control : CONTROLADOR : E s a qu el in st r u m en t o qu e com pa r a el va lor m edido con el va lor desea do, en ba se a est a com pa r a cin ca lcu la u n er r or (difer en cia en t r e va lor m edido y desea do), pa r a lu ego a ct u a r a fin de cor r egir est e er r or . Tien e por objet ivo ela bor a r la se a l de con t r ol qu e per m it a qu e la va r ia ble controlada corresponda a la seal de referencia. Los con t r ola dor es pu eden ser de t ipo m a n u a l, n eu m t ico, elect r n ico; los con t r ola dor es elect r n icos m s u sa dos son : com pu t a dor a s con t a r jet a s de a dqu isicin de da t os, P LC (con t r ola dor es lgicos pr ogr a m a bles), microcontroladores (PIC). E l t ipo de con t r ola dor m s com n es el P LC, el ba sa do en m icr opr ocesa dor es, h a ce u so de regrabables (RAM), en don de se a lm a cen a n a lgor it m os qu e va n a per m it ir segu ir u n a cu a l es u n equ ipo elect r n ico m em or ia s pr ogr a m a bles y in st r u ccion es a m a n er a de lgica de con t r ol. Con t ien e

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inter fa ces qu e le per m it en m a n eja r gr a n n m er o de en t r a da s y sa lida s t a n t o analgicas como digitales. ACTUADOR : E s a qu el equ ipo qu e sir ve pa r a r egu la r la va r ia ble de con t r ol y ejecu t a r la a ccin de con t r ol, es con ocido com o elem en t o fin a l de con t r ol, est os pueden ser de 3 tipos : Act u a dor es elct r icos : Son u sa dos pa r a posicion a r disposit ivos de m ovim ien t os lin ea les o r ot a cion a les. E j. m ot or , r el, swit ch , electrovlvulas. Act u a dor es n eu m t icos : Tr a ba ja n con se a les de pr esin , est a s se a les son con ver t ida s a m ovim ien t os m ec n icos. E j. pist on es n eu m t icos, vlvulas. Act u a dor es h idr u licos : Oper a n igu a l a los n eu m t icos, son u sa dos en t a r ea s qu e r equ ier en m a yor fu er za por ejem plo leva n t a r com pu er t a s, mover gras, elevadores, etc. Ej. pistones hidrulicos. P ROCE SO : E st a r efer ido a l equ ipo qu e va a ser a u t om a t iza do, por ejem plo pu ede ser u n a bom ba , t olva , t a n qu e, com pr esor , m olin o, in t er ca m bia dor de calor, horno, secador, chancadora, caldera, etc. Caractersticas dinmicas de las variables de proceso: Inercia : P r opieda d de los cu er pos qu e les per m it e n o va r ia r su est a do est a cion a r io sin la in t er ven cin de u n a fu er za ext r a a ; por ejem plo a lgu n os sist em a s de flu jo de flu idos en los cu a les la m a sa pu ede ser acelerada. Resist en cia y Ca pa cida d : Se den om in a r esist en cia a a qu ella s pa r t es con cu a lida des de r esist ir la t r a n sfer en cia de en er ga o m a sa , y se den om in a ca pa cida d a a qu ella s pa r t es del pr oceso con t en den cia a almacenar masa o energa. At r a so de t r a n spor t e : E s el m ovim ien t o de m a sa s en t r e dos pu n t os qu e ocasiona un tiempo muerto. Respuesta de los procesos frente a una perturbacin: La s r espu est a s est n ca si siem pr e ca r a ct er iza da s por dos con st a n t es: u n a con st a n t e de t iem po ( ) y u n a ga n a n cia est t ica . La ga n a n cia es la a m plifica cin o a t en u a cin de la per t u r ba cin en el in t er ior del pr oceso y n o t ien e in t er fer en cia con la s ca r a ct er st ica s de t iem po de r espu est a . La con st a n t e de t iem po es la m edida n ecesa r ia pa r a a ju st a r u n a per t u r ba cin en la en t r a da y pu ede ser expr esa da com o = (resistencia) x(capacidad).

SENSOR : E s u n elem en t o de m edicin de pa r m et r os o va r ia bles del pr oceso. Los sen sor es pu eden ser u sa dos t a m bin com o in dica dor es, pa r a t r a n sfor m a r la seal medida en seal elctrica. Los sensores ms comunes son los de nivel, t em per a t u r a , pr esen cia , pr oxim ida d, flu jo, pr esin , en t r e ot r os. P u eden ser de varios tipos :

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Sen sor es de con t a ct o : Son a qu ellos qu e r ea liza n la m edida en con t a ct o directo, real y fsico con el producto o materia. Ej. sensores de boya para medir nivel en un tanque, termocupla para medir temperatura, etc. Sen sor es de n o con t a ct o : Se ba sa n en pr opieda des fsica s de los m a t er ia les, son m s exa ct os, per o pr open sos a in t er fer en cia s del m edio ambiente. Ej. sensores ultrasnicos, sensores pticos, etc. Sen sor es digit a les : Tr a ba ja n con se a les digit a les, en cdigo bin a r io, pu eden r epr esen t a r la codifica cin de u n a se a l a n a lgica , o t a m bin la representacin de dos estados on/off. Ej. sensores tipo switch. Sen sor es a n a lgicos : P r opor cion a n m edida s con t in u a s, los r a n gos t picos son de 0 a 20m A, 4 a 20m A, 0 a 5v, 1 a 5v, en t r e ot r os. E j. sensores capacitivos, sensores piezoresistivos, etc. Sen sor es m ec n icos : Son a qu ellos qu e t r a du cen la a ccin fsica del elem en t o m edido, en u n com por t a m ien t o m ec n ico, t pica m en t e de movimiento y/o calor. Ej. barmetro, termmetro de mercurio, etc. Sen sor es elect r o-m ec n icos : E st e t ipo de sen sor em plea u n elem en t o m ec n ico el st ico com bin a do con u n t r a n sdu ct or elct r ico. E j. sen sor es resistivos, sensores magnticos, etc. A con t in u a cin se m u est r a u n ejem plo de u n sist em a de con t r ol de n ivel, don de el pr oceso est a con st it u ido por u n t a n qu e a bier t o, el con t r ola dor es de t ipo elect r n ico, y a t r a vs de u n t r a n sdu ct or se con vier t e la se a l elct r ica a n eu m t ica , est a se a l de pr esin de a ir e a ccion a u n a v lvula n eu m t ica qu e cu m ple la fu n cin de a ct u a dor , fin a lm en t e se cu en t a con u n sensor de nivel de tipo no contacto.

Seal elctricaCONTROLADOR

Seal elctrica

TRANSDUCTOR

SensorEntrada lquido ACTUADOR

Seal neumtica

Vlvula neumtica PROCESOSalida lquido

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2.3. Tipos de VariablesSe defin e com o va r ia bles a t odo a qu el pa r m et r o fsico cu yo va lor puede ser medido. Puede ser: Va r ia ble Con t r ola da : E s a qu ella qu e se bu sca m a n t en er con st a n t e o con cambios mnimos. Su valor debe seguir al set-point. Va r ia ble Ma n ipu la da : A t r a vs de est a se debe cor r egir el efect o de la s perturbaciones. Sobre esta se colocar el actuador Va r ia ble P er t u r ba dor a : E st a da do por los ca m bios r epen t in os qu e su fr e el sistema y que provocan inestabilidad. Va r ia ble Medida : E s t oda va r ia ble a dicion a l, cu yo va lor es n ecesa r io registrar y monitorear, pero que no es necesario controlar.

VARIABLE PERTURBADORA ERROR VARIABLE MANIPULADA

Perturbacin

Entrada

DETECTOR DE ERRORES Y CONTROLADOR

ELEMENTO FINAL DE CONTROL (ACTUADOR)

Salida PROCESO

ELEMENTO DE MEDICION (SENSOR)VARIABLE DE REFERENCIA VARIABLE MEDIDA VARIABLE CONTROLADA

Ejemplo: Intercambiador de calor Si in gr esa a gu a fr a y sa le a gu a ca lien t e, en t on ces se bu sca con t r ola r la t em per a t u r a del a gu a qu e sa le, cu ya t em per a t u r a est a r da do por un set-point E l ca lor den t r o del in t er ca m bia dor depen de del su m in ist r o de va lor ca lien t e, por t a n t o ser el flu jo de va por ca lien t e, cu yo a ct u a dor es la vlvula de vapor No se con oce la t em per a t u r a n i la pr esin del a gu a qu e in gr esa , por t a n t o, est os pu eden afectar a la salida Se pu ede m edir por ejem plo la t em per a t u r a del vapor caliente

Var. Controlada

Var. Manipulada

Var. Perturbadora Var. Medida

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Setpoint

Salida

CONTROLADOR

ACTUADOR

ENTRADA DE AGUA FRIA VALVULA DE VAPOR

Sensor Temperatura

SALIDA DE AGUA CALIENTE ENTRADA DE VAPOR BULBO Termmetro indicador

2.4. Seales de ComunicacinCom o se pu ede obser va r el flu jo de in for m a cin en t r e los elem en t os se da a t r a vs de se a les. La s se a les son u n con ju n t o de da t os qu e flu yen en diversos sentidos, conformando un flujo de informacin. Estas pueden ser : Se a les E lct r ica s : Ut iliza n el flu jo de elect r on es sobr e u n con du ct or , pueden ser: Se a les a n a lgica s: Son se a les en t iem po con t in u o, la informacin esta dada por la amplitud de la seal. Se a les digit a les: Son se a les en t iem po discr et o, la informacin esta dada en cdigo binario. Se a les Neu m t ica s : La in for m a cin est da da por la va r ia cin fsica de com pr esin o expa n sin de u n flu ido ga seoso en u n t iem po determinado. Se a les H idr u lica s : E n est e ca so la s va r ia cion es de pr esin por lo gen er a l de u n lqu ido viscoso gen er a n el con ju n t o de da t os a ser transmitidos. Se a les de Son ido : Con for m a da s por on da s de son ido pr odu cida s por el m ovim ien t o vibr a t or io de los cu er pos a u n a det er m in a da fr ecu en cia ; tambin son usadas las ondas ultrasnicas.

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Se a les E lect r om a gn t ica s : La in for m a cin via ja sobr e u n a on da de r a dio, m icr oon da s, o sa t lit e, em pa qu et a da den t r o de u n a se a l portadora, recorriendo grandes distancias. Seales pticas : Se hace uso de las fibra pticas, y son empleadas para transmitir gr a n des vol m en es de in for m a cin , gen er a lm en t e u sa dos en redes de controladores.

3. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE n ba se a su pr in cipio de fu n cion a m ien t o los sist em a s de con t r ol pu eden em plea r o n o, in for m a cin a cer ca de la pla n t a , a fin de ela bor a r o n o, est r a t egia s de su per visin y con t r ol, se cu en t a con dos t ipos de sist em a s de control : de lazo abierto y de lazo cerrado.

3.1. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open loop)Un sist em a de con t r ol de la zo a bier t o es a qu el en el cu a l n o exist e realimentacin, del proceso al controlador. Algu n os ejem plos de est e t ipo de con t r ol est n da dos en los h or n os, lavadoras, licuadoras, batidoras, etc. Su pr in cipa l ven t a ja con sist e en su fa cilida d pa r a im plem en t a r , adems son econmicos, simples, y de fcil mantenimiento. Su s desven t a ja s con sist en en qu e n o son exa ct os, n o cor r igen los errores que se presentan, su desempeo depende de la calibracin inicial. Se representa a travs del siguiente diagrama de bloques:

Perturbacin

CONTROLADOR Entrada

ACTUADOR

PROCESO Salida

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3.2. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback)Un sist em a de con t r ol de la zo cer r a do, es a qu el en don de la se a l de sa lida o pa r t e de la se a l de sa lida es r ea lim en t a da y t om a da com o u n a se a l de entrada al controlador. Existen dos tipos: de realimentacin positiva, y de realimentacin negativa. Rea lim en t a cin P osit iva : E s a qu ella en don de la se a l r ea lim en t a da se su m a a la se a l de en t r a da . Se con oce t a m bin com o r egen er a t iva , n o se a plica en el ca m po de con t r ol de pr ocesos in du st r ia les. Un ejem plo es el ca so de los osciladores. Se representa a travs del siguiente diagrama de bloques:

Perturbacin Set-Point Salida CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

+

+SENSOR

Realimentacin Negativa: E s a qu ella en don de la se a l r ea lim en t a da , se r est a de la se a l de en t r a da , gen er a n do u n er r or , el cu a l debe ser cor r egido. E st e es el caso comn utilizado en el campo del control de procesos industriales. Se representa a travs del siguiente diagrama de bloques:Perturbacin Set-Point Salida CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

+SENSOR

3.3. Sistemas en Tiempo Continuo y Tiempo Discreto10


Los sist em a s en t iem po con t in u o, son a qu ellos cu yo ca m po de eva lu a cin se r ea liza en u n la pso de t iem po per m a n en t e y sin pa u sa s, en ca m bio u n sist em a en t iem po discr et o es a qu el qu e es eva lu a do du r a n te pequeos lapsos de tiempo intermitentes denominados perodos de muestreo. E l a n lisis m a t em t ico en sist em a s con t in u os se lleva a ca bo en el dominio de Laplace, y para sistemas discretos se emplea la Transformada Z.

4. CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE CONTROLLos sist em a s de con t r ol pu eden ser cla sifica dos, ba s n dose en va r ios cr it er ios, as pues, podemos tener las siguientes clasificaciones:

Segn su dimensinSist em a s de pa r m et r os con cen t r a dos: Son a qu ellos qu e pu eden ser descr it os por ecu a cion es difer en cia les or din a r ia s. Ta m bin son conocidos como sistemas de dimensin finita. Sist em a s de pa r m et r os dist r ibuidos: Son a qu ellos qu e r equ ier en ecuaciones en difer en cia (ecu a cion es difer en cia les con der iva da s parciales). Tambin son conocidos como sistemas de dimensin infinita.

Segn el conocimiento de sus parmetrosSist em a s det er m in st icos : E n est os sist em a s se con ocen exa ct a m en t e el va lor qu e cor r espon de a los pa r m et r os. P or ejem plo u n cir cu it o RLC encargado de suministrar tensin a un equipo. Sist em a s est oc st icos : E n est e ca so, la for m a de con ocer a lgu n os o t odos los va lor es de los pa r m et r os, es por m edio de m t odos pr oba bilst ica s. P or ejem plo u n h or n o o ca lder o qu e h a a cu m u la do sa r r o y ot r a s im pu r eza s (la s cu a les n o t ien en u n a fu n cin m a t em t ica conocida).

Segn el carcter de transmisin en el tiempoSist em a s con t in u os : Son a qu ellos descr it os m edia n t e ecu a cion es difer en cia les, don de la s va r ia bles poseen u n va lor pa r a t odo t iem po posible den t r o de u n in t er va lo de t iem po fin it o. E st r efer ido a la s se a les a n a lgica s, y su com por t a m ien t o m a t em t ico es sim ila r a u n a onda continua. Por ejemplo un proceso de llenado de balones de gas.

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Sist em a s discr et os : Son a qu ellos descr it os m edia n t e ecu a cion es en difer en cia , y solo poseen va lor es pa r a det er m in a dos in st a n t es de t iem po, sepa r a dos por in t er va los da dos por u n per odo con st a n t e. E st r efer ido a la s se a les digit a les, y su com por t a m ien t o m a t em t ico es sim ila r a u n t r en de pu lsos. P or ejem plo el en cen dido y a pa ga do de u n switch que acciona una ala rma.

Segn la presencia de linealidadSist em a s lin ea les : Son a qu ellos cu yo com por t a m ien t o est defin ido por m edio de ecu a cion es difer en cia les lin ea les, es decir , los coeficien t es son con st a n t es o fu n cion es de la va r ia ble in depen dien t e. Deben cu m plir con el principio de superposicin. Por ejemplo un amplificador de seales. Sist em a s n o lin ea les : E n ca so de qu e u n a o m s de la s ecu a cion es difer en cia les n o sea lin ea l, t odo el sist em a ser n o lin ea l. Ta m bin se con sider a r com o sist em a n o lin ea l a a qu ellos pa r a los cu a les el pr in cipio de su per posicin n o sea v lido. P or ejem plo el ca len t a m ien t o de un horno.

Segn el comportamiento en el tiempoSist em a s in va r ia n t es en el t iem po : Ocu r r e cu a n do t odos su s pa r m et r os son con st a n t es, y por t a n t o se m a n t ien e en u n est a do est a cion a r io per m a n en t em en t e. Se defin e por ecu a cion es difer en cia les cu yos coeficien t es son con st a n t es. P or ejem plo la m ezcla de su st a n cia s den t r o de u n t a n qu e qu e siem pr e con t ien e la m ism a ca n t ida d y t ipo de elementos. Sist em a s va r ia n t es en el t iem po : Ocu r r e cu a n do u n o o m s de su s pa r m et r os va r a en el t iem po, y por lo t a n t o n o se m a n t ien e en est a do est a cion a r io. Se defin e por ecu a cion es difer en cia les cu yos coeficien t es son fu n cion es del t iem po. P or ejem plo pa r a u n m ot or de u n veh cu lo de ca r r er a , la m a sa del veh cu lo va a va r ia r por a ccin del con su m o de combustible.

Segn sus aplicacionesSistemas ser vom eca n ism os : Son a qu ellos en don de la va r ia ble con t r ola da es la posicin o el in cr em en t o de la posicin con r espect o a l t iem po. P or ejem plo u n m eca n ism o de con t r ol de velocida d, u n br a zo robtico, etc. Sist em a s secu n cia les : Son a qu ellos en don de u n con ju n t o de oper a cion es pr eest a blecida s es ejecu t a da en u n or den da do. P or ejem plo el a r r a n qu e y pa r a da de u n m ot or , la con m u t a cin delt a -est r ella de u n motor, etc.

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Sist em a s n u m r icos : E st a r efer ido a sist em a s de con t r ol qu e a lm a cen a n in for m a cin n u m r ica , la cu a l in clu ye a lgu n a s va r ia bles del pr oceso codifica da s por m edio de in st r u ccion es. P or ejem plo t or n os, t a la dr os, esm er iles, los cu a les a lm a cen a n in for m a cin r efer en t e a posicin, direccin, velocidad, etc.

5. CARACTERSTICAS DEL CONTROLExiste for m a s y m t odos a t r a vs de los cu a les los sist em a s de con t r ol pu eden ser r epr esen t a dos por m edio de fu n cion es m a t em t ica s, est a r epr esen t a cin r ecibe el n om br e de Modela m ien t o Ma t em t ico, est e m odelo descr ibir la s ca r a ct er st ica s din m ica s del sist em a a t r a vs de ecu a cion es diferenciales. El modelamiento puede ser: An a lt ico : Cu a n do se a plica la s leyes fsica s cor r espon dien t es a ca da com pon en t e del sist em a , qu e en con ju n t o for m a n u n a est r u ct u r a o funcin matemtica. E xper im en t a l : Con sist e en la iden t ifica cin de los pa r m et r os, m edia n t e el a n lisis de da t os de en t r a da y sa lida , est im a n do va lor es posibles que se ajusten al sistema A pa r t ir del m odela m ien t o m a t em t ico, a plica n do for m u la s m a t em t ica s, t eor em a s, y t r a n sfor m a da s, se pu ede llega r a u n a fu n cin qu e r epr esen t e la r ela cin en t r e la sa lida y en t r a da del sist em a , est a fu n cin se denomina Funcin de Transferencia. E l pr oceso exper im en t a l es den om in a do Iden t ifica cin de Sist em a s , y cor r espon de a la pla n t a o pr oceso qu e se desea a n a liza r , con sist e en r ecoger da t os de la va r ia ble de sa lida con su cor r espon dien t e da t o de en t r a da qu e pr ovoc dich a sa lida , pa r a lu ego m edia n t e a lgor it m os m a t em t icos a pr oxim a r u n a fu n cin de t r a n sfer en cia , la cu a l debe gen er a l u n a sa lida (est im a da ) similar a la salida sensada, y dependiendo de la diferencia entre ambas (error) se da r va lidez a la fu n cin obt en ida , o se t en dr qu e r eca lcu la r con n u evos valores en los algoritmos matemticos de anlisis. E l a n lisis de u n sist em a qu e se desea con t r ola r , sign ifica a n a liza r su com por t a m ien t o din m ico en el t iem po, pa r t ien do de su s ca r a ct er st ica s m a t em t ica s se pu ede llega r a con clu sion es r espect o a l fu n cion a m ien t o del sist em a , t a n t o a isla do com o den t r o de u n la zo cer r a do, a fect a do por r u ido y gober n a do por u n con t r ola dor . P a r a con ocer dich o fu n cion a m ien t o se debe llegar a conclusiones puntuales respecto a las siguientes caractersticas.

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E STABILIDAD: Se dice qu e u n sist em a es est a ble cu a n do despu s de t r a n scu r r ido u n t iem po t , su va lor de r espu est a (sa lida ) per m a n ece con st a n t e. A est e t iem po se le den om in a t iem po de est a blecim ien t o (t im e set t in g) , y a l va lor a lca n za do se le den om in a va lor en est a do est a ble (st ea dy st a t e va lu e) , el cu a l pu ede ser u n va lor oscila n t e den t r o de u n m a r gen por cen t u a l m n im o, defin ido a cr it er io del pr ogr a m a dor . Un sist em a se con sider a in est a ble cu a n do su r espu est a lu ego de t r a scu r r ido u n t iem po t se m a n t ien e oscila n do, va r ia n do en t r e u n r a n go de va lor es per idicos o sim plem en t e se obt ien e cu a lqu ier va lor a lea t or io. E l siguiente grfico muestra dos curvas, una de un sistema estable, y la otra de u n sist em a in est a ble, logr a da s lu ego de a plica r u n a en t r a da esca ln unitario.SISTEMA ESTABLEFrom: U(1) 0.4

0.3

Amplitude

To: Y(1)

0.2

0.1

0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Time (sec.) SISTEMA INESTABLEFrom: U(1) 150

100

Amplitude

To: Y(1)

50

0

-50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Time (sec.)

E XACTITUD: La exa ct it u d del sist em a se m ide en ba se a la desvia cin exist en t e en t r e el va lor desea do (r efer en cia ) y el va lor r ea l obt en ido en la r espu est a del sist em a (va lor en est a do est a ble), a est a difer en cia se le den om in a er r or en est a do est a ble . VE LOCIDAD DE RE SP UE STA: E st a ca r a ct er st ica in dica qu e t a n r pida m en t e es ca pa z de llega r el sist em a , a su va lor en est a do est a ble o est a cion a r io. La gr fica sigu ien t e m u est r a los t ipos de r espu est a qu e se puede obtener en funcin de la velocidad de respuesta.

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RESPUESTA SUBAMORTIGUADAFrom: U(1) 1.5 1.5

RESPUESTA OSCILATORIAFrom: U(1)

Amplitude

Amplitude

1 To: Y(1)

1 To: Y(1) 0.5 0 0

0.5

0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0.5 1

1.5 2

2.5 3 3.5 4 4.5 5

Time (sec.) RESPUESTA CRITICAMENTE AMORTIGUADAFrom: U(1) 1.5 1.5

Time (sec.) RESPUESTA SOBRE AMORTIGUADAFrom: U(1)

Amplitude

Amplitude

1 To: Y(1)

1 To: Y(1) 0.5 0 0

0.5

0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0.5 1

1.5 2

2.5 3 3.5 4 4.5 5

Time (sec.)

Time (sec.)

SE NSIBILIDAD: E st e con cept o explica la depen den cia de u n a s va r ia bles con r espect o a ot r a s, pu est o qu e en u n sist em a h a br a lgu n a s va r ia bles m a n ipu la da s, ot r a s con t r ola da s, y ot r a s per t u r ba dor a s, es in evit a ble qu e la a ccin de u n a r eper cu t a sobr e la s ot r a s, por ello la n ecesida d de con ocer e iden t ifica r ca da va r ia ble a fin de con ocer su n a t u r a leza a n t es mencionada. ALCANZABILIDAD: Cu a n do u n sist em a cu en t a con est a ca r a ct er st ica , en t on ces m edia n t e u n con t r ola dor se pu ede lleva r est e sist em a desde u n estado inicial hasta otro estado cualquiera, en un tiempo finito CONTROLABILIDAD: Un sist em a es con t r ola ble cu a n do es posible lleva r a l sist em a a u n a posicin de equ ilibr io, a l a plica r le u n a en t r a da y transcurrido un perodo de tiempo finito. OBSE RVABILIDAD: Se dice qu e u n sist em a es de r a n go com pleto obser va ble, si m edia n t e la obser va cin de la sa lida y es posible determinar cualquier estado x(t), en un tiempo finito. Caractersticas Dinmicas La s ca r a ct er st ica s din m ica s de u n a pla n t a est n da da s por el com por t a m ien t o qu e est a pr esen t a a n t e u n a en t r a da (esca ln , sen oida l, r a m pa , on da cu a dr a da , seu do a lea t or io, et c.). Cu a n do la s en t r a da s n o son fija s

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sin o qu e va r a n en el t iem po, en t on ces t a m bin la r espu est a del sist em a tendr que variar en el tiempo. E xist en diver sa s t cn ica s pa r a a n a liza r y ca r a ct er iza r el com por t a m ien t o din m ico de u n a pla n t a , los m t odos m s con ocidos son los siguientes: Ecuaciones diferenciales Anlisis de respuesta en frecuencia Caracterizacin frente a entradas tpicas Variables de estado Ubicacin geomtrica de polos y ceros Mu ch os sist em a s pr esen t a n u n r et a r do o t iem po m u er t o, definido com o el la pso de t iem po en qu e el sist em a sien do som et ido a u n a en t r a da , n o ofr ece n in gu n a sa lida . P or t a n t o se con sider a qu e a cier t os sist em a s les t om a cierto tiempo responder a los estmulos. Los r et a r dos son pr opios de pr ocesos len t os com o: pr ocesos de t r a n spor t e, de t em per a t u r a , et c., y t a m bin se pr esen t a en sist em a s controlados a distancia. La sigu ien t e gr fica m u est r a la r espu est a de u n sist em a a n t e u n a en t r a da , en don de se a pr ecia u n a zon a en la cu a l n o se pr odu ce r espu est a alguna por parte del sistema.Respuesta con Retardo a la entrada Escaln 1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

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6. MTODOS DE CONTROLE xist en m t odos y est r a t egia s pa r a r ea liza r la a ccin de con t r ol, los m t odos de con t r ol (cl sico y m oder n o) per m it en a l con t r ola dor r ea ccion a r m a n da n do u n a se a l cor r ect iva del er r or , m ien t r a s qu e la s est r a t egia s de control hacen ms eficiente a la labor de control, ahorrando recursos y tiempo.

6.1. Mtodos de Control ClsicoLos m t odos de con t r ol cl sico son a qu ellos qu e esper a n a qu e se pr odu zca u n er r or pa r a lu ego r ea liza r u n a a ccin cor r ect iva . E l er r or se pr esen t a a ca u sa de la difer en cia de lect u r a en t r e la va r ia ble de sa lida sen sa da y la se a l de r efer en cia , est e er r or est pr esen t e en t odo m om en t o, y la fin a lida d es m in im iza r lo. E n a lgu n os ca sos su ele gen er a r se u n comportamiento oscilatorio alrededor del valor de referencia. Los mtodos de control clsico pueden ser: CONTROL ON-OFF: E st e m t odo solo a cept a dos posicion es pa r a el a ct u a dor : en cen dido (100%) y a pa ga do (0%). La lgica de fu n cion a m ien t o es t en er u n pu n t o de r efer en cia , si la va r ia ble es mayor el a ct u a dor a su m e u n a posicin , y si la va r ia ble es m en or el a ct u a dor a su m e la ot r a posicin . P or ejem plo t en em os los sist em a s de segu r ida d con t r a r obos, la s r efr iger a dor a s dom st ica s, sist em a s de a ir e a con dicion a do, et c. A con t in u a cin se m u est r a su fu n cin en el tiempo:

Seal sensada Ref.

ON Seal controlador OFF

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CONTROLADOR PROPORCIONAL (P) : E s u n con t r ol qu e se ba sa en la ga n a n cia a plica da a l sist em a , se ba sa en el pr in cipio de qu e la r espu est a del con t r ola dor deber ser pr opor cion a l a la m a gn it u d del error. No corrige ni elimina perturbaciones, puede atenuar o aumentar la se a l de er r or . Se r epr esen t a a t r a vs del pa r m et r o Kp y defin e la fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error.Entrada Salida

Kp 1

CONTROLADOR INTE GRAL (I) : Con ocido con o RESET. E st e t ipo de con t r ola dor a n u la er r or es y cor r ige per t u r ba cion es, m edia n t e la b squ eda de la se a l de r efer en cia , n ecesit a de u n t iem po Ti para loca liza r dich a se a l. Se r epr esen t a m edia n t e el t r m in o Ki qu e es el coeficiente de accin integral y es igual a 1/TiEntrada Salida

Va

T1 T1

T2

Ti

CONTROLADOR DE RIVATIVO (D) : Con ocido com o RATE. E st e con t r ola dor por s solo n o es u t iliza do, n ecesit a est a r ju n t o a l pr opor cion a l y a l in t egr a l. Sir ve pa r a da r le r a pidez o a celer a cin a la a ccin de con t r ol. Necesit a de u n a difer en cia l de t iem po Td para a lca n za r la se a l de r efer en cia , se r epr esen t a m edia n t e el t r m in o Kd que es el coeficiente de accin derivativa y es igual a 1/Td.

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Entrada

Salida

Va

T1 T1

Td

CONTROLADOR PROPORCIONAL-INTEGRAL (PI) : Acta en forma r pida , t ien e u n a ga n a n cia y cor r ige el er r or , n o exper im en t a u n offset en est a do est a cion a r io. La a plica cin t pica es en el con t r ol de temperatura. Funcin de Transferencia : Kp

1 sTi

CONTROLADOR P ROP ORCIONAL-DE RIVATIVO (P D) : E s est a ble, y r edu ce los r et a r dos, es decir es m s r pido. E s u sa do t pica m en t e para el control de flujo de minerales. Funcin de Transferencia :

Kp sTd

CONTROLADOR PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (P ID) : E st e con t r ola dor es el m s com plet o y com plejo, t ien e u n a r espu est a m s r pida y est a ble siem pr e qu e est e bien sin t on iza do. Resumiendo se puede decir que: El control proporcional acta sobre el tamao del error. El control integral rige el tiempo para corregir el error El control derivativo le brinda la rapidez a la actuacin. Funcin de Transferencia :

Kp

1 sTi

sTd

6.2. Mtodos de Control ModernoLos m t odos de con t r ol m oder n o br in da n n u eva s t cn ica s qu e per m it en ya sea compensar el error y/o eliminarlo, las ms comunes son las siguientes:

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CONTROL ANTICIP ATORIO (F eedfor wa r d) : E st e m t odo per m it e a l controlador a n a liza r los da t os de en t r a da y de sa lida y m edia n t e a lgor it m os m a t em t icos ca lcu la r la pr xim a sa lida pr oba ble, de m odo t a l qu e a u t o a ju st a su s pa r m et r os con la fin a lida d de a decu a r se a l ca m bio, y m in im iza r la difer en cia de m edida s. Se r ecom ien da pa r a pr ocesos len t os. Su desven t a ja r a dica en qu e es n ecesa r io m edir t oda s la s va r ia bles per t u r ba dor a s, ya qu e n o cor r ige la s per t u r ba cion es n o medidas.

SENSOR

PERTURBACIN

+Ref.CONTROLADOR

ACTUADOR

PROCESO

+

+

Salida

Se pu ede m ejor a r est e m t odo a gr ega n do u n a r et r oa lim en t a cin a la sa lida , de m odo t a l qu e se deje qu e se pr odu zca u n er r or m n im o, el cual ser detectado y corregido en la siguiente medicin.

SENSOR

PERTURBACIN

+Salida

Ref.CONTROLADOR

+

ACTUADOR

PROCESO

+Perturbacin No Medida SENSOR

COMP E NSADORE S ADE LANTO ATRASO: E st e m t odo per m ite r ea liza r u n con t r ol en el dom in io de la fr ecu en cia , en el cu a l se bu sca com pen sa r la fa se del sist em a , a gr ega n do (a dela n do) o qu it a n do (a t r a so) fa se, pa r a lo cu a l se a gr ega n u evos com pon en t es o n u eva s fu n cion es m a t em t ica s a l sist em a . Se pu ede pon er cu a n t os com pen sa dor es sea n ecesa r io a fin de lleva r la r espu est a del sist em a a un valor deseado.

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Compensador en Adelanto:

Compensador en Atraso:

Gadelanto

1

T s 1 T s

Gadelanto

1 1 *

T s 1 T s

Don de: con dicion a la fa se m xim a , Seno(fase) = ( 1)/( +1) T indica la frecuencia de trabajo, Frec.central = 1/(T* 1/2) REALIMENTACIN DE ESTADOS : Este mtodo permite ejercer una a ccin de con t r ol m edia n t e el sen sa do de ca da u n o de los est a dos (del m odelo en espa cio est a do del sist em a ), a t r ibu yn dole u n a ga n a n cia a ca da u n o de los va lor es ledos, de est e m odo el la zo de con t r ol es cer r a do por m edio del com pen sa dor o con t r ola dor de est a dos y n o por K X, el sen sor . La Ley de con t r ol est a da da por la expr esin u don de: u es la se a l de con t r ol, K es el vect or de ga n a n cia de est a dos, y X es el vector de estados medidos del sistema. E l vect or K pu ede h a lla r se f cilm en t e u sa n do Ma t la b, con el com a n do acker y tambin con el comando place.

SISTE MAS DE SE GUIMIE NTO : E st e m t odo t a m bin es con ocido com o t r a ckin g, es u n com plem en t o del m t odo a n t er ior , pu est o qu e m edia n t e el con t r ol por r ea lim en t a cin de est a dos se pu ede lleva r la va r ia ble con t r ola da a u n va lor de cer o (por qu e n o se cu en t a con u n a r efer en cia ), con est e m t odo se podr lleva r a la va r ia ble da da a u n va lor desea do, pu est o qu e se in cor por a u n a r efer en cia en el sist em a . La se a l de con t r ol est a r da da por : u K X K i * ref . Don de K i es la ga n a n cia cor r espon dien t e a l est a do o est a dos qu e se qu ier e segu ir , y r ef es la r efer en cia o set poin t qu e se desea a lca n za r . FEEDBACK LINE ALIZATION: Debido a qu e los pr ocesos r ea les n o cu en t a n con m odelos lin ea les qu e los r epr esen t a n , es n ecesa r io el u so de con t r ola dor es n o lin ea les. E st e m t odo es con ocido com o con t r ol con m odelo de r efer en cia , u t iliza la Teor a de Lya pu n ov pa r a determinar la est a bilida d del sist em a , y el m odelo m a t em t ico est a da do en la forma espacio estado. 21


6.3. Mtodos de Control AvanzadoLos m t odos de con t r ol avanzado son a qu ellos qu e a ct a n en for m a pr even t iva , de m odo t a l qu e en ba se a los da t os t om a dos, a ct a n de m odo t a l qu e pr evien en la ocu r r en cia de er r or , por t a n t o el con t r ola dor est a ju st a n do sus parmetros constantemente. CONTROL ADAP TATIVO : E s u n a va r ia n t e del con t r ol a n t icipa t or io, en don de la r espu est a del con t r ola dor va r a a u t om t ica m en t e ba sa do en los ca m bios de la s con dicion es den t r o del pr oceso, es decir , la r espu est a del con t r ola dor ser va r ia ble depen dien do del com por t a m ien t o a ct u a l del pr oceso. P a r a qu e se lleve a ca bo est a a da pt a cin se r equ ier e de a lgor it m os m a t em t icos qu e sim u len el pr oceso en ba se a los da t os t om a dos en el in st a n t e m ism o en qu e se r ea liza la a ccin , est e r esu lt a do va a gen er a r u n a se a l com pen sa dor a que garantizar la confiabilidad del sistema.

ALGORITMO MATEMTICO DE ADAPTACIN

PerturbacinRef CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO Salida

SENSOR

CONTROL OP TIMAL: E l con t r ol opt im a l bu sca la per for m a n ce en la accin de control, tiene por objetivo buscar una o varias soluciones que cumplan con ciertas restricciones impuestas por el problema y que a la vez cu m pla con u n a fu n cin objet ivo (fu n cin de cost o), la cu a l pu ede ser m a xim iza r o m in im iza r dich a fu n cin . E l con t r ol per m it e diver sa s solu cion es pa r a u n m ism o pr oblem a , per o el con t r ol opt im a l bu sca den t r o de esa s solu cion es la m s a decu a da pa r a cu m plir con los requisitos planteados. CONTROL ROBUSTO : E l con t r ol r obu st o es a qu el qu e va a per m it ir m a n t en er la a ccin de con t r ol pese a per t u r ba cion es ext er n a s e in t er n a s. P u ede exist ir per t u r ba cion es ext er n a s com o r u ido y vibr a cion es pr opia s del pr oceso; o per t u r ba cion es in t er n a s com o u n m a l m odela m ien t o m a t em t ico, sist em a s n o lin ea les difciles de lin ea liza r , in cer t idu m br e en el a ccion a r o r espu est a de la pla n a fr en t e a est m u los, en t r e ot r os. E l con t r ol r obu st o se r esu m e a iden t ifica r y

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con t r ola r la in cer t idu m br e en los pa r m et r os y en el com por t a m ien t o de una planta.

CONTROL E N TIE MP O RE AL : Se defin e el con t r ol de sist em a s en t iem po r ea l, a l con t r ol r ea liza do en u n in t er va lo de t iem po fin it o y con st a n t e, es decir qu e la in for m a cin ser sen sa da con m u est r a s intermitentes pero todas las veces con un mismo tiempo de muestreo. Caractersticas: Pueden realizar varias actividades en paralelo P ueden ejecutar tareas en respuesta a seales externas Deben fu n cion a r en pr esen cia de fa llos o a ver a s parciales, haciendo uso de elementos redundantes. Adqu ier en da t os del ext er ior . P u ede ser pa siva cu a n do u t iliza n in t er r u pcion es, o a ct iva m edia n t e el u so de t a r jet a s de entrada / salida de seales. Necesit a n de u n sist em a oper a t ivo qu e les br in de: gest in eficien t e de in t er r u pcion es, pla n ifica cin de t a r ea s y pr ior iza cin de la s m ism a s, a cceso a pu er t os e in t er fa ces, m eca n ism os de m edicin del t iem po, en t r e ot r os. E l sist em a operativo ms empleado es el Linux. CONTROL DIF USO : Se ba sa en la lgica difu sa , la cu a l a difer en cia de la lgica bin a r ia o boolea n a (ver da der o / fa lso 1 / 0), a sign a va lor es in t er m edios den t r o de est a esca la . Ut iliza la exper ien cia del operador para generar una lgica de razonamiento para el controlador. No r equ ier e del m odela m ien t o m a t em t ico de la pla n t a , pu ede representar modelos de sistemas lineales y no lineales mediante el uso de va r ia bles lin g st ica s y u n a ser ie de con dicion es o r egla s pr evia m en t e defin ida s. Su s a lgor it m os (r egla s) h a cen u so de in st r u ccion es IF TH E N. Elementos: Va r ia ble Lin g st ica : Son va r ia bles eva lu a da s en u n len gu a je n a t u r a l y n o cor r espon den a u n va lor n u m r ico exa ct o. La s va r ia bles lin g st ica s pu eden descom pon er se en t r m in os lin g st icos. E j. t em per a t u r a , con du ct a , velocida d, posicin , tamao, etc. Un iver so de Discu r sin : E s el rango de t oda la in for m a cin n ecesa r ia pa r a el com por t a m ien t o cor r ect o de u n sist em a . P or ejemplo, temperatura de 5 a 100 C, velocidad de 10 a 20 m/s, etc. Tr m in o Lin g st ico: Son los su b-con ju n t os o la s pa r t es qu e pu ede dividir se u n a va r ia ble lin g st ica o en qu e desee dividir se. P or ejem plo pa r a la va r ia ble velocida d se pu ede t en er los t r m in os

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r pido, n or m a l, len t o; pa r a la va r ia ble n ivel se pu ede t en er los trminos alto, medio, bajo; etc. Con ju n t o Difu sos: Son for m a s geom t r ica s qu e r epr esen t a n u n a fu n cin gen er a da por u n t r m in o lin g st ico. E lla s ela bor a r n u n a sa lida in t er m edia en el sist em a difu so. P u eden ser : t r i n gu los, cu a dr a dos, t r a pecios, ca m pa n a s ga u ssia n a s, en t r e otros. Funcin de Membresa: La funcin de membresa es la agrupacin de con ju n t os difu sos cor r espon dien t es a u n a sola va r ia ble lin g st ica , a socia da a su gr a do de per t en en cia o m em br esa dentro del intervalo 0 1. Fuzzificacin: La fu zzifica cin es el pr oceso r ea liza do pa r a con ver t ir u n a ca n t ida d CRISP (va lor t r a dicion a l lgico, bin a r io, decimal, exacto) en un valor o cantidad difusa. Defuzzificacin: E s el pr oceso in ver so qu e el de la fu zzifica cin , es decir, es la accin de convertir un valor difuso en un valor CRISP.

CONTROL NE URONAL : H a ce u so de n eu r on a s de in t eligen cia a r t ificia l. La n eu r on a a r t ificia l est n da r es u n elem en t o de pr ocesa m ien t o qu e ca lcu la u n a sa lida m u lt iplica n do su vect or de en t r a da s por u n vect or de pesos y est e r esu lt a do es a plica do a u n a fu n cin de a ct iva cin ; u n con ju n t o de n eu r on a s con for m a n u n a r ed n eu r on a l. La s Redes Neu r on a les son pa r t e de la In t eligen cia Ar t ificia l (AI) ca r a ct er iza da s por su ca pa cida d de a pr en diza je, su velocida d m edia n t e el pr ocesa m ien t o m a sivo en pa r a lelo de da t os y por la facilidad de modelado de sistemas y controladores no lineales.

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Caractersticas: Son dispositivos no-lineales Pueden aprender un mapeo Son adaptables Las respuestas estn basadas en evidencia Usa n con t ext o, es decir , a m s in for m a cin , la r espu est a es ms veloz y mejor Son tolerantes a fallas, o sea, que la falla es degradada Su diseo y anlisis es uniforme Tienen analoga neuro-biolgica Su pr ocesa m ien t o es m a siva m en t e, en pa r a lelo, dist r ibu ido y realizado con operaciones individuales simples Aprenden por s mismas Tienen capacidad de generalizar Aplicaciones: Repr esen t a cin de com por t a m ien t os de fu n cion es lin ea les y no lineales Identificacin de patrones o sistemas Sistemas de control Reconocimiento de imgenes Reconocimiento de caracteres Reconstruccin de datos Prediccin y recomendacin para la toma de decisiones Simulacin de modelos econmicos y financieros Clasificacin de objetos Predicciones de clima Aprendizaje: E l a pr en diza je es la a ccin de m ejor a r el com por t a m ien t o m edia n t e la obser va cin de u n er r or pa sa do con la fin a lida d de dism in u ir el er r or . E so se pr odu ce m odifica n do los pesos de la red neuronal. Tipos: Supervisado No supervisado Por refuerzo

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ALGORITMOS GE N TICOS: E st e m t odo sim u la la evolu cin n a t u r a l de la s especies pr opu est a por Ch a r les Da r win , fu e idea do por J oh n H olla n d en 1970. La in for m a cin va su fr ien do ca m bios igu a l qu e lo h a r a n la s especies, es decir se va n a da pt a n do a l en t or n o, lo cu a l se lleva a ca bo por m edio de los pr ocesos de seleccin n a t u r a l, m ezcla , y m u t a cin . E n ca da ciclo (it er a cin ) u n a pa r t e del con ju n t o de h ipt esis con ocido com o pobla cin a ct u a l , es r eem pla za do por u n a n u eva pobla cin m edia n t e la s fu n cion es evolu t iva s a n t er ior es. As su cesiva m en t e en ca da ciclo la pobla cin es eva lu a da en ba se a u n a fu n cin evolu t iva , sien do con ser va dos los da t os m s exa ct os, y sien do elim in a dos los da t os qu e pr esen t a n er r or (seleccin n a t u r a l). P a r a con ser va r el n m er o de in dividu os (da t os) est os son m ezcla dos, lo cu a l gen er a n u evos in dividu os sim ila r es a su s pr ocr ea dor es. F in a lm en te ca da cier t o t iem po o da da cier t a ca n t ida d de in dividu os, a lgu n os de los n u evos in dividu os son m u t a dos a lea t or ia m en t e, pu dien do ser con ser va dos o elim in a dos en la pr xim a it er a cin depen dien do de su utilidad dentro del sistema. SISTE MAS E XP E RTOS: E st os sist em a s t r a t a n de em u la r la exper ien cia a dqu ir ida por u n o o m s ser es h u m a n os a lo la r go del t iem po pa r a r ea liza r u n t r a ba jo. E st e sist em a t en dr en su m em or ia u n a ba se de da t os con m lt iples solu cion es a u n m ism o pr oblem a , lu ego el sist em a t en dr qu e escoger de en t r e esa s solu cion es a la qu e pu eda a plica r se a fin de logr a r los m ejor es r esu lt a dos. E l sist em a se cr ea ba s n dose en la s exper ien cia s h u m a n a s, la eleccin de la est r u ct u r a de con t r ol depen der de la s ca r a ct er st ica s del t r a ba jo en don de se a plica r , a dem s el sist em a podr ir a pr en dien do con el t iem po y a lm a cen a r su s pr opia s exper ien cia s, exist e m u ch a a n a loga entre los sistemas expertos y los sistemas neuro-fuzzy.

6.4. Estrategias de ControlCONTROL E N CASCADA (Ca sca de) : Con sist e en in clu ir u n o o m s la zos de con t r ol in t er n o den t r o de ot r o ext er n o, con el objet ivo de a n u la r per t u r ba cion es, im pidien do qu e est a s per t u r ba cion es secu n da r ia s a fect en a l sist em a pr in cipa l. B sica m en t e el con t r ola dor ext er n o se en ca r ga de la va r ia ble pr in cipa l, m ien t r a s qu e los con t r ola dor es in t er n os se en ca r ga n de la s per t u r ba cion es m s fr ecu en t es. Com o r egla gen er a l, a m s in t er n o es el la zo, la r espu est a de este debe ser ms rpido. Ventajas: La s per t u r ba cion es m s fr ecu en t es son cor r egida s a n t es de afectar a la variable principal. Permite usar ganancias altas.

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Tiene una rpida respuesta Diagrama de bloques:

Ref. CONTR CONTR ACT PROC ACT PROC

SENSOR

Salida

SENSOR

CONTROL DE RE LACIN (Ra t io) : Con sist e en a n a liza r y m a n t en er u n a pr opor cion a lida d en t r e dos o m s elem en t os (a ct u a dor es) den t ro de un proceso continuo. P or ejem plo se u sa com n m en t e cu a n do t ien en qu e in gr esa r dos lqu idos a u n t a n qu e, y don de la ca n t ida d del pr im er lqu ido debe ser el doble qu e la del segu n do, a dem s los lqu idos deben en t r a r con st a n t em en t e a l tanque.A A=2B B

P a r a con t r ola r est e t a n qu e se h a r u so de u n sen sor de flu jo, u n con t r ola dor y u n a ct u a dor , por ca da ln ea . Sin em ba r go si se a plica con t r ol por r ela cin , se h a r u so de dos sen sor es de flu jo, u n con t r ola dor , u n a ct u a dor , y u n con t r ol de r ela cin , lo qu e sign ifica u n a h or r o de in st r u m en t os y u n sist em a m a s sen cillo de su per visa r y reparar.FY

FC FE

FC FEFC

A

BA

FE

FE

B

Control comn

Control de relacin

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CONTROL DE RANGO DIVIDIDO (Split r a n ge) : E s a plica do a sist em a s con u n a sola va r ia ble con t r ola da y dos o m s va r ia bles m a n ipu la da s, la s cu a les a fect a n de igu a l for m a a la va r ia ble con t r ola da . Requ ier e com pa r t ir la se a l de sa lida del con t r ola dor con varios elementos actuadores. Diagrama de bloques :

ACTUADOR 1SetPoint

Perturbacin

Salida

+

CONTROLADOR ACTUADOR 1

PROCESO

ACTUADOR n

SENSOR

CONTROL SE LE CTIVO (Over r ide) : Con sist e en ejer cer con t r ol sobr e dos va r ia bles de u n pr oceso, r ela cion a s en t r e s de t a l m odo qu e u n a u ot r a pu eda ser con t r ola da por la m ism a va r ia ble m a n ipu la da . La accin de con t r ol se logr a con ect a n do la sa lida de los con t r ola dor es a u n swit ch select or . E s a plica do en segu r ida d y pr ot eccin de equ ipos y motores. Diagrama de bloques:

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SENSOR

Ref 1 CONTROLADOR PROCESO Salida SWITCH SELECTOR ACTUADOR

Ref 2 CONTROLADOR PROCESO

Salida

SENSOR

CONTROL INF E RE NCIAL : Con sist e en efect u a r la m edicin de la va r ia ble con t r ola da a t r a vs de ot r a va r ia ble r ela cion a da , con sider a da va r ia ble secu n da r ia (per o depen dien t e de la pr in cipa l). Los com pon en t es de est e sist em a son los m ism os qu e los de u n sist em a de con t r ol r ea lim en t a do m s u n a u n ida d de com pu t o lla m a da est im a dor . Se a plica a pr ocesos don de la obt en cin de in for m a cin o la m edicin n o se pu ede lleva r a ca bo por m ot ivos de qu e n o exist e u n elem en t o m edidor pa r a ese t ipo de pa r m et r os, o si exist e es dem a sia do ca r o, o t a m bin por qu e n o se pu ede m edir con st a n t em en t e el pa r m et r o, lo qu e h a ce qu e se a dqu ier a n m u y poca s m u est r a s en u n t iem po m u y la r go. P or ejem plo t en em os la m edicin del con t en ido de h u m eda d en slidos en operaciones de secado.

PERTURBACIN Ref. Salida

CONTROLADOR

ACTUADOR

PROCESO

ESTIMADOR

SENSOR

VARIABLE SECUNDARIA

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COMP E NSACION DE TIE MP O MUE RTO: E l t iem po m u er t o es el in t er va lo de t iem po de r espu est a desde qu e se in gr esa u n a se a l en la en t r a da a u n com pon en t e o u n sist em a , y el com ien zo de u n a se a l de r espu est a por la sa lida del sist em a . E l t iem po m u er t o pr esen t a la pr in cipa l dificu lt a d en los dise os de sist em a s de con t r ol est a ble. Com o u n a r egla pr ct ica pu ede a dopt a r se la sigu ien t e r egla : si el t iem po m u er t o de u n pr oceso es m a yor qu e 1.5 veces su con st a n t e de tiempo ( ), se r equ ier e com pen sa dor de t iem po m u er t o. Don de ( ), es el t iem po n ecesa r io pa r a qu e u n pr oceso de pr im er or den a lca n ce u n a r espu est a igu a l a l 63.2% de su r espu est a fin a l, cu a n do se le som et e a un estmulo escaln.

Perturbacin

RefCONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

Compensador

e-ksSalida

SENSOR

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Captulo IIAUTOMATIZACIN INDUSTRIAL1. PANORAMA DE LA AUTOMATIZACINUn sist em a de a u t om a t iza cin pr ovee u n a in t er fa se en t r e el h om br e y el pr oceso, el t ipo de pr oceso a desa r r olla r ser qu ien defin a el sist em a de a u t om a t iza cin a u sa r . La a u t om a t iza cin debe ser con sider a da com o u n a h er r a m ien t a pa r a el per son a l o oper a r ios, ya qu e bu sca h a cer m s eficien t e el t r a ba jo; se debe t en er en cu en t a qu e es el oper a r io qu ien con oce el pr oceso, m ien t r a s qu e el per son a l qu e dise a e in st a la el sist em a de a u t om a t iza cin solo le brinda facilidades tcnicas para poder producir ms y mejor. P or t a n t o se t en dr qu e el oper a dor especia liza do en u n pr oceso, ser qu ien dict e la s pa u t a s de com por t a m ien t o y a ccin a l sist em a de automatizacin, que rige el proceso en cuestin.

PROCESO

SISTEMA DE AUTOMATIZACIN

OPERARIO

E n u n pr oceso pr odu ct ivo n o siem pr e se ju st ifica la im plem en t a cin de sist em a s de a u t om a t iza cin , per o exist en cier t a s se a les in dica dor a s qu e ju st ifica n y h a cen n ecesa r io la im plem en t a cin de est os sist em a s, los indicadores principales son los siguientes: Requerimientos de un aumento en la produccin Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos Necesidad de bajar los costos de produccin Escasez de energa Encarecimiento de la materia prima

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Necesidad de proteccin ambiental Necesidad de brindar seguridad al personal Desarrollo de nuevas tecnologas La a u t om a t iza cin solo es via ble si a l eva lu a r los ben eficios econ m icos y socia les de la s m ejor a s qu e se podr a n obt en er a l a u t om a t iza r , estas son mayores a los costos de operacin y mantenimiento del sistema. La a u t om a t iza cin de u n pr oceso fr en t e a l con t r ol m a n u a l del m ism o pr oceso, br in da cier t a s ven t a ja s y ben eficios de or den econ m ico, socia l, y tecnolgico, pudindose resaltar las siguientes: Se a segu r a u n a m ejor a en la ca lida d del t r a ba jo del oper a dor y en el desa r r ollo del pr oceso, est o depen der de la eficien cia del sistema implementado. Se obt ien e u n a r edu ccin de cost os, pu est o qu e se r a cion a liza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento. E xist e u n a r edu ccin en los t iem pos de pr ocesa m ien t o de informacin. F lexibilida d pa r a a da pt a r se a n u evos pr odu ct os (fa br ica cin flexible y multifabricacin). Se obt ien e u n con ocim ien t o m s det a lla do del pr oceso, m edia n t e la recopilacin de informacin y datos estadsticos del proceso. Se obt ien e u n m ejor con ocim ien t o del fu n cion a m ien t o y per for m a n ce de los equ ipos y m qu in a s qu e in t er vien en en el proceso. Factibilidad tcnica en procesos y en operacin de equipos. F a ct ibilida d pa r a la im plem en t a cin de fu n cion es de a n lisis, optimizacin y autodiagnstico. Au m en t o en el r en dim ien t o de los equ ipos y fa cilida d pa r a incorporar nuevos equipos y sistemas de informacin. Disminucin de la contaminacin y dao ambiental. Racionalizacin y uso eficiente de la energa y la materia prima. Au m en t o en la segu r ida d de la s in st a la cion es y la pr ot eccin a los trabajadores. E xist en cier t os r equ isit os de su m a im por t a n cia qu e debe cu m plir se a l a u t om a t iza r , de n o cu m plir se con est os se est a r a a fect a n do la s ven t a ja s de la a u t om a t iza cin , y por t a n t o n o se podr a obt en er t odos los ben eficios qu e est a brinda, estos requisitos son los siguientes: Com pa t ibilida d electromagntica: Debe exist ir la ca pa cida d pa r a oper a r en u n a m bien t e con r u ido elect r om a gn t ico pr odu cido por m ot or es y m qu in a de r evolu cin . P a r a solu cion a r est e pr oblem a gen er a lm en t e se h a ce u so de pozos a t ier r a pa r a los in st r u m en t os (m en or a 5 ), est a biliza dor es fer r o-r eson a n t es pa r a la s ln ea s de en er ga , en a lgu n os equ ipos u bica dos a dist a n cia s gr a n des del

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t a bler o de a lim en t a cin apantalladas.

(>40m )

se

h a ce

u so

de

celda s

E xpa n sibilida d y esca la bilida d: E s u n a ca r a ct er st ica del sist em a qu e le per m it e cr ecer pa r a a t en der la s a m plia cion es fu t u r a s de la pla n t a , o pa r a a t en der la s oper a cion es n o t om a da s en cu en t a a l in icio de la a u t om a t iza cin . Se a n a liza ba jo el cr it er io de a n lisis costo-ben eficio, t pica m en t e su ele deja r se u n a r eser va en capacidad instalada ociosa alrededor de 10% a 25%. Manutencin: Se r efier e a t en er dispon ible por pa r t e del pr oveedor , u n gr u po de per son a l t cn ico ca pa cit a do den t r o del pa s, qu e br in de el sopor t e t cn ico a decu a do cu a n do se n ecesit e de m a n er a r pida y con fia ble. Adem s im plica qu e el pr oveedor cuente con repuestos en caso sean necesarios. Sist em a a bier t o: Los sist em a s deben cu m plir los est n da r es y especifica cion es in t er n a cion a les. E st o ga r a n t iza la in t er con ect ibilida d y com pa t ibilida d de los equ ipos a t r a vs de interfaces y protocolos, tambin facilita la interoperabilidad de las aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.

2. SISTEMAS DE AUTOMATIZACINEn los sistemas automatizados la inteligencia del proceso esta dado no por el ser h u m a n o, sin o qu e es gober n a da por u n a u n ida d de con t r ol. La t ecn ologa u sa da h a a dopt a do difer en t es for m a s desde a u t om a t ism os mecnicos hasta los actuales automatismos con inteligencia artificial. La com bin a cin de la in t eligen cia de los a u t m a t a s pr ogr a m a bles con los a ccion a dor es in du st r ia les, a s com o el desa r r ollo de ca pt a dor es y accionadores ca da da m s especia liza dos, per m it e qu e se a u t om a t ice u n m a yor n m er o de pr ocesos. Los a u t m a t a s h a n evolu cion a do in cor por a n do nuevas formas de procesar la informacin y ampliando sus funciones,.

2.1. Elementos de una Instalacin AutomatizadaMAQUINAS : Son los equ ipos m ec n icos qu e r ea liza n los pr ocesos, traslados, transformaciones, etc. de los productos o materia prima. ACCIONADORE S : Son equ ipos a copla dos a la s m qu in a s, y qu e permit en r ea liza r m ovim ien t os, ca len t a m ien t o, en sa m bla je, em ba la je. Pueden ser:

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Accion a dor es elct r icos: Usa n la en er ga elct r ica , son por ejem plo, elect r ov lvu la s, m ot or es, r esist en cia s, ca beza s de soldadura, etc. Accion a dor es n eu m t icos: Usa n la en er ga del a ir e com pr im ido, son por ejemplo, cilindros, vlvulas, etc. Accion a dor es h idr u licos: Usa n la en er ga de la pr esin del a gu a , se usan para controlar velocidades lentas pero precisas. P RE ACCIONADORE S : Se u sa n pa r a com a n da r y a ct iva r los a ccion a dor es. P or ejem plo, con t a ct or es, swit ch s, va r ia dor es de velocidad, distribuidores neumticos, etc. CAP TADORE S : Son los sen sor es y t r a n sm isor es, en ca r ga dos de ca pt a r la s se a les n ecesa r ia s pa r a con ocer el est a dos del pr oceso, y lu ego enviarlas a la unidad de control. INTE RF AZ H OMBRE -MQUINA : P er m it e la com u n ica cin en t r e el oper a r io y el pr oceso, pu ede ser u n a in t er fa z gr fica de com pu t a dor a , pulsadores, teclados, visualizadores, etc. E LE ME NTOS DE MANDO : Son los elem en t os de c lcu lo y con t r ol qu e gobier n a n el pr oceso, se den om in a n a u t m a t a s, y con for m a n la u n ida d de control. Los sist em a s a u t om a t iza dos se con for m a n de dos pa r t es: pa r t e de mando y parte operativa: P ARTE DE MANDO : E s la est a cin cen t r a l de con t r ol o a u t m a t a . E s el elem en t o pr in cipa l del sist em a , en ca r ga do de la su per visin , m a n ejo, correccin de errores, comunicacin, etc. P ARTE OP E RATIVA : E s la pa r t e qu e a ct a dir ect a m en t e sobr e la m qu in a , son los elem en t os qu e h a cen qu e la m qu in a se m u eva y r ea lice la s a ccion es. Son por ejem plo, los m ot or es, cilin dr os, compresoras, bombas, rels, etc.

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ACCIONADORES

PRE ACCIONADOR UNIDAD DE CONTROL

PROCESO

CAPTADOR

INTERFAZ Hombre - Mquina

COMUNICACIN con unid. control

2.2. Autmatas ProgramablesLos a u t m a t a s son u n ida des de con t r ol, con for m a da s por equ ipos electrnicos, los cu a les cu en t a n con u n ca blea do in t er n o in depen dien t e del pr oceso a con t r ola r (h a r dware), y m edia n t e a lgor it m os defin en la est r a t egia y ca m in os a segu ir pa r a con t r ola r u n pr oceso (software). E st os equ ipos son con ect a dos h a cia los disposit ivos de m edida (sen sor es) y h a cia los disposit ivos en ca r ga dos de r ea liza r a ccion es (a ct u a dor es). Un a vez qu e el a u t m a t a est a pr ovist o de u n a lgor it m o en su m em or ia , y qu e a dem s cu en t a con la s con exion es r espect iva s h a cia los equ ipos de pla n t a , se con vier t e en el cer ebr o de la f br ica , t en ien do a su ca r go el desem pe o y fu n cion a m ien t o de t oda la ca den a pr odu ct iva ; los oper a r ios deben su per visa r qu e est e se com por t e t a l como se haba planificado y conforme a la lgica ideada por el programador. Funciones del Autmata y del Sistema E l a u t m a t a debe r ea liza r sim u lt n ea m en t e m u ch a s fu n cion es, sien do las principales: Deteccin y lectura de las seales que envan los captadores E la bor a r y en via r la s a ccion es de m a n do y con t r ol a l sist em a , a travs de los accionadores y pre-accionadores Ma n t en er u n di logo con los oper a r ios, in for m a n do el est a do del proceso y detectando fallas P er m it e ser r epr ogr a m a do con u n n u evo a lgor it m o de su per visin y control E l con ju n t o de elem en t os qu e con for m a n el sist em a a u t om a t iza do deben de in t er a ct u a r y desem pe a r cier t a s fu n cion es qu e son de ca r ct er general para todo el sistema, estas son:

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E st a blecer com u n ica cion es en t r e la s diver sa s pa r t es del sist em a , as como la comunicacin con otros sistemas. Realizan tareas de supervisin y deteccin de fallas Deben controlar tanto procesos continuos, como procesos discretos A t r a vs de u n bu s de ca m po o ca ble de com u n ica cin , deben recoger la informacin de procesos remotos. Estructura de un Autmata La s u n ida des autmatas pr ogr a m a bles, in t er n a m en t e se ven constituidas por los siguientes dispositivos: F u en t e de a lim en t a cin : br in da el su m in ist r o elct r ico a la u n ida d, per m it e la con ver sin de la en er ga a lt er n a de la r ed elct r ica a en er ga con t in u a r equ er ida por los com pon en t es electrnicos. Ta r jet a pr ocesa dor a : es el cer ebr o del a u t m a t a pr ogr a m a ble qu e in t er pr et a la s in st r u ccion es qu e con st it u yen el pr ogr a m a gr a ba do en la m em or ia , in t er pr et a y dedu ce la s oper a cion es a r ea liza r , y acciones de control o supervisin a llevarse a cabo. Tarjet a de m em or ia : con t ien e los com pon en t es elect r n icos qu e per m it en m em or iza r el pr ogr a m a , los da t os de los sen sor es (se a les de en t r a da ) y los a ccion a dor es qu e deben r ea liza r los actuadores (seales de salida). Mdu los de en t r a da /sa lida , son t a r jet a qu e per m it en el con exion a do con disposit ivos de en t r a da y/o sa lida t a n t o de t ipo analgico como de tipo digital La u n ida d a u t m a t a pu ede ver se com plem en t a da con u n ida des per ifr ica s de en t r a da y sa lida , com o es u n a con sola de pr ogr a m a cin pa r a digitar e ingresar los algoritmos, o una pantalla para una presentacin grfica del proceso y los parmetros del sistema.

Seleccin del Autmata La seleccin del a u t m a t a qu e se va a em plea r va a depen der del t ipo de pr oceso y de la s fu n cion es qu e se qu ier a r ea lice el sist em a . H a y qu e t en er en cuenta los siguientes factores: Factores Cuantitativos: Toma en consideracin factores numricos y de cantidad. E n t r a da s y Sa lida s: Se debe det er m in a r la ca n t ida d de se a les de en t r a da y sa lida qu e exist a n en el sist em a y qu e m er ezca n con ect a r se a l con t r ola dor , lu ego se debe det er m in a r si la s en t r a da s/sa lida s son de

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tipo analgico o de tipo discreto. Conocida la cantidad, a este total se le debe a gr ega r en t r e 10 y 20% a dicion a l (r eser va pa r a fu t u r a s a m plia cion es). Depen dien do de la u bica cin de los elem en t os qu e va n con ect a dos a l con t r ola dor , pu ede da r se el ca so qu e se en cu en t r en m u y leja n os por lo qu e se pr esen t a r pr oblem a s de a t en u a cin y r u ido en el ca blea do; fr en t e a est o se pu ede opt a r por el con t r ol dist r ibu ido, es decir , coloca r va r ios con t r ola dor es en dist in t os pu n t os de la s in st a la cion es, y ca da qu ien m a n eja r u n det er m in a do n m er o de entradas/salidas. Memoria: Se debe con sider a r la m em or ia del sist em a y la m em or ia lgica. La cantidad de memoria del sistema esta directamente ligado al n m er o de en t r a da s y sa lida s y a l t ipo de est a s, a s t en em os qu e u n a entrada/salida digit a l ocu pa 1 bit de in for m a cin , m ien t r a s qu e u n a en t r a da /sa lida a n a lgica ocu pa 16 bit s. La m em or ia lgica est a r efer ida a la ca n t ida d de in for m a cin qu e se debe de a lm a cen a r a r a z del a lgor it m o de con t r ol, ca da in st r u ccin va a su m a r 1 2 byt es, pero los com a n dos de m a yor jer a r qu a (t im er s, con t a dor es, su m a dor es, con ver sor es, et c.) n ecesit a r n m s m em or ia . Se debe con sider a r el t a m a o de la s m em or ia s, lu ego a dicion a r les u n por cen t a je de r eser va , y ubicar la memoria comercial ms acorde con las necesidades (1K, 2K, 4K, 8Kbytes, etc.) Alimentacin: Depen dien do de la ca n t ida d de m du los de en t r a da /sa lida qu e se t en ga qu e gest ion a r , el a u t m a t a r equ er ir m a yor n ivel de a m per a je a u n volt a je con st a n t e, por cu a n t o la fu en t e de a lim en t a cin debe est a r pla n ifica da pa r a sopor t a r dich o r equ er im ien t o de cor r ien t e. Adicion a lm en t e es r ecom en da ble con t a r con fuentes de reserva en caso de que la principal deje de operar. Perifricos: H a y qu e con sider a r qu e el a u t m a t a pu ede con ect a r se a disposit ivos ext er n os, pa r a lo cu a l debe con t a r con los pu er t os n ecesa r ios pa r a la con exin . E n el m er ca do exist en a u t m a t a s a qu ien es se les pu ede con ect a r im pr esor a s, m on it or es, u n ida des de disco, visualizadores y teclados alfanumricos, unidades de cinta, etc. Factores Cualitativos: Tom a en con sider a cin fa ct or es de cu a lida d, ca lida d, desem pe o, y m odo de trabajo. Con dicion es fsica s y a m bien t a les: E l a m bien t e de t r a ba jo en don de debe oper a r el a u t m a t a es det er m in a n t e cu a n do se debe elegir la con fia bilida d y r obu st ez del equ ipo, pu est o qu e u n equ ipo de m a yor ca lida d es m s cost oso, la pla n ifica cin debe con sider a r n o sobr eest im a r la s con dicion es del a m bien t e (polvo, h u m eda d, temperatura) y r equ er ir u n equ ipo de m u ch a m a yor r obu st ez a l

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r ea lm en t e n ecesit a do. E n gen er a l los fa br ica n t es r ea liza n u n a ser ie de pr u eba s cu yos r esu lt a dos se r efleja n en la s ca r a ct er st ica s t cn ica s de los equ ipos: rango de t em per a t u r a de t r a ba jo y a lm a cen a je, vibr a cin soportada, nivel de interferencia, humedad, tipo de case, etc. Tipo de control: Determinar el tipo de control a emplear es una funcin de los ingenieros de control, y depender de la complejidad del proceso, a s com o de la n ecesida d de con t a r con ba cku ps. Se pu ede opt a r por u n con t r ol cen t r a liza do o u n o dist r ibu ido, por u n con t r ol P ID o u n o adaptativo, etc. Ser vicios a dicion a les: E st a da do por la s ven t a ja s a dicion a les con qu e cu en t a u n equ ipo en r ela cin a ot r o, com o pu ede ser : el soft wa r e de pr ogr a m a cin pu ede ser m s a m iga ble, m s com pr en sible, con u n en t or n o gr fico, ejem plos desa r r olla dos, et c.; cier t os equ ipos pu eden da r u n a m a yor ga r a n t a , qu e cu br e m s sit u a cion es de oper a cin , o sim plem en t e cu br en por u n m a yor la pso de t iem po; el t r a t o del su m in ist r a dor t a m bin es im por t a n t e a la h or a de decidir se por u n equ ipo u ot r o, a dem s los su m in ist r a dor es pu eden br in da r cu r sos gr a t u it os de ca pa cit a cin pa r a el per son a l a ca r go, a sist en cia t cn ica y m a n t en im ien t o per m a n en t e; dispon ibilida d en st ock den t r o del pa s, del pr odu ct o a s com o de los com pon en t es in t er n os (r epu est os, en ca so sea necesario una reparacin); etc. Compatibilidad: E n a lgu n os ca sos se pr efer ir equ ipos de t ipo est n da r , m ien t r a s qu e en ot r os ca sos ser n ecesa r io equ ipos de t ipo pr opiet a r io. La eleccin del equ ipo en cu a n t o a su com pa t ibilida d est a r liga da a los dem s equ ipos exist en t es en la pla n t a . E n a lgu n os casos hay quienes prefieren una marca por que le tienen confianza y ya les h a da do bu en os r esu lt a do, en ca m bio h a y ot r os qu e n o qu ier en a m a r r a r se con u n solo su m in ist r a dor y pr efier en u sa r equ ipos compatibles.

2.3. Ciclos del ProgramaE l con t r ola dor o a u t m a t a pr ogr a m a ble, t ien e a lm a cen a do en su m em or ia u n a lgor it m o o pr ogr a m a de in st r u ccion es, est e a lgor it m o con t ien e u n pr ogr a m a pr in cipa l o pa r t e fu n da m en t a l, y su bpr ogr a m a s o pa r t es secundarias. P a r a la s a plicaciones con a u t m a t a s pr ogr a m a bles el u su a r io programador necesita de u n a com u n ica cin con la m qu in a pa r a pr ogr a m a r y depu r a r el pr ogr a m a , pa r a a cceder a los est a dos de pla n t a y pa r a for za r secu en cia s de m a n do sobr e el sist em a . P a r a lleva r a ca bo est a s fun cion es se r equ ier e de u n ida des de pr ogr a m a cin , equ ipos y soft wa r e, con in t er fa ces sen cilla s pa r a el u su a r io, y con ca n a les y pr ot ocolos de con exin con el

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autmata estandarizados. E l oper a dor debe poder a cceder a la s fu n cion es qu e n ecesit a (pr ogr a m a cin , depu r a cin , visu a liza cin , for za do, et c.) de for m a r pida y flexible, seg n pr ocedim ien t os qu e le fa cilit a n la u t iliza cin del autmata en cu a lqu ier pr oceso in du st r ia l. E st os equ ipos a u xilia r es son con for m a dos por u n ida des de pr ogr a m a cin , dia gn st ico y t est , dest in a da s a fa cilit a r la edicin y pu est a a pu n t o de pr ogr a m a s pa r a el a u t m a t a ; Las u n ida des de pr ogr a m a cin u t iliza da s son en su m a yor a com pu t a dor a s personales. La ejecu cin de u n pr ogr a m a den t r o de u n con t r ola dor pr ogr a m a ble sigu e u n esqu em a cclico t ot a lm en t e difer en t e a l qu e sigu e u n a lgor it m o diseado para computadora. Un ciclo de programa se compone de los siguientes pasos: Oper a cion es de gest in del sist em a : Con sist e en el t r a t a m ien t o de la in for m a cin , t r a t a m ien t o de la s pet icion es y la s lla m a da s efect u a da s por el t er m in a l de pr ogr a m a cin y el en vo de mensajes al terminal. Lect u r a del est a do de la s en t r a da s: Con sist e en la lect u r a de los r egist r os de los m du los de en t r a da y el a lm a cen a m ien t o de est os datos en una memoria. Ejecucin del pr ogr a m a a lm a cen a do: E m pieza por la pr im er a ln ea y sigu e ejecu t a n do ln ea por ln ea h a st a la lt im a . Du r a n t e est a ejecu cin n o se con sider a u n a posible va r ia cin en el est a do de la s en t r a da s, el est a do de la s en t r a da s t e t om a del va lor a lm a cen a do en la m em or ia . Un a vez ejecu t a da la lt im a ln ea se graban los resultados nuevamente en la memoria. E scr it u r a de da t os de sa lida : Se efect a u n a t r a n sfer en cia de in for m a cin de la m em or ia a los m du los de sa lida . E l lt im o va lor qu e t om e la va r ia ble de sa lida ser a lm a cen a do en la memoria La ejecu cin del pr ogr a m a pr in cipa l y los su bpr ogr a m a s, pu ede r ea liza r se de dos maneras: E jecu cin cclica : Con sist e en en ca den a r los ciclos del pr ogr a m a u n o t r a s ot r o en for m a con t in u a y sin in t er r u pcion es. Despu s de a ct u a liza r la s sa lida s, el sist em a pa sa a r ea liza r el ciclo n u eva m en t e y a s su cesiva m en t e. E s el m t odo de ejecu cin por defecto.

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E jecu cin per idica : Con sist e en ejecu t a r el pr ogr a m a du r a n t e cier t o t iem po, o t a m bin du r a n t e u n n m er o defin ido de veces. Estos criterios pueden ser definidos por el operador.

2.4. Procesos de Operacin del SistemaLa a u t om a t iza cin de los pr ocesos in du st r ia les debe con t em pla r t odos los posibles est a dos en qu e se pu eden en con t r a r la s m qu in a s y los equ ipos. No siem pr e el sist em a va a fu n cion a r per fect a m en t e, se pr esen t a r n ca sos de fa lla s, qu e im pliqu en u n a pa r a da de em er gen cia del pr oceso y la correspondiente puesta en marcha nuevamente. Se debe con sider a r pr ior it a r io qu e el sist em a est e pr epa r a do pa r a a fr on t a r los diver sos pr ocesos, pa r a ello el pr ogr a m a del a u t m a t a deber pr ever qu e h a cer fr en t e a posibles pr oblem a s, a fin de r edu cir el t iem po de parada al mximo y permitir un proceso de re-arranque simple. Los pr ocedim ien t os pu eden dividir se en pr ocedim ien t os de pa r a da y pu est a en m a r ch a , pr ocedim ien t os de fu n cion a m ien t o, y pr ocedim ien t os de falla: P ARADA Y P UE STA E N MARCH A: E st r efer ido a los m odos de fu n cion a m ien t o en don de el sist em a se en cu en t r a pa r a do, pa r a lu ego ponerlo en marcha. Pueden ser: P a r a da en el est a do in icia l: Cor r espon de a l est a do de r eposo normal inicial. P a r a da solicit a da a fin a l del ciclo: Con sist e en h a cer qu e u n a m qu in a deje de oper a r cu a n do ya h a fin a liza do su ciclo de trabajo normal, la mquina pasa al estado de parada inicial. Parada solicit a da en u n est a do det er m in a do: La m qu in a t ien e qu e pa r a r por a lg n m ot ivo en u n a pa r t e in t er m edia de u n ciclo, pasa luego a estado de parada obtenida. P a r a da obt en ida : E s a qu ella pa r a en u n est a do in t er m edio de u n ciclo, pu eden exist ir diver sos gr a dos o pu n t os in t er m edios en el ciclo, esto va a estar definido en el programa. P r epa r a cin pa r a la pu est a en m a r ch a despu s de u n defect o: E n est e est a do se deben r ea liza r la s a ccion es n ecesa r ia s pa r a cor r egir la s fa lla s. F in a liza da la r epa r a cin , el oper a dor elegir com o y cuando reiniciar la mquina en el proceso productivo. P u est a del sist em a en est a do in icia l: Se r ea liza de for m a automtica, retornando la mquina a su estado inicial. P u est a del sist em a en u n est a do det er m in a do: E l oper a dor decide en qu e est a do debe em peza r a oper a r la m qu in a , depen dien do de en que parte del ciclo se encuentre el programa.

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PROCEDIMIENTOS DE FUNCIONAMIENTO: Pueden ser: P r odu ccin n or m a l: E s el est a do de pr odu ccin com n de funcionamiento automtico. Ma r ch a de pr epa r a cin : Son la s a ccion es n ecesa r ia s pa r a per m it ir que la mquina entre en funciones (Ej. calentamiento de un horno para presin de vapor). Ma r ch a de cier r e: Cor r espon de la fa se de va cia do o lim pieza qu e reciben las mquinas antes de parar. Ma r ch a de ver ifica cin sin or den : E l oper a dor h a ce fu n cion a r la m qu in a en for m a m a n u a l, pa r a ver ifica r su cor r ect o desem pe o, t a m bin se u sa pa r a posicion a r la m qu in a en u n det er m in a do estado o lugar. Ma r ch a de ver ifica cin con or den : La m qu in a r ea liza u n ciclo com plet o de fu n cion a m ien t o a l r it m o da do por el oper a dor . Se u sa para funciones de man

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