I N S T R U M E N T A C I O N

2014

UNIDAD 5CONTROL ASISTIDOS POR COMPUTADORA

EDITH GUILLEN

INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHETUMAL

CONTROLASISTIDOSPORCOMPUTADORAEl propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físicocomo voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. La adquisición dedatos basada en PC utiliza una combinación de hardware modular, softwarede aplicación y una PC para realizar medidas. Mientras cada sistema deadquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación, cadasistema comparte una meta en común de adquirir, analizar y presentarinformación. Los sistemas de adquisición de datos incorporan señales,sensores, actuadores, acondicionamiento de señales, dispositivos deadquisición de datos y software de aplicación.

La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma demuestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedanser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital).Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensioneseléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en unacomputadora o PAC. Se requiere una etapa de condicionamiento, que adecuala señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación aseñal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo dedigitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).

A lo largo del curso se ha observado que existen dos tipos de control, elanalógico y el digital, si bien es cierto que el primero es el mas usado enpaíses del tercer mundo como el nuestro; el segundo es hasta hoy, el masventajoso a emplear en los procesos industriales. Debido a lo cómodo queresulta tratar exclusivamente con números puros y ser ideal para laresolución de problemas numéricos. Asimismo la alta velocidad conseguidaen las señales de mando a los diversos instrumentos de control, permitemantener el set piont casi constante y monitoreado en todo momento.

Sin embargo este tipo de control frente al analógico, tiene la desventaja deque al muestrear el proceso pierde parte de la información. Lo anteriorpuede ser corregido con complejos algoritmos matemáticos (al comparareste y el analógico en cuestión de costos, el control digital pierdegravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en lamodificación de parámetros y variables que operan en el proceso.

Aunado a lo anterior, con el control digital asistido por computador sepuede:

• Lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejorproducción con menores costes gracias a la utilización eficiente del materialy del equipo.

• Mayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos.

• Mayor seguridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas escasi inmediata.

INTRODUCCION AL CONTROL ASISTIDO POR COMPUTADORAHoy en día, ante la complejidad creciente de los procesos industriales y elaumento en la producción de estos, resulta necesario desde el punto devista financiero lograr una producción óptima; que sea capaz de reducir suscostos y de proporcionar una calidad buena en sus productos. Lo anteriorsolo puede lograrse con un adecuado control industrial. A lo largo del cursose ha observado que existen dos tipos de control, el analógico y el digital, sibien es cierto que el primero es el mas usado en países del tercer mundocomo el nuestro; el segundo es hasta hoy, el mas ventajoso a emplear en losprocesos industriales.

Debido a lo cómodo que resulta tratar exclusivamente con números puros yser ideal para la resolución de problemas numéricos. Asimismo la altavelocidad conseguida en las señales de mando a los diversos instrumentos decontrol, permite mantener el set point casi constante y monitoreado en todomomento. Sin embargo este tipo de control frente al analógico, tiene ladesventaja de que al muestrear el proceso pierde parte de la información.Lo anterior puede ser corregido con complejos algoritmos matemáticos (alcomparar este y el analógico en cuestión de costos, el control digital pierdegravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en lamodificación de parámetros y variables que operan en el proceso. Aunado alo anterior, con el control digital asistido por computador se puede: Lograrmayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción conmenores costes gracias a la utilización eficiente del material y del equipo.

•Mayor calidad en los productos fabricados a costos muy reducidos.

• Mayor seguridad, ya que la acción de corrección y activación de alarmas escasi inmediata. Proporciona una gran cantidad de información a la direcciónde control, en forma simultánea y en tiempo real.

Adquisición de datosLa adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma demuestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedanser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital).Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensioneseléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en unacomputadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, queadecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace latransformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformaciónes el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).

Proceso de adquisición de datos

DefinicionesDato: Representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo ocaracterística de un valor. No tiene sentido en sí mismo, peroconvenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relación decálculos o toma de decisiones.

Adquisición: Recogida de un conjunto de variables físicas, conversión envoltaje y digitalización de manera que se puedan procesar en un ordenador.

Sistema: Conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre síofreciendo prestaciones más completas y de más alto nivel. Una vez que lasseñales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del busde datos a la memoria del PC. Una vez los datos están en memoria puedenprocesarse con una aplicación adecuada, archivarlas en el disco duro,visualizarlas en la pantalla, etc...

Bit de resolución: Número de bits que el convertidor analógico a digital(ADC) utiliza para representar una señal.

Rango: Valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento odispositivo funcionan bajo unas especificaciones.

Teorema de Nyquist: Al muestrear una señal, la frecuencia de muestreodebe ser mayor que dos veces el ancho de banda de la señal de entrada,para poder reconstruir la señal original de forma exacta a partir de susmuestras. En caso contrario, aparecerá el fenómeno del aliasing que seproduce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es imposiblerecuperar el original. Velocidad de muestreo recomendada:

*frecuencia mayor (medida de frecuencia)

*frecuencia mayor (detalle de la forma de onda)

Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensoresadecuados que convierten cualquier parámetro de medición de una señaleléctrica, que se adquiriere por el hardware de adquisición de datos. Losdatos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en un ordenador, ya seautilizando el proveedor de software suministrado u otro software. Loscontroles y visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajesde programación de propósito general como VisualBASIC, C++, Fortran,Java, Lisp, Pascal. Los lenguajes especializados de programación utilizadospara la adquisición de datos incluyen EPICS, utilizada en la construcción degrandes sistemas de adquisición de datos, LabVIEW, que ofrece un entornográfico de programación optimizado para la adquisición de datos, yMATLAB. Estos entornos de adquisición proporcionan un lenguaje deprogramación además de bibliotecas y herramientas para la adquisición dedatos y posterior análisis.

De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en unadigital para enviarla al ordenador, se puede también tomar una señal digitalo binaria y convertirla en una eléctrica. En este caso el elemento que hace latransformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos de salida, otarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera unprograma adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y, luego deprocesarla, es recibida por mecanismos que ejecutan movimientosmecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipotransductores.

Un sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores,amplificadores, convertidores analógico - digital (A/D) y digital - analógico(D/A), para procesar información acerca de un sistema físico de formadigitalizada.

¿Cómo se adquieren los datos?La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad físicade un objeto (objeto de la investigación) que se desea medir. Esta propiedadfísica o fenómeno podría ser el cambio de temperatura o la temperatura deuna habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, lapresión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchasotras cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos pueden medir todosestos diferentes propiedades o fenómenos.

Un sensor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómenoen una señal eléctrica correspondiente medible, tal como tensión, corriente,el cambio en los valores de resistencia o condensador, etc. La capacidad deun sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenosdepende de los transductores para convertir las señales de los fenómenosfísicos mensurables en la adquisición de datos por hardware. Transductoresson sinónimo de sensores en sistemas de DAQ. Hay transductoresespecíficos para diferentes aplicaciones, como la medición de latemperatura, la presión, o flujo de fluidos. DAQ también despliega diversastécnicas de acondicionamiento de Señales para modificar adecuadamentediferentes señales eléctricas en tensión, que luego pueden ser digitalizadosusando CED.

Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) oanalógicas en función del transductor utilizado.

El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde eltransductor no es adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La señalpuede ser amplificada o desamplificada, o puede requerir de filtrado, o uncierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar demodulación.Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el puentede conclusión, la prestación actual de tensión o excitación al sensor, elaislamiento, linealización, etc. Este pretratamiento de la señal normalmentelo realiza un pequeño módulo acoplado al transductor.

DAQ hardware son por lo general las interfaces entre la señal y un PC.Podría ser en forma de módulos que pueden ser conectados a lacomputadora de los puertos (paralelo, serie, USB, etc...) o ranuras de lastarjetas conectadas a (PCI, ISA) en la placa madre. Por lo general, elespacio en la parte posterior de una tarjeta PCI es demasiado pequeño paratodas las conexiones necesarias, de modo que una ruptura de caja externaes obligatorio. El cable entre este recuadro y el PC es cara debido a losnumerosos cables y el blindaje necesario y porque es exótico. Las tarjetasDAQ a menudo contienen múltiples componentes (multiplexores, ADC, DAC,TTL-IO, temporizadores de alta velocidad, memoria RAM). Estos sonaccesibles a través de un bus por un micro controlador, que puede ejecutarpequeños programas. El controlador es más flexible que una unidad lógicadura cableada, pero más barato que una CPU de modo que es correcto parabloquear con simples bucles de preguntas.

Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otrosproveedores, y permite que el sistema operativo pueda reconocer elhardware DAQ y dar así a los programas acceso a las señales de lectura porel hardware DAQ. Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso.

Ejemplos de Sistemas de Adquisición y control: • DAQ para recoger datos(datalogger) medioambientales (energías renovables e ingeniería verde). •DAQ para audio y vibraciones (mantenimiento, test). • DAQ + control demovimiento (corte con laser). • DAQ + control de movimiento+ visiónartificial (robots modernos).

Tiempo de conversiónEs el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, ydependerá de la tecnología de medida empleada. Evidentemente nos da unacota máxima de la frecuencia de la señal a medir.

Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibeuna señal de inicio de "conversión" (normalmente llamada SOC, Start of

Conversión) hasta que en la salida aparece un dato válido. Para que tengamosconstancia de un dato válido tenemos dos caminos:

• Esperar el tiempo de conversión máximo que aparece en la hoja decaracterísticas.

• Esperar a que el convertidor nos envíe una señal de fin de conversión.

Si no respetamos el tiempo de conversión, en la salida tendremos un valor,que dependiendo de la constitución del convertidor será:

• Un valor aleatorio, como consecuencia de la conversión en curso

• El resultado de la última conversión

La etapa de acondicionamiento de la señal

Con más detalle, en una etapa de acondicionamiento podemos encontrarestas etapas, aunque no todas están siempre presentes:

• Amplificación

• Excitación

• Filtrado

• Multiplexado

• Aislamiento

• Linealización

Amplificación ¬ Es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir lamayor precisión posible la señal de entrada debe ser amplificada de modoque su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor puedaleer.

Aislamiento - Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal esel aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para protegeral mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivoadicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas delconvertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o portensiones en modo común.

Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas amasa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entreambas masas, apareciendo un "bucle de masa", que puede devolverresultados erróneos.

Multiplexado - El multiplexado es la conmutación de las entradas delconvertidor, de modo que con un sólo convertidor podemos medir los datosde diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor estámidiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será laoriginal dividida por el número de canales muestreados. Se aconseja que losmultiplexores se utilizen antes del conversor y después delcondicionamiento del señal, ya que de esta manera no molestará a losaislantes que podamos tener.

Filtrado - El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal queestamos observando. Por ejemplo, en las señales cuasi-continuas, (como latemperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz, que eliminaráinterferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica.

Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto defiltro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero conun corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayorfrecuencia que la máxima a medir, ya que se si no se eliminasen apareceríansuperpuestas a la señal medida, con el consiguiente error.

Excitación - La etapa de acondicionamiento de señal a veces generaexcitación para algunos transductores, como por ejemplos las galgas"extesométricas", "termistores" o "RTD", que necesitan de la misma, bienpor su constitución interna, (como el termistor, que es una resistenciavariable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan(como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente deWheatstone).

Linealización - Muchos transductores, como los termopares, presentan unarespuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendomedidos. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodosnuméricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea elhacer esta corrección mediante circuitería externa.

Ejemplo:A veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control, y portanto la información recibida se procesa para obtener una serie de señalesde control. En este diagrama podemos ver los bloques que componen nuestrosistema de adquisición de datos:

Como vemos, los bloques principales son estos:

• Transductor

• El acondicionamiento de señal

• El convertidor analógico-digital

• La etapa de salida (interfaz con la lógica)

El transductor es un elemento que convierte la magnitud física que vamos amedir en una señal de salida (normalmente tensión o corriente) que puedeser procesada por nuestro sistema. Salvo que la señal de entrada seaeléctrica, podemos decir que el transductor es un elemento que convierteenergía de un tipo en otro. Por tanto, el transductor debe tomar pocaenergía del sistema bajo observación, para no alterar la medida.

El acondicionamiento de señal es la etapa encargada de filtrar y adaptar laseñal proveniente del transductor a la entrada del convertidor analógico /digital. Esta adaptación suele ser doble y se encarga de:

• Adaptar el rango de salida del transductor al rango de entrada delconvertidor.(Normalmente en tensión).

• Acoplar la impedancia de salida de uno con la impedancia de entrada delotro.

La adaptación entre los rangos de salida del convertidor y el de entrada delconvertidor tiene como objetivo el aprovechar el margen dinámico delconvertidor, de modo que la máxima señal de entrada debe coincidir con lamáxima que el convertidor (pero no con la máxima tensión admisible, ya quepara ésta entran en funcionamiento las redes de protección que elconvertidor lleva integrada).

Por otro lado, la adaptación de impedancias es imprescindible ya que lostransductores presentan una salida de alta impedancia, que normalmente no

puede excitar la entrada de un convertidor, cuya impedancia típica sueleestar entre 1 y 10 k.

El convertidor analógico/digital es un sistema que presenta en su salida unaseñal digital a partir de una señal analógica de entrada, (normalmente detensión) realizando las funciones de cuantificación y codificación.

La cuantificación implica la división del rango continuo de entrada en unaserie de pasos, de modo que para infinitos valores de la entrada la salidasólo puede presentar una serie determinada de valores. Por tanto lacuantificación implica una pérdida de información que no podemos olvidar.

La codificación es el paso por el cual la señal digital se ofrece según undeterminado código binario, de modo que las etapas posteriores alconvertidor puedan leer estos datos adecuadamente. Este paso hay quetenerlo siempre en cuenta, ya que puede hacer que obtengamos datoserróneos, sobre todo cuando el sistema admite señales positivas y negativascon respecto a masa, momento en el cual la salida binaria del convertidornos da tanto la magnitud como el signo de la tensión que ha sido medida.

La etapa de salida es el conjunto de elementos que permiten conectar els.a.d con el resto del equipo, y puede ser desde una serie de buffersdigitales incluidos en el circuito convertidor, hasta una interfaz RS-232,RS-485 o Ethernet para conectar a un ordenador o estación de trabajo, enel caso de sistemas de adquisición de datos comerciales.

VentajasFlexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiemporeal o en análisis posteriores (a fin de analizar los posibles errores), grancapacidad de almacenamiento, rápido acceso a la información y toma dedecisión, se adquieren gran cantidad de datos para poder analizar,posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición yactivar varios instrumentos al mismo tiempo, facilidad de automatización,etc.

Se utiliza en la industria, la investigación científica, el control de máquinas yde producción, la detección de fallas y el control de calidad entre otrasaplicaciones.

Un tipo de ejercicio de adquisición

Ejemplo 1Tenemos 300 señales a monitorizar. Todas ellas de 4 bytes y queremosguardar la información de todo el proceso cada segundo. ¿qué capacidad hade tener el disco duro del PC servidor para tener un histórico de todo unaño?

300segundos * 4bytes = 1200bytes * segundo

3600 * 24 * 365 = 31536000

1200 * 31536000 = 37,8GB

Tendríamos que tener una capacidad de 37,8 GB. Pero teniendo en cuentaque siempre se tiene que tener una copia de seguridad, esta capacidad latendremos que multiplicar por dos y eso nos daría 75,7 GB.

Ejemplo 2En un sistema de adquisición de datos entran 210 señales por segundo, de 8bytes cada una. ¿Qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidorpara tener un histórico de todo un mes?

210segundo * 8bytes = 1680bytes * segundo

3600 * 24 * 30 = 2592000

1680 * 2592000 = 4,35gigabytes

SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y CONTROL SUPERVISORIO(SCADA)

La expresión “SCADA” está compuesta por las iniciales de la denominacióninglesa “Supervisory Control And Data Adquisition”, que en nuestro idiomase traduce como “Control Supervisorio y Adquisición de Datos”. Sinembargo, dado que los primeros sistemas de supervisión se originaron en losEstados Unidos, se ha generalizado el uso de las siglas SCADA para aludir adichos sistemas.

Se trata de un sistema capaz de obtener y procesar información deprocesos industriales dispersos y de actuar en forma remota sobre losmismos. Esto significa que permite supervisar simultáneamente procesos einstalaciones industriales distribuidas en grandes áreas, tales como lasredes de distribución eléctrica, oleoductos, gasoductos, etc.

Un SCADA no debe confundirse con un Sistema de Control Distribuido(DCS, Distributed Control System), aunque actualmente los principios ytecnologías que utilizan son muy similares. Su principal diferencia consisteen que los sistemas de control distribuido, normalmente se usan paracontrolar procesos industriales más complejos y restringidos al perímetrode una planta; por ejemplo, los sistemas de control de una refinería, los deuna planta de GLP, etc.

El SCADA describe un número de unidades terminales remotas (RTU´s,Remote Terminal Units) instaladas en las cercanías del proceso, las cualesse comunican con una estación maestra (MTU, Master Terminal Station)ubicada en una sala de control central.

Una RTU es un sistema que cuenta con un microprocesador e interfaces deentrada y salida tanto analógicas como digitales que permiten tomar lainformación del proceso provista por los dispositivos de instrumentación ycontrol en una localidad remota y, utilizando técnicas de transmisión dedatos, enviarla al sistema centralizado maestro. La MTU, bajo un softwarede control, permite la adquisición de la data a través de todas las RTUsubicadas remotamente y brinda la capacidad de ejecutar comandos decontrol remoto cuando es requerido por el operador. La data adquirida porla MTU se presenta a través de una interfaz gráfica en forma comprensibley utilizable, y más aún esta información puede ser impresa en un reporte.

Control Industrial DistribuidoIntroducción

La medición y el control en la industria son muy importantes, tanto desde elpunto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de laconsideración del balance adecuado entre costes y producto final.

El control automático de procesos industriales es hoy en día una actividadmultidisciplinar, en la que hay que tener en cuenta aspectos técnicos(electrónica, informática de sistemas, etc.), científicos (investigación denuevos criterios y materiales, etc.) y económicos (mejora de los márgenescomerciales sin perder calidad y competitividad). Los sistemas de controlsofisticados del tipo de los instalados mediante complejos elementos deinstrumentación, no se han creado de la noche a la mañana, aunque el augeque viven actualmente así lo pueda parecer. Son el resultado de más de cienaños de trabajo de fabricantes y usuarios, quienes no han de dejado debuscar las mejores soluciones al control industrial automatizado.

Solución tecnológicas en el control automatizado

Lo que no cabe duda es que el papel “dirigente” en cualquier solución a unproblema de automatización correrá a cargo de la informática industrial yque el microprocesador, en cualquiera de sus formas o versiones, irácopando posiciones relevantes hasta estar presente en todos los niveles queconstituyen un control distribuido. En todo caso, independientemente deltipo de control utilizado, los objetivos del control de procesos puedenresumirse en:

1. Operar el proceso en forma segura y estable.

2. Diseñar sistemas de control que el operador pueda vigilar, comprender y,cuando sea necesario, manipular en forma selectiva.

3. Evitar desviaciones importantes respecto a las especificaciones deproductos durante las perturbaciones.

4. Permitir que el operador cambie un valor deseado o punto de consigna(valor de referencia) sin perturbar indebidamente otras variablescontroladas.

5. Evitar cambios considerables y rápidos en variables manipuladas quepodrían incumplir restricciones de operación, o perturbar unidadesintegradas o situadas en escalafones inferiores.

6. Operar el proceso en forma congruente con los objetivos de calidad decada producto. Así, las desviaciones en la calidad podrían ser menospermisivas (mucho más costosas) en un producto que en otro.

7. Controlar las cualidades del producto en valores que maximicen suutilidad cuando se consideren índices y valores de productos y además,minimicen el consumo de energía.

Control AutomáticoEl control automático de procesos es un caso particular del términoautomatización y engloba al control electrónico, por ser esta la rama técnicaque ha permitido una evolución continua de la automatización industrial.

Jeraquía del control automáticoEs posible definir el control automático de procesos como: La elaboración ocaptación de un proceso industrial a través de varias etapas, con el uso librede los equipos necesarios para ahorrar tiempo manual y esfuerzo mental. Talcomo se ha dicho, el control automático de procesos hace un uso exhaustivodel control electrónico, valiéndose de éste para completar su esquemaclásico, basado en el concepto de lazo o bucle de control de realimentación,cuya presencia en los distintos niveles del control automático es normal.

Control ManualAl principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente porun operador. El operador observaba lo que sucedía (una bajada detemperatura, por ejemplo) y hacía ajustes (manipular una válvula) basadosen las instrucciones de operación y en el propio conocimiento que eloperador tenía del o en la figura siguiente ilustra un concepto básico en elcontrol de procesos. proceso. Este “lazo de control” (proceso / sensor /operador / válvula / proceso) mostrada.

Control LocalUn controlador local permite a un operador llevar el control de varios“lazos” del proceso. Como un regulador de la presión del gas doméstico, uncontrolador local usa la energía del proceso o el aire comprimido de la plantapara ajustar la posición de una válvula de control o cualquier otro elementofinal de control. Por todo lo anterior, podemos concluir diciendo que loscontroladores locales permitían el control de un mayor número de variablesdel proceso, pero no solucionaban los problemas que planteaba el hecho de lapresencia física del operario en los lugares y momentos necesarios parahacer muchas de las operaciones.

Control Neumático CentralizadoEl desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente,permitieron un notable avance en el control de procesos. Con éstatecnología, las variables del proceso podían ser convertidas a señalesneumáticas y transmitidas hacia controladores remotos. Se entraba en laconfección de los denominados “circuitos neumáticos”. Usandocombinaciones de orificios, palancas, amortiguadores y otros dispositivosmecánicos complejos, un controlador neumático puede hacer cálculoselementales basados en el punto de consigna y el valor de la variable acontrolar, ajustando el elemento final de control consecuentemente.

Control electrónico de lazo simple

En los años 60, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para irreemplazando a los controladores neumáticos. Los controladoreselectrónicos analógicos de lazo simple eran precisos, rápidos y fáciles deintegrar en pequeños lazos interactivos. De este modo, la interface para sumanejo y control ofrece mejoras respecto de los controles neumáticos,además de permitir la captación electrónica de datos y un procesado deéstos con un índice de errores considerablemente mejorado respecto deaquellos.

Control centralizado por computadoraLa introducción de un ordenador como elemento que lleva a cabo toda lasupervisión, adquisición y análisis de datos, permite a los sistemas decontrol avanzar más allá del lazo de control del proceso; ahora puedenejercer labores de administración, ya que el ordenador puede tambiénrecibir y procesar datos, calcular y presentar operaciones financieras queoptimicen la estrategia de producción, y que junto a las consignaspropuestas por el consejo de administración, establezcan los criteriosbásicos para dirigir la producción en el sentido adecuado.

Control supervisado

El estado de la variable a controlar llega ahora tanto al ordenador como alcontrolador analógico, que además recibe la consigna adecuada en cadainstante y que será calculada por el ordenador. Si se presenta cualquieravería (especialmente en el ordenador) el controlador regula la variable delproceso con respecto al último punto de consigna que recibió del ordenadorcentral. Toda esta actuación local formaría el Lazo de Control, tal como semuestra en la figura siguiente, y proporciona un cierto grado de autonomíaal proceso respecto del control centralizado. Aunque el SPC permite que elcontrol básico del proceso continúe a pesar del posible fallo del ordenadorcentral, sigue necesitando una ampliación del cableado y un softwareadicional en caso de querer ampliar el número de entradas y/o salidas.

Control DistribuidoEl control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas decontrol que se han expuesto en el punto anterior. Así, en los sistemascentralizados, ya clásicos, su potencia de tratamiento se concentra en unúnico elemento (el ordenador central), mientras que en el controldistribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentrarepartida en el espacio. Podríamos decir que los sistemas de control

distribuido fueron desarrollados para proporcionar las ventajas del controlpor ordenador pero con más seguridad y flexibilidad.

En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a laresolución del problema del control electrónico de fábricas con gran númerode lazos (variables), y teniendo en cuenta el estado de la técnica de losmicroprocesadores por un lado y la “fuerte inercia” de la industria a loscambios por otro, se llegó a las siguientes conclusiones generales:

a) Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serioinconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladoresdigitales capaces de controlar individualmente un cierto número devariables, para así “distribuir” el riesgo del control único.

b) Cada controlador digital debía ser “universal”, es decir, disponer dealgoritmos de control seleccionables por software, que permitieran resolvertodas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema.

c) La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia los actuadoresdebía ser en “tiempo real”, lo que obligaba a utilizar la tecnología másavanzada en microprocesadores.

d) Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo (quesuministran datos), los controladores y las interfaces para la comunicacióncon el operador de planta, se adoptó el empleo de una vía de comunicaciones,en forma de cable coaxial instalado en la planta, con un recorrido paralelo alos edificios y a la sala de control.

e) El panel clásico requerido por el control tradicional, se sustituirá por unoo varios monitores CRT, en los cuales, el operador con la ayuda delteclado/puntero deberá examinar las variables de proceso, lascaracterísticas de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de laplanta y con la opción de cambiar cualquiera de las características decontrol de las variables de proceso.

En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásicopuede compararse a la existente entre una máquina cuya configuración sehace mediante el cambio de cables y otra donde cualquier modificación sehace por software. En este aspecto el ordenador personal es un elemento

fundamental, tanto a nivel de planta como en escalafones superiores ypermite la visualización de las señales de múltiples transmisores, eldiagnóstico de cada lazo de control, el acceso a los datos básicos decalibración y a los datos de configuración de los transmisores.

Sus elementos principales son:

Controlador BásicoEs un módulo estructurado en torno a un microprocesador que permiterealizar controles PID (Proporcional-Integral-Derivativo) y otros algoritmosde control basados en sumas, multiplicaciones, divisiones, relaciones, raícescuadradas, contadores, etc. Un controlador básico puede controlar varioslazos, es decir, puede estar “pendiente” de múltiples variables de formasimultánea y proporcionar un control sobre ellas. Estos algoritmos puedenconfigurarse, y en caso de avería en las unidades de control superiores, elcontrol que ejercerá el regulador digital será el correspondiente al últimoalgoritmo configurado: tipo de control (directo, inverso, etc.), tipo de señalde entrada (lineal, exponencial, etc.), alarmas a generar, sensores amuestrear, etc. Como vemos, en este controlador básico se establece ya elprimer paso en la dotación de cierta autonomía a los diferentes elementosde un control distribuido.

La red de comunicación externa suministra los datos necesarios que definenel comportamiento del regulador. Estos datos externos junto a los propiosdel proceso se optimizan, obteniéndose los parámetros que se introducen enel algoritmo de regulación y que unidos a la consigna (referencia), permitiránenviar al proceso la actualización correspondiente.

Normalmente la optimización suele ser un acondicionamiento de señal más omenos complejo: ADC/DAC, conversión V/F, variación de nivel, comparación,etc.

Controlador multifunciónUtiliza en su programación un lenguaje de alto nivel y permite controlarprocesos complejos en los que el regulador digital básico no puede:

• Control de procesos por lotes o discontinuos (batch). Un ejemplo puedeser una cadena de dosificación en la que no se fabrica siempre el mismoproducto y hay que estar variando la consigna de los dosificadores deacuerdo al producto o receta que se esté fabricando en el momento.

• Control en tiempo real. La complejidad de las ecuaciones y la dinámica delproceso no pueden ser encomendadas a un controlador básico.

El controlador multifunción suele estar constituido por un equipo basado enun ordenador personal con elevada capacidad operativa y de comunicación.

Estación de trabajo del operadorProporciona la comunicación con todas las señales de la planta para eloperador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento.La presentación de la información a cada uno de ellos se realiza medianteprogramas de operación. De este modo:

a) El operador de proceso ve en la pantalla un gráfico del proceso (o partede él) que le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas,las curvas de tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la plantaque crea interesantes, obtener copias en impresora de las tendencias o delos estados de alarma, etc.

b) El ingeniero de proceso puede editar los programas de control delproceso, construir las representaciones en pantalla de partes del proceso,etc. Tendrá un acceso al proceso mucho más “crítico” que el operador y suactuación será más puntual que la de éste.

c) El técnico de mantenimiento se dedicará desde la estación de trabajo,fundamentalmente, a diagnosticar y resolver problemas en los elementos decontrol distribuido de la planta.

Todos los componentes del control distribuido están perfectamentecomunicados entre ellos, siendo ésta la clave para conseguir una elevadaeficiencia global.

El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a lossistemas de control convencionales. El sistema es redundante y limita las

consecuencias de un fallo, manteniendo el control del sistema y mejorandola fiabilidad.

Niveles de un control distribuidoCombinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales,un sistema de control distribuido (DCS) consta de uno o más “niveles” decontrol, los cuales, están vinculados con el fin de ejecutar conjuntamentetareas complejas con un máximo de efectividad y una elevada optimizaciónen el uso de los recursos.

En la figura siguiente se muestra la relación existente entre los diferentesniveles de un DCS, sobre los cuales sería interesante hacer la siguienteprecisión: en su definición original (clásica) eran los niveles 1, 2 y 3 los querealmente formaban el DCS, estando el restante (4) más vinculado alsistema de gestión de la empresa. Sin embargo, hoy en día, cuando se hablade control distribuido se está haciendo referencia a la totalidad de lafigura siguiente, de ahí que se tienda a utilizar cada vez más el nombre desistemas de información total. En los niveles inferiores de un controldistribuido estarán aquellos elementos que están en contacto con el procesoy, por tanto, ajustados a los parámetros y variables que el procesosuministra y que el DCS debe controlar.

En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e inclusolos autómatas pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como:concentración de datos, análisis y optimización de unidades (plantas odivisiones corporativas con cierto grado de autonomía) del proceso. Laadición de algún otro nivel al DCS puede también ayudar a integraractividades relacionadas con una división o una planta, tal como compras,recepción de material, control de inventario, facturación, control de calidady servicios al cliente o usuario.

Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidadesde un sistemas de control centralizado, mientras conservan la flexibilidad,seguridad y rapidez de respuesta de los controladores autónomos basadosen microprocesadores. Por ejemplo, el fallo de cualquier componente de unDCS afecta sólo a una pequeña parte del proceso, si acaso. Por otro lado, siun elemento de un nivel superior falla, los controladores del NIVEL 1

continuarán el control del proceso normalmente, entendiendo pornormalidad la ejecución de la última labor encomendada (programada).

A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estarconectado a las entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para lacomunicación entre los controladores y la interface del operador. Estadistribución física en varios niveles de control puede reducirsignificativamente el coste del cableado y las modificaciones ymantenimiento pueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso.

Inclusive, los DCS son fácilmente ampliables. Cualquier dispositivo que hayade añadirse se comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismolugar. Esta modularidad proporciona una significativa mejora de costesdurante 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 seencuentra en contacto con el entorno a controlar, tal como su nombre indica.Para maximizar los beneficios de un DCS, en este nivel se utilizan sensores,actuadores y módulos de E/S de los denominados “inteligentes” y quegeneralmente están basados en microprocesadores (regulación digital). Estetipo de elementos son muy flexibles, permitiendo modificar tanto el controlcomo los cambios requeridos en el proceso, además de ofrecer una fácil

ampliación en caso necesario. Inclusive, los módulos de E/S pueden manejarvarios lazos de control, ejecutar algoritmos específicos, proporcionaralarmas, llevar a cabo secuencias lógicas y algunos cálculos y estrategias decontrol altamente interactivas.

Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisisincluidos en el NIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del procesoal sistema de control por un lado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdocon las órdenes recibidas desde el sistema de control, del mismo nivel osuperior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores einstrumental de campo y en el segundo los actuadores.

La coordinación de todos estos elementos se hace, bien mediante un bus decampo, bien mediante un bus de dispositivos. La conexión de los actuadoresy sensores al resto del DCS se hará directamente al bus de comunicación oa los módulos de E/S, dependiendo de las posibilidades de comunicación queposean. A su vez, los módulos de E/S pueden ser unidades de pequeñosautómatas, siendo estos los que integrarán las comunicaciones necesarias.La instalación de todo lo relacionado con este nivel de control se lleva acabo por personal altamente especializado, ya que el mismo elemento (sobretodo transductores y actuadores) unos centímetros adelante o atrás nomide o actúa con igual fidelidad.

Estos componentes, sobre todo los transductores, son muy sensibles yprecisan unas condiciones de trabajo muy definidas, por lo tanto esfundamental elegir el dispositivo adecuado para evitar multitud deproblemas “sin lógica aparente”.

Nivel 2Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel seencuentra la interface de operaciones de cada uno de los procesoscontrolados. La interface de operaciones o consola será una estación tipoordenador personal, ya que constará de teclado, unidad de visualización ypuntero. Esta interface permite al operador observar el estado del proceso

y programar los elementos vinculados a él, individualmente si ello esnecesario.

Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones másllevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses decampo), además de sus funcionalidades características. Por otro lado, losordenadores irán equipados con tarjetas a modo de interface, quepermitirán la relación adecuada con el entorno. Ambos equipos “extraen” losdatos más significativos del nivel inferior mediante los puentes decomunicaciones adecuados (gateway o bridge) y los ponen a disposición de lainterface de operaciones. La interface de operaciones permite al operadorver datos del proceso en cualquier formato. Los formatos pueden incluir unavisión global del estado del proceso, representaciones gráficas de loselementos o equipos de proceso, tendencias de las variables, estado dealarmas y cualquier otro tipo de información. El operador usa elteclado/puntero para dirigir los controladores, requerir información delproceso, ejecutar estrategias de control y generar informes de operación.Esta interface se ubica físicamente cerca del proceso o procesoscontrolados.

En este segundo nivel nos encontramos con las celdas o células, vinculadas alos diferentes procesos (cada una a uno, normalmente) y en ellas se puedenproducir los primeros descartes de productos a raíz de las anomalíasdetectadas.

Los niveles 1 y 2 tienden a integrarse cada vez más en uno solo: control yregulación en planta. Ello es debido, principalmente a que los elementos decampo (NIVEL 1) son cada vez más sofisticados, arrebatando el campo a loscontroladores del NIVEL 2, ya que algunos de ellos además de incluir varioselementos a la vez (transductor, acondicionador, regulación digital), poseeuna interface lo suficientemente potente como para comunicardirectamente con niveles superiores. De hecho, la consola de operacionesdel NIVEL 2 puede ser usada para interrogar o dirigir un controladorinteligente del NIVEL 1. Esta combinación de inteligencia, controladoresindependientes e interface de operador, proporciona la seguridad,velocidad, potencia y flexibilidad que es la esencia de un DCS.

En el NIVEL 3 de un sistema de control distribuido se produce la primeracentralización, entendiendo por ello la concentración masiva de información,gracias a lo cual se pueden planificar estrategias sofisticadas en lo que a laproducción industrial se refiere. Así, en este nivel se deciden aspectosproductivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir,la logística de aprovisionamiento.Nivel 4Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define laestrategia de la producción en relación con el análisis de las necesidades delmercado y se formulan previsiones de producción a largo plazo. Sobre estasprevisiones, se planifica la producción en el NIVEL 3.

En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simularestrategias de producción e intercambiar datos con otros departamentosvinculados (diseño, I+D, etc), además de establecer posibles cambios eningenierías de los procesos. Es un nivel con enfoques más mercantiles, por loque no profundizaremos más en él y tan sólo añadiremos que losordenadores en este nivel están especializados en gestión y almacenamientode datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicacióncorrespondiente a sus respectivas aplicaciones