Guía de introducción a los autómatas programables (3ª PARTE)

Ver 2ª PARTE

TIPOS DE ESTRATEGIAS DE CONTROL

Muy pocas plantas industriales pueden funcionar por sí mismas, y la mayoría necesitan alguna forma de sistema de control para asegurar la operación segura y económica. Es muy fácil confundirse y abrumarse por el tamaño y complejidad de los grandes procesos industriales. En la mayoría de los casos, si no todos, pueden simplificarse considerándolos compuestos por muchos pequeños subprocesos. Estos subprocesos puede generalmente considerarse que caen en tres áreas distintas.

Subsistemas de control

Estos sistemas muestran el estado del proceso al operador para llamar la atención ante condiciones anormales o condiciones de fallo que necesitan atención. La condición de planta es medida por sensores convenientes.

Los sensores digitales miden condiciones con distintos estados. Ejemplos típicos son funcionamiento/parado, hacia adelante / parada / inversa, fallo/correcto, …Los sensores analógicos miden condiciones que tienen un rango continuo tal como temperatura, presión, caudal o nivel de líquido.

Los resultados de estas mediciones se muestran al operador vía indicadores (para señales digitales) o por medidores y gráficos de barras para señales analógicas.

Las señales pueden controlarse también para condiciones de alarmas. Un interruptor limitador de sobre recorrido o un disparo automático de un motor sobrecargado son condiciones de alarma digital típicos. Una temperatura alta o un nivel de líquido bajo pueden ser condiciones de alarma analógicas. El operador puede ser informado de esto vía lámparas de aviso y una alarma audible.

Un sistema de supervisión a menudo mantiene registros del consumo de energía y materiales para propósitos de contabilidad, y produce un registro de eventos/alarma para análisis de histórico de mantenimiento. Una bomba, por ejemplo, puede requerir mantenimiento después de 5000 horas de operación.

Subsistemas de secuenciación

Muchos procesos siguen una secuencia predefinida. Para comenzar el quemador de gas, por ejemplo, la secuencia puede ser:

1. Pulsar el botón de arranque; si los sensores se muestran en estados sensibles (sin aire ni llama) entonces la secuencia comienza.
2. Energizar arrancador del ventilador de aire. Si el arrancador opera (controlado por contacto en el arrancado) y se establece un control de aire (controlado por un interruptor de caudal) entonces
3. Esperar dos minutos (para limpiar con aire el gas no quemado) y luego
4. Abrir válvula piloto de gas y operar encendedor. Esperar dos segundos y luego parar encendedor y
5. Si la llama está presente (controlado por el sensor de fallo de la llama) abrir válvula de gas principal.
6. Secuencia completa. El quemador está funcionando. Permanece así hasta que se pulsa el botón, o para el caudal de aire, falla la llama.

La secuencia de arriba trabaja solamente en señales digitales, pero la secuencia pueden también usar señales analógicas. En un proceso de lotes de sensores analógicos usados para medir peso y temperatura podríamos obtener una secuencia como la siguiente:

1. Abrir válvula V1 hasta que se añadan 250 kg de un producto A.
2.  Arrancar aspas del mezclador.
3.  Abrir válvula V2 hasta que se añadan 310 kg de un producto B.
4. Esperar 120 segundos (para mezcla completa).
5. Calentar a 80 ºC y mantener a 80 ºC durante 10 minutos.
6. Apagar calentador. Permitir que se enfríe a 30 ºC.
7. Para aspa del mezclador.
8. Abrir válvula de drenaje V3 hasta que el peso sea inferior a 50 kg.

Subsistemas de control de bucle cerrado

En muchos sistemas analógicos, una variable tal como temperatura, caudal o presión se requiere para mantenerse automáticamente a un valor preseleccionado o hacer que siga alguna otra señal. Por ejemplo, la temperatura puede requerir se mantenga constante a 80 ºC dentro de un margen estrecho durante diez minutos.

En tales sistemas una característica particular de la planta (ej. temperatura) denotada por PV (para variable de proceso) se requiere se mantenga a un valor preseleccionado SP (punto de referencia o setpoint). PV es medido por un sensor conveniente y comparado con el SP para dar una señal de error.

Error = SP – PV

Si, por ejemplo, estamos tratando con un controlador de temperatura con un setpoint de 80 ºC y una temperatura actual de 78 ºC, el error es 2 ºC. Esta señal de error se aplica a un algoritmo de control.  Hay muchos algoritmos de control posible, pero un ejemplo simple para control de calentamientos es “si el error es negativo el calor se apaga, si el error es positivo el calor se enciende”.

La producción desde el algoritmo de control se pasa a un actuador que afecta a la planta. Para un control de temperatura, el actuador puede ser un calentador, y para un control de caudal el actuador puede ser una válvula de control del caudal.

El algoritmo de control ajustará el actuador hasta que haya un error cero, es decir, la variable del proceso y el setpoint tienen el mismo valor.

El valor PV es retroalimentado y comparado con el setpoint, llevando el término “control feedback”.

Debido a que el proceso de corrección es continuo, el valor del PV controlado puede hacerse para rastrear un SP cambiante. El ratio aire/gas de un quemador puede así mantenerse a pesar de los cambios en la velocidad de ignición del quemador.

Dispositivo de control

Los tres tipos de estrategias de control esbozados anteriormente pueden alcanzarse de diversa forma. Los sistemas de supervisión/alarma pueden a menudo alcanzarse conectando sensores de planta como displays, indicadores y anunciadores de alarma. A veces el sistema de alarma requerirá alguna forma de lógica. Por ejemplo, podemos dar una alarma de baja presión hidráulica si las bombas están funcionando, de forma que  haya un demora de tiempo suficiente como para que aumente la presión de la bomba. Después de ese tiempo, una baja presión causa la parada de la bomba.

Los sistemas de secuenciación pueden construirse con relés combinados con temporizadores, uniselectores y dispositivos electromecánicos similares. La lógica digital (usualmente basada en circuitos integrados TTL o CMOS) puede usarse para los sistemas más grandes. Muchas aplicaciones de herramientas son construidas con puertas lógicas: unidades montadas sobre rail conteniendo puertas lógicas, elementos de almacenaje, temporizadores y contadores que son conectados por terminales.

MÉTODOS DE PROGRAMACIÓN

El lenguaje de programación de PLCs se basa en técnicas usadas en la industria más que en técnicas de programación de computadoras. En este apartado hablamos de varias formas como los PLCs son programados por los fabricantes.

Diagramas de escalera

Los primeros PLCs diseñados para la industria del automóvil, reemplazaban esquemas de control de relés. Se usaban símbolos de relés, -] [- para un contacto normalmente cerrado (NC), y – ( ) – para un rendimiento de planta.

TEMPORIZADOR

El tiempo es casi siempre una parte de un sistema de control. Ejemplos típicos son: “elevar un freno de aparcamiento, esperar 0,5 segundos para frenar, elevar, accionar, impulsar, impulsar hacia adelante y parar, esperar 1 segundo y aplicar freno de aparcamiento”, y “accionar bomba hidráulica, si un contacto auxiliar no señala fallo en 0,7 segundos, esperar dos segundos y energizar válvula de carga, si la presión hidráulica no se establece dentro de 3 segundos una vez se señala el fallo hidráulico.

Un temporizador de cualquier tipo tiene algunos valores que necesitan ser seleccionados por el usuario. La primera de estas unidades básicas es el tiempo. Unidades comunes son 10 ms, 100 ms, 1 s, 10 s y 100 s. La unidad base no afecta la exactitud del temporizador; normalmente la exactitud es similar al escáner del programa.

Lo siguiente que debemos definir es la duración de los intervalos de conteo (a menudo llamado preset). Esto se realiza normalmente en términos de base de tiempo; un temporizador con un preset de 150 y una base de tiempo de 10 ms durará 1,5 s. En PLCs pequeños este preset es establecido por el programador; en los PLCs más grandes la duración pueden cambiarse dentro del programe en sí mismo. Un temporizador con retardo usado para aplicar un freno de estacionamiento, por ejemplo, puede tener diferentes tiempos preestablecidos dependiendo de si el conductor está preocupado por desplazarse a baja o alta velocidad.

Cuando se usa un temporizador hay varias señales que pueden estar disponibles. Por ejemplo, para un PLC-5:

• EN (para permitir) es una imitación de la entrada del temporizador.
• TT (para tiempo de temporizador) es energizado mientras el tiempo está corriendo.
• DN (para hecho) indica que el contador ha acabado.

En PLCs más grandes el tiempo transcurrido (a menudo llamado tiempo acumulado) puede ser accedido por el programa para su uso en cualquier lugar (puede requerirse un programa para registrar la duración de ciertas operaciones).

4ª PARTE