presentación de instrumentación y control de procesos

1. UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
Alumnos participantes:
Amaguaña Iván
Andaluz Wellington
Avilés Fátima.
Bautista Fredy
Garzón Silvio
Laica Oscar
Mayanquer Fernando
Mena David
Panimbosa José
Olivares Cristian.
Rivera Alex
Sánchez Luis
Docente
Ing. Santiago Collantes
TEMA:
SISTEMAS DE CONTROL
ELÉCTRICO, ELECTRÓNICO
Y DIGITAL

2. CONTROLADORES ELECTRÓNICOS
Los instrumentos electrónicos de control hacen un
amplio uso del amplificador operacional
(OP =Operational Amplifier). Es usualmente, un
amplificador de corriente continua (c.c.) con una
ganancia en tensión en bucle abierto normalmente
superior a 50.000 que, mediante la conexión de
componentes adecuados y dispuestos en forma de
realimentación positiva o negativa, constituye el
"corazón" de los controladores electrónicos.

3.  El amplificador operacional puede utilizarse como un
controlador todo-nada (Figura 1) gracias a la alta ganancia del
amplificador. Basta una pequeña diferencia de señales, en la
entrada, para que se obtenga una salida total en voltios
ligeramente inferior a la tensión de alimentación. Como señal
de entrada se utiliza la diferencia entre la variable y el punto
de consigna y en el terminal de salida se conecta un circuito
de excitación del relé final de control.

4. El circuito funciona de la siguiente manera:
Cuando la señal en el terminal B aumenta unos pocos milivoltios con
relación a la del terminal A, la salida V0 aumenta y es realimentada vía la
resistencia R2 a la entrada del amplificador, bloqueándolo. El amplificador
permanece en estas condiciones gracias al divisor de tensión que forman los
terminales B y la salida.

5. CONTROL PROPORCIONAL DE TIEMPO
VARIABLE
El control electrónico proporcional de tiempo
variable deriva del todo-nada aplicando un
circuito RC entre la salida y la entrada
inversora, para conseguir, de este modo, un
retardo en la realimentación inversora y hacer
que el circuito entre en oscilación.

6.  El circuito funciona del modo siguiente:
Sea nula la tensión en A y negativa la tensión en 13
con respecto a A. Evidentemente, la señal de salida
será negativa, con lo cual el condensador C, se cargará
negativamente y el divisor de tensión R., R, R.
impedirá que el terminal inversor del amplificador
operacional tenga menor tensión negativa que la
entrada no inversora. Si ahora la entrada 13 se hace
positiva con relación a A, la señal de salida se hará
positiva, cargando también positiva mente el
condensador C3 en un tiempo que depende de los
valores de R: y C.

7. En el instante en que la carga positiva de C, es suficiente para
compensar el divisor de tensión formado por Ro R, la entrada
inversora se hace positiva, provocando el cambio de signo en la
señal de salida, pasando ésta a negativa.
A continuación, la carga del condensador se hace negativa y va
aumentando hasta que sobrepasa la influencia del divisor de tensión
R., R1, con lo. cual la entrada inversora se hará negativa y, por lo
tanto, la señal de salida cambiará ahora a positiva, y así
sucesivamente:

8. En la salida, estas oscilaciones tienen forma de onda cuadrada, de
amplitud casi equivalente a la tensión de alimentación. Las variaciones
de la tensión de entrada B cambiarán la tensión real media de carga del
condensador lo que fijará la proporción entre el tiempo de conexión y el
de desconexión del relé de salida. Es decir, si esta tensión media es de 0
V, los tiempos serán iguales y la relación valdrá 1/1.

9. CONTROL PROPORCIONAL
En el control electrónico proporcional, el
amplificador operacional se usa como
amplificador analógico de ganancia finita, con
lo que su alta ganancia da lugar a que la entrada
tenga que ser muy débil, casi nula, del orden de
0,2 mV.
Para disminuir esta elevada ganancia es
necesario realimentar la señal de salida a la
entrada inversora, mediante una resistencia R1
y como nos interesará que la señal de entrada
tenga un valor distinto de cero, se añade al
circuito otra resistencia R2.
Esta condición se alcanza cuando:

10. La ganancia del amplificador es:

11. CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL
En el control electrónico proporcional + integral, la
acción integral puede generarse, en el amplificador
operacional, mediante un condensador conectado en
serie con la línea de realimentación negativa y con una
resistencia conectada en serie con el terminal inversor.
A continuación tenemos las ecuaciones siguientes :

12. DONDE:
Que es la ecuación de la acción integral con constante de tiempo:
El sistema de la siguiente figura tiene el inconveniente de invertir la
señal de salida con relación a la señal de error, lo cual es indeseable en
algunas aplicaciones. Para evitarlo, puede conectarse la señal de error a
la entrada no inversora, dejando el condensador de integral entre la
salida y la entrada inversora, y conectando esta última a la línea de cero
voltios.

13. CONTROL INTEGRAL ELECTRÓNICO

14. CONTROL PROPORCIONAL + DERIVADO
La acción derivada puede conseguirse colocando un condensador a la entrada inversora y
una resistencia en paralelo, entre la salida y la entrada inversora.
Las ecuaciones correspondientes son:
Derivando la segunda ecuación resulta:
Y, sustituyendo en la primera, se tiene:
Que es la ecuación de la acción derivativa de constante
de tiempo:

15. El ajuste de la acción derivativa se obtiene transformando la
resistencia en un potenciómetro. Cuando la señal de error cambia
rápidamente, la señal de salida aumenta muy rápidamente
tomando la forma de un pico en el límite. Este efecto es indeseable
ya que puede perjudicar el control del proceso. Este inconveniente
se soluciona eliminando la acción derivativa cuando el
instrumento capta una variación rápida de la señal de error.
CONTROLADOR DE ACCIÓN DERIVADA

16. CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVADO
Es un mecanismo de control por realimentación
ampliamente usado en sistemas de control industrial.
Este calcula la desviación o error entre un valor medido y
un valor deseado. El algoritmo del control PID (Control
Proporcional Integral Derivado ) consiste de tres
parámetros distintos:
 El proporcional,
 El integral y
 El derivativo.

17. El valor Proporcional depende del error actual. El Integral
depende de los errores pasados y el Derivativo es una predicción
de los errores futuros. La suma de estas tres acciones es usada
para ajustar al proceso por medio de un elemento de control
como la posición de una válvula de control o la potencia
suministrada a un calentador.
Para el correcto funcionamiento de un controlador PID que regule
un proceso o sistema se necesita, al menos:
Un sensor, que determine el estado del sistema.
Un controlador, que genere la señal que gobierna al actuador.
Un actuador, que modifique al sistema de manera controlada.

18. El sensor proporciona una señal analógica o digital al
controlador, la cual representa el punto actual en el
que se encuentra el proceso o sistema.
Proporcional: La parte proporcional consiste en el
producto entre la señal de error y la constante
proporcional para lograr que el error en estado
estacionario se aproxime a cero, pero en la mayoría
de los casos, estos valores solo serán óptimos en una
determinada porción del rango total de control.

19. Integral: El modo de control Integral tiene como
propósito disminuir y eliminar el error en estado
estacionario, provocado por el modo proporcional.
Derivativo: La acción derivativa se manifiesta cuando
hay un cambio en el valor absoluto del error, el error
es la desviación existente entre el punto de medida y el
valor consigna. La función de la acción derivativa es
mantener el error al mínimo corrigiéndolo
proporcionalmente con la misma velocidad que se
produce; de esta manera evita que el error se
incremente.

20. CONTROLADORES DIGITALES
Los controladores digitales son
pequeñas instalaciones inteligentes que
se componen de una entrada de un
sensor, un indicador digital y una salida
de regulación. Existen controladores
digitales para diferentes trabajos de
medición y regulación.

21. Los controladores digitales se configuran a través de las
teclas del propio controlador, pudiendo realizarse, en
general, las siguientes selecciones:
Filtrado digital de la señal de entrada.
Presentación de la variable en unidades seleccionables
(por ejemplo, m3/h, °C, etc.).
Selección del tipo de control todo-nada, P, PI, PD, PID y de
otros algoritmos.
Selección de acción directa o acción
Límite en la acumulación de la acción integral en
procesos discontinuos.
Seguimiento del punto de consigna.
Autoajuste de las acciones de control.
Seguridad contra manejo no autorizado.

22. COMPONENTES
Los componentes básicos que tienen los controladores digitales
son :
Estaciones de control y adquisición de datos: Constituido
esencialmente por un bastidor en el que se incorporan las tarjetas
de control (circuitos basados en microprocesadores), tarjetas de
entradas/salidas (I/O), tarjetas auxiliares y fuente/s de
alimentación.
Interface/s hombre/máquina (MMI - de las siglas inglesas
Man Machine Interface): Constituida esencialmente por
monitores y teclados que permiten, respectivamente, la recepción
de información del proceso por el operador y el envío de
consignas de éste al proceso.

23. Software de configuración/programación del sistema:
Definición de las I/O, estrategias y/o secuencias de control,
selección de algoritmos y representación en el MMI.
Estaciones auxiliares: Bajo esta denominación se ha
pretendido agrupar aquellas estaciones destinadas a funciones
complementarias como gestión de comunicaciones o funciones
de ingeniería, que, dependiendo de la marca comercial, forman
o no parte del sistema de control y son optativamente
seleccionadas por el usuario.

24. Además los controladores digitales contienen:
1. Procesador o microprocesador
Efectúa las operaciones aritméticas básicas.
2. La memoria principal
Constituye el verdadero "cerebro" del ordenador y busca
e interpreta las instrucciones de un programa; almacena
los datos, instrucciones y resultados obtenidos en grupos
de 8 bits.

25. 3. Periféricos
Se encargan de relacionar las señales digitales con el
mundo exterior (teclado, monitor, unidad de discos).
4. Buses
Transfiere datos o instrucciones de modo
bidireccional entre el microprocesador y la memoria
principal (ROM y RAM). Existen distintos tipos de
buses como: el bus de datos, el bus de direcciones y
el bus de control.

26. VENTAJAS DE LOS CONTROLADORES DIGITALES
Los componentes digitales tienen menor
susceptibilidad al envejecimiento y a las variaciones
de las condiciones ambientales.
Los componentes digitales son menos sensibles al
ruido y las perturbaciones.
Los procesadores digitales tienen un tamaño y peso
menor.
Un cambio en el control no requiere cambios en el
hardware.
 Proporcionan una mayor sensibilidad a las
variaciones en los parámetros

27. CONTROLES ELECTRICOS INDUSTRIALES
En los comienzos de la industrialización las máquinas fueron
gobernadas esencialmente a mano e impulsadas desde un
eje común de transmisión o de línea. Dicho eje de
transmisión era impulsado por un gran motor de uso
continuo el cual accionaba mediante una correa tales
máquinas en el momento que fuese necesario, una de las
desventajas principales que este sistema de transmisión de
potencia fue que no era conveniente para una producción de
nivel elevada.

28. El funcionamiento automático de una máquina se obtiene exclusivamente
por la acción del motor y del control de la máquina. Este control algunas
veces es totalmente eléctrico y otras veces suele combinarse al control
mecánico, pero los principios básicos aplicados son los mismos.
Una máquina moderna se compone de tres partes principales que son las
siguientes:
La misma, destinada para realizar un tipo de trabajo. El motor, el cual es
seleccionado considerando los requisitos de la máquina en cuanto a la carga,
tipo de trabajo y de servicio que se requiere.
El sistema de control, que está estrechamente relacionado a las condiciones
de funcionamiento tanto del motor como de la máquina.

29. TIPOS DE CONTROLES ELECTRICOS
Estos pueden ser del tipo:
MANUAL: Este tipo de control se ejecuta manualmente en
el mismo lugar en que está colocada la máquina. Este
control es el más sencillo y conocido y es generalmente el
utilizado para el arranque de motores pequeños a tensión
nominal. Este tipo de control se utilizan frecuentemente
con el propósito de la puesta en marcha y parada del motor.

30. El costo de este sistema es aproximadamente la mitad del de un
arrancador electromagnético equivalente. E arrancador manual
proporciona generalmente protección contra sobrecarga y
desenganche de tensión mínima, pero no protección contra baja
tensión.
Este tipo de control abunda en talleres pequeños de metalistería y
carpintería, en que se utilizan máquinas pequeñas que pueden
arrancar a plena tensión sin causar perturbaciones en las líneas de
alimentación o en la máquina. Una aplicación de este tipo de
control es una máquina de soldar del tipo motor generador. El
control manual se caracteriza por el hecho de que el operador debe
mover un interruptor o pulsar un botón para que se efectúe
cualquier cambio en las condiciones de funcionamiento de la
máquina o del equipo en cuestión.

31. SEMI-AUTOMATICO: Los controladores que pertenecen a esta clasificación utilizan
un arrancador electromagnético y uno o más dispositivos pilotos manuales tales
como pulsadores, interruptores de maniobra, combinadores de tambor o
dispositivos análogos.
Los mandos más utilizados son las combinaciones de pulsadores a causa de que
constituyen una unidad compacta y relativamente económica. El control semi-
automático se usa principalmente para facilitar las maniobras de mano y control en
aquellas instalaciones donde el control manual no es posible. La clave de la
clasificación como en un sistema de control semiautomático es el hecho de que los
dispositivos pilotos son accionados manualmente y de que el arrancador del motor
es de tipo electromagnético.

32. CONTROL AUTOMATICO: Un control automático está
formado por un arrancador electromagnético o
contactor controlado por uno o más dispositivos pilotos
automáticos. La orden inicial de marcha puede ser
automática, pero generalmente es una operación manual,
realizada en un panel de pulsadores e interruptores.
En algunos casos el control puede tener combinación de
dispositivos manuales y automáticos. Si el circuito
contiene uno o más dispositivos automáticos, debe ser
clasificado como control automático.

33. APLICACIÓN DE LOS CONTROLES ELECTRICOS
Los controles eléctricos son usados industrialmente para
máquinas o equipos, los cuales realizan un determinado
trabajo. Un ejemplo es el de un final de carrera (Limit
Switch) el cual desactiva o activa un circuito al accionarse
mecánicamente una palanca que es la que provoca la
apertura o cierre de los contactos.

34. EL RELE, ARRANCADOR, CONTACTOR
El relé, arrancador, contactor, son dispositivos de acción
electromagnética, cuya misión es conectar e interrumpir
repetidamente un circuito eléctrico. Aunque ambas
manejen diferentes potenciales o bien pueden estar
provistos de dispositivos de protección o no; su principio
de funcionamiento es el mismo; por acción
electromagnética. En una máquina eléctrica, el técnico
electricista pone su principal atención en las partes
sometidas a movimiento. En nuestro caso los contactos.

35. Para obtener un funcionamiento sin averías de estos
dispositivos, todas sus partes deben ser chequeadas
periódicamente, en especial las partes sometidas a
movimiento como son los contactos. Para mantener estos en
buen estado de funcionamiento deben conservarse los
valores especificados por el fabricante del dispositivo en los
puntos siguientes:
 Presión del contacto (inicial y final);
 Entrehierro;
 Distancia de ruptura;
 Desgaste permitido en los contactos;
 Tensión de la bobina.

36. SISTEMAS DE CONTROL ELÉCTRICO
Los sistemas de control eléctrico pueden usar una
alimentación directa de 120 voltios o de bajo voltaje que está
entre los 12 a 24 voltios para controlar las funciones básicas.
Los sistemas de control de bajo voltaje son preferidos debido a
su mayor sensibilidad.
Usualmente los controles eléctricos tienen como tipo de
salida del sistema de control los cierres de contacto; pueden
ser de dos posiciones: prendido – apagado (on - off), abierto –
cerrado, alarma – normal, o pueden ser de control flotante el
cual aumenta la opción nula entre las dos posiciones.

37. ESQUEMA DE SISTEMA DE CONTROL ELÉCTRICO
Cuando la fuerza en el sensor excede la carga del resorte determinada por el
punto establecido (setpoint), algunos ajustes de palancas u otras conexiones
causan una carga en el resorte, un switch eléctrico de actuación instantánea
indica la posición contraria.

38. Debido a que el switch normalmente es SPDT (single –pole
double throw por sus siglas en inglés), el circuito puede ser
cerrado en cualquiera de los lados según lo indicado por el punto
establecido (setpoint).
Debido a que el sistema de control es dinámico se debe prever un
ajuste o “diferencial” para evitar ciclajes cortos y rápidos del lazo
de control entre uno y otro punto en los que puede estar
direccionado el switch. Este tipo de controlador se utiliza en
dispositivos que tienen capacidades de salida discretas como el
control de alta o baja velocidad del ventilador de enfriamiento de
un condensador el mismo que es comandado por la presión del
refrigerante.

39. Otro tipo de control eléctrico es el llamado “control flotante”; un
controlador de este tipo usa un comparador de fuerzas similar al de dos
posiciones pero no usa el switch de actuación instantánea. Este permite
al contacto común “flotar” entre las dos posiciones en un rango nulo o
“muerto” del parámetro sensado. Los dos circuitos eléctricos que
pueden ser cerrados a diferentes valores sensados no son comandos ON-
OFF simplemente, estos controladores son propiamente calibrados a un
dispositivo mecánico que tiene un actuador proporcional de actuación
lenta regulando su capacidad. Un cierre de contacto solicita lentamente
un incremento de capacidad y el otro una disminución lenta de
capacidad, entre estos dos comandos el sensor flota dentro de este
rango nulo alrededor del punto establecido (setpoint).