Diapositives de la UD08 'Sistemes automàtics i de control' de Tecnologia Industrial de 2n de Batxillerat. Llibre McGraw Hill

1. UD 08. Sistemes autom. i de control.
Introducció
Objectius Didàctics
Abans de començar...
Continguts
Introducció a la tecnologia de control
Sistemes de control automàtic
Tecnologies cablejades i programades
Els senyals en els sistemes de control

2. UD 08. Sistemes autom. i de control.
Continguts (II)
Sistemes de control de llaç obert i de llaç tancat
Llaç obert
Llaç tancat
La funció de transferencia
Components dels sistemes de control
Introducció
Elements del control de llaç obert
Elements del control de llaç tancat

3. UD 08. Sistemes autom. i de control.
Continguts (III)
Controladors
Introducció
Control proporcional (P)
Control integral (I)
Control derivatiu (D)
Control PID
Control tot o res
Transductors
Estructura d'un transductor
Classificació

4. UD 08. Sistemes autom. i de control.
Continguts (IV)
Generadors de consigna, comparadors i actuadors
Introducció
Visualitzadors
L'autòmat programable o PLC
Introducció
Avantatges i inconvenients
Estructura
Unitat de control
Memòria
Elements d'entrada i de sortida

5. UD 08. Sistemes autom. i de control.
Continguts (V)
Programació d'autòmats
Introducció
Diagrama de contactes
Diagrama lògic
Diagrama de flux
GRAFCET
Funcions algebràiques

6. UD 08. Sistemes autom. i de control.
Objectius didàctics
Conèixer i entendre les diferents tipologies de sistemes de
control així com els seus components
Adquirir nocions de les maneres de programació possibles
Entendre els sistemes automàtics i de control com una
aplicació de conceptes prèviament explicats
Continuar aplicant la lògica per a la resolució de
problemes
Entendre l'abast dels sistemes de control

7. UD 08. Sistemes autom. i de control.
Abans de començar...
Podem explicar què pot ser un sistema de control?
Recordem quina diferència hi havia entre els sistemes de
control de llaç tancat i llaç obert?
Sabem què és un transductor? Per a què servirà en un
sistema de control?
Recordem com és un diagrama de flux?
I els seus símbols?

8. UD 08. Intro: Tecnologia de control
Introducció
Automatitzar: reduir al màxim la intervenció humana
Tecnologia de control
Abasta tant procediments com sistemes
Permet automatitzar màquines, aparells i processos
Control: concepte ampli
Comandament d'aixeta
Manipulació de robots en entorns productius
Sistema de control: conjunt d'elements
Actuen de manera coordinada per governar un procés
Mitjançant magnituds que hi intervenen

9. UD 08. Intro: Tecnologia de control
Sistemes de control automàtic
Té com a objectiu minimitzar la intervenció humana
Intervenció humana: introducció d'ordres
Exemple: apagada de llums automatitzada
Tecnologies cablejades i programables
Cablejada
Duta a terme a partir d'unions físiques.
Té inconvenients
Poc flexible envers ampliacions, canvis
En general ocupa més espai
No permet operacions de control massa complexes

10. UD 08. Intro: Tecnologia de control
Tecnologies cablejades i programables
Programable
Molt adaptable
Canvis sense alterar la configuració física
Només el programa de control
Els senyals en els sistemes de control
Senyal
Magnitud física variable emprada per transmetre informació de
manera contínua
En general: es treballa amb senyals elèctrics
Es divideixen en tres tipologies

11. UD 08. Intro: Tecnologia de control
Els senyals en els sistemes de control (II)
Sistemes analògics
Senyals de tipus continu
Infinits valors en interval finit
Solen representar magnituds físiques
T, P, v...
Habitualment: amb V o I proporcionals al seu valor
Sistemes digitals
Treballen amb senyals de tot o res
També anomenats: binaris
Obert/tancat, connectat/desconnectat...

12. UD 08. Intro: Tecnologia de control
Els senyals en els sistemes de control (III)
Sistemes híbrids analògicodigitals
És el que predomina actualment
Tot i així: unitat central totalment digital
Basada en microprocessador

13. UD 08. Sistemes de llaç obert/tancat
Sistemes de control de llaç obert
Un cop activats: executen procés durant t prefixat
Independentment del resultat obtingut
El sistema no supervisa el resultat del procés
Ex: temporitzador de llum d'escala, torradora...
Sistemes de control de llaç tancat
Més complexos, per a situacions canviants
Un cop donada l'ordre per iniciar el procés
Analitza sortida, si no compleix consigna: es manté activat
Té realimentació (comparem sortida amb consigna)
Ex: control de Temperatura d'una sala

14. UD 08. Sistemes de llaç obert/tancat
La funció de transferència
Cada component o subsistema d'un sistema de control:
bloc
Funció de transferència
També anomenada transmitància
Relaciona, en un bloc, la variable de sortida amb la d'entrada
Exemple
Bloc constituït per resistència elèctrica
Variable d'entrada: I. Variable de sortida: V

15. UD 08. Components dels sistemes
Introducció
Dispositius d'entrada d'ordres
Permeten a l'operador entrar dades i ordres al sistema
Elements binaris
Ordres del tipus: activat/desactivat, cert/fals...
Tenim interruptors, commutadors...
Elements numèrics i alfanumèrics
Entrada de números i lletres
Teclats d'ordinador, preselectors digitals (rodes que giren i se selecciona
un nombre)

16. UD 08. Components dels sistemes
Introducció (II)
Dispositius d'entrada d'informació
Bàsicament constituïts per sensors
Prenen informació de la situació del procés o variables de sortida
Les transmeten a la unitat de control
Es poden classificar
Segons el tipus de senyal que faciliten
Binaris, numèrics i analògics
Segons la magnitud que indiquen
T, P, q, posició, v...

17. UD 08. Components dels sistemes
Introducció (III)
Unitat de control o controlador
Sistema de tractament de la informació del procés
Estableix com s'han de combinar les entrades d'informació per
tal d'activar les sortides
De vegades: calen interfícies
Adapten els senyals dels sensors a les entrades de la unitat de control
Dispositius de sortida d'informació
S'encarreguen de la comunicació amb l'operador

18. UD 08. Components dels sistemes
Introducció (IV)
Dispositius de sortida d'informació (II)
Es poden classificar:
Binaris: pilots, timbres...
Numèrics i alfanumèrics: displays de 7 segments, LCDs...
Analògics: indicadors d'agulla
Actuadors i preactuadors
Encarregats d'actuar sobre el procés: motors, cilindres...
Sovint els actuadors no es connecten directament al
controlador
Requereixen preactuadors: contactors, relés, vàlvules distribuïdores...

19. UD 08. Components dels sistemes
Elements del control de llaç obert
El controlador
Determina i executa el procés per al qual està preparat
Té elements de regulació i senyals d'indicador d'estat
Rentadora: seria el programador
Torradora: seria el termòstat
L'actuador o accionador
Element final que fa acció sobre el procés
Motors, resistències, cilindres...
Sovint no són connectables directament al controlador
Emprem preactuadors: interruptors, contactors, vàlvules...

20. UD 08. Components dels sistemes
Elements del control de llaç tancat
Més complex: hi intervé la retroalimentació
Necessitem disposar d'elements captadors de magnituds de
procés
Sensors o transductors
També d'uns circuits adaptadors: interfícies
Per a fer-ho intel·ligible pel controlador
Tenen: comparadors
Generen senyal d'error si tenim dissonàncies amb consigna
També tenen els components que ja hem vist
Accionadors o actuadors i controlador
Possiblement amb preactuadors

21. UD 08. Controladors
Introducció
Responsable d'elaborar el senyal corrector
Aquest senal s'envia a l'element final de regulació del procés
La seva finalitat: restablir o mantenir condicions de
regulació desitjades
Pròximes al valor de consigna
I per tant, minimitzar l'error entre tots dos valors
Consigna i valor real del procés
Acció: en funció de la funció de transferència
Totes estan basades en uns models bàsics
Acció Proporcional, acció integral i acció derivativa

22. UD 08. Controladors
Control Proporcional (P)
Veiem-ho amb un exemple
Dipòsit d'aigua
Sobre la sortida
S'activa un mecanisme que actua sobre l'entrada
El cabal d'entrada acaba sent igual al de sortida (vàlvula)
Com que tenim un petit desfasament en el temps
Desviació residual o permanent (offset)
Ja que mentrestant el cabal de sortida no era zero
Si qs varia: també ho farà qe
Però no el pot portar al nivell de consigna anterior

23. UD 08. Controladors
Control Proporcional (P) (II)
Aquest control depèn proporcionalment del senyal d'error
C(t) = Kp ε(t)
Kp és una constant: guany o constant proporcional
La seva funció de transferència: G(s) = Kp
Es defineix banda proporcional: BP = 1/Kp
Així: ε(t) = BP C(t)

24. UD 08. Controladors
Control Integral (I)
Amb P: sempre tenim desviació permanent
Que depèn de BP
Tenim control integral
Elimina aquest error
El tenim quan la velocitat de canvi de la sortida del control és
proporcional al senyal d'error d'entrada
En l'exemple anterior
Aniria incrementant el cabal d'entrada mentre es mantingués la
desviació
Si no aconsegueix equilibrar-la: fins al màxim

25. UD 08. Controladors
Control Integral (I) (II)
En l'exemple anterior
Tindríem un motor que obre i tanca la vàlvula d'entrada
Tensió positiva d'obertura i tensió negativa de tancament
Si tenim baixada de nivell
Senyal d'apertura de l'entrada
Persisteix mentre no hi arribem (cada cop s'obre més)
Si ens passem de la consigna
Senyal de tancament de l'entrada
Si es repeteix moltes vegades el cicle: inestabilitat del sistema
Podem fer que el temps d'integració sigui més lent

26. UD 08. Controladors
Control Integral (I) (III)
Característiques:
Mentre hi ha senyal d'error persisteix la correcció
Con més petit l'error: més petita la correcció
Respon tant a la durada com a la magnitud de l'error
Té l'inconvenient de ser poc enèrgica en instants inicials
Té un efecte progressiu
El proporcional té resposta enèrgica i instantània

27. UD 08. Controladors
Control Integral (I) (IV)
El seu comportament es descriu amb l'equació
On
C(t): senyal de control o sortida del controlador
TI: temps d'integració
Factor de proporcionalitat invers
ε(t): error o desviació
KI: constant integral
Mentre hi ha error: augmenta senyal de control
Quan error és nul: senyal constant

28. UD 08. Controladors
Control Integral (I) (V)
També ho podríem haver escrit:
On ΔC(t) / Δt és la velocitat de variació de sortida o canvi de
posició de la vàlvula
Si ε(t) = 0 la vàlvula no es mourà
Si ε(t) > 0 el senyal augmenta amb el temps (la vàlvula s'obrirà o
tancarà)
Si ε(t) < 0 tenim el cas contrari a l'anterior
A la pràctica: no tenim control I pur
També hi incorporen l'acció Proporcional
Dóna resposta enèrgica i I: elimina offset

29. UD 08. Controladors
Control Derivatiu (D)
El seu objectiu és complementar P i I
Es caracteritza
Senyal de control proporcional a velocitat amb què varia la
magnitud d'error amb el temps
Dit d'una altra manera
S'oposa a les desviacions amb una acció proporcional a la
rapidesa d'aquestes desviacions.
S'expressa:

30. UD 08. Controladors
Control Derivatiu (D) (II)
Si ho expressem en forma d'increments:
Si el canvi és brusc (esglaó)
La velocitat de variació seria infinita
Efecte indesitjable
No treballem amb D pur, estarà combinat amb I o PI
Control PID
Els controladors que solem trobar al mercat són així
Acció proporcional: corregeix posició de vàlvula
proporcionalment a la desviació
Instantani i enèrgic. Però: offset

31. UD 08. Controladors
Control PID (II)
Acció integral
Mou la vàlvula proporcionalment a la desviació
Lent i progressiu
Però actua fins a anul·lar la desviació permanent
Acció derivativa
Corregeix proporcionalment a la velocitat de canvi de la
desviació
Produeix efecte d'anticipació
Tenim en compte la tendència de la variable controlada

32. UD 08. Controladors
Control PID (III)
És l'emprat industrialment
L'usuari: ajusta les constants
Difícil trobar el punt òptim
Podem provocar inestabilitats o retards a la resposta
Controlador ideal
Reacció ràpida, no arriba a pertorbar-se el valor de la variable
Sense retards ni oscil·lacions

33. UD 08. Controladors
Control tot o res
La seva sortida només adopta dos estats: connectat o
desconnectat
Les equacions que expressen el seu comportament són:
On
E(t): consigna
C(t): senyal de control o sortida del controlador
R(t): realimentació o valor real mesurat

34. UD 08. Controladors
Control tot o res (II)
Aquest control: amb retards alts (de primer ordre)
Exemple: termòstat d'alguns sistemes de climatització
A la pràctica, tenen banda morta (o histèresi)
No hi actuen
Emprem h, banda morta o error llindar

35. UD 08. Transductors
Introducció
Transformen una magnitud física en una altra
Generalment: en un senyal elèctric
Entre les dues: hi ha una relació determinada
Estructura d'un transductor
Element sensor o captador
Converteix magnitud física en magnitud elèctrica o magnètica
Anomenada senyal

36. UD 08. Transductors
Estructura d'un transductor (II)
Element sensor o captador
Converteix magnitud física en magnitud elèctrica o magnètica
Anomenada senyal
Bloc de tractament del senyal
No sempre hi és
Senyals que s'han de filtrar, preamplificar...
Etapa de sortida
Amplificadors, relés, transmissors...
Adapta el senyal al receptor: comparador o controlador

37. UD 08. Transductors
Estructura d'un transductor (II)
Ideal:
Relació entre entrada i sortida proporcional indep. del règim
També: consum mínim d'energia per no influir la mesura
Classificació dels transductors
Actius o passius
Segons generen directament el senyal captat o necessiten d'una
alimentació
Segons com codifiquen la magnitud mesurada
Analògics, digitals o tot/res

38. UD 08. Transductors
Classificació dels transductors (II)
Taula de classificació: pàgina 229 llibre
Tenim
Magnitud a mesurar
Tipus de transductor
Característica
De posició
Final de cursa (tot o res)
També: proximitat, temperatura...

39. UD 08. Generadors de consigna,
comparadors i actuadors
Introducció
Generador de consigna: capaç de generar un valor de
referència
Comparador: avaluem la consigna envers el senyal
realimentat del transductor
El resultat de la comparació: error
També anomenat detector d'error
Actuadors: gamma molt diversa
Motors, cilindres, bombes, bescanviadors de calor, làmpades...
També tenim preactuadors: relés, contactors
Poden ser: analògics, digitals, tot/res

40. UD 08. Generadors de consigna,
comparadors i actuadors
Visualitzadors
Elements de sortida d'informació
També anomenats presentadors
Donen informació de l'estat del procés i de l'automatisme
LEDs, timbres, sirenes, LCDs...
Elements binaris
Donen informació del tipus Sí/No: Pilots, LDES, timbres...
Elements numèrics i alfanumèrics
Permeten visualitzar números i textos: display de 7 segments,
LCDs

41. UD 08. L'autòmat programable - PLC
Introducció
Màquina electrònica per fer
Automatismes combinacionals
Les sortides només depenen de les entrades
Automatismes seqüencials
A més poden emmagatzemar informació
Programable per personal no especialitzat
En entorns industrials i en temps real

42. UD 08. L'autòmat programable - PLC
Avantatges i inconvenients
Podem comandar diferents màquines amb un sol PLC
Possible reutilització del PLC
Espai reduït
Flexibilitat: modificacions programables
Però:
Alt grau d'especialització de l'operador
Cost inicial elevat

43. UD 08. L'autòmat programable - PLC
Estructura del PLC
Unitat de control (CPU)
És la part intel·ligent de l'autòmat
Consulta estat de les entrades i sortides i executa programa
Elaborant senyals de sortida
Element principal: microprocessador
Executa cicle: scan
Lectura de les entrades i emmagatzematge de la informació
Execució del programa i escriptura dels resultats
Còpia de resultats en taula de sortida
Inici d'un nou cicle

44. UD 08. L'autòmat programable - PLC
Estructura del PLC (II)
Memòria
On emmagatzema les dades per dur a terme les tasques de
control
Programa i dades del procés
També té un sistema operatiu
Tipus de memòria
Volàtils (o RAM)
Llegides, escrites i esborrades amb facilitat
Es perd la informació en desconnectar-hi l'alimentació
Es pot inserir una petita bateria que l'alimenti per evitar-ho

45. UD 08. L'autòmat programable - PLC
Estructura del PLC (III)
Memòria (II)
Tipus de memòria (II)
No volàtils. Es diferencien en com es poden escriure i esborrar
ROM: Només pot ser llegida. Es programa quan es fabrica
PROM: Es pot programar elèctricament un sol cop
EPROM: Programable elèctricament diverses vegades. Amb UV esborrem tot
el seu contingut
EEPROM: Programació i esborrament total diverses vegades (elèctricament)
EAPROM. Com la RAM, però que no perd la informació en desconnectar-se

46. UD 08. L'autòmat programable - PLC
Estructura del PLC (IV)
Elements d'entrada i sortida
Permeten comunicar el PLC amb usuari i procés
Entrada: estat del procés: posicions, nivells, velocitats...
Sortida: PLC actua sobre accionadors i preaccionadors: relés,
electrovàlvules, pilots...
Entrades i sortides més habituals
I: Digitals: Sí/No, de CC a 24 o 48V
I: Digitals: Sí/No de CA a 110 o 220V
I: Analògiques: de 0-10V o 4-20mA
O: Tipus tot o res per relé o triac(220V màx) o col·lector obert (CC 24-48V)
Analògiques: 0-10V o 4-20 mA

47. UD 08. Programació de PLCs
L'usuari ha d'establir la seqüència d'ordres oportuna
Per a poder efectuar el control del procés
Això s'anomena programació de l'autòmat
Normalment el que s'ha de fer:
Determinar què s'ha de fer i l'ordre
Identificar senyals d'entrada i sortida del PLC
Representar per algun model o mètode gràfic el sistema de
control
Assignar adreces I/O als components que hi intervenen

48. UD 08. Programació de PLCs
Normalment el que s'ha de fer (II)
Confeccionar el programa
Per mitjà d'instruccions o símbols
Transferir instruccions obtingudes a la memòria del PLC
Provar i depurar el programa
Algunes maneres de programar el PLC
Diagrama de contactes
Diagrama lògic
Diagrama de flux
GRAFCET...