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Universidad de Huelva. Dpto. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática
Automatización e
Instrumentación Industrial
Tema 1.
Introducción
Juan Ríos Gutiérrez
rios@uhu.es

2 Universidad de Huelva. Dpto. de Ingeniería Electrónica, Sistemas Informáticos y Automática
Índice
1. Definiciones
2. Técnicas y estructuras básicas
3. Elementos del sistema controlado
4. Computadores en los sistemas de control
5. Niveles de control
6. Dos filosofías

Objetivos
 Dar una idea general del problema de control,
de cuáles son los principales elementos
implicados y las tecnologías empleadas así
como del empleo del computador en control.

Índice
1. Definiciones
6. Dos filosofías

Definiciones
 Definiciones según el diccionario de la R.A.E.:
 Automatización: “Acción y efecto de automatizar.”
 Automatizar: “Aplicar la automática a un proceso, a un dispositivo, etc. ”
 Automática: “Ciencia que trata de sustituir en un proceso el operador humano
por dispositivos mecánicos o electrónicos. ”
 Otras definiciones:
 Tecnología por la que un proceso o procedimiento se realiza sin la intervención
humana.
 Aplicación de sistemas de tipo mecánico, electrónico o informático a operaciones
y control de la producción.
 Desarrollo de sistemas capaces de cerrar un lazo con la mínima intervención del
operador. Implica medir el proceso, determinar su estado, tomar una decisión
en base a un objetivo pautado y actuar sobre el proceso para llevarlo a su
objetivo.
Automatización

Definiciones
 Conjunto de elementos organizados y relacionados que interactúan
entre sí para lograr un objetivo. Los sistemas reciben (entrada)
datos, energía o materia del ambiente y proveen (salida)
información, energía o materia.
 Puede ser físico o concreto (una computadora, un reactor, un
humano) o puede ser abstracto o conceptual (la evolución de una
especie)
Sistema
 Cada sistema existe dentro de otro
más grande, por lo tanto un sistema
puede estar formado por subsistemas
y partes, y a la vez puede ser parte de
un supersistema.

Definiciones
 Sistema que presenta un cambio o evolución de su estado en el
tiempo:
 Sistema dinámico discreto. El tiempo se mide en lapsos. Se modelan como
relaciones recursivas.
 Sistema dinámico continuo. El tiempo se mide de forma continua. Se modelan
como ecuaciones diferenciales.
 Sistema dinámico lineal. Cumple el principio de supeposición.
 Sistema dinámico no lineal. No cumple el principio de superposición.
 Sistema dinámico invariante en el tiempo.
 Sistema dinámico no invariante en el tiempo.
 MIMO.
 SISO.
…..
Sistema dinámico

Definiciones
 Conjunto de acciones que se realizan sobre un sistema para lograr
que éste se comporte de una manera especificada.
 Normalmente suponen el añadir elementos al sistema: controlador
 El computador se convierte en elemento fundamental para
conseguir acciones de control de gran calidad.
Control

Definiciones
 Variable de un sistema que debe tomar un valor determinado.
 Desde el punto de vista de la automatización y el control, es la
salida del sistema.
 También se conoce como respuesta del sistema, aunque no
represente el objetivo final. No siempre el sistema representa la
totalidad de las funciones. Idea de subsistema.
 Se divide el sistema completo en subsistemas que permitan aislar
distintas variables a controlar. No siempre será posible. Algunas
variables pueden estar acopladas.
Variable controlada

Definiciones
 Variable que podemos manipular para inducir un cambio de
comportamiento en la variable controlada.
 La acción de control consistirá en definir el valor de la variable de
control necesaria en cada instante de tiempo para que la respuesta
del sistema sea la deseada.
 Normalmente la acción de control supone un cambio en la energía
del proceso, por lo que la variable de control suele tener la
capacidad de aumentar o reducir dicha energía.
 Las dinámicas de los sistemas vienen gobernadas generalmente por
cambios de energía.
Variable manipulada o de control

Definiciones
 La referencia es el valor deseado para la variable controlada.
 El error es la diferencia entre la referencia y la variable controlada,
es decir, entre el valor deseado y el realmente obtenido.
 El error da una medida de cómo debemos actuar sobre el sistema
(mediante la variable de control) para conseguir que la variable
controlada siga a la referencia.
 El objetivo será, por tanto, conseguir un error cero.
Referencia o set point. Error

Definiciones
 Señales externas no manipulables que afectan a la respuesta del
sistema.
 Algunas perturbaciones son medibles o predecibles (observables).
 Otras perturbaciones son aleatorias y no pueden ser previstas. En
ellas sólo se observa su influencia en las salidas.
 En cualquier caso una buena acción de control debe ser lo más
inmune posible a las perturbaciones.
Perturbación

Índice
1. Definiciones
6. Dos filosofías

Técnicas y estructuras
básicas
 Metodología sencilla pero con mucha aplicación.
 Consiste en actuar o no actuar sobre el sistema para corregir su
respuesta.
 Necesidad de fijar un ciclo de histéresis.
 Ejemplos típicos: Control de temperatura por termostato. Control
de nivel en depósitos mediante bomba sin regulación.
Control todo/nada

básicas
 En cualquier instante de tiempo, la potencia de la actuación
dependerá de lo lejos que esté la variable controlada de la
referencia, es decir, del error.
 La señal de control será una función continua de la señal de error.
 Basado en la descripción del comportamiento del sistema mediante
ecuaciones diferenciales.
Control continuo
1 2
2
a gh
dh Q
c Q c h
dt A A
   

básicas
 Es muy similar al control continuo pero sólo se calcula la señal de
control en instantes determinados de tiempo.
 Basado en la descripción del comportamiento del sistema mediante
ecuaciones en diferencia o recursivas.
Control discreto (digital)

básicas
 El control se realiza sin medida de la variable de salida.
 Existe riesgo al operar con esta filosofía.
 Tiene como ventaja la simpleza y economía.
 Condiciones de aplicación:
 Las acciones del controlador deben ser simples.
 La función de actuación debe ser muy fiable.
 La reacción de oposición a la actuación debe ser despreciable.
Control en bucle abierto
Controlador Actuador Proceso
Consigna Salida

básicas
 La salida del proceso se compara con la consigna y la señal de
error obtenida se emplea como entrada del controlador, que de
alguna manera actúa sobre el sistema para eliminar ese error.
 Concepto de realimentación, retroalimentación o feedback.
 Siempre realimentación negativa.
Control en bucle cerrado
Sensor
Controlador Actuador Proceso
Consigna Salida

básicas
Control en bucle cerrado vs bucle abierto

Índice
1. Definiciones
2. Breve historia de la automatización
3. Tecnologías y estructuras básicas
7. Dos filosofías

Elementos del sistema
controlado
 Desarrollo dispositivos mecánicos básicos:
 Rueda (3200 a.c.), Palanca, El Torno (600 a.c.)
 Tornillo, rueda dentada, etc.
 Se utilizaron para construir:
 Molinos de agua y de viento (650 a.c.)
 Máquina de vapor (1765 d.c.)
 Estos mecanismos proporcionaban energía para:
 Molinos de harina, Máquinas de tejer.
 Máquinas y herramientas.
 Buques y locomotoras de vapor.
Energía y capacidad de transmisión a un proceso
La energía

controlado
 Watt-Boulton (1765) deciden mejorar el diseño de la máquina de
vapor.
 Introducen el denominado regulador centrífugo o regulador de
Watt.
 Regula la cantidad de vapor suministrada por la caldera a la turbina de la
máquina de vapor.
 Consta de dos palancas terminadas en sendas bolas y conectadas a un mástil
con movimiento circular cuya velocidad depende de la velocidad de la turbina.
Los sistemas de control son un elemento básico de los sistemas
automatizados
Los sistemas de control

controlado
 Jacquard (1801) desarrolla el telar “programable”:
 Mediante la utilización de tarjetas perforadas se comunicaba a la máquina el tipo
de tejido que se quería producir.
 El patrón de agujeros de la tarjeta definían los movimientos de los telares y
determinaban el patrón de la tela.
El programa de instrucciones es otro de los elementos
imprescindibles de los sistemas automatizados
El programa de instrucciones

controlado
 Referencia (set point). Entrada al sistema. Es el valor que se desea
en la salida.
 Detector de error o comparador. Compara la salida del sistema con
el valor deseado, obteniendo el error. No existe en el control en
bucle abierto.
 Control o controlador. Elemento que, a partir de la señal de error,
genera una señal de control hacia el sistema con el objetivo de
eliminar el error (en bucle cerrado)
Elementos básicos

controlado
 Control o controlador. Elemento que define la acción de control o
secuencia de acciones de control en base a una referencia (en
bucle abierto)
 Actuador. Elemento que transforma la señal de control generada
por el controlador a una acción física sobre el sistema.
 Perturbación. Señal que afecta sobre la respuesta del sistema pero
sobre la que no tenemos control.
Elementos básicos

controlado
 Planta, sistema, proceso. Conjunto de elementos sobre los que
queremos actuar. El valor de alguna de las variables contenidas en
él es la variable que queremos controlar.
 Salida, respuesta. Es la variable que queremos controlar.
 Sensor, transductor. Elementos para medir la respuesta del
sistema. Contendrá tanto al sensor como a los sistemas de
acondicionamiento de señal y a los de transmisión. La dinámica de
estos elementos puede afectar al sistema de control.
Elementos básicos

controlado
 Permitirá modificar el comportamiento o respuesta del sistema.
 Se han empleado muchas tecnologías a lo largo de la historia:
 Controladores mecánicos o neumáticos.
 Control relé.
 Controladores analógicos.
 Controladores digitales.
 Aunque actualmente los controladores sean digitales se mantienen
algunas metodologías de control analógico. Fuerte implantación de
la regulación automática y algunos controladores derivados de ésta
(PID)
 Los controladores son hoy día computadores. Computadores de
propósito general, computadores industriales, autómatas
programables, sistemas empotrados.
Controlador

controlado
 El algorítmo de control (acción de control) es un programa de
computador.
Controlador
 Inicio
 Leer entrada
 Calcular salida
 Sacar salida
 Ir a inicio
¡No es un proceso continuo!

controlado
 El computador no solo contiene al controlador sino que también
contiene al comparador. La consigna podrá introducirse mediante
teclado, podrá ser fijada por el programa o leerse de una entrada.
Controlador

controlado
 Dada la gran capacidad de procesamiento de los computadores
actuales es corriente que el computador de control cumpla otras
misiones complementarias:
Controlador
 Tratamiento de datos.
 Visualización.
 Coordinación de lazos de control.
 Supervisión.
 Control en red.
 Integración en la pirámide CIM.
 …
SCADA:
Supervisory Control And Data Adquisition

controlado
 Convierten una magnitud física en otra eléctrica que puede ser
procesada por un dispositivo electrónico.
 Constan de un elemento sensor y un sistema de acondicionamiento
para normalizar la salida del sensor.
 Diversos estándares de salida:
 0-10 V
 0-20 mA
 4-20 mA
 Digitales
 Algunos sensores digitales poseen capacidades de programación,
calibración o ajuste remoto. Sensores inteligentes.
Sensores o transductores

controlado
 El objetivo de un controlador es influir sobre el proceso para
conseguir que una variable tome un valor determinado. Para ello
Hace uso de los actuadores.
 Los actuadores son dispositivos que convierten una señal que
proviene del controlador en una acción física.
 Aplicación de corriente eléctrica en baños electrolíticos, generación
de calor mediante combustión de gases, combustibles fósiles o
mediante dispositivos eléctricos, bombeo, regulación de caudales y
presiones o acciones mecánicas son las actuaciones más típicas.
Actuadores

Índice
1. Definiciones
6. Dos filosofías

Computadores en los
sistemas de control
 Los inicios del control de procesos industriales mediante
computadores digitales se remontan finales de los 50 y
principios de los 60.
 Los procesos se habían controlado tradicionalmente mediante
dispositivos analógicos que constituían bucles de control
independientes. La coordinación se realizaba por los humanos en la
sala de control central.
 La primera aplicación conocida de los computadores en la
industria fue una colaboración entre una refinería de TEXACO y el
fabricante de computadores TRW. La aplicación trataba 26
caudales, 72 temperaturas, 3 presiones y 3 composiciones.
 La primeras funciones de estos ordenadores fueron dar
instrucciones a los operadores o realizar ajustes en los valores
de referencia de los controladores analógicos.
Historia

Computadores en los
sistemas de control
 El Control Digital Directo consiste en sustituir los dispositivos
analógicos por un computador. El computador realiza
directamente el control. Este avance se realizo en 1962 en la
industria química inglesa. Se midieron 224 variables y se
controlaron 129 actuadores.
 La utilización de computadores se justificó mejor con la aparición
de los minicomputadores en los 60s y los microcomputadores en
los 70s.
 La mayoría de los avances en este sentido se aplicaron a la
industria de procesos, mientras que la de partes discretas
continuaba con el control relé. El desarrollo del PLC se realizó y
aplicó en este tipo de industria a principios de los 70s.
Historia

Computadores en los
sistemas de control
 La disminución del coste de los PLCs y microcomputadores resultó
en procesos controlados por computadores conectados en red.
 Este tipo de sistema se denominó control distribuido. El primer
producto en este sentido fue ofrecido por Honeywell en 1975.
 A principio de los 90s se comienzan a utilizar PCs a veces para
proporcionar y procesar datos y otras como interface con los
PLCs.
 Hoy en día crece el número de PCs que se utilizan directamente en
las funciones de control.
Historia

Computadores en los
sistemas de control
 Monitorización de procesos por computador.
 Control Directo Digital.
 Control numérico.
 Robótica.
 Robótica móvil.
 Autómatas Programables (PLCs)
 Sistemas de control distribuidos.
Empleo de computadores en control

Computadores en los
sistemas de control
 Monitorización de procesos por computador:
 El computador observa el proceso y equipo asociado y recoge y guarda datos de la
operación.
 Tipos de datos recogidos:
 Datos del proceso. Medidas del proceso.
 Datos del equipo. Estado del equipo.
 Datos del producto. Normativa de ciertos gobiernos.
 Diversas formas de recolectar datos:
 Mediante humanos en terminales.
 Automáticamente mediante sensores, lectores de barras, etc.

Computadores en los
sistemas de control
 Control Digital Directo:
 No utilizado actualmente. Importante sus aportaciones.
 Se sustituyen los sistemas de control analógicos convencionales por un computador
digital.
Proceso
Controlador
analógico
Sensor
Referencia
Actuador
Proceso
Computador
CDA
Actuador
multiplexor multiplexor
CAD
Consola
operador
Sensor

Computadores en los
sistemas de control
 Control Digital Directo:
 Justificación: Control analógico. Múltiples bucles individuales de difícil coordinación.
 En CDD se mantienen algunos componentes (sensores-actuadores), se eliminan
otros (controlador analógico, comparadores, indicadores, etc.) y se añaden
(computador digital, CAD/CDA, multiplexores )
 CDD se concibió como una forma mas eficiente de realizar las mismas funciones del
control analógico.
 Pero pronto se reconocieron las ventajas adicionales que aportan el control de
procesos por computador:
 Realizar algoritmos de control más complejos.
 Integración y optimización de múltiples bucles.
 Edición de los programas de control. Cambios fáciles.

Computadores en los
sistemas de control
 Control numérico:
 Unión de computador digital y máquina herramienta.
 Las acciones mecánicas de la máquina herramienta se definen mediante una
secuencia de pasos.
 Es necesario calcular la trayectoria que la máquina herramienta debe realizar para
culminar su objetivos.
 El computador cumple múltiples funciones:
 Dirige el funcionamiento de la máquina a través de una secuencia de pasos definidos por un
programa de instrucciones.
 Determinar las trayectoria que debe realizar la herramienta para realizar su trabajo.
 Determinar las referencias de los controladores de bajo nivel en cada instante de tiempo.
 Realizar el control de bajo nivel.

Computadores en los
sistemas de control
 Control numérico. Determinación de la secuencia de pasos:
 Ir a cero
 Coger Herramienta
 Ir a posición inicial, P0
 Hacer rebaje
 Volver a cero

Computadores en los
sistemas de control
 Control numérico. Hacer rebaje. Determinación de trayectoria:

Computadores en los
sistemas de control
 Control numérico. Hacer rebaje. Determinación de trayectoria:
Descomposición de
trayectorias

Computadores en los
sistemas de control
 Control numérico. Hacer rebaje. Control de bajo nivel:
Descomposición de
trayectorias
SP controladores de
Bajo nivel

Computadores en los
sistemas de control
 Robótica:
 Robot industrial: Máquina programables de propósito general que posee ciertas
características antropomórficas (humanas)
 Características principales:
 Cadena cinemática articulada que dispone de un sistema de agarre u otro efector final.
 Capacidad de responder a impulsos sensoriales.
 Capacidad de comunicarse con otras máquinas.
 Usos: transferencia de material, carga de máquinas, pintura, ensamblado,
soldadura, etc.

Computadores en los
sistemas de control
 Robótica:
 Descompone una tarea asignada en pasos.
 Determina trayectorias espaciales.
 Descompone las trayectorias espaciales en trayectorias articulares. Necesario resolver el
modelo cinemático inverso. Modelo matricial no lineal con 6 GDL. Problemas de existencia y
unicidad de soluciones.
 Implementa el control de bajo nivel en las articulaciones. Posible necesidad de resolver el
modelo dinámico inverso. Acoplamiento de las articulaciones. Alta complejidad.
 Implementa las capacidades sensoriales.
 Implementa funciones cognitivas o de alto nivel. Detección de colisiones, búsqueda de
caminos alternativos, coordinación con otras máquinas, …

Computadores en los
sistemas de control
 Robótica móvil:
 Vehículos que resuelven de forma autónoma un problema de transporte o
desplazamiento.
 Vehículos terrestres, aéreos, marinos, espaciales, y otros especiales.
 En muchos casos son evoluciones de vehículos convencionales en las que un
computador sustituye en cierta medida al humano.
 Importante la capacidad sensorial.

Computadores en los
sistemas de control
 Robótica móvil:
 Busca posibles caminos para resolver la tarea asignada. Necesidad de conocer el entorno o
adaptarse a entornos desconocidos. Capacidad sensorial.
 Genera las ordenes para los sistemas de control de bajo nivel. En robótica terrestre suelen
ser velocidad y curvatura de avance. Resolución de métodos de seguimiento de caminos y
del modelo cinemático inverso. Necesidad de conocer en todo momento posición y
orientación actual. Capacidad sensorial.
 Implementa otras capacidades sensoriales. Detección de objetos, discriminación de formas y
colores, …
 Implementa funciones cognitivas o de alto nivel. Detección de colisiones, búsqueda de
caminos alternativos, reactividad…

Computadores en los
sistemas de control
 Autómatas Programables (PLCs):
 Se introdujeron a principios de los años 70.
 Son una mejora de los controladores basados en relé utilizados hasta entonces.
 Es un computador basado en microprocesador que utiliza instrucciones almacenadas
en memoria para implementar:
 Lógica.
 Secuenciación.
 Temporización.
 Cuenta.
 Su función es la de controlar máquinas y procesos discretos.

Computadores en los
sistemas de control
 Sistemas control Distribuido:
 Jerarquía de computadores.
 Controladores digitales para cada lazo o conjunto de lazos relacionados.
 Controlador central que supervisa todos los lazos y da órdenes a cada controlador.
 Empleo de buses de comunicación rápidos.
 Permite redundancia de equipos de control. Fiabilidad.

Computadores en los
sistemas de control
 Sistemas control Distribuido:

Índice
1. Definiciones
6. Dos filosofías

Niveles de control
 Hitos importantes para la automatización y control:
 Desarrollo de mecanismos sencillos (desde los inicios de la humanidad)
 Electrificación (comienza en el año 1881)
 Cadenas de montaje (1913). Ford.
 Desarrollo de la teoría de control (1930s-40s)
 Computador electromecánico (40s) Eniac
 Del Harde acuña el término automatización (1946)
 Desarrollo de robots industriales, computadores digitales, PLCs, sistemas de
fabricación flexibles, PLCs, etc.
Evolución

Niveles de control
 Las revoluciones industriales. Se acepta que la evolución de la
industria se divide en cuatro etapas históricas bien definidas:
 Industria 1.0 Debida a la energía del vapor. Aplicación de la máquina de
vapor en diversas industrias
 Industria 2.0 Motivada por el desarrollo de la electricidad y el empleo de ésta
como fuente de energía principal en los procesos productivos.
 Motivó el desarrollo de las cadenas de montaje
 Propició un salto cuantitativo espectacular en la producción industrial
 Industria 3.0 Desarrollo de la informática y aplicación de los ordenadores en
los procesos productivos.
 Mayor eficiencia. Tanto en velocidad como en prevención de fallos en producción
 Industria 4.0 IIoT (Industrial Internet of Things) y Big Data. El desarrollo de
Internet y la capacidad de obtener y procesar gran cantidad de datos transforma
la industria.
 Las líneas de producción funcionan de forma casi continuada con una casi nula intervención
humana
 Altísimas cotas de eficiencia y calidad
Evolución

Niveles de control
Niveles del control
Nivel de
empresa
Nivel de
planta
Nivel de
célula-sistema
Nivel de
máquina
Nivel de
dispositivo
Control de
coordinación
Control
procedural
Control
básico
Flujo de
datos
Flujo de
datos
Flujo de
señales

Niveles de control
 Estructura jerárquica de los sistemas de control:
 Control básico. Corresponde al nivel de dispositivo:
 Comunicación directa con sensores-actuadores.
 Control procedural. Nivel intermedio:
 Dirige la ejecución del programa de ciclo de trabajo.
 Dirige la máquina ordenando secuencia de acciones para
acometer cierta tarea.
 Control de coordinación. Corresponde al nivel de
supervisión del sistema:
 Inicia, dirige o altera la ejecución de programas en el
siguiente nivel de control.
 Coordinación de grupos de máquinas, manejo de material,
selección de diferentes ciclos de trabajo,..
 Al nivel de planta o empresa concierne a las funciones de
soporte a la fabricación (planificación, recursos,
utilización,…)
Niveles del control

Niveles de control
Niveles del control
 Pirámide CIM

Índice
1. Definiciones
6. Dos filosofías

Dos filosofías
 Industrias de procesos:
 La producción se mide en cantidad de material.
 Gases, líquidos, graneles, …
 Las variables toman valores continuos.
 Industrias de fabricación discreta:
 La producción se mide en unidades de material.
 Partes discretas, equipos, dispositivos, etc.
 Las variables toman valores discretos.
Industrias: procesos y fabricación discreta

Dos filosofías
 Variables en la industria de procesos:
 Toman cualquier valor en un rango.
 Fuerza, temperatura, presión, …
 Variables en la industria de fabricación discreta:
 Sólo toman ciertos valores en un rango.
 La mayoría son de tipo binario.
 Cerrado/abierto, ON/OFF, está/no está, ...
Industrias: procesos y fabricación discreta

Dos filosofías
 Control continuo:
 Utilizado en la industria de procesos.
 Variables y parámetros son continuos.
 Control discreto:
 Utilizado en la industria de fabricación discreta.
 Variables y parámetros son discretos.
Control: Discreto y continuo
FACTOR DE COMPARACIÓN CONTROL CONTINUO CONTROL DISCRETO
Medidas de producto Pesos, volumen Número de partes o productos
Medidas de calidad Consistencia, concentración,
pureza
Dimensión, apariencia, defectos
Variables típicas Temperatura, presión, caudal Posición, velocidad, aceleración,
fuerza
Sensores típicos Sensores de temperatura, presión,
flujo
Interruptores, fotoeléctricos,
encoders,
Actuadores típicos Válvulas, calentadores, bombas Relés, motores, pistones

Dos filosofías
 Sistemas de control continuo:
 Objetivo: Mantener el valor de una variable de salida en un nivel deseado
(concepto visto en control por realimentación).
 La mayoría de los sistemas consisten en muchos bucles de control por
realimentación. Dirección y coordinación.
 Ejemplo:
 Control de la salida de una reacción química. Variables son temperatura, presión y caudales de
entrada-salida
 Sistemas de control discreto:
 Los parámetros y variables son cambiados en momentos discretos.
 Los valores que toman también son discretos. Principalmente valores binarios.
 Los cambios son respuestas a cambios en el sistema o al paso de cierta cantidad
de tiempo.

Dos filosofías
 Control continuo
 Control discreto
Automática
Regulación
Control
Automatización
 Independientemente de las definiciones, una cuestión de argot:

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