viernes, 16 de febrero de 2007

Efecto SEEBECK

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Miguel Campos Contreras

1. RESUMEN

El efecto Seebeck, descubierto por el físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831), se refiere a la emisión de electricidad en un circuito eléctrico compuesto por conductores diferentes, mientras estos tienen diferentes temperaturas. Los conductores se conectan en serie. La diferencia de temperatura causa un flujo de electrones en los conductores, se dice que el flujo inicia directamente desde el área de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. En el punto de contacto de los conductores se presenta una diferencia de potencial. La magnitud de la termoelectricidad depende del tipo de material de los conductores, la temperatura de contacto y no depende de la temperatura que se distribuye a lo largo del conductor. La termoelectricidad permite evaluar los termopares por el coeficiente de Seebeck para diferentes materiales con un rango desde +43 hasta –38 mV/grado.

El producto que más utiliza este fenómeno son los denominados “termopares” que sirven como sensores de temperatura, también las llamadas termopilas que son un arreglo de varios termopares en seria para medir temperatura básicamente.

2. FENOMENO FISICO Y ELECTRICO

Termoelectricidad

Conversión directa del calor en energía eléctrica o viceversa. El termino es generalmente restringido a la conversión irreversible de electricidad en calor descrita por el físico inglés James P. Joule y el efecto reversible nombrado por Seebeck, Peltier y Thomson. De acuerdo con la ley de Joule un conductor transporta cierta corriente generando calor proporcionalmente a la resistencia del mismo por el cuadrado de la corriente. El físico alemán Thomas J. Seebeck descubrió en 1820 que si se cierra el circuito por la unión de dos materiales distintos y esta unión tiene contacto físico con un objeto la temperatura de este se ve como una diferencia de potencial que se genera en la unión de los metales. Al circuito de este tipo se llama “termopar” y un número de ellos conectados en serie es llamado termopila. En 1834 el físico francés Jean C. A. Peltier descubrió un efecto inverso al de Seebeck: Si una corriente pasa a través del termopar, la temperatura de la unión se incrementa y la temperatura en otras secciones se decrementa, así que el calor es transferido desde una unión a otra. La cantidad de calor transferido es proporcional a la corriente y la dirección de transferencia se invierte si la corriente cambia de dirección. El científico escocés William Thomson (más tarde Lord Kelvin) descubre en 1854 que la diferencia de temperatura que existe entre dos puntos cualquiera de un conductor que transporta corriente puede absorber o sacar calor dependiendo del material y la dirección de la corriente en el conductor. Esto muestra que el efecto Seebeck es un resultado de la combinación de los efectos de Peltier y Thomson. Los campos magnéticos pueden demostrar la influencia de todos estos fenómenos. Muchos dispositivos basados en los efectos termoeléctricos son usados para medir temperatura, transferir calor o generar electricidad.

La unión de dos aleaciones diferentes entregan un voltaje de directa, propiedad eléctrica muy importante. La polaridad de esta depende de la química de la aleación, ver tabla 1 para ejemplos.

Un termopar ideal consiste en un par de conductores homogéneos y de una sola pieza de distintos materiales, aleaciones, conectados y unidos en el extremo que servirá para tocar o acercar al objeto del cual queremos averiguar su temperatura.

Las cargas en los conductores pueden moverse con cierta libertad. La corriente eléctrica constituye un movimiento continuado de las cargas libres. La cantidad de carga que circula por un conductor en la unidad de tiempo es la intensidad de corriente. Los responsables de mantener la corriente en un circuito eléctrico son los generadores eléctricos, los cuales suministran al circuito la energía precisa para ello. Dos leyes de naturaleza experimental descubiertas por Ohm y Joule respectivamente aportan algunas relaciones que facilitan el estudio científico de la corriente eléctrica.

La característica esencial de los conductores, sean éstos sólidos, líquidos o gaseosos, consiste en que disponen de partículas cargadas que pueden moverse con bastante libertad bajo la acción de campos eléctricos. Cuando un conductor descargado se pone en contacto con un cuerpo cargado se produce un desplazamiento de la carga del uno a otro por efecto de las fuerzas eléctricas. Si ambos están aislados, el movimiento de las cargas libres durará unos instantes entre tanto el sistema de cargas encuentra una configuración de equilibrio en la cual las fuerzas eléctricas que se ejercen sobre cada una de las cargas se compensan mutuamente. Esto es lo que sucede cuando un hilo metálico se conecta por uno de sus extremos a uno solo de los bornes de una pila. Sin embargo, cuando se conecta el otro extremo del conductor al segundo borne, se produce un movimiento continuado de cargas en el conductor. Se tiene en tal caso una corriente eléctrica. La parte de la física que se ocupa del estudio de este tipo de movimiento de las cargas eléctricas a través de un conductor recibe el nombre de electrocinética.

Un termopar es un generador termoeléctrico que transforma calor en electricidad. Se produce cuando dos hilos conductores unidos entre sí por sus extremos respectivos se someten a una diferencia de temperatura, sumergiendo una de las soldaduras en hielo fundente y aplicando a la otra la llama de un mechero. Entre ambos puntos se genera una diferencia de potencial que aumenta con la temperatura y puede detectarse con un aparato de medidas eléctricas. Dicho efecto generador de electricidad conocido como efecto Seebeck se emplea principalmente en la medida de temperaturas.

3. APLICACIONES

Una de las aplicaciones más usadas con este fenómeno es la construcción de sensores de temperatura llamados “termopares”. En la industria están muy difundidos y son relativamente baratos además de soportar rangos de temperatura, dependiendo de la unión de las aleaciones, de hasta 1450°C.

La siguiente tabla 1 muestra los tipos habituales del termopar, aleaciones y el rango de temperatura en el que puede operar.


Tipo de Termopar /Materiales /Rango de aplicación en °C

B/ Platino 30%, Rodio (+); Platino 6%, Rodio (-) /1370 a 1700

C/ W5Re Tungsteno 5% Rhenium (+); W26Re Tungsteno 26% Rhenium /1650 a 2315

E/ Cromo (+); Constantano (-) /95 a 900

K/ Cromo (+); Alumel (-) /95 a 760

J/ Acero (+); Constantano (-) /95 a 1260

N/ Nicrosil (+); Nisil (-) /650 a 1260

R/ Platino 13% Rodio (+); Platino (-) /870 a 1450

S/ Platino 10% Rodio (+); Platino (-) /980 a 1450

T/ Cobre (+); Constantano (-) /-200 a 350

TABLA 1
Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes código de colores de acuerdo a l tipo descrito en la tabla 1 para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura.



Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación es necesario observar los siguientes puntos básicos:

1. Rango de temperatura a medir.
2. Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación
3. ¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este sea invasivo y altere al objeto?
4. ¿Qué tipo de contacto fisco se requiere para sensar la temperatura?

Es posible conectar a un dispositivo múltiples puntos de temperatura o termopares en distintas zonas para registrarlas e interpretarlas posteriormente, ver siguiente figura



En la figura anterior se aprecia un conjunto de termopares con una referencia de temperatura (posible baño en hielo) conectados mediante un cable plano multiconductor hacia un multiplexor y luego al dispositivo que mide el voltaje de cada termopar individualmente.

4. CONCLUSIONES

En la industria está muy generalizado el uso de termopares y considero que se sabe poco de cómo funcionan. Hasta este ensayo no entendía mucho de la física que rige este tipo de dispositivos y poco sabía de sus orígenes. Me es bastante útil el conocer estos sensores a detalle pues considero un excelente proyecto de curso elaborar un instrumento que pueda registrar temperaturas puntuales en algún tipo de proceso o máquina para posteriormente analizar los efectos laterales de las diferencias de temperatura por zonas.


5. FUENTES DE INFORMACION

1. http://www.electronics-cooling.com
2. http://instserv.com/orphn/rmocoupl.htm
3. http://mtzpz.kipelhouse.com/termo/index.phtml
4.
http://www.hypercomplex.com/
5. Apuntes de instrumentación, Raúl Leal, ITESO

6. ANEXO

6.1 Tipos de sensores de temperatura.

Termopares.
Los termopares son los más difundidos en la industria. Estos se basan en el efecto Seebeck que se presenta en la unión de dos aleaciones diferentes en presencia de calor.

Thermistores.
Son pequeñas piezas de un semiconductor no caro que es altamente sensible a la temperatura.

Termómetro con liquido dentro de una ampolla de cristal.
Es el más viejo y usado en los hogares, contiene una solución que se expande a través de un tubo capilar.

RTD.
Son los sensores de temperatura más precisos que se comercializan. Están basados en un coeficiente positivo de temperatura, al variar la temperatura cambia la resistencia eléctrica.

Termómetros de radiación.
Incluye los pirómetros, cámaras infrarrojas, termómetros clínicos. Son de no contacto y se basan en las leyes de Plancks que se refiere a que todo material sometido a calor despide un espectro infrarrojo relacionado con su temperatura.

Sensores de temperatura de silicio.
Son semiconductores con circuiteria interna capaces de medir la temperatura y entregar un voltaje proporcional a esta, están calibrados para entregar un voltaje en grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin. Se usan comúnmente como referencias de temperatura para termopares en lugar del baño de hielo.

jueves, 15 de febrero de 2007

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miércoles, 14 de febrero de 2007

Programación e Introducción al PLC

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Introducción:

Ante todo agradecer a aquellas personas que me han escrito animándome a escribir estos cursos de PLC’s, destinados a todos aquellos que deseen introducirse en el fascinante mundo de la automatización Industrial.

También deseo agradecer a mi mujer, Esther, su apoyo y comprensión por las horas pegado a la pantalla escribiendo, tecleando, scaneando, etc... mientras me daba su opinión sobre la legibilidad de lo escrito.

Por último, agradecer a mi empresa Sanper, S.A. y a Omron Electronics las facilidades otorgadas para llevar a cabo este proyecto.

Concepción del curso de PLC’s

Parto de la base que las personas que decidan realizar este curso poseen pocos o nulos conocimientos sobre el modo de funcionamiento de estos equipos. No obstante, con el paso de las lecciones iremos incrementando la complejidad de los temas tratados. Aconsejo empezar desde el principio pues aunque parezca muy básico siempre hay cuestiones que se nos escapan.

El curso constará de 25 entregas (ya veremos, depende la aceptación que tenga) que se publicarán en la WEB periódicamente (cada semana).

Sobre el autor

Mi nombre es José Ortega y tengo 29 años he sido programador de PLC’s desde hace más de 14 años. Actualmente trabajo en el Dpto. de desarrollos de una conocida empresa distribuidora de productos Omron. Aunque los capitulos iniciales del curso están escritos utilizando como ejemplo los PLC’s Omron de la serie CQM1, el curso no se presenta bajo la única óptica de Omron. Pretende que podáis aprender y comparar diferentes modelos y marcas en el mercado como Siemens, Izumi, Hitachi, etc... He decidido utilizar el PLC de Omron sin presiones de ningún tipo, simplemente por que me parece el más cómodo para iniciarse en el mundo de los PLC’s.

Breve introducción a los PLC’s

Los PLC’s como tales existen desde hace poco tiempo en comparación con otros campos englobados en la electricidad industrial. Los primeros modelos nacieron de la necesidad de sustituir las maniobras habitualmente realizadas con relés y temporizadores de tipo medio – bajo. Así tenemos modelos como el Hitachi HR-20, el Omron 6 o los primeros SIMATIC que marcaron los inicios de este campo.

Hoy día contamos con equipos capaces de realizar complicadas operaciones, incluso en coma flotante, privilegio este último disponible hasta hace poco a equipos de alto costo o a los ordenadores personales. Además existen PLC’s de gama “baja“ (Y lo de baja lo digo entre comillas), capaces de gestionar uno o dos encóder, preselecciones analógicas, y ser ampliados hasta 128 ó 256 e/s (entradas / salidas)

Los modelos de gama alta se verán más adelante debido a su complejidad. Para el desarrollo de este curso en los niveles iniciales he optado por poner los ejemplos en lenguaje Syswin con el modelo CQM1.

Funcionamiento Básico de un PLC

Todos los PLC’s del mercado se basan en el principio de lectura cíclica de programa. A diferencia de los ordenadores, donde un programa está orientado a objetos y no tiene por que ejecutarse completamente, los PLC si que efectúan el recorrido completo del programa almacenado salvo, como veremos más adelante se encuentren instrucciones de interrupción o salto que modifiquen este comportamiento inicial.

Antes de seguir conviene repasar los siguientes conceptos básicos y tenerlos claros:

Este curso está basado en los PLC’s de Omron CQM1, uno de los más comunes y empleados hoy día. Aunque hay diferencias entre otros PLC’s gran cantidad de conceptos son comunes entre todos.

Vamos a analizar como funciona y que son los canales dentro del PLC.

Definición de Canal

Un canal en un conjunto de 16 bits que puede ser procesado de forma conjunta (por ejemplo para realizar operaciones matemáticas) o en forma individual como operaciones de bit (entradas, salidas, SET, RESET, KEEP,DIF... etc.)

Cuando programamos y utilizamos un canal en forma de bit (en las primeras lecciones del curso así será) indicamos el numero de canal y el numero de bit separados por un punto.

Por ejemplo, imaginemos que queremos usar el bit 3 del canal 4 (entrada 3.4). En el programa aparecerá 004.03.

Canales de Entrada (IR)

Los canales de entrada introducen información binaría al PLC procedente de la máquina o la aplicación. Dependiendo de la CPU y la configuración de tarjetas de E/S tenemos más o menos canales. Para que sirva de referencia las CPU CQM1-11 y CQM1-21 permiten hasta 128 puntos de E/S. Las CPU CQM1-4X permiten hasta 128 puntos de E/S.

Los canales de entrada van desde el IR000 hasta el IR015. Estos canales actuarán como entradas siempre que existan las tarjetas de entrada en el PLC. De no existir se pueden utilizar como bits o canales de trabajo (ver Canales de trabajo).

Canales de salida (IR)

Los canales de salida envían el resultado de las operaciones del programa a las tarjetas de salida conectadas al PLC que activarán actuadores como electroválvulas, relés, contactores, etc.

Su rango es desde el canal IR100 hasta el canal IR115 (En las CPU’s 4X).

Canales de trabajo

Los canales de trabajo son “relés internos”. Esto significa que no son ni entradas ni salidas, pero permiten efectuar procesos intermedios en el programa. Los canales disponibles son:

IR012 al IR095
IR112 al IR195
IR216 al IR219
IR224 al IR229

Nota: Recuerde que los canales de E/S no utilizados (o sea que no tienen tarjeta de E/S asignada) pueden utilizarse como canales de trabajo.

Canales de Retención (HR)

Los canales de retención son canales mantenidos por batería. Si interrumpimos el suministro de alimentación al PLC, los canales IR vistos anteriormente “olvidan” su estado y regresan a 0 (OFF). Lis canales de Retención “recuerdan” su estado, volviendo a éste tras un corte de suministro.

Existen 100 canales disponibles para este uso, que van desde el HR00 hasta el HR99, con lo cual se pueden direccionar 1600 bits retentivos (100 canales x 16 bits)

Canales Especiales

Los canales especiales son aquellos que nos faciltan información o tienen funciones específicas asignadas.

Se verán en lecciones más avanzadas y son los llamados canales SR y AR.

Area de Datos (DM)

Son registros de almacenamiento de datos de 16 bits. Estos registros no pueden ser operados directamente como bits individuales y son los más utilizados para las operaciones aritmeticas.

Retienen su información en caso de cortes de suministro eléctrico al igual que los HR

Las CPU 11 y 21 disponen de 1024 canales
Las CPU 4x disponen hasta de 6144 canales.

Al igual que los canales especiales, se estudiarán en fases más avanzadas del curso.

Canales de Enlace (LR)


Los canales de enlace LR son empleados en comunicaciones 1:1 entre dos PLC’s. Disponemos de 64 canales. Se verán en la fase de comunicaciones del curso.

Areas de Temporizadores / Contadores

Los PLC CQM1 disponen de 512 bits de temporizadores / contadores, los cuales comparten sus direcciones. Esto significa que en un programa no podemos utilizar el temporizador 8 por ejemplo y el contador 8, ya que se solaparían las direcciones dando errores de funcionamiento.

Disponemos de los temporizadores 0 a 511 (o contadores 0 a 511)

Los temporizadores se programan en formato BCD siendo su precisión de 1 décima de segundo. No obstante existen funciones de contaje rápido que se verán más adelante.

Mi primer programa

La entrada 000.00 tiene el estado ON o “1” al recibir los 24 V del pulsador
La entrada 000.00 tiene estado OFF o “0” al no recibir los 24 V del pulsador-Una entrada digital es la unidad mínima de información del PLC y le informa de un estado ON/OFF de un componente externo. Por ejemplo, un pulsador normalmente abierto conectado a la entrada 000.00 del PLC, si no lo pulsamos el valor de esta entrada en un “0” lógico, mientras que si lo pulsamos obtendremos un “1” lógico. Es lo que se conoce en términos informáticos como un bit de información.


Con las salidas ocurre algo similar. Si el programa almacenado en el PLC debe actuar sobre una salida, actúa sobre un bit (Hablamos de salidas digitales). Gráficamente lo podríamos reflejar así.


Esto que parece tan sencillo es la base de cualquier entorno de programación de PLC’s. Los estados 0 o 1 de las entradas y salidas.

Con el software Syswin de programación y en modo de diagrama de relés, el ejemplo anterior quedaría así.

Observemos una cosa. Resumiendo se podría decir básicamente que un programa, lee las entradas del PLC (si están a cero o a uno), procesa el programa almacenado, y en función de los resultados obtenidos activa o no unas salidas que a su vez accionarán unos actuadores (Electroválvulas, relés, señales, etc...)

Pero la calidad de un PLC viene determinada por varios factores. Muchos de éllos se darán en partes más avanzadas del curso, pero conviene conocer uno ya desde el inicio: El tiempo de Scan.

¿Qué es el tiempo de SCAN?

Imaginemos un programa que lee el estado de una entrada y en función de su valor escribe un resultado en su salida. Como ya se ha dicho, el PLC ejecuta el programa cíclicamente. Esto significa representado gráficamente lo siguiente:

1º Lee el estado de todas la entradas
2º Ejecuta el programa de usuario
3º Escribe el resultado en las salidas del PLC

El tiempo de Scan es el tiempo que tarda el PLC desde que inicia la lectura de las entradas hasta que escribe los resultados del programa de usuario en las salidas.

En aplicaciones no críticas en tiempo, esto carece de importancia pues hablamos de unos pocos milisegundos en la mayoría de los casos, pero en aplicaciones rápidas, de funcionamiento crítico, o en programas muy extensos es un factor muy importante que puede desbaratar un proyecto en principio bien concebido. No obstante en el caso de aplicaciones que precisen secuencias rápidas pueden utilizarse entradas de alta velocidad y rutinas de interrupción. Esto se tratará en próximas lecciones.


Combinaciones lógicas.

Hemos visto en el ejemplo anterior como activando una entrada se activa una salida. Esto es correcto pero en la práctica nos encontramos con condiciones mucho más sofisticadas.

Existen dos condiciones básicas a la hora de programar:

AND y OR

Instrucción AND


Instrucción AND o también llamada Serie. Permite concatenar operandos de forma que si no cumple la condición 1 en todos éllos el resultado es cero.



En la figura superior se puede apreciar que si los operandos 000.00 y 000.01 no están activados, la salida 100.00 no se activará. Esto se conoce como tabla de la verdad. En esta tabla se consulta el estado de las operaciones lógicas. La tabla de la verdad AND es la siguiente:

Operando 1Operando 2Resultado
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1


Como se puede apreciar solo tenemos resultado 1 cuando las dos condiciones son 1.

Condición OR

La condición OR es la contraria de la condición AND. Si cualquiera de los dos operandos están a 1, el resultado es 1.

Por ejemplo en este programa, podemos apreciar la función OR:



Si el operando 000.01 o el operando 000.02 está a 1, la salida 100.00 se pondrá a 1.

La tabla de la verdad de la función OR es la siguiente:


Operando 1Operando 2Resultado
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1


Negar Operandos

También podemos trabajar con operandos negados. Esto significa utilizar el sentido contrario del operando. Imaginemos que cuando activamos una entrada, accionamos una salida (caso del primer ejemplo), pero nos interesa hacer lo contrario, que cuando activemos una entrada se desactive una salida. Esto se realiza negando los operandos.

El programa en Syswin sería el siguiente:

Cuando la entrada 000.01 no estuviera activada, al estar programada de forma negada, activaría la salida 100.00.

NOTAS IMPORTANTES


· Podemos emplear los operandos de bit como contacto tantas veces como deseemos en el programa. O sea, la entrada 000.00 puede aparecer como contacto AND (o abierto) todas las veces que queramos (o que la memoria del PLC permita J)

· No se pueden repetir las salidas. El resultado sería impredecible (generalmente siempre OFF). Solo con funciones especiales y ganas de complicarse la vida es posible repetirlas, pero el autor aconseja no hacerlo.


· Todos los programas deben terminar con la instrucción END (Función 01 del Syswin)

Dispositivos Lógicos Programables

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¿Qué es la lógica programable?

La lógica programable, como el nombre implica, es una familia de componentes que contienen conjuntos de elementos lógicos (AND, OR, NOT, LATCH, FLIP-FLOP) que pueden configurarse en cualquier función lógica que el usuario desee y que el componente soporte. Hay varias clases de dispositivos lógicos programables: ASICs, FPGAs, PLAs, PROMs, PALs, GALs, y PLDs complejos.

ASIC

ASIC significa Circuitos Integrados de Aplicación Específica y son dispositivos definibles por el usuario. Los ASICs, al contrario que otros dispositivos, pueden contener funciones analógicas, digitales, y combinaciones de ambas. En general, son programables mediante máscara y no programables por el usuario. Esto significa que los fabricantes configurarán el dispositivo según las especificaciones del usuario. Se usan para combinar una gran cantidad de funciones lógicas en un dispositivo. Sin embargo, estos dispositivos tienen un costo inicial alto, por lo tanto se usan principalmente cuando es necesario una gran cantidad.

Estructura básica de un PLD

Un dispositivo programable por el usuario es aquel que contiene una arquitectura general pre-definida en la que el usuario puede programar el diseño final del dispositivo empleando un conjunto de herramientas de desarrollo. Las arquitecturas generales pueden variar pero normalmente consisten en una o más matrices de puertas AND y OR para implementar funciones lógicas. Muchos dispositivos también contienen combinaciones de flip-flops y latches que pueden usarse como elementos de almacenaje para entrada y salida de un dispositivo. Los dispositivos más complejos contienen macrocélulas. Las macrocélulas permite al usuario configurar el tipo de entradas y salidas necesarias en el diseño.

PROM

Las PROM son memorias programables de sólo lectura. Aunque el nombre no implica la lógica programable, las PROM, son de hecho lógicas. La arquitectura de la mayoría de las PROM consiste generalmente en un número fijo de términos AND que alimenta una matriz programable OR. Se usan principalmente para decodificar las combinaciones de entrada en funciones de salida.
PAL

Las PAL son dispositivos de matriz programable. La arquitectura interna consiste en términos AND programables que alimentan términos OR fijos. Todas las entradas a la matriz pueden ser combinadas mediante AND entre si, pero los términos AND específicos se dedican a términos OR específicos. Las PAL tienen una arquitectura muy popular y son probablemente el tipo de dispositivo programable por usuario más empleado. Si un dispositivo contiene macrocélulas, comúnmente tendrá una arquitectura PAL. Las macrocélulas típicas pueden programarse como entradas, salidas, o entrada/salida (e/s) usando una habilitación tri-estado. Normalmente tienen registros de salida que pueden usarse o no conjuntamente con el pin de e/s asociado. Otras macrocélulas tiene más de un registro, varios tipos de retroalimentación en las matrices, y ocasionalmente realimentación entre macrocélulas.


GAL


Las GAL son dispositivos de matriz lógica genérica. Están diseñados para emular muchas PAL pensadas para el uso de macrocélulas. Si un usuario tiene un diseño que se implementa usando varias PAL comunes, puede configurar varias de las mismas GAL para emular cada de uno de los otros dispositivos. Esto reducirá el número de dispositivos diferentes en existencia y aumenta la cantidad comprada. Comúnmente, una cantidad grande del mismo dispositivo debería rebajar el costo individual del dispositivo. Estos dispositivos también son eléctricamente borrables, lo que los hace muy útiles para los ingenieros de diseño.

PLA

Las PLA son matrices lógicas programables. Estos dispositivos contienen ambos términos AND y OR programables lo que permite a cualquier término AND alimentar cualquier término OR. Las PLA probablemente tienen la mayor flexibilidad frente a otros dispositivos con respecto a la lógica funcional. Normalmente poseen realimentación desde la matriz OR hacia la matriz AND que puede usarse para implementar máquinas de estado asíncronas. La mayoría de las máquinas de estado, sin embargo, se implementan como máquinas sincrónas. Con esta perspectiva, los fabricantes crearon un tipo de PLA denominado Secuencial (Sequencer) que posee registros de realimentación desde la salida de la matriz OR hacia la matriz AND.



PLDs complejos

Los PLDs complejos son lo que el nombre implica, Dispositivos Complejos de Lógica Programable. Se consideran PAL muy grandes que tienen algunas características de las PLA. La arquitectura básica es muy parecida a la PAL con la capacidad para aumentar la cantidad de términos AND para cualquier término OR fijo. Esto se puede realizar quitando términos AND adyacentes o empleando términos AND desde una matriz expandida. Esto permite que cualquier diseño pueda ser implementado dentro de estos dispositivos.

FPGA

Las FPGA son Campos de Matrices de Puertas Programables. Simplemente son matrices de puertas eléctricamente programables que contienen múltiples niveles de lógica. Las FPGA se caracterizan por altas densidades de puerta, alto rendimiento, un número grande de entradas y salidas definibles por el usuario, un esquema de interconexión flexible, y un entorno de diseño similar al de matriz de puertas. No están limitadas a la típica matriz AND-OR. Por contra, contienen una matriz interna configurable de relojes lógicos (CLBs) y un anillo de circunvalación de bloques de e/s (IOBs).

Cada CLB contiene lógica programable combinacional y registros de almacenamiento. La sección de lógica combinacional es capaz de implementar cualquier función booleana de sus variables de entrada.

Cada IOB puede programarse independientemente para ser una entrada, y salida con control tri-estado o un pin bidireccional. También contiene flip-flops que pueden usarse como buffers de entrada y salida. Los recursos de interconexión son una red de líneas que corren horizontalmente y verticalmente las filas y columnas entre el CLBS.

Los interruptores programables conectan las entradas y salidas de IOBS y CLBS a líneas cercanas. Las líneas largas recorren la anchura o longitud entera del dispositivo, estableciendo intercambios para proporcionar una distribución de señales críticas con la mínima demora o distorsión. Los diseñadores que usan FPGAs pueden definir funciones lógicas en un circuito y revisar estas funciones como sea necesario. Así, las FPGAs pueden diseñarse y verificarse en unos días, a diferencia de las varias semanas necesarias para las matrices de puerta programables.


¿Qué es el PLC?

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¿Qué es el PLC?
Las siglas PLC significa Programmable Logic Controller, que como su propio nombre indica es un controlador lógico programable.

Los componentes de un PLC básico son losiguientes:

Rack principal

Fuente de alimentación

CPU

Tarjetas entradas/salidas digitales

Tarjetas entradas/salidas analógicas

Tarjetas especiales
1. RACK PRINCIPAL

Este elemento es sobre el que se "enchufan" o conectan el resto de los elementos. Va atornillado a la placa de montaje del armario de control. Puede alojar a un número finito de elementos dependiendo del fabricante y conectarse a otros racks similares mediante un cable al efecto, llamándose en este caso rack de expansión.

2. FUENTE DE ALIMENTACION

Es la encargada de suministrar la tensión y corriente necesarias tanto a la CPU como a las tarjetas (según fabricante). La tensión de entrada es normalmente de 110/220VAC de entrada y 24 DCV de salida que es con la que se alimenta a la CPU.

3. CPU

Es el cerebro del PLC. Consta de uno o varios microprocesadores (según fabricante) que se programan mediante un software propio. La mayoría de ellos ofrecen varias formas de programación (lenguaje contactos, lenguaje nemónico o instrucciones, lenguaje de funciones, grafcet, etc). Trabajan según la lógica de 0 y 1, esto es, dos estados para un mismo bit. Normalmente trabajan con bases de 16 bits, del 0 al 15 aunque algunos modernos trabajan con bases de 32 bits. Según los modelos de CPU ofrecen en principio mas o menos capacidad de memoria pero también va ligado esto a un aumento de la velocidad del reloj del procesador y prestaciones de cálculo o funciones matemáticas especiales.

Hoy en día la potencia de cálculo de estos PLCs es grandísima, sobre todo si se trabaja con números reales o coma flotante, dando unas resoluciones mas que deseables. Trabajando con programas digitales puede alcanzarse un ciclo de scan de 10 ms. Con analógicas y un programa normalito puede llegarse a los 40 ms, mucho mas rápido que cualquier sistema de lectura analógico o válvula de control.

El programa alojado en la CPU va escrito en un lenguaje propio de la misma, se ejecuta en una secuencia programable y tiene un principio y un final. El tiempo que transcurre entre los dos se llama ciclo de scan y hay un temporizador interno que vigila que este programa se ejecute de principio a fin, llamado "perro guardián" o "watchdog". Si este temporizador finaliza y el programa no ha ejecutado la instrucción END , el PLC pasará a estado de STOP.

4. Tarjetas entradas/salidas digitales

Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. En el caso de las entradas digitales transmiten los estados 0 o 1 del proceso (presostatos, finales carrera, detectores, conmutadores, etc) a la CPU. En el caso de las salidas, la CPU determina el estado de las mismas tras la ejecución del programa y las activa o desactiva en consecuencia.
Normalmente se utilizan tarjetas de entradas de 24 DCV y salidas de 24 DCV, aunque también las hay de 110 y 220 VAC, depende de las preferencias y normativas locales. Las hay de 8, 16 y 32 entradas o salidas o mezclas de ambas.

5. Tarjetas entradas/salidas analógicas

Se enchufan o conectan al rack de igual manera que las anteriores, pero teniendo en cuenta que en algunos modelos de PLCs han de estar situadas lo mas cerca posible de la CPU. Estas tarjetas leen un valor analógico e internamente lo convierten en un valor digital para su procesamiento en la CPU. Esta conversión la realizan los convertidores analógico-digitales internos de las tarjetas que en algunos casos es uno para todos los canales de entrada o salida aunque actualmente se tiene uno por cada canal de entrada o salida. En este último caso el procesamiento de las señales analógicas es mucho mas rápido que en el otro.

Estas tarjetas son normalmente de 2, 4, 8 o 16 entradas/salidas analógicas, llamándose a cada una de ellas canal y empezando por el 0, esto es, una tarjeta de 4 canales analógicos comenzaría por el 0 y terminaría en el 3. Los rangos de entrada están normalizados siendo lo más frecuente el rango de 4-20 mA (miliamperios) y 0-10 DCV, aunque también existen de 0-20 mA, 1-5V, 0-5V, etc.

Lo mas importante a la hora de elegir una tarjeta analógica es que esta disponga de separación galvánica para cada canal, es decir, que los canales sean totalmente independientes electrónicamente unos de otros dentro de la propia tarjeta para que no se afecten mutuamente por efecto de una mala tierra o derivación a la misma de uno de ellos.

6. Tarjetas especiales

Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. Se utilizan normalmente para control o monitorización de variables o movimientos críticos en el tiempo, ya que usualmente realizan esta labor independientemente de la CPU. Son algunas muestras las siguientes:

Tarjetas de contage rápido

Tarjetas de posicionamiento de motores

Tarjetas de regulación ...

¿Que es un sistema SCADA-MMI?

1. Un sistema MMI (del inglés Man Machine Interface) es el interfaz de unión entre el operario y la máquina . Puede ser un panel de operador o una computadora (PC), pero en ambos casos comunican y transmiten datos a y desde el PLC.


En el caso de un Panel de Operador, este se compone de una pantalla con más o menos resolución de gráficos y teclas numéricas y de función o como en algunos casos pantalla tactil. La pantalla puede ser en color o monocromo e indica el estado de los diferentes valores del proceso, con gráficos complejos o figuras sencillas permitiendo a su vez introducir valores para ajustar los parámetros de regulación del proceso o consignas del mismo.

Se programan con un software propio, al igual que los PLCs, y diferente a estos aunque sean del mismo fabricante. Comunican con el PLC a través de un puerto de comunicación, que varía de unos a otros, pero siendo lo más frecuente una comunicación RS232 a 19.2 Kbaudios. Generalmente el frontal suele ser de un material plástico o similar con un alto grado de protección, IP65 o NEMA 12, ya que está expuesto a la intemperie o al ambiente agresivo del lugar de trabajo.

Entre las funciones que pueden desarrollar estos paneles de operador están las siguientes:
Visualizar y parametrizar datos del proceso (lectura y escritura de variables)

Gestión de alarmas del proceso, con textos de ayuda al operario para la resolución de las mismas

Recopilación de alarmas sucedidas en el tiempo (histórico de alarmas)
Impresión de las citadas alarmas

En el caso de una computadora (PC), esta es la encargada de comunicar con el PLC. Realiza las mismas funciones que un panel de operador y además puede trabajar como sistema SCADA (adquisición de datos) y con los nuevos controles disponibles e integrados en los sistemas operativos (Windows 95/98/NT) se puede hacer por ejemplo que ante una alarma del sistema el PC marque un número telefónico o mande un mensaje a un móvil con un texto asociado al operario o personal de mantenimiento correspondiente.

Para que un PC normal sea convertido a un PC SCADA-MMI son necesarios los siguientes elementos:

A) Software SCADA. Es el programa de software que se instala en el PC y que hace trabajar al mismo como un sistema SCADA-MMI. Puede ser del mismo fabricante que el PLC o diferente.
Tarjeta de comunicación PC-PLC. La suministra normalmente el fabricante del PLC o el del software SCADA-MMI. Se coloca en un bus libre, ISA o PCI del PC y se configura con un software propio y diferente al del SCADA.

B) Driver de comunicación. Es el "traductor" entre el sistema SCADA-MMI y el PLC. El driver de comunicación es un programa de software diferente al del SCADA y hace que el PC y el PLC se "entiendan" a través de la tarjeta de comunicación PC-PLC. Básicamente el programa SCADA crea una base de datos con los parámetros del proceso (TAGS) y el driver es el encargado de leer y escribir estos datos en el PLC. En este caso es sumamente recomendable utilizar tarjetas de comunicación del mismo fabricante que el PLC para evitar problemas de comunicación o evitar el eludir responsabilidades por parte de los fabricantes, ya que según ellos su equipo siempre trabaja perfectamente.

No hay ninguna regla para la elección de los PCs a la hora de instalar un sistema SCADA, pero si hay que insistir siempre con el fabricante en la compatibilidad del mismo con el software a instalar y sobre todo las tarjetas de comunicación, que algunas de ellas no son Plug&Play y crean conflicto con el sistema Plug&Play del PC a la hora de reservarse espacio en memoria para su funcionamiento (conflicto con los IRQs).

Un sistema SCADA basado en PC tiene la ventaja de guardar en disco los parámetros deseados para utilizarlos posteriormente en análisis estadísticos. Con los nuevos sistemas de comunicación (ETHERNET) y los protocolos asociados puede además monitorizarse el sistema desde cualquier lugar de una red o incluso desde casa a través de un módem.

Ambos sistemas, Panel de Operados y PC pueden asociarse haciendo un sistema sumamente completo.

C) Los sistemas de combustión

La combustión puede definirse entre otras maneras como un proceso de combinación entre las partículas de hidrógeno y carbono contenidas en los combustibles hidrocarburos y el oxígeno contenido en el aire. Esta combinación la realizan de manera controlada unos dispositivos llamados quemadores, que de diversos tipos y tamaños se utilizan para calentar elementos, desde el agua de una calefacción central de una casa hasta el acero o aluminio para realizar posteriormente perfiles laminados utilizados en la construcción de edificios y ventanas.

Durante el proceso de combustión se generan una serie de gases que en el caso de utilizarse aire limpio y combustión perfecta son CO2 y H2O, este último en forma de vapor de agua. Si la combustión es incompleta los gases generados son CO2 + CO + H2O. El CO o monóxido de carbono en altas concentraciones produce humo negro (no confundirlo con el caso de utilizar aire no limpio o humos que procedan de la carga que se esté calentando) y es un gas ávido de oxígeno por lo que irá a buscarlo allá donde se encuentre. Es por eso que en un incendio, cuando el fuego se encuentra por ejemplo localizado en una habitación, es recomendable cerrar las puertas y ventanas en la medida de lo posible (extinción por sofocación, se genera mucho CO frente a CO2) o no abrirlas porque al hacerlo todo el CO contenido dentro como resultado de una combustión incompleta buscará el oxígeno del aire y puede llegar a producir una deflagración (combustión rápida incontrolada) o incluso una explosión.

No obstante hay algunos procesos industriales que requieren de atmósferas ricas en CO, como pueden ser los procesos térmicos de carbonitruración, cementación, etc, utilizados en el tratamiento de endurecimiento superficial de piezas de motores o máquinas o en ciertos procesos cerámicos para obtener una composición o color determinados del producto.

Conjuntamente con los gases antes mencionados también se expulsa nitrógeno y otros gases no combustibles existentes en el aire, que no intervienen en la combustión pero que si roban calor de la llama producida y restan eficiencia al conjunto. Esta eficiencia puede aumentarse grandemente con la utilización de sistemas de recuperación de calor (economizadores o recuperadores) o los modernos sistemas regenerativos que precalientan el aire hasta una temperatura de hasta 1200 ºC incrementando enormemente el ahorro de combustible.

Los combustibles utilizados pueden ser del tipo sólido como la madera o el carbón, líquido como el gasóleo o fuelóleo y gaseoso como el propano, butano o gas natural. Sea cual sea el tipo de combustible a utilizar, la potencia del sistema viene siempre determinada por la cantidad de aire disponible. La mezcla aire-combustible sigue una relación predeterminada que va en función de la composición química de este último. A modo de ejemplo, 1 Nm3 (Normal metro cúbico, referido a condiciones standard de presión y temperatura) de gas natural necesita 10 Nm3 de aire para quemarse totalmente, o 1 Nm3 de gas propano necesita 23 Nm3 de aire para quemarse totalmente. Esta relación teórica se llama estequiométrica y se utiliza en pocas ocasiones en situaciones reales. Normalmente siempre se hacen trabajar a los sistemas con un ligero exceso de aire para asegurar una combustión perfecta de los gases.

Si los quemadores son del tipo atmosférico (calentador de agua o calefacción de casa) absorben el aire necesario para la combustión por efecto venturi. En el caso de instalaciones industriales es mas común disponer de aire a presión generado por un dispositivo llamado ventilador, que movido por un motor eléctrico toma aire de la atmósfera y lo comprime a la presión necesaria para que funcionen el o los quemadores.

En equipos industriales es normal la utilización de PLCs conjuntamente con algún sistema MMI o sistemas externos convencionales para controlar la operación de estos equipos. El diseño de todos estos sistemas sigue una serie de normas de seguridad que hacen que trabajen de manera totalmente segura.

En todo proceso industrial existe una señal de proceso, una consigna y una acción de control. Estas tres variables están interrelacionadas entre sí por medio de lo que se denomina un lazo de regulación. El ejemplo siguiente puede ser válido para definirlo:

En este caso la variable de proceso (PV, del inglés Process Value) es la temperatura de salida de aceite del intercambiador, la señal de consigna (SP, del inglés Set Point) es el valor de temperatura que nosotros queremos que tenga dicho aceite y la salida de control (OUT, o CV, OUTput o Control Value, respectivamente y en inglés) es la acción de control que va a producir la apertura o cierre de la válvula motorizada para que entre más o menos agua fría al intercambiador y de esa manera enfríe el aceite a la temperatura que nosotros queramos. La acción de control intentará que la diferencia entre la consigna SP y el valor de proceso PV se mínima e incluso nula; para ello se dispone de lo que se llama un bloque PID que en función de unos parámetros de ajuste internos variará la salida OUT de manera que así sea. Los bloques PID o bloques de regulación están hoy en día implementados en todos los autómatas y sistemas de supervisión y funcionan según un algoritmo matemático que difiere de unos otros fabricantes.

Las siglas PID provienen de los tres parámetros de ajuste mas importantes del citado bloque, que son a saber, la banda o ganancia proporcional (P), el tiempo integral (I) y el tiempo derivativo (D).
La acción P va a generar una salida de control proporcional al error entre SP y PV. Si este parámetro es la Ganancia Proporcional, dicha acción será directamente proporcional al error; si el parámetro es la Banda Proporcional la acción de control será inversamente proporcional al error entre SP y PV. Hablando claro, para un error dado entre SP y PV, si el bloque PID trabaja con Ganancia proporcional, cuanto mayor sea el valor aquí introducido mayor será la acción de control. Por el contrario, si el bloque PID trabaja con Banda Proporcional, la acción de control será mayor cuanto menor sea el valor del dato introducido para este campo.

La acción I va a producir un cambio de la acción de control en el tiempo, es decir, va a hacer que la acción de control varíe en sentido ascendente o descendente aunque el error entre el SP y el PV sea el mismo. Al igual que en el caso anterior hay dos tipos de tiempos integrales, uno viene dado en repeticiones por minuto y otro en minutos por repetición y al igual que en el caso anterior, uno es inverso del otro.

La acción D va a variar la acción de control en función de la velocidad del proceso, esto es en función de la velocidad con que crece o decrece el error entre SP y PV.

Estas tres variables se definen en inglés como GAIN, RESET y RATE respectivamente.

Los parámetros explicados anteriormente son los básicos de todo lazo de regulación, aunque muchos fabricantes incluyen además de estos, otros con la idea de adecuar la PID al proceso requerido de tal modo que la acción de control sea la correcta. Muchos bloques PID disponen de una función llamada autotunning que busca los parámetros idóneos de regulación para el proceso que estén controlando de manera automática.

Unos buenos valores de PID tienen que conseguir que el proceso esté estable sin castigar excesivamente la válvula de control. El ajuste manual de estos valores conlleva el conocimiento del proceso y armarse de paciencia.

El gráfico mostrado al principio del presente artículo constituye un lazo de regulación simple. También existe el denominado lazo en cascada como el que se muestra a continuación:

En él se puede apreciar que la salida de control del primer bloque PID se escala en unidades de consigna de temperatura para el siguiente bloque PID y la salida de control de éste actúa sobre la válvula de control. Con este sistema se pretende controlar la salida de la temperatura del agua del intercambiador para de este modo regular a su vez la de salida del aceite del mismo.

En los procesos industriales todos los lazos de regulación pueden simplificarse a los dos ejemplos anteriores, combinaciones de dos o más de ellos o de ambos a la vez.

Este es uno de los caballos de batalla diario de toda fábrica, que aún está sin dominar completamente. La seguridad en la fábrica no solamente afecta a nivel personal del operario sino que también lo hace a nivel de productividad, es por eso que las industrias de cierta importancia dedican cada vez más dinero de su presupuesto anual a esta materia, teniendo incluso un departamento específico que se ocupa de esta labor.

El cometido de este departamento consiste en dictar normas de seguridad internas de fábrica de aplicación a su personal (sin distinción de nivel profesional) además de velar por su cumplimiento y penalización en caso de no hacerlo.

Estas normas pueden comúnmente dividirse en varios apartados como son el de “normas generales de planta”, “normas para trabajos eléctricos de baja y alta tensión”, “normas para trabajos en altura, “normas para trabajos en espacios confinados”, “normas para utilización de equipos móviles internos”, “normas para trabajos de alto riesgo, como exceso de temperatura ambiente, riesgo de salpicaduras de líquidos corrosivos o calientes, etc”. Todas estas normas son de obligado cumplimiento como se ha dicho y no solo para la gente de la propia empresa sino para la gente de fuera de ella cuando estén dentro de sus instalaciones, ya sea de visita o trabajando temporalmente (subcontratadas). A este respecto es de reseñar que hay empresas que obligan a las subcontratas que vayan a realizar trabajos periódicos de mantenimiento o actuaciones esporádicas y a los suministradores a redactar un plan de seguridad donde se especifica entre otras cosas las siguientes:

- La naturaleza del trabajo a realizar dividida en sus diferentes fases, lugar en que realiza o zona de la fábrica afectada con planos aclaratorios del mismo.

- Riesgos inherentes en cada una de ellas y las medidas particulares y generales a adoptar para evitarlos, haciendo referencia a la norma específica de fábrica.

- Riesgos derivados del uso de maquinaria ( taladros, máquinas de soldar, etc), medidas especiales a adoptar y normativa afectada.

- Descripción del EPI ( Equipo de Protección Individual), incluyendo además del básico el especial para los trabajos a realizar utilizando la maquinaria explicada en el párrafo anterior.

- Residuos generados y método a emplear para eliminarlos o almacenarlos antes de su eliminación.

- Certificados médicos de todos los trabajadores.

- Certificados de formación específica de los trabajadores en cuanto a todas las normas de seguridad a cumplir cuando se realicen trabajos dentro de fábrica.

Todas estas normas y sistemas de protección van encaminados a preservar la integridad física del operario en primer lugar y la de la planta y equipos en segundo lugar, pero para ello es muy importante que el afectado se de cuenta de la trascendencia de las mismas y que estas normas existen no por capricho de alguna persona sino como resultado del aprendizaje debido a los muchos accidentes laborales que ha habido.

En este sentido y con el fin de preservar la integridad de las personas y las propias máquinas, éstas deben estar diseñadas siguiendo la normativa europea correspondiente a tal respecto.

Conceptos Básicos de Instrumentación y Control

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DEFINICIONES PARA EL ANALISIS DE INSTRUMENTOS Y SISTEMAS DE MEDICION Y CONTROL

Antes que todo para introducirnos al mundo de la medición e instrumentación haremos una semi introducción al control ya que por lo general el objetivo de toda buena medición es realizado con el fin de obtener un buen control:

1. VARIABLE: Es cualquier elemento que posee características dinámicas, estáticas, química y físicas bajo ciertas condiciones, que constantemente se pueden medir.

2. VARIABLE CONTROLADA: Es la variable directa a regular, sobre la que constantemente estamos pendientes ya que afecta directamente al sistema del proceso, es decir, es la que dentro del bucle de control es captada por el transmisor para originar una señal de retroalimentación.

3. VARIABLE MANIPULEADA: Es la que se modifica para afectar directamente a la variable controlada, es la herramienta para modificar la variable directa en el proceso. Es la cantidad que se encarga de variar los instrumentos finales de control. Es el mensaje del controlador que transmite modificaciones para lograr lo esperado de la variable controlada.

4. PROCESOS: Es un desarrollo que es realizado por un conjunto de elementos cada uno con ciertas funciones que gradual y progresivamente producen un resultado final.

5. SISTEMA: Es una combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo. Sistema en donde las válvulas son utilizadas para manipular el caudal con el fin de controlar el nivel en los tanques.

6. PERTURBACIONES: Señal que afecta la respuesta real del sistema produciendo un error en la medida, ejemplo los campos magnéticos, la inductancia etc. según la sensibilidad individual.

7. CONTROL RETROALIMENTADO: Es el que auto corrige las perturbaciones, eliminando los errores para obtener la salida ideal. Una plancha posee un dispositivo que mantiene la temperatura deseada, es decir, si se sube la temperatura abre el circuito de alimentación de las resistencias y si se baja lo cierra para que calienten. los servosistemas son también de este tipo solo que su salida son elementos mecánicos, un brazo de un robot o una válvula auto regulada o piloteada.

8. SISTEMAS DE CONTROL DE PROCESOS: Es un sistema de regulación automática que determina la respuesta de la variable en función de virtudes programadas para el sistema.

9. SISTEMAS DE CONTROL DE BUCLE O LAZO CERRADO: Es el sistema de control retroalimentado, donde la señal pasa por el controlador es comparada y reenviada para establecer el setpoint o parámetro esperado.

10. SISTEMA DE CONTROL DE BUCLE O LAZO ABIERTO: Es el sistema donde la salida no tiene efecto sobre la acción del control, no hay comparación entre el valor medido en la salida respecto ala entrada, es el camino que sigue la señal sin retroalimentación. Por ejemplo las instalaciones de bombillos de navidad que mientras se encienden unas las otras se apagan, todo esto es controlado en función del tiempo sin importar que tanto alumbren los bombillos.

Entre lo concerniente al bucle cerrado es su virtud de usar una señal de retroalimentación que lo dispone a estar en constante ajuste evitando relativamente la inestabilidad a perturbaciones externas ya que para este sistema es de gran importancia el manejo de las desviaciones mientras que para el abierto no es de tanta incidencia, lo que recomienda que para todo sistema donde se conocen las entradas y no hay perturbaciones se debe usar el lazo abierto.

11. SISTEMAS DE CONTROL ADAPTABLES: Es la capacidad intuitiva de un sistema para decidir parámetros de auto-ajuste debido a los posibles errores aleatorios y sistemáticos que se presenten.

12. SISTEMAS DE CONTROL CON APRENDIZAJE: son sistemas donde el operario hace las veces de controlador y donde día a día se gana experiencia en el manejo de los parámetros modificables del sistema.

13. INSTRUMENTO: Es un dispositivo que se encarga de interpretar señales proporcionales a la magnitud de la variable.

14. INSTRUMENTOS CIEGOS: No tienen indicación visible, son todos aquellos que generalmente son de manipulación como interruptores, termostatos, presostatos, válvulas, transmisores etc. que solo cumplen con su trabajo sin la necesidad de expresar los cambios graduales de la señal

15. INSTRUMENTOS INDICADORES: Poseen una escala para expresar la equivalencia de los datos al operario, pueden ser manómetros, tensiómetros, entre otros. Pueden ser concéntricos, excéntricos y digitales.

16. INSTRUMENTOS REGISTRADORES: Expresan la señal con trazos continuos a puntos.

17. ELEMENTOS FINALES DE CONTROL: Es el instrumento que recibe las señales del sistema tomadas por el controlador y las ejecuta directamente sobre la variable controlada.

18. ELEMENTO PRIMARIO DE MEDIDA: Es el que esta en contacto directo con la variable y dispuesto a transmitir cualquier transformación de energía en el medio medido.

- INSTRUMENTOS CIEGOS, MEDIDOR DE FLUJO: Es un elemento censor primario.

- SENSORES OPTICOS, INSTRUMENTOS INDICADORES REGISTRADORES: Permiten la monitorización.

- TRANSMISORES: Se encuentran de los dos tipos ciegos e Indicadores.

- PANEL DE MONITORIZACION Y CONTROL: Instrumentación virtual, donde los Instrumentos son simulados en el PC. Panel donde se encuentran instrumentos indicadores virtuales y controladores.

19. RANGO: Es el campo de medida para cualquier numero de valores que siempre deben estar entre un limite superior e inferior según las especificaciones del instrumento.

20. ALCANCE: Es la diferencia entre los limites superior e inferior del rango, es lo equivalente al área de operación.

21. ELEVACION DE CERO: Es la cantidad con que el valor cero de la variable supera al valor inferior del campo de medida.

22. SUPRESION DE CERO: Es la cantidad de desfase que hay por debajo del valor inferior del rango.

23. SENSIBILIDAD: Es el mínimo cambio al que el instrumento censa y puede expresar.

24. ZONA MUERTA: Son aquellas donde la sensibilidad del instrumento es nula lo que hace que no cambie su indicación y señal de salida.

25. ERROR: Es la diferencia entre el valor leído del instrumento y el valor real
de la variable.

26. PRECISION: Grado de reproductibilidad de las mediciones.

27. EXACTITUD: Cuando la lectura se acerca al valor real de la variable. En el valor cero de la variable marca 3 psi, y en el valor al 100% de la variable marca 15psi. Luego la supresión de cero esta entre 0 y 3psi y la elevación de cero esta entre 3 y 4psi. La zona muerta es equivalente 7psi -+1%.

28. HISTERESIS: Algunos instrumentos presentan un fenómeno de descompensación que existe cuando se hace una comparación entre la variación de una misma medida tanto a nivel descenderte como ascendente, que en realidad debería de tener el mismo recorrido. Se expresa en porcentaje, por ejemplo si un manómetro de 0-100% la presión real es de 18 psig y la lectura en el indicador marca 18.2 psig al ir del cero al 100% de la variable y cuando se encuentra la variable en 18 al desplazarse del cien al 0% el valor indicado es 17.7 la histéresis se calcularía así:

(18.2 – 17.7/100 –0) * 100 =+- 0.5 %

29. FIABILIDAD: Es la probabilidad de que el instrumento permanezca en ciertos limites de error.

30. TRAZABILIDAD: Propiedad del resultado de las mediciones efectuadas con un instrumento o con un patrón, tal que puede relacionarse con patrones preestablecidos, mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones con todas las incertidumbres determinadas.

31. RUIDO: señales impuras que afectan a las diferentes señales del sistema de medición.

32. RESOLUCION: Es la de visualización a escala del instrumento.

33. LINEABILIDAD: Es la proporcionalidad directa y libre de errores con equivalencias de alta calibración.

34. ESTABILIDAD: son los instrumentos de altas calidad, que tienen una probabilidad de tener una larga vida útil.

35. TEMPERATURA DE SERVICIO: Son las temperaturas de trabajo del instrumento.

36. REPRODUCTIBILIDAD: Reproducción de una medida cuando la variable se encuentra en un parámetro constante.

37. REPETIBILIDAD: Especifica la habilidad del instrumento para entregar la misma lectura en aplicaciones repetidas del mismo valor de la variable medida. Así, por ejemplo, si a una misma presión de 25 psig., un manómetro de precisión de 1 p.s.i., entrega las lecturas de 25,5; 26; 24,3; y 24 psig. su operación es repetible; una lectura de 27 psig. indicaría un problema de repetibilidad del instrumento (a menos que conste que fuese un problema de histéresis).

38. TRANSMISOR: Capta la señal del elemento primario de medida y la transmite a distancia en forma eléctrica, neumática, hidráulica, mecánica y ultrasónica.

39. TRANSDUCTOR: Dispositivo que recibe una o varias señales provenientes de la variable medida y pueden modificarla o no en otra señal.

40. CONVERTIDOR: Es el que se encarga de modificar la señal de entrada y la entrega en una señal de salida estándar.

41. SEÑAL: Salida que emana del instrumento. Información representativa de un valor cuantificado.

42. SEÑAL ANALOGA:
Es una función continua de la variable medida.

43. SEÑAL DIGITAL: Representa la magnitud de las variables medidas en forma de una serie de cantidades discretas codificadas en un sistema de notación.

44. SET POINT: Punto en que una señal se establece bajo ciertos parámetros deseados. Es un punto de consigna para valor de la señal de la variable.

NOTA: Todas las señales manejan ciertos estándares para los valores máximos y mínimos:

CORRIENTE
0 – 20mA
4 – 20mA
VOLTAJE
0 – 5 V DC
0 – 10 V DC
PRESION
3 – 15 psi

ESQUEMAS Y SIMBOLOGIA BASICA DE LOS DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACION:
UN ESQUEMA EN BLOQUES:

Todo sistema de instrumentación posee el siguiente esquema lógico:

EFC: elemento final de control.

EPM: Elemento primario de medida.

Todo sistema de control posee una instrumentación adecuada que actúa sobre el proceso siguiendo el esquema visto. Para cierto proceso se necesita tener una variable ya sea presión, nivel, caudal con cierto rango de medida, luego el proceso es analizado por un sistema que en principio es el elemento primario de medida que puede ser un transductor o convertidor p/i que convierte una señal de presión en corriente la cual es enviada a un transmisor para llevarla al indicador (en este caso multímetro) y al controlador donde se comparara con el set point que se desea de la variable, es decir que la parte del comparador hace parte del controlador, pero en realidad asumimos que el comparador puede ser un algoritmo o esquema de instrucciones de control que tiene la misión de encontrar el error en la variable para que así el controlador se encargue de enviar la señal al elemento final de control que lo podemos llamar válvula o cualquier elemento actuador.

Algo de simbología:

Señales y convertidores los transmisores y controladores son de la misma manera que los convertidores, solo varían en la nomenclatura teniendo en cuenta que:

P : PRESION.
T: TEMPERATURA O TRANSMISOR.
L: NIVEL(LEVEL).
F: FLUJO.
I: INDICADOR O CORRIENTE.
C: CONTROLADOR.
R: REGISTRADOR.

CON TODO ESTO YA PODEMOS CONSTRUIR UN SISTEMA GRAFICO CON SU INSTRUMENTACION:

1. Válvula de paso.
2. Indicador de nivel de cristal.
3. Tanque.
4. motobomba.
5. válvula controlada.

El proceso consiste en controlar el flujo, es decir, esta será la variable controlada; es un sistema en lazo cerrado por que el controlador esta recibiendo señales de entrada para determinar la salida, estas señales son enviadas por una celda de presión diferencial la cual se encarga de medir la entrada de agua que es la variable manipuleada, este instrumento es precisamente un transmisor de flujo que le entrega la señal a unos convertidores que disponen la señal para que el controlador la asimile y deduzca una acción donde el elemento final de control que es la válvula controlada.

lunes, 12 de febrero de 2007

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