Introducció

Video. El comandament de control

El concepte d’automatisme pot emprar únicament i exclusiva tecnologies com la mecànica,la pneumàtica, la hidràulica, l’electricitat, o bé combinar-les, com l’electropneumàtica. No necessàriament han d'incorporar un processament informàtic de la informació Històricament els primers automatismes, òbviament,van ser de caràcter mecànic i, posteriorment, es van anar incorporant altres elements.

La tecnologia de control abasta tots els procediments i sistemes que permeten automatitzar màquines, aparells i processos de fabricació.

La tecnologia (o sistema) de control és qualssevol tecnologia que permeti controlar, generalment de forma automàtica (no necessàriament) un ambient, una màquina, etc. L'objectiu d'un sistema de control és governar la resposta del sistema controlat sense que hagi d'intervenir directament una persona sobre els elements de sortida. L'operari manipula només les magnituds de sortida desitjades i el sistema de control s'encarrega de governar-les per mitjà dels accionaments o actuadors corresponents.

Exemples:

Manual.. Obertura de l'aixeta Automàtic.. Llum escala

Tecnologies cablejades i programables La tecnologia cablejada s’aplica a dispositius pneumàtics, hidràulics, elèctrics i electrònics. Presenta inconvenients:

La tecnologia programable és molt adaptable i pot dur a terme diferents funcion únicament canviant el programa de control.

Els senyals en els sistemes de control

S’entén per senyal, tota magnitud física variable que pot utilitzar-se per transmetre informació de forma contínua

Atenent la naturalesa d’aquests senyals, poden dividir-se en tres grups:

Sistemes analògics. Treballen amb senyals de tipus continu. Temperatura, pressió, velocitat, etc.

Sistemes digitals. Treballen amb senyals tot o res. Obert o tancat, activat o desactivat, condueix o no condueix, major o menor, etc.

Sistemes híbrids analogicodigitals. Els sistemes de control actuals, amb un cert grau de complexitat, són majoritàriament híbrids, és a dir, són sistemes que processen senyals analògics i digitals alhora.

Ejemplos ilustrativos de sistemas de control. • Sistema de control de presión • Sistema de control de velocidad • Servosistema (sincros) • Sistema de control de temperatura (control por ordenador) • Sistema de control de temperatura en la cabina de un coche (control realimentado) • Control de la posición del brazo del robot • Control de la fuerza de agarre de la mano del Robot Cuerpo humano: • A nivel microscópico: planta industrial y red de transporte con numerosos sistemas de control • A nivel macroscópico: control de la temperatura corporal

Sistemes de control de llaç obert i llaç tancat

El servosistema.

Video Servosistemes

Segons com treballi l’automatisme es poden dividir en sistemes de control de llaç obert i sistemes de control de llaç tancat.

Un exemple d’aquest tipus és el llum temporitzat d’escala

El que caracteritza un sistema de llaç tancat és l’acció de la sortida sobre l’entrada, mitjançant un procés continu de realimentació, que consisteix a comparar l’estat de la sortida amb el de consigna per modificar la resposta de l’automatisme d’acord amb el resultat de la comparació

La funció de transferència

Un exemple senzill de funció de transferència el podem trobar en un bloc constituït Per una resistència elèctrica o resistor

intensitat i(t) com a variable d’entrada

la tensió en borns vR(t) d’aquest resistor com a variable de sortida la funció de transferència del bloc G(s)

serà la relació entre les variables de sortida i d’entrada

en què la transferència d’aquest bloc és la resistència R

La sortida o resposta serà,doncs, el resultat de multiplicar la funció de transferència, que és igual a R, per la variable d’entrada:

Components dels sistemes de control

 Dispositius d’entrada d’ordres. Són els que permeten a l’operador l’entrada de dades i ordres al sistema

Elements binaris: entre aquests podem destacar els polsadors, els interruptors, els commutadors, etc. Elements numèrics; entre aquests podem destacar els teclats numèrics com els de les calculadores, els alfanumèrics com els teclats d’ordinador i el preselectors digitals (rodes numerades, habitualment del 0 al 9, que es poden fer girar).  Dispositius d’entrada d’informació. Són constituïts bàsicament per sensors

 Unitat de control o controlador. Constitueix el sistema de tractament de la informació del procés, i estableix la manera com s’han de combinar les entrades d’informació per tal d’activar les sortides del procés. Moltes vegades són necessàries les interfícies, que són també dispositius que 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. Poden classificar-se en binaris (pilot visualitzador, timbres, sirenes, etc.), numèrics i alfanumèrics (displays de set segments, pantalles de cristall líquid, monitors,impressores, etc.), tot i que n’hi ha d’analògics com els indicadors d’agulla.

 Actuadors i preactuadors

Els actuadors (motors, cilindres, resistències calefactores, etc.) són els encarregats d’operar sobre el procés. Sovint, els actuadors no són directament connectables al controlador i requereixen preactuadors (contactors, relés, vàlvules distribuïdores, variadors de tensió, etc.).

Controladors

Control proporcional (P)

Si partíem d’un error o desviació nul·la en el nivell del dipòsit, llavors en les noves condicions d’equilibri hi haurà una desviació residual o permanent, anomenada offset. És a dir, en el nou règim d’equilibri (igualtat en els cabals d’entrada i de sortida) el nivell serà més baix que al principi.

http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/mnueltro.html

ESTRUCTURA DEL CONTROLADOR PID

Prof. Paolo Castillo Rubio

Un controlador PID (Proporcional Integral Derivativo) es

un sistema de control que, mediante un elemento final de

control (actuador), es capaz de mantener una variable o

proceso en un punto deseado dentro del rango de

medición del sensor que la mide. Es uno de los métodos

de control más frecuentes y precisos dentro de la

regulación automática.

CONTROLADOR PID

El controlador lee una señal externa que representa el valor que se desea alcanzar. Esta señal recibe el nombre de punto de consigna (o punto de referencia), la cual es de la misma naturaleza y tiene el mismo rango de valores que la señal que proporciona el sensor. Para hacer posible esta compatibilidad y que, a su vez, la señal pueda ser entendida por un humano, habrá que establecer algún tipo de interfaz.

Funcionamiento

El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna, obteniendo así la señal de error, que determina en cada instante la diferencia que hay entre el valor deseado y el valor medido. La señal de error es utilizada por cada una de las 3 componentes de un controlador PID propiamente tal, para generar las 3 señales que, sumadas, componen la señal que el controlador va a utilizar para gobernar al actuador. La señal resultante de la suma de estas tres señales, se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador, si no que debe ser transformada para ser compatible con el actuador que usemos.

Las tres componentes de un controlador PID son: acción proporcional, acción integral y acción derivativa. El peso de la influencia que cada una de estas partes tiene en la suma final, viene dado por la constante proporcional, el tiempo integral y el tiempo derivativo, respectivamente.

Acción Proporcional

Una ventaja de esta estrategia de control, es que sólo requiere del cálculo de un parámetro (ganancia Kc) y, además, genera una respuesta bastante instantánea. Sin embargo, el controlador proporcional posee una característica indeseable, que se conoce como error en estado estacionario (offset).

Acción integrativa

La acción integral da una respuesta proporcional a la integral del error. Esta acción elimina el offset, pero se obtiene una mayor desviación del set point, la respuesta es más lenta y el periodo de oscilación es mayor que en el caso de la acción proporcional.

En este tipo de control, la salida m(t) del controlador, es proporcional a la integral del error e(t), o sea:

Donde: m(t) es la señal de salida del controlador e(t) es la señal de error Ki es una constante, llamada “ganancia integral”

Acción derivativa

La acción der ivat iva da una respuesta proporcional a la derivada del error (velocidad de cambio del error). Añadiendo esta acción de control a las anteriores, se elimina el exceso de oscilaciones. No elimina el offset. Se manifiesta cuando hay un cambio en el valor absoluto del error; (si el error es constante, solamente actúan los modos proporcional e integral).

En este tipo de control, la salida m(t) del controlador, es proporcional a la derivada del error e(t), o sea:

Donde: m(t) es la señal de salida del controlador e(t) es la señal de error Kd es una constante, llamada “ganancia derivativa”

Acción de control proporcional integral derivativa: Esta acción combinada reúne las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales. La ecuación de un controlador con esta acción combinada se obtiene mediante:

En general, si se tiene un sistema de primer orden, se suele utilizar control PI (ya que la acción derivativa no tiene mayor efecto) y si el sistema es de segundo orden, se suele utilizar control PID. Para sistemas de orden mayor o con retardos muy grandes el control PID no es eficiente.

¿Cuándo utilizarlo?

Transductors

http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/mnueltro.html

Un dels sensors més emprat en sistemes de control de temperatura que requereixen una certa precisió, linealitat i fiabilitat és la sonda de platí- de la sèrie PT.

www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/pt500.html

http://industrial.omron.es/es/products/catalogue/default.html

http://industrial.omron.es/es/products/catalogue/control_components/temperature_controllers/basic_temperature_controllers/e5csv/default.html

No va ser fins a la primera meitat de la dècada de 1970 que van incorporar la tecnologia del

microprocessador, la qual cosa els va permetre d’augmentar les prestacions

L’autòmat programable o PLC

Els PLC actuals han millorat molt les prestacions respecte als primers en molts aspectes,

fonamentalment n’han reduït la velocitat de resposta, dotant l’autòmat de capacitat de

comunicació i incorporant-hi un joc d’instruccions de programació més ampli i potent. Avui

dia, els models de la gamma alta s’acosten cada cop més a les prestacions d’un petit

ordinador; fins i tot n’hi ha alguns de programables en llenguatges pròpiament

informàtics, com ara el BASIC.

Les particulars característiques del PLC –dimensions reduïdes, simplicitat de mun-

tatge i possibilitat d’emmagatzematge i modificació dels programes– fan que la seva

potencialitat i efectivitat es posi més de manifest en múltiples processos, com ara ma-

quinària tèxtil i de confecció, maquinària de la indústria del plàstic, màquines eina com-

plexes, instal·lacions en la indústria de l’automòbil, instal·lacions d’aire condicionat i

calefacció, instal·lacions de fred industrial, instal·lacions de plantes embotelladores,

instal·lacions d’emmagatzematge i embalatge, senyalització de processos, etc.

http://olmo.cnice.mecd.es/~jmarti50/automatas/auto.htm#inicio

Avantatges i inconvenients del PLC El conjunt d’avantatges que presenta un PLC pot resumir-se en els aspectes següents:

 Possibilitat d’introduir modificacions sense haver de canviar la xarxa de connexions

 Espai d’ocupació reduït.

 Reducció del cost de la mà d’obra de la instal·lació.

 Reducció del temps de l’elaboració del projecte.

 Possibilitat de comandar diferents màquines amb un únic autòmat.

 Reducció del temps de la posada en funcionament de la instal·lació, ja que queda

reduït el temps de cablatge. A més, el mateix programa pot servir per automatitzar

un nombre infinit de màquines o instal·lacions similars.

 Reducció del cost de manteniment. Com que es redueix el nombre de components i

el cablatge, s’augmenta la fiabilitat del sistema i disminueix el nombre d’avaries i, a

més, la resolució d’aquestes avaries resulta més fàcil i ràpida.

 Reutilització del PLC. Si una màquina o instal·lació queda fora de servei, l’autòmat

segueix sent vàlid per fer-lo servir en una altra.

Estructura dels autòmats programables

Unitat de control

És la part intel·ligent de l’autòmat. Té la funció de consultar l’estat de les entrades i executar

seqüencialment les instruccions del programa, per poder elaborar els senyals de sortida o

ordres que s’enviaran al procés. També s’encarrega de les comunicacions amb els equips

de programació i els perifèrics externs (monitors, terminals de diàleg, ordinadors, altres

autòmats, etc.), així com de la gestió dels estats d’error.

L’element principal de la unitat de control és el microprocessador

 L’execució del programa d’un autòmat efectua un cicle, anomenat scan, que consisteix

en les fases següents:

 Lectura de les entrades i emmagatzematge dels seus estats en la taula d’imatges

 Execució pròpiament dita del programa, a partir de les dades necessàries de la taula

d’entrades, els relés interns, els temporitzadors, els comptadors, etc., i escrivint els

resultats en la taula de sortides, comptadors, etc.

 Còpia de la taula d’imatges de sortides sobre les sortides físiques de l’autòmat.

  Inici d’un cicle nou. El programa es va repetint cíclicament, ja que les modificacions

que van apareixent en les entrades han d’anar modificant els estats dels elements

interns (relés, temporitzadors, comptadors...) i de les sortides de l’autòmat.

Memòria

La memòria d’un autòmat programable és com el magatzem on guarda totes les dades

que necessita per efectuar la tasca de control. Serveix per emmagatzemar el programa

(dades de control) i les dades del procés.

Dades de control:

– Seqüència d’instruccions o programa d’usuari.

– Configuració de l’autòmat.

Dades del procés:

– Senyals d’entrades i sortides.

– Variables internes (bit, paraula, etc.).

– Dades alfanumèriques i constants.

Elements d’entrada i sortida

Són els que permeten comunicar l’autòmat amb el procés que està controlant i amb l’usuari.

Elements d’entrada informen de l’estat del procés (elements activats i desactivats, posicions,

nivells, velocitats, etc.) a partir de la informació subministrada pels sensors i detectors del

Sistema.

Eelements de sortida permeten que l’autòmat actuï sobre els accionadors i preaccionadors

del procés (relés, contactors, pilots, electrovàlvules, etc.).

Programació d’autòmats

L’usuari estableix la seqüència d’ordres per poder efectuar el control del procés. Aquesta acció s’anomena programació de l’autòmat i la seqüència establerta, programa de l’aplicació

http://perso.wanadoo.es/kiko2000/entrada_ct.html http://www.xtec.cat/aulanet/ciclesf1/interfaz/automatas.htm

http://www.xtec.cat/aulatec/pagnova/tdocent.htm#TAutomat http://www.infoplc.net/Ejemplos/Ejemplos.htm

Diagrama de contactes

Llenguatge gràfic, semblant als esquemes de relés. Les línies lògiques van horitzontals en Lloc de vertical

Diagràma lògic Es basa en la utilització de símbols normalitzats (portes) que representen funcions lògiques directesde l’àlgebra de Boole (AND, OR, etc.), o bé sistemes lògics més complexos (biestables, registres, comptadors, etc.). comptadors, etc.).

Diagrama de flux o organigrama

Mostra gràficament les seqüències d'evolució i presa de decisions del procés o automatisme

Podem establir dos tipus de diagrames de flux, un de nivell 1, en el qual representarem les accions que desenvoluparà el procés acció per acció, i un de nivell 2, en el qual substituirem les designacions del nivell 1 per les instruccions corresponents, per tal de poder realitzar el programa en l’autòmat.

GRAFCET El GRAFCET (Graphe de commande etape-

transition), és a dir, la gràfica de comandament

etapa-transició, representa directament la

successió de les etapes dins d’un cicle de

producció, separades per transicions o

condicions de salt entre etapes.

Podem considerar diversos nivells, normalment

amb dos en tindrem prou. En el nivell 1, molt

més genèric, definim les etapes i les transicions,

així com les accions que cal efectuar en cada

etapa. En el nivell 2, precisem les entrades i les

sortides de l’autòmat que intervenen en cada

etapa i transició

Transductors

http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/mnueltro.html

Un dels sensors més emprat en sistemes de control de temperatura que requereixen una certa precisió, linealitat i fiabilitat és la sonda de platí- de la sèrie PT.

www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/pt500.html

http://industrial.omron.es/es/products/catalogue/default.html

http://industrial.omron.es/es/products/catalogue/control_components/temperature_controllers/basic_temperature_controllers/e5csv/default.html

No va ser fins a la primera meitat de la dècada de 1970 que van incorporar la tecnologia del

microprocessador, la qual cosa els va permetre d’augmentar les prestacions

L’autòmat programable o PLC

Els PLC actuals han millorat molt les prestacions respecte als primers en molts aspectes,

fonamentalment n’han reduït la velocitat de resposta, dotant l’autòmat de capacitat de

comunicació i incorporant-hi un joc d’instruccions de programació més ampli i potent. Avui

dia, els models de la gamma alta s’acosten cada cop més a les prestacions d’un petit

ordinador; fins i tot n’hi ha alguns de programables en llenguatges pròpiament

informàtics, com ara el BASIC.

Les particulars característiques del PLC –dimensions reduïdes, simplicitat de mun-

tatge i possibilitat d’emmagatzematge i modificació dels programes– fan que la seva

potencialitat i efectivitat es posi més de manifest en múltiples processos, com ara ma-

quinària tèxtil i de confecció, maquinària de la indústria del plàstic, màquines eina com-

plexes, instal·lacions en la indústria de l’automòbil, instal·lacions d’aire condicionat i

calefacció, instal·lacions de fred industrial, instal·lacions de plantes embotelladores,

instal·lacions d’emmagatzematge i embalatge, senyalització de processos, etc.

http://olmo.cnice.mecd.es/~jmarti50/automatas/auto.htm#inicio

Avantatges i inconvenients del PLC El conjunt d’avantatges que presenta un PLC pot resumir-se en els aspectes següents:

 Possibilitat d’introduir modificacions sense haver de canviar la xarxa de connexions

 Espai d’ocupació reduït.

 Reducció del cost de la mà d’obra de la instal·lació.

 Reducció del temps de l’elaboració del projecte.

 Possibilitat de comandar diferents màquines amb un únic autòmat.

 Reducció del temps de la posada en funcionament de la instal·lació, ja que queda

reduït el temps de cablatge. A més, el mateix programa pot servir per automatitzar

un nombre infinit de màquines o instal·lacions similars.

 Reducció del cost de manteniment. Com que es redueix el nombre de components i

el cablatge, s’augmenta la fiabilitat del sistema i disminueix el nombre d’avaries i, a

més, la resolució d’aquestes avaries resulta més fàcil i ràpida.

 Reutilització del PLC. Si una màquina o instal·lació queda fora de servei, l’autòmat

segueix sent vàlid per fer-lo servir en una altra.

Estructura dels autòmats programables

Unitat de control

És la part intel·ligent de l’autòmat. Té la funció de consultar l’estat de les entrades i executar

seqüencialment les instruccions del programa, per poder elaborar els senyals de sortida o

ordres que s’enviaran al procés. També s’encarrega de les comunicacions amb els equips

de programació i els perifèrics externs (monitors, terminals de diàleg, ordinadors, altres

autòmats, etc.), així com de la gestió dels estats d’error.

L’element principal de la unitat de control és el microprocessador

 L’execució del programa d’un autòmat efectua un cicle, anomenat scan, que consisteix

en les fases següents:

 Lectura de les entrades i emmagatzematge dels seus estats en la taula d’imatges

 Execució pròpiament dita del programa, a partir de les dades necessàries de la taula

d’entrades, els relés interns, els temporitzadors, els comptadors, etc., i escrivint els

resultats en la taula de sortides, comptadors, etc.

 Còpia de la taula d’imatges de sortides sobre les sortides físiques de l’autòmat.

  Inici d’un cicle nou. El programa es va repetint cíclicament, ja que les modificacions

que van apareixent en les entrades han d’anar modificant els estats dels elements

interns (relés, temporitzadors, comptadors...) i de les sortides de l’autòmat.

Memòria

La memòria d’un autòmat programable és com el magatzem on guarda totes les dades

que necessita per efectuar la tasca de control. Serveix per emmagatzemar el programa

(dades de control) i les dades del procés.

Dades de control:

– Seqüència d’instruccions o programa d’usuari.

– Configuració de l’autòmat.

Dades del procés:

– Senyals d’entrades i sortides.

– Variables internes (bit, paraula, etc.).

– Dades alfanumèriques i constants.

Elements d’entrada i sortida

Són els que permeten comunicar l’autòmat amb el procés que està controlant i amb l’usuari.

Elements d’entrada informen de l’estat del procés (elements activats i desactivats, posicions,

nivells, velocitats, etc.) a partir de la informació subministrada pels sensors i detectors del

Sistema.

Eelements de sortida permeten que l’autòmat actuï sobre els accionadors i preaccionadors

del procés (relés, contactors, pilots, electrovàlvules, etc.).

Programació d’autòmats

L’acció de donar les ordres oportunes per efectuar el control del procés s’anomena programació de l’autòmat i la seqüència establerta, programa de l’aplicació.

La programació de l’autòmat implicarà desenvolupar, totalment o parcialment, els

apartats següents:

 Determinar què ha de fer el sistema de control i en quin ordre.

 Identifi car el senyals d’entrada i de sortida a l’autòmat.

 Representar per mitjà d’algun model o mètode gràfi c el sistema de control.

 Assignar adreces d’entrada/sortida o internes a cadascun dels components que

hi intervenen.

 Confeccionar, pròpiament, el programa de l’aplicació per mitjà d’instruccions o

símbols intel·ligibles per a la unitat de programació.

 Transferir les instruccions obtingudes en la memòria de l’autòmat des de la

unitat de programació.

 Provar i depurar el programa, així com obtenir-ne una còpia de seguretat.

Diagrama de contactes

Diagrama de flux o ordinograma

És un sistema de representació que té com a objectiu mostrar gràficament les seqüències d’evolució i presa de decisions del procés o automatisme.

Podem establir dos tipus de diagrames de flux, un de nivell 1, en el qual representarem les accions que desenvoluparà el procés acció per acció, i un de nivell 2, en el qual substituirem les designacions del nivell 1 per les instruccions corresponents, per tal de poder realitzar el programa en l’autòmat.

GRAFCET

El GRAFCET és a dir, la gràfica de comandament etapa-transició, normalitzat segons la norma internacional IEC 848 (International Electrotechnical Commission), representa directament la successió de les etapes dins d’un cicle de producció, separades per transicions o condicions de salt entre etapes. Podem considerar diversos nivells, normalment amb dos en tindrem prou. En el nivell 1, molt més genèric, definim les etapes i les transicions, així com les accions que cal efectuar en cada etapa. En el nivell 2, precisem les entrades i les sortides de l’autòmat que intervenen en cada etapa i transició.

http://www.xtec.cat/aulatec/re_reautomat.html http://disa.uvigo.es/software/plantsim/

http://www.xtec.cat/aulanet/ciclesf1/interfaz/ automatas.htm

Exercicis

1,4,7,9,10,11,12,13,16,17,18,19,20 24,25,27,28,33,34,35,36,38,39,44,47 48,49

Activitats finals

De la 1 a la 16