LOS ALUMNOS ENRRIQUE TONIX,
HUGO SANCHÉZ Y GABRIEL CANTE
DEL 9no SEMESTRE PUBLICAN LA
PAGINA
lunes, 5 de diciembre de 2011
Unidad V TÓPICOS DE CONTROL ASISTIDOS POR COMPUTADORA
El propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. La adquisición de datos basada en PC utiliza una combinación de hardware modular, software de aplicación y una PC para realizar medidas. Mientras cada sistema de adquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación, cada sistema comparte una meta en común de adquirir, analizar y presentar información. Los sistemas de adquisición de datos incorporan señales, sensores, actuadores, acondicionamiento de señales, dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación.
La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de condicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).
A lo largo del curso se ha observado que existen dos tipos de control, el analógico y el digital, si bien es cierto que el primero es el mas usado en países del tercer mundo como el nuestro; el segundo es hasta hoy, el mas ventajoso a emplear en los procesos industriales. Debido a lo cómodo que resulta tratar exclusivamente con números puros y ser ideal para la resolución de problemas numéricos. Asimismo la alta velocidad conseguida en las señales de mando a los diversos instrumentos de control, permite mantener el set piont casi constante y monitoreado en todo momento.
Sin embargo este tipo de control frente al analógico, tiene la desventaja de que al muestrear el proceso pierde parte de la información. Lo anterior puede ser corregido con complejos algoritmos matemáticos (al comparar este y el analógico en cuestión de costos, el control digital pierde gravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en la modificación de parámetros y variables que operan en el proceso.
Aunado a lo anterior, con el control digital asistido por computador se puede:
• Lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menores 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 es casi inmediata.
INTRODUCCION AL CONTROL ASISTIDO POR COMPUTADORA
Hoy en día, ante la complejidad creciente de los procesos industriales y el aumento en la producción de estos, resulta necesario desde el punto de vista financiero lograr una producción óptima; que sea capaz de reducir sus costos y de proporcionar una calidad buena en sus productos. Lo anterior solo puede lograrse con un adecuado control industrial. A lo largo del curso se ha observado que existen dos tipos de control, el analógico y el digital, si bien es cierto que el primero es el mas usado en países del tercer mundo como el nuestro; el segundo es hasta hoy, el mas ventajoso a emplear en los procesos industriales.
Debido a lo cómodo que resulta tratar exclusivamente con números puros y ser ideal para la resolución de problemas numéricos. Asimismo la alta velocidad conseguida en las señales de mando a los diversos instrumentos de control, permite mantener el set point casi constante y monitoreado en todo momento. Sin embargo este tipo de control frente al analógico, tiene la desventaja de que al muestrear el proceso pierde parte de la información. Lo anterior puede ser corregido con complejos algoritmos matemáticos (al comparar este y el analógico en cuestión de costos, el control digital pierde gravemente) que le asignan versatilidad e interacción amigable en la modificación de parámetros y variables que operan en el proceso. Aunado a lo anterior, con el control digital asistido por computador se puede: Lograr mayor rendimiento de los procesos y por lo tanto una mejor producción con menores 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 es casi inmediata. Proporciona una gran cantidad de información a la dirección de control, en forma simultánea y en tiempo real.
Adquisición de datos
La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).
Proceso de adquisición de datos
Definiciones
Dato: Representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o característica de un valor. No tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones.
Adquisición: Recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje y digitalización de manera que se puedan procesar en un ordenador.
Sistema: Conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí ofreciendo prestaciones más completas y de más alto nivel. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos a la memoria del PC. Una vez los datos están en memoria pueden procesarse 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 o dispositivo funcionan bajo unas especificaciones.
Teorema de Nyquist: Al muestrear una señal, la frecuencia de muestreo debe 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 sus muestras. En caso contrario, aparecerá el fenómeno del aliasing que se produce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es imposible recuperar 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 sensores adecuados que convierten cualquier parámetro de medición de una señal eléctrica, que se adquiriere por el hardware de adquisición de datos. Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en un ordenador, ya sea utilizando el proveedor de software suministrado u otro software. Los controles y visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajes de programación de propósito general como VisualBASIC, C++, Fortran, Java, Lisp, Pascal. Los lenguajes especializados de programación utilizados para la adquisición de datos incluyen EPICS, utilizada en la construcción de grandes sistemas de adquisición de datos, LabVIEW, que ofrece un entorno gráfico de programación optimizado para la adquisición de datos, y MATLAB. Estos entornos de adquisición proporcionan un lenguaje de programación además de bibliotecas y herramientas para la adquisición de datos y posterior análisis.
De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla al ordenador, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica. En este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y, luego de procesarla, es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo transductores.
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 forma digitalizada.
¿Cómo se adquieren los datos?
La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto (objeto de la investigación) que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de temperatura o la temperatura de una habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos pueden medir todos estos diferentes propiedades o fenómenos.
Un sensor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica correspondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia o condensador, etc. La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenos depende de los transductores para convertir las señales de los fenómenos físicos mensurables en la adquisición de datos por hardware. Transductores son sinónimo de sensores en sistemas de DAQ. Hay transductores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de la temperatura, la presión, o flujo de fluidos. DAQ también despliega diversas técnicas de acondicionamiento de Señales para modificar adecuadamente diferentes señales eléctricas en tensión, que luego pueden ser digitalizados usando CED.
Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) o analógicas en función del transductor utilizado.
El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde el transductor no es adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La señal puede ser amplificada o desamplificada, o puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar demodulación. Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el puente de conclusión, la prestación actual de tensión o excitación al sensor, el aislamiento, linealización, etc. Este pretratamiento de la señal normalmente lo 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 la computadora de los puertos (paralelo, serie, USB, etc...) o ranuras de las tarjetas conectadas a (PCI, ISA) en la placa madre. Por lo general, el espacio en la parte posterior de una tarjeta PCI es demasiado pequeño para todas las conexiones necesarias, de modo que una ruptura de caja externa es obligatorio. El cable entre este recuadro y el PC es cara debido a los numerosos cables y el blindaje necesario y porque es exótico. Las tarjetas DAQ a menudo contienen múltiples componentes (multiplexores, ADC, DAC, TTL-IO, temporizadores de alta velocidad, memoria RAM). Estos son accesibles a través de un bus por un micro controlador, que puede ejecutar pequeños programas. El controlador es más flexible que una unidad lógica dura cableada, pero más barato que una CPU de modo que es correcto para bloquear con simples bucles de preguntas.
Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otros proveedores, y permite que el sistema operativo pueda reconocer el hardware DAQ y dar así a los programas acceso a las señales de lectura por el 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 de movimiento (corte con laser). • DAQ + control de movimiento+ visión artificial (robots modernos).
Tiempo de conversión
Es el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, y dependerá de la tecnología de medida empleada. Evidentemente nos da una cota máxima de la frecuencia de la señal a medir.
Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una señal de inicio de "conversión" (normalmente llamada SOC, Start of Conversión) hasta que en la salida aparece un dato válido. Para que tengamos constancia de un dato válido tenemos dos caminos:
• Esperar el tiempo de conversión máximo que aparece en la hoja de características.
• 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 encontrar estas etapas, aunque no todas están siempre presentes:
• Amplificación
• Excitación
• Filtrado
• Multiplexado
• Aislamiento
• Linealización
Amplificación ¬ Es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada debe ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer.
Aislamiento - Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común.
Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas a masa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entre ambas masas, apareciendo un "bucle de masa", que puede devolver resultados erróneos.
Multiplexado - El multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor, de modo que con un sólo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados. Se aconseja que los multiplexores se utilizen antes del conversor y después del condicionamiento del señal, ya que de esta manera no molestará a los aislantes que podamos tener.
Filtrado - El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal que estamos observando. Por ejemplo, en las señales cuasi-continuas, (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz, que eliminará interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica.
Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que se si no se eliminasen aparecerían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error.
Excitación - La etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos transductores, como por ejemplos las galgas "extesométricas", "termistores" o "RTD", que necesitan de la misma, bien por su constitución interna, (como el termistor, que es una resistencia variable 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 de Wheatstone).
Linealización - Muchos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea el hacer esta corrección mediante circuitería externa.
Ejemplo:
A veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control, y por tanto la información recibida se procesa para obtener una serie de señales de control. En este diagrama podemos ver los bloques que componen nuestro sistema 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 a medir en una señal de salida (normalmente tensión o corriente) que puede ser procesada por nuestro sistema. Salvo que la señal de entrada sea eléctrica, podemos decir que el transductor es un elemento que convierte energía de un tipo en otro. Por tanto, el transductor debe tomar poca energía del sistema bajo observación, para no alterar la medida.
El acondicionamiento de señal es la etapa encargada de filtrar y adaptar la señal 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 del convertidor.(Normalmente en tensión).
• Acoplar la impedancia de salida de uno con la impedancia de entrada del otro.
La adaptación entre los rangos de salida del convertidor y el de entrada del convertidor tiene como objetivo el aprovechar el margen dinámico del convertidor, de modo que la máxima señal de entrada debe coincidir con la máxima que el convertidor (pero no con la máxima tensión admisible, ya que para ésta entran en funcionamiento las redes de protección que el convertidor lleva integrada).
Por otro lado, la adaptación de impedancias es imprescindible ya que los transductores presentan una salida de alta impedancia, que normalmente no puede excitar la entrada de un convertidor, cuya impedancia típica suele estar entre 1 y 10 k.
El convertidor analógico/digital es un sistema que presenta en su salida una señal digital a partir de una señal analógica de entrada, (normalmente de tensión) realizando las funciones de cuantificación y codificación.
La cuantificación implica la división del rango continuo de entrada en una serie de pasos, de modo que para infinitos valores de la entrada la salida sólo puede presentar una serie determinada de valores. Por tanto la cuantificación implica una pérdida de información que no podemos olvidar.
La codificación es el paso por el cual la señal digital se ofrece según un determinado código binario, de modo que las etapas posteriores al convertidor puedan leer estos datos adecuadamente. Este paso hay que tenerlo siempre en cuenta, ya que puede hacer que obtengamos datos erróneos, sobre todo cuando el sistema admite señales positivas y negativas con respecto a masa, momento en el cual la salida binaria del convertidor nos 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 el s.a.d con el resto del equipo, y puede ser desde una serie de buffers digitales incluidos en el circuito convertidor, hasta una interfaz RS-232, RS-485 o Ethernet para conectar a un ordenador o estación de trabajo, en el caso de sistemas de adquisición de datos comerciales.
Ventajas
Flexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiempo real o en análisis posteriores (a fin de analizar los posibles errores), gran capacidad de almacenamiento, rápido acceso a la información y toma de decisión, se adquieren gran cantidad de datos para poder analizar, posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición y activar varios instrumentos al mismo tiempo, facilidad de automatización, etc.
Se utiliza en la industria, la investigación científica, el control de máquinas y de producción, la detección de fallas y el control de calidad entre otras aplicaciones.
Un tipo de ejercicio de adquisición
Ejemplo 1
Tenemos 300 señales a monitorizar. Todas ellas de 4 bytes y queremos guardar la información de todo el proceso cada segundo. ¿qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidor para tener un histórico de todo un año?
300segundos * 4bytes = 1200bytes * segundo
3600 * 24 * 365 = 31536000
1200 * 31536000 = 37,8GB
Tendríamos que tener una capacidad de 37,8 GB. Pero teniendo en cuenta que siempre se tiene que tener una copia de seguridad, esta capacidad la tendremos que multiplicar por dos y eso nos daría 75,7 GB.
Ejemplo 2
En un sistema de adquisición de datos entran 210 señales por segundo, de 8 bytes cada una. ¿Qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidor para 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 denominación inglesa “Supervisory Control And Data Adquisition”, que en nuestro idioma se traduce como “Control Supervisorio y Adquisición de Datos”. Sin embargo, dado que los primeros sistemas de supervisión se originaron en los Estados Unidos, se ha generalizado el uso de las siglas SCADA para aludir a dichos sistemas.
Se trata de un sistema capaz de obtener y procesar información de procesos industriales dispersos y de actuar en forma remota sobre los mismos. Esto significa que permite supervisar simultáneamente procesos e instalaciones industriales distribuidas en grandes áreas, tales como las redes 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 y tecnologías que utilizan son muy similares. Su principal diferencia consiste en que los sistemas de control distribuido, normalmente se usan para controlar procesos industriales más complejos y restringidos al perímetro de una planta; por ejemplo, los sistemas de control de una refinería, los de una 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 cuales se 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 de entrada y salida tanto analógicas como digitales que permiten tomar la información del proceso provista por los dispositivos de instrumentación y control en una localidad remota y, utilizando técnicas de transmisión de datos, enviarla al sistema centralizado maestro. La MTU, bajo un software de control, permite la adquisición de la data a través de todas las RTUs ubicadas remotamente y brinda la capacidad de ejecutar comandos de control remoto cuando es requerido por el operador. La data adquirida por la MTU se presenta a través de una interfaz gráfica en forma comprensible y utilizable, y más aún esta información puede ser impresa en un reporte.
Control Industrial Distribuido
Introducción
La medición y el control en la industria son muy importantes, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado entre costes y producto final.
El control automático de procesos industriales es hoy en día una actividad multidisciplinar, en la que hay que tener en cuenta aspectos técnicos (electrónica, informática de sistemas, etc.), científicos (investigación de nuevos criterios y materiales, etc.) y económicos (mejora de los márgenes comerciales sin perder calidad y competitividad). Los sistemas de control sofisticados del tipo de los instalados mediante complejos elementos de instrumentación, no se han creado de la noche a la mañana, aunque el auge que viven actualmente así lo pueda parecer. Son el resultado de más de cien años de trabajo de fabricantes y usuarios, quienes no han de dejado de buscar 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 un problema de automatización correrá a cargo de la informática industrial y que el microprocesador, en cualquiera de sus formas o versiones, irá copando posiciones relevantes hasta estar presente en todos los niveles que constituyen un control distribuido. En todo caso, independientemente del tipo de control utilizado, los objetivos del control de procesos pueden resumirse 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 de productos durante las perturbaciones.
4. Permitir que el operador cambie un valor deseado o punto de consigna (valor de referencia) sin perturbar indebidamente otras variables controladas.
5. Evitar cambios considerables y rápidos en variables manipuladas que podrían incumplir restricciones de operación, o perturbar unidades integradas o situadas en escalafones inferiores.
6. Operar el proceso en forma congruente con los objetivos de calidad de cada producto. Así, las desviaciones en la calidad podrían ser menos permisivas (mucho más costosas) en un producto que en otro.
7. Controlar las cualidades del producto en valores que maximicen su utilidad cuando se consideren índices y valores de productos y además, minimicen el consumo de energía.
Control Automático
El control automático de procesos es un caso particular del término automatización y engloba al control electrónico, por ser esta la rama técnica que ha permitido una evolución continua de la automatización industrial.
Jeraquía del control automático
Es posible definir el control automático de procesos como: La elaboración o captación de un proceso industrial a través de varias etapas, con el uso libre de los equipos necesarios para ahorrar tiempo manual y esfuerzo mental. Tal como se ha dicho, el control automático de procesos hace un uso exhaustivo del control electrónico, valiéndose de éste para completar su esquema clásico, basado en el concepto de lazo o bucle de control de realimentación, cuya presencia en los distintos niveles del control automático es normal.
Historia del control de procesos
El control de procesos ha evolucionado históricamente hacia la consecución de un grado de automatización lo más elevado posible.
Control Manual
Al principio, los procesos industriales fueron controlados manualmente por un operador. El operador observaba lo que sucedía (una bajada de temperatura, por ejemplo) y hacía ajustes (manipular una válvula) basados en las instrucciones de operación y en el propio conocimiento que el operador tenía del o en la figura siguiente ilustra un concepto básico en el control de procesos. proceso. Este “lazo de control” (proceso / sensor / operador / válvula / proceso) mostrada.
Control manual
Control Local
Un controlador local permite a un operador llevar el control de varios “lazos” del proceso. Como un regulador de la presión del gas doméstico, un controlador local usa la energía del proceso o el aire comprimido de la planta para ajustar la posición de una válvula de control o cualquier otro elemento final de control. Por todo lo anterior, podemos concluir diciendo que los controladores locales permitían el control de un mayor número de variables del proceso, pero no solucionaban los problemas que planteaba el hecho de la presencia física del operario en los lugares y momentos necesarios para hacer muchas de las operaciones.
Control electrónico de lazo simple
En los años 60, los dispositivos electrónicos ya estaban capacitados para ir reemplazando a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos analógicos de lazo simple eran precisos, rápidos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos. De este modo, la interface para su manejo y control ofrece mejoras respecto de los controles neumáticos, además de permitir la captación electrónica de datos y un procesado de éstos con un índice de errores considerablemente mejorado respecto de aquellos.
Control centralizado por computadora
Un sistema basado en este modo de control, estaba estructurado en torno a una computadora central que recibe todas las entradas del proceso (variables), ejecuta los cálculos apropiados y produce salidas que se dirigen hacia los actuadores o dispositivos finales de control. Así, nació el llamado Control Digital Directo o DDC. La computadora puede controlar un elevado número de lazos y variables temporales, además de ejecutar estrategias de control. Un teclado y un monitor acoplados directamente a la PC proporcionan una interface del usuario (operador) con el proceso
Control centralizado por computadora
La introducción de un ordenador como elemento que lleva a cabo toda la supervisión, adquisición y análisis de datos, permite a los sistemas de control avanzar más allá del lazo de control del proceso; ahora pueden ejercer labores de administración, ya que el ordenador puede también recibir y procesar datos, calcular y presentar operaciones financieras que optimicen la estrategia de producción, y que junto a las consignas propuestas por el consejo de administración, establezcan los criterios básicos para dirigir la producción en el sentido adecuado.
Para dotar a los sistemas con ordenador centralizado del nivel de seguridad adecuado y evitar que una “caída” de éste paralice todo el sistema, se empezaron a utilizar muchas veces controladores analógicos vinculados directamente al proceso, esto es, optimizados para la variable que debían controlar. Estos controladores son ahora los que realmente controlan el proceso, dejando al ordenador central la función de los cambios de puntos de consigna, es decir, el valor de referencia con el que se ha de comparar la variable controlada para mantenerla siempre optimizada. Esta combinación de actuaciones recibe el nombre de control supervisor o control de puntos de consigna (SPC, Set Point Control) y una estructura típica sería la ofrecida en la siguiente, en la cual puede observarse como es en la parte más próxima al proceso donde se materializa la principal diferencia con el DDC.
Control supervisado
El estado de la variable a controlar llega ahora tanto al ordenador como al controlador analógico, que además recibe la consigna adecuada en cada instante y que será calculada por el ordenador. Si se presenta cualquier avería (especialmente en el ordenador) el controlador regula la variable del proceso con respecto al último punto de consigna que recibió del ordenador central. Toda esta actuación local formaría el Lazo de Control, tal como se muestra en la figura siguiente, y proporciona un cierto grado de autonomía al proceso respecto del control centralizado. Aunque el SPC permite que el control básico del proceso continúe a pesar del posible fallo del ordenador central, sigue necesitando una ampliación del cableado y un software adicional en caso de querer ampliar el número de entradas y/o salidas.
Control Distribuido
El control distribuido es el paso siguiente en la evolución de los sistemas de control que se han expuesto en el punto anterior. Así, en los sistemas centralizados, ya clásicos, su potencia de tratamiento se concentra en un único elemento (el ordenador central), mientras que en el control distribuido la potencia de tratamiento de la información se encuentra repartida en el espacio. Podríamos decir que los sistemas de control distribuido fueron desarrollados para proporcionar las ventajas del control por ordenador pero con más seguridad y flexibilidad.
En los años setenta, dentro de los esfuerzos de investigación dedicados a la resolución del problema del control electrónico de fábricas con gran número de lazos (variables), y teniendo en cuenta el estado de la técnica de los microprocesadores por un lado y la “fuerte inercia” de la industria a los cambios por otro, se llegó a las siguientes conclusiones generales:
a) Descartar el empleo de un único ordenador (control DDC) por el serio inconveniente de la seguridad y sustituirlo por varios controladores digitales capaces de controlar individualmente un cierto número de variables, para así “distribuir” el riesgo del control único.
b) Cada controlador digital debía ser “universal”, es decir, disponer de algoritmos de control seleccionables por software, que permitieran resolver todas las situaciones de control y dieran así versatilidad al sistema.
c) La velocidad en la adquisición de los datos y su salida hacia los actuadores debía ser en “tiempo real”, lo que obligaba a utilizar la tecnología más avanzada en microprocesadores.
d) Para comunicar entre si los transmisores electrónicos de campo (que suministran datos), los controladores y las interfaces para la comunicación con 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 a los edificios y a la sala de control.
e) El panel clásico requerido por el control tradicional, se sustituirá por uno o varios monitores CRT, en los cuales, el operador con la ayuda del teclado/puntero deberá examinar las variables de proceso, las características de control, las alarmas, etc., sin perturbar el control de la planta y con la opción de cambiar cualquiera de las características de control de las variables de proceso.
En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control clásico puede compararse a la existente entre una máquina cuya configuración se hace mediante el cambio de cables y otra donde cualquier modificación se hace por software. En este aspecto el ordenador personal es un elemento fundamental, tanto a nivel de planta como en escalafones superiores y permite la visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnóstico de cada lazo de control, el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores.
Red de control distribuido
Sus elementos principales son:
Controlador Básico
Es un módulo estructurado en torno a un microprocesador que permite realizar controles PID (Proporcional-Integral-Derivativo) y otros algoritmos de control basados en sumas, multiplicaciones, divisiones, relaciones, raíces cuadradas, contadores, etc. Un controlador básico puede controlar varios lazos, es decir, puede estar “pendiente” de múltiples variables de forma simultánea y proporcionar un control sobre ellas. Estos algoritmos pueden configurarse, y en caso de avería en las unidades de control superiores, el control que ejercerá el regulador digital será el correspondiente al último algoritmo configurado: tipo de control (directo, inverso, etc.), tipo de señal de entrada (lineal, exponencial, etc.), alarmas a generar, sensores a muestrear, etc. Como vemos, en este controlador básico se establece ya el primer paso en la dotación de cierta autonomía a los diferentes elementos de un control distribuido.
La red de comunicación externa suministra los datos necesarios que definen el comportamiento del regulador. Estos datos externos junto a los propios del proceso se optimizan, obteniéndose los parámetros que se introducen en el algoritmo de regulación y que unidos a la consigna (referencia), permitirán enviar al proceso la actualización correspondiente.
Normalmente la optimización suele ser un acondicionamiento de señal más o menos complejo: ADC/DAC, conversión V/F, variación de nivel, comparación, etc.
Regulador digital
Controlador multifunción
Utiliza en su programación un lenguaje de alto nivel y permite controlar procesos complejos en los que el regulador digital básico no puede:
• Control de procesos por lotes o discontinuos (batch). Un ejemplo puede ser una cadena de dosificación en la que no se fabrica siempre el mismo producto y hay que estar variando la consigna de los dosificadores de acuerdo al producto o receta que se esté fabricando en el momento.
• Control en tiempo real. La complejidad de las ecuaciones y la dinámica del proceso no pueden ser encomendadas a un controlador básico.
El controlador multifunción suele estar constituido por un equipo basado en un ordenador personal con elevada capacidad operativa y de comunicación.
Estación de trabajo del operador
Proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento. La presentación de la información a cada uno de ellos se realiza mediante programas de operación. De este modo:
a) El operador de proceso ve en la pantalla un gráfico del proceso (o parte de él) que le interesa, y puede manipular las variables deseadas, las alarmas, las curvas de tendencia, etc. Puede archivar datos históricos de la planta que crea interesantes, obtener copias en impresora de las tendencias o de los estados de alarma, etc.
b) El ingeniero de proceso puede editar los programas de control del proceso, construir las representaciones en pantalla de partes del proceso, etc. Tendrá un acceso al proceso mucho más “crítico” que el operador y su actuación 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 de control distribuido de la planta.
Todos los componentes del control distribuido están perfectamente comunicados entre ellos, siendo ésta la clave para conseguir una elevada eficiencia global.
El control distribuido tiene una seguridad mejorada con relación a los sistemas de control convencionales. El sistema es redundante y limita las consecuencias de un fallo, manteniendo el control del sistema y mejorando la fiabilidad.
Niveles de un control distribuido
Combinando los conceptos de lazo de control y comunicaciones industriales, un sistema de control distribuido (DCS) consta de uno o más “niveles” de control, los cuales, están vinculados con el fin de ejecutar conjuntamente tareas complejas con un máximo de efectividad y una elevada optimización en el uso de los recursos.
En la figura siguiente se muestra la relación existente entre los diferentes niveles de un DCS, sobre los cuales sería interesante hacer la siguiente precisión: en su definición original (clásica) eran los niveles 1, 2 y 3 los que realmente formaban el DCS, estando el restante (4) más vinculado al sistema de gestión de la empresa. Sin embargo, hoy en día, cuando se habla de control distribuido se está haciendo referencia a la totalidad de la figura siguiente, de ahí que se tienda a utilizar cada vez más el nombre de sistemas de información total. En los niveles inferiores de un control distribuido estarán aquellos elementos que están en contacto con el proceso y, por tanto, ajustados a los parámetros y variables que el proceso suministra y que el DCS debe controlar.
En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómatas pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis y optimización de unidades (plantas o divisiones corporativas con cierto grado de autonomía) del proceso. La adición de algún otro nivel al DCS puede también ayudar a integrar actividades relacionadas con una división o una planta, tal como compras, recepción de material, control de inventario, facturación, control de calidad y servicios al cliente o usuario.
Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidades de un sistemas de control centralizado, mientras conservan la flexibilidad, seguridad y rapidez de respuesta de los controladores autónomos basados en microprocesadores. Por ejemplo, el fallo de cualquier componente de un DCS afecta sólo a una pequeña parte del proceso, si acaso. Por otro lado, si un elemento de un nivel superior falla, los controladores del NIVEL 1 continuarán el control del proceso normalmente, entendiendo por normalidad la ejecución de la última labor encomendada (programada).
A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a las entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y la interface del operador. Esta distribución física en varios niveles de control puede reducir significativamente el coste del cableado y las modificaciones y mantenimiento pueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso.
Inclusive, los DCS son fácilmente ampliables. Cualquier dispositivo que haya de añadirse se comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lugar. Esta modularidad proporciona una significativa mejora de costes durante todas las fases de un plan de automatización.
Niveles de un control distribuido
En los niveles superiores, los ordenadores, estaciones de trabajo e incluso los autómatas pueden llevar a cabo funciones adicionales tales como: concentración de datos, análisis y optimización de unidades (plantas o divisiones corporativas con cierto grado de autonomía) del proceso. La adición de algún otro nivel al DCS puede también ayudar a integrar actividades relacionadas con una división o una planta, tal como compras, recepción de material, control de inventario, facturación, control de calidad y servicios al cliente o usuario.
Los sistemas de control distribuido multinivel poseen todas las posibilidades de un sistemas de control centralizado, mientras conservan la flexibilidad, seguridad y rapidez de respuesta de los controladores autónomos basados en microprocesadores. Por ejemplo, el fallo de cualquier componente de un DCS afecta sólo a una pequeña parte del proceso, si acaso. Por otro lado, si un elemento de un nivel superior falla, los controladores del NIVEL 1 continuarán el control del proceso normalmente, entendiendo por normalidad la ejecución de la última labor encomendada (programada).
A diferencia de un sistema centralizado, sólo el NIVEL 1 debe estar conectado a las entradas y salidas del proceso. Un bus de datos sirve para la comunicación entre los controladores y la interface del operador. Esta distribución física en varios niveles de control puede reducir significativamente el coste del cableado y las modificaciones y mantenimiento pueden llevarse a cabo sin interrumpir el proceso.
Inclusive, los DCS son fácilmente ampliables. Cualquier dispositivo que haya de añadirse se comunica con otros dispositivos ya instalados en el mismo lugar. Esta modularidad proporciona una significativa mejora de costes durante todas las fases de un plan de automatización.
Elementos requeridos por nivel
Este nivel es el denominado de planta o proceso y es el que físicamente se encuentra 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 que generalmente están basados en microprocesadores (regulación digital). Este tipo de elementos son muy flexibles, permitiendo modificar tanto el control como los cambios requeridos en el proceso, además de ofrecer una fácil ampliación en caso necesario. Inclusive, los módulos de E/S pueden manejar varios lazos de control, ejecutar algoritmos específicos, proporcionar alarmas, llevar a cabo secuencias lógicas y algunos cálculos y estrategias de control altamente interactivas.
Los sensores, transductores, actuadores y demás instrumentos de análisis incluidos en el NIVEL 1, se encargan de comunicar las condiciones del proceso al sistema de control por un lado, y por otro, ajustan el proceso de acuerdo con las órdenes recibidas desde el sistema de control, del mismo nivel o superior. En el primer caso tendríamos los sensores y transductores e instrumental de campo y en el segundo los actuadores.
La coordinación de todos estos elementos se hace, bien mediante un bus de campo, bien mediante un bus de dispositivos. La conexión de los actuadores y sensores al resto del DCS se hará directamente al bus de comunicación o a los módulos de E/S, dependiendo de las posibilidades de comunicación que posean. A su vez, los módulos de E/S pueden ser unidades de pequeños autómatas, siendo estos los que integrarán las comunicaciones necesarias. La instalación de todo lo relacionado con este nivel de control se lleva a cabo por personal altamente especializado, ya que el mismo elemento (sobre todo transductores y actuadores) unos centímetros adelante o atrás no mide o actúa con igual fidelidad.
Estos componentes, sobre todo los transductores, son muy sensibles y precisan unas condiciones de trabajo muy definidas, por lo tanto es fundamental elegir el dispositivo adecuado para evitar multitud de problemas “sin lógica aparente”.
Nivel 2
Suele denominarse generalmente de control y regulación. En este nivel se encuentra la interface de operaciones de cada uno de los procesos controlados. La interface de operaciones o consola será una estación tipo ordenador personal, ya que constará de teclado, unidad de visualización y puntero. Esta interface permite al operador observar el estado del proceso y programar los elementos vinculados a él, individualmente si ello es necesario.
Los autómatas (PLC’s) ubicados en este nivel suelen ser de prestaciones más llevadas, dotados de módulos de comunicaciones industriales (buses de campo), además de sus funcionalidades características. Por otro lado, los ordenadores irán equipados con tarjetas a modo de interface, que permitirán la relación adecuada con el entorno. Ambos equipos “extraen” los datos más significativos del nivel inferior mediante los puentes de comunicaciones adecuados (gateway o bridge) y los ponen a disposición de la interface de operaciones. La interface de operaciones permite al operador ver datos del proceso en cualquier formato. Los formatos pueden incluir una visión global del estado del proceso, representaciones gráficas de los elementos o equipos de proceso, tendencias de las variables, estado de alarmas y cualquier otro tipo de información. El operador usa el teclado/puntero para dirigir los controladores, requerir información del proceso, ejecutar estrategias de control y generar informes de operación. Esta interface se ubica físicamente cerca del proceso o procesos controlados.
En este segundo nivel nos encontramos con las celdas o células, vinculadas a los diferentes procesos (cada una a uno, normalmente) y en ellas se pueden producir los primeros descartes de productos a raíz de las anomalías detectadas.
Los niveles 1 y 2 tienden a integrarse cada vez más en uno solo: control y regulación en planta. Ello es debido, principalmente a que los elementos de campo (NIVEL 1) son cada vez más sofisticados, arrebatando el campo a los controladores del NIVEL 2, ya que algunos de ellos además de incluir varios elementos a la vez (transductor, acondicionador, regulación digital), posee una interface lo suficientemente potente como para comunicar directamente con niveles superiores. De hecho, la consola de operaciones del NIVEL 2 puede ser usada para interrogar o dirigir un controlador inteligente del NIVEL 1. Esta combinación de inteligencia, controladores independientes e interface de operador, proporciona la seguridad, velocidad, potencia y flexibilidad que es la esencia de un DCS.
Nivel 3
Este nivel es el conocido como de mando de grupos y en él se sitúa la denominada en su día “interface del ingeniero” y que hoy en día suele conocerse como “interface para el control de la línea de producción”. Esta interface (con cualquiera de sus nombres) de un DCS facilita la coordinación de las diferentes células existentes en el nivel inferior, a la vez que supervisa y controla toda un área, permitiendo obtener una visión más amplia de lo que se está ejecutando en la planta. También proporciona información importante a los ingenieros después de la instalación y puesta en marcha del sistema.
Para mejorar la productividad, una “interface de ingeniero” deberá ser fácil de usar, rápida y eficiente. Menús de operaciones y bases de datos ayudan a mejorar el uso y la productividad. De ahí que en este nivel se incluyan, sobre todo, ordenadores con software muy específico.
En este nivel se produce también un análisis pormenorizado de los datos generados en niveles inferiores y se producen los descartes definitivos. Además se aplican los criterios más exigentes de control de calidad y se planifica la producción a medio y corto plazo.
En el NIVEL 3 de un sistema de control distribuido se produce la primera centralización, entendiendo por ello la concentración masiva de información, gracias a lo cual se pueden planificar estrategias sofisticadas en lo que a la producción industrial se refiere. Así, en este nivel se deciden aspectos productivos tan importantes como entrada y salida de materiales, es decir, la logística de aprovisionamiento.
Nivel 4
Es el nivel de dirección de la producción. En este nivel se define la estrategia de la producción en relación con el análisis de las necesidades del mercado y se formulan previsiones de producción a largo plazo. Sobre estas previsiones, se planifica la producción en el NIVEL 3.
En este cuarto nivel se utilizan estaciones de trabajo, que permiten simular estrategias de producción e intercambiar datos con otros departamentos vinculados (diseño, I+D, etc), además de establecer posibles cambios en ingenierías de los procesos. Es un nivel con enfoques más mercantiles, por lo que no profundizaremos más en él y tan sólo añadiremos que los ordenadores en este nivel están especializados en gestión y almacenamiento de datos, además de estar vinculados mediante la red de comunicación correspondiente a sus respectivas aplicaciones.
Bibliografía
http://es.wikipedia.org/wiki/Adquisici%C3%B3n_de_datos
http://www.buenastareas.com/ensayos/Topicos-De-Control/672858.html
http://www.buenastareas.com/ensayos/Control-Asistido-Por-Computadora/1659036.html
http://www.buenastareas.com/ensayos/Topicos-De-Control-Asistido-Por-Computadora/2682958.html
jueves, 1 de diciembre de 2011
Unidad III ACTUADORES FINALES DE CONTROL
ACTUADORES
Los actuadores son dispositivos capaces de generar una fuerza a partir de líquidos, de energía eléctrica y gaseosa. El actuador recibe la orden de un regulador o controlador y da una salida necesaria para activar a un elemento final de control como lo son las válvulas.
Existen tres tipos de actuadores:
- Hidráulicos
- Neumáticos
- Eléctricos
Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados pera manejar aparatos mecatronicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.
Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatronicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.
Por todo esto es necesario conocer muy bien las características de cada actuador para utilizarlos correctamente de acuerdo a su aplicación especifica.
Actuadores hidráulicos
Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión. Existen tres grandes grupos:
cilindro hidráulico
motor hidráulico
motor hidráulico de oscilación
Cilindro hidráulico
De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. El control de dirección se lleva a cabo mediante un solenoide que se muestra a continuación.
En el interior poseen un resorte que cambia su constante elástica con el paso de la corriente. Es decir, si circula corriente por el pistón eléctrico este puede ser extendido fácilmente.
Cilindro de presión dinámica
Lleva la carga en la base del cilindro. Los costos de fabricación por lo general son bajos ya que no hay partes que resbalen dentro del cilindro.
Cilindro de Efecto simple.
La barra esta solo en uno de los extremos del pistón, el cual se contrae mediante resortes o por la misma gravedad. La carga puede colocarse solo en un extremo del cilindro.
Cilindro de Efecto doble.
La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón.
Cilindro telescópico.
La barra de tipo tubo multietápico es empujada sucesivamente conforme se va aplicando al cilindro aceite a presión. Se puede lograr una carrera relativamente en comparación con la longitud del cilindro.
Motor hidráulico
En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupo: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. A continuación se muestra la clasificación de este tipo de motores:
- Motor de engranaje
- Tipo Rotatiorio Motor de Veleta
- Motor de Hélice
- Motor Hidráulico Motor de Leva excéntrica
- Pistón Axial
- Tipo Oscilante Motor con eje inclinado
Motor de Engranaje.
El aceite a presión fluye desde la entrada que actúa sobre la cara dentada de cada engranaje generando torque en la dirección de la flecha. La estructura del motor es simple, por lo que es muy recomendable su uso en operaciones a alta velocidad.
Motor con pistón eje inclinado
EL aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje.
Motor oscilante con pistón axial
Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise.
Actuadores Neumáticos
A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad.
En esta clasificación aparecen los fuelles y diafragmas, que utilizan aire comprimido y también los músculos artificiales de hule, que últimamente han recibido mucha atención.
- De Efecto simple
- Cilindro Neumático
- Actuador Neumático De efecto Doble
- Con engranaje
- Motor Neumático Con Veleta
- Con pistón
- Con una veleta a la vez
- Multiveleta
- Motor Rotatorio Con pistón
- De ranura Vertical
- De émbolo
- Fuelles, Diafragma y músculo artificial
Cilindro de Simple Efecto
Cremallera
Transforman un movimiento lineal en un movimiento rotacional y no superan los 360°.
Rotativos de Paletas
Son elemento motrices destinados a proporcionar un giro limitado en un eje de salida. La presión del aire actúa directamente sobre una o dos palas imprimiendo un movimiento de giro. Estos no superan los 270° y los de paleta doble no superan los 90°.
Partes de un Actuador
1 SISTEMA DE "LLAVE DE SEGURIDAD" : Este método de llave de seguridad para la retención de las tapas del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una ranura de deslizamiento labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados por cargas centradas en los tornillos de las tapas y helicoils. Las Llaves de Seguridad incrementan de gran forma la fuerza del ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra desacoplamientos peligrosos.
2 PIÑÓN CON RANURA: Esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso de bridas de acoplamiento. (Bajo la norma Namur).
3 COJINETES DE EMPALME: Estos cojinetes de empalme barrenados y enroscados sirven para simplificar el acoplamiento de accesorios a montar en la parte superior. (Bajo normas ISO 5211 Y VDI).
5 PASE DE AIRE GRANDE: Los conductos internos para el pasaje de aire extra grandes permiten una operación rápida y evita el bloqueo de los mismos.
6 MUÑONERAS: Una muñonera de nuevo diseño y de máxima duración, permanentemente lubricada, resistente a la corrosión y de fácil reemplazo, extiende la vida del actuador en las aplicaciones más severas.
7 CONSTRUCCIÓN: Se debe proveer fuerza máxima contra abolladuras, choques y fatiga. Su piñón y cremallera debe ser de gran calibre, debe ser labrado con maquinaria de alta precisión, y elimina el juego para poder obtener posiciones precisas.
8 CERAMIGARD: Superficie fuerte, resistente a la corrosión, parecida a cerámica. Protege todas las partes del actuador contra desgaste y corrosión.
9 REVESTIMENTO: Un revestimiento doble, para proveer extra protección contra ambientes agresivos.
11 ACOPLE: Acople o desacople de módulos de reposición por resorte, o de seguridad en caso de falla de presión de aire.
12 TORNILLOS DE AJUSTE DE CARRERA: Provee ajustes para la rotación del piñón en ambas direcciones de viaje; lo que es esencial para toda válvula de cuarto de vuelta.
16 MUÑONERAS RADIALES Y DE CARGA DEL PIÑÓN: Muñoneras reemplazables que protegen contra cargas verticales. Muñoneras radiales soportan toda carga radial.
17 SELLOS DEL PIÑÓN - SUPERIOR E INFERIOR: Los sellos del piñón están posicionados para minimizar todo hueco posible, para proteger contra la corrosión.
19 RESORTES INDESTRUCTIBLES DE SEGURIDAD EN CASO DE FALLA: Estos resortes son diseñados y fabricados para nunca fallar y posteriormente son protegidos contra la corrosión. Los resortes son clasificados y asignados de forma particular para compensar la pérdida de memoria a la cual esta sujeta todo resorte; para una verdadera confianza en caso de falla en el suministro de aire.
Actuadores Eléctricos
La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entra la fuente de poder y el actuador.
Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua.
Utilización de un pistón eléctrico para el accionamiento de una válvula pequeña
La forma mas sencilla para el accionamiento con un pistón, seria la instalación de una palanca solidaria a una bisagra adherida a una superficie paralela al eje del pistón de accionamiento y a las entradas roscadas, tal y como se observa en el siguiente diagrama:
El pistón eléctrico puede ser accionado por una corriente, con lo cual para su accionamiento, solo hará falta utilizar un simple relé. En caso que se decidiera alimentarlo con cc, la corriente deberá ser del mismo valor pudiendo ser activado por una salida a transistor de un PLC.
Accionamiento con Alambres Musculares
Los Alambres Musculares , también son actuadores. Tienen una apariencia semejante a la de un pelo, con la gran diferencia que al activarlos con corriente eléctrica estos se contraen generando fuerzas desde los 20 a los 2000 gramos, dependiendo de su diámetro.
Podría construirse un sistema semejante al utilizado con el pistón, lográndose aun una mayor rapidez para el accionamiento del mecanismo.
También podrían implementase montajes mas sencillos, como el de una alambre en V invertida que posea los dos terminales del alambre solidarios a un chasis montado por debajo de la base de la válvula, de tal manera que el vértice de la V invertida este sobre el mecanismo de cierre de la válvula. Como se observa en el siguiente esquema:
Motores a paso
Es un dispositivo electromecánico que convierte pulsos eléctricos en movimientos mecánicos distintos. El eje de un motor a pasos gira con incrementos discretos a paso del paso cuando pulsos eléctricos son aplicados en la secuencia apropiada.
Existen tres tipos básicos de motores a Pasos. Ellos son:
- Reductancia variable
- Imán permanente
- Híbrido
Eje de Salida
Salida de Aceite a presión
Unidad II TIPOS DE SENSORES
Sensor
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etc.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la velocidad de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su aceleración. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón).
Características de un sensor
- Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
- Precisión: es el error de medida máximo esperado.
- Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
- Linealidad o correlación lineal.
- Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada.
- Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.
- Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
- Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
- Repetibilidad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.
Resolución y precisión
La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.
La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.
Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.
Tipos de sensores
En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos.
Magnitud | Transductor | Característica |
Posición lineal o angular | Analógica | |
Digital | ||
Digital | ||
Desplazamiento y deformación | Analógica | |
Analógica | ||
A/D | ||
Analógica | ||
Analógica | ||
Velocidad lineal y angular | Dinamo tacométrica | Analógica |
Digital | ||
Digital | ||
A/D | ||
Analógica | ||
Aceleración | Analógico | |
Fuerza y par (deformación) | Analógico | |
A/D | ||
Presión | Membranas | Analógica |
Analógica | ||
Digital | ||
Analógica | ||
Magnético | Analógica | |
Analógica | ||
Analógica | ||
Analógica | ||
Analógica | ||
[Bimetal - Termostato ]] | I/0 | |
Sensores de presencia | Inductivos | I/0 |
Capacitivos | I/0 | |
Ópticos | I/0 y Analógica | |
Sensores táctiles | Matriz de contactos | I/0 |
Analógica | ||
Visión artificial | Cámaras de video | Procesamiento digital |
Procesamiento digital | ||
Sensor acústico (presión sonora) | ||
Sensores de acidez | ||
Sensores captura de movimiento | Sensores inerciales |
Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la velocidad de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su aceleración. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón).
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