INSTRUMENTACION

1. I N S T R U M E N T A C I O N
2014
UNIDAD 5
CONTROL ASISTIDOS POR COMPUTADORA
EDITH GUILLEN
INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHETUMAL

2. 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.

3. 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.

4. 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).

5. 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)

6. 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.

7. ¿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.

8. 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

9. 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.

10. 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.

11. 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

12. 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.

13. 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.

14. 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

15. 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.

16. 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.
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.

17. 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 Neumático Centralizado
El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente,
permitieron un notable avance en el control de procesos. Con ésta
tecnología, las variables del proceso podían ser convertidas a señales
neumáticas y transmitidas hacia controladores remotos. Se entraba en la
confección de los denominados “circuitos neumáticos”. Usando
combinaciones de orificios, palancas, amortiguadores y otros dispositivos
mecánicos complejos, un controlador neumático puede hacer cálculos
elementales basados en el punto de consigna y el valor de la variable a
controlar, ajustando el elemento final de control consecuentemente.
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.

18. 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.
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

19. 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

20. 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.
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.
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:

21. • 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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.

26. 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