INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CHETUMAL Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Ingeniería Eléctrica 7º YU Instrumentación (AEF-1038) Maestro: Ing. William Rivas Ruiz Presentan: Ayuzo Reyes Tomasa Belén González Pérez Axel Iván Manzanilla Verde Elías Alexandro Pérez Jiménez Roque Omar Rodríguez Romero Luis Antonio
Equipo No. 4
U-5: CONTROL ASISTIDO POR COMPUTADORA ÍNDICE
23 de Noviembre del 2015
Introducción *********************************************************** 2 5.1.-Adquisición De Datos ********************************************* 3 5.2.-Control Supervisorio ********************************************* 6 5.3.- Control Digital ************************************************* 8 5.4.- Control Distribuido ********************************************* 9 5.5.-Instrumentación Virtual ***************************************** 12 Conclusión ************************************************************ 14
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INTRODUCCIÓN 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. Un proceso o un sistema que gestiona o en otras palabras controlado por computadoras se llama como asistido por ordenador de control o control asistido por ordenador. Mediante el uso de diversas herramientas podemos obtener datos electrónicos, estos datos electrónicos se usa el equipo para controlar el proceso del sistema. Para controlar el proceso significa dos cosas:
Mantener el sistema en su estado actual. Cambiar el estado según los requisitos.
Las variables del proceso que se necesitan para ser controlada son las siguientes: 1. Variable de control 2. Punto de ajuste 3. Manipulación de la variable 4. Perturbación
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5.1 ADQUISICIÓN DE DATOS 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 más usado en países del tercer mundo como el nuestro; el segundo es hasta hoy, el Página 3 de 17
más 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 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. El control digital asistido por computador 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. ¿Cómo se constituye un sistema de adquisición de datos?
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TIPOS DE SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS INALÁMBRICOS •
Los sistemas de adquisición de datos inalámbricos pueden eliminar el costoso y demorado cableado en campo de los sensores de proceso.
Estos sistemas consisten en uno o más
transmisores inalámbricos que envían datos a un receptor inalámbrico conectado a una computadora remota. •
Los
transmisores
inalámbricos
están
disponibles
para
una
temperatura ambiente y humedad relativa, termopares, RTD, sensores de salida de pulso, transmisores 4 a 20 mA y transductores de salida de voltaje. Los receptores se pueden conectar al puerto USB o Ethernet en la PC. SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS POR COMUNICACIONES EN SERIE Página 5 de 17
•
Los sistemas de adquisición de datos por comunicaciones en serie son una buena opción cuando es necesario hacer la medición en una ubicación alejada de la computadora.
•
Hay varios estándares de comunicación diferentes; RS232 es el más común pero sólo es compatible con distancias de transmisión de hasta 50 pies. RS485 es superior a RS232 y es compatible con distancias de transmisión de hasta 5,000 pies.
SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS USB •
El bus serie universal (USB) es un nuevo estándar para conectar la PC a dispositivos periféricos como impresoras, monitores, módems y dispositivos de adquisición de datos.
•
USB ofrece varias ventajas respecto a las conexiones en serie y paralelo convencionales, como un mayor ancho de banda (hasta 12 Mbits/s) y la capacidad de proporcionar energía al dispositivo periférico. USB es ideal para aplicaciones de adquisición de datos.
5.2 CONTROL SUPERVISORIO Sistema
de
control
en
el
cual
los
bucles
de
control
operan
independientemente, sujetos a acciones de corrección intermitente a través de sus puntos de consigna. En la figura se muestra este esquema de control, el cual por orden histórico fue el primero en utilizarse. En este esquema la computadora juega solamente el papel de un supervisor, ya que no tiene acceso a ningún lazo de control y su única función es monitorear las variables controladas del proceso o bien, modificar las referencias de control (set points). Los lazos de control en este esquema se siguen realizando mediante controladores analógicos. Página 6 de 17
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. 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 Página 7 de 17
cuales se comunican con una estación maestra (MTU, Master Terminal Station) ubicada en una sala de control central.
5.3 CONTROL DIGITAL En el control digital que apareció hacia los años 1960, el computador llevaba a cabo todos los cálculos que realizaban individualmente los controladores P, P+I, P+I+D generando directamente las señales que van a las válvulas. Este tipo de control se denomina (control digital directo), el computador esta enlazado con el proceso. El
DDC
permite
una
transferencia
automático-manual
sin
perturbaciones y admite una fácil modificación de las acciones y de las Página 8 de 17
configuraciones de los sistemas de control lo cual es muy importante en la puesta en marcha de la planta. El DDC tiene la ventaja sobre los controladores automático
convencionales que
corresponde
de a
estar las
provisto
de
acondiciones
un de
calibrado operación
instantánea. Es decir, el computador ajusta la calibración de sus algoritmos de acuerdo con una función predeterminada de la variable medida o de una combinación de variables en lugar de requerir periódicamente la calibración individual de cada instrumento por un instrumentista o especialista tal como acurre en los instrumentos convencionales. Sistema de control que realiza un aparato digital que establece directamente las señales que van a los elementos finales de control. En la Fig., se muestra el esquema de una computadora trabajando en control digital directo. En este esquema la computadora ejecuta uno o varios algoritmos de control para realizar directamente el control de una o varias
variables de un proceso.
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5.4 CONTROL DISTRIBUIDO En esencia, la diferencia entre el control distribuido y el control digital radica en que el primero necesita se configurado manualmente nodo a nodo y el segundo puede ser codificado electrónicamente. El ordenador personal también ha incorporado al control distribuido. Permite la visualización de las señales de múltiples transmisores, el diagnostico de cada lazo de transmisión, el acceso a los datos básicos de calibración y a los datos de configuración de los transmisores. En este esquema, que es el más difundido a nivel industrial en la actualidad
se
utilizan
computadoras
o
microcontroladores
para
reemplazar los lazos de control individuales que en el esquema antiguo
se implementaban con controladores analógicos.
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Además se usa una gran computadora de gran capacidad para realizar la función de supervisora que ya se describió en el esquema supervisor anterior, con la diferencia que en el nuevo esquema dicha computadora se auxilia de subsistemas que controlan una red local que sirve de interfaz de comunicación con cada controlador funcionando en control digital directo.
COMPONENTES DEL CONTROL DISTRIBUIDO
El controlador multifunción que, al utilizar en su programación un lenguaje de alto nivel, se asemeja a un ordenador personal, proporciona las funciones de control lógico que permiten regular un proceso discontinuo (Bach control), y el manejo de procesos
complejos, en las que el control básico está limitado. El control secuencial enlaza el control analógico (modulante con posiciones que varían continuamente en la válvula de control) con el control lógico, Por ejemplo, el arranque y el paro de una cadena de vapor deben hacerse de modo secuencial para eliminar totalmente el riesgo de una explosión que ocurriría si, en el peor de los casos, entrara agua en la caldera con el nivel muy bajo y
con los tubos del serpentín al rojo vivo. En el control discontinuo (Bach control) es usual automatizar la entrada de ingredientes, en particular en la industria farmacéutica, definiendo la naturaleza y cantidades en lo que se llama la formula (récipe). Debido a que se fabrican muchos productos diferentes en la misma unidad de fabricación, es necesario que el equipo de control sea versátil para satisfacer la gran variedad de fórmulas
(récipes) que pueden presentarse. Los controles programables
sustituyen
a
los
relés
convencionales utilizados en la industria. En lugar de disponer de pulsadores y relés para los circuitos de enclavamiento y para el accionamiento de los motores de la planta, con el correspondiente panel o cuadro de mandos y con los consiguientes cables de Página 11 de 17
conexión, voluminosos y caros, el controlador programable aporta la solución versátil, practica y elegante del software en un lenguaje especial, basado en la lógica de los relés. La estación de operación proporciona la comunicación con todas las señales de la planta para el operador de proceso, el ingeniero de proceso y el técnico de mantenimiento.
Las alarmas son importantes en el control de procesos. Existen alarmas de alto y bajo valor de la variable (LPV, HPV), alarmas de desviación entre el punto de consigna (SP) y la variable controlada (PV), alarmas de tendencia que actúan si la variación de la variable excede de un valor prefijado, alarmas de estado de la señal de entrada o de salida, alarmas de situación crítica, alarmas que indican que el proceso está fuera de control y que se acerca un desastre inminente (como las de Chernovil), alarmas que indican el restablecimiento del control.
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5.5 INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL La rápida adopción de la PC en los últimos 20 años generó una revolución
en
la
instrumentación
de
ensayos,
mediciones
y
automatización. Un importante desarrollo resultante de la ubicuidad de la PC es el concepto de instrumentación virtual, el cual ofrece variados beneficios a ingenieros y científicos que requieran mayor productividad, precisión y rendimiento.
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Un instrumento virtual consiste de una computadora del tipo industrial, o una estación de trabajo, equipada con poderosos programas (software), hardware económico, tales como placas para insertar, y manejadores (drivers) que cumplen, en conjunto, las funciones de instrumentos tradicionales. Los instrumentos virtuales representan un apartamiento fundamental de los sistemas de instrumentación basados en el hardware a sistemas centrados en el software que aprovechan la potencia de cálculo, productividad, exhibición y capacidad de conexión de las populares computadoras de escritorio y estaciones de trabajo. El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso de la computadora personal, como forma de reemplazar equipos físicos por software, permite a los usuarios interactuar con la computadora como si estuviesen utilizando un instrumento real. El usuario manipula un instrumento que no es real, se ejecuta en una computadora, tiene sus características definidas por software pero realiza las mismas funciones que un equipo real. Los instrumentos virtuales son definidos por el usuario mientras que instrumentos tradicionales tienen funcionalidad fija, definida por el usuario. Página 14 de 17
Ventajas de la Instrumentación Virtual:
Flexibilidad.
Intercambio de información con otras aplicaciones.
Aplicaciones distribuidas.
Control remoto a través de redes locales e Internet.
Reduce espacio, peso, tiempo y dinero.
Se edita y se “virtualiza el instrumento”.
Instrumentación Convencional vs. Virtual
CONCLUSIÓN Como se puede observar, a pesar de las maravillas que puede desarrollar estos tipos de
sistema, debe quedar claro que el control
asistido por computadora no hace milagros y que las ventajas anteriormente mencionadas solo se logran desarrollando un buen Página 15 de 17
modelo que refleje exactamente el sistema de balance de materia y energía, además de incluir complejos algoritmos que le ayuden a minimizar los errores propios de sus unidades de adquisición de datos (para ello hay que analizar física , analítica y matemáticamente nuestro proceso en cuestión de forma minuciosa). La automatización es un proceso global imparable, por ello para ser competitivo, resulta vital su implantación. Hasta ahora hay varias formas de automatizar una industria, pero las principales son el control distribuido, el control supervisor y el control digital directo. De las tres la primera es la mejor y la que actualmente se aplica por su alta eficiencia. Sin embargo al parecer hay una nueva tendencia a realizar un control electrónico
directo
mediante
paneles
de
control
y
autómatas
programables, solo que a diferencia del pasado, esta vez estos elementos se interconectan entre si y a un ordenador central. Resulta sumamente practico el conocer la arquitectura básica de cada componente, pero se ser posible en el futuro sería bueno que los fabricantes proporcionaran un poco más de información sobre sus productos.
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