Automatización y control

Unidad 1: Automatización y Control Industrial

Ing. Oscar Alonso Rosete Beas

Semana 17 Agosto Rev:2 ciclo 2020-2

Agenda

1.1. Definiciones y conceptos relacionados a los sistemas de control
1.2. Aplicaciones industriales de los sistemas de control
1.3. Sistemas de control de lazo abierto y Sistemas de Control de Lazo Cerrado
1.4. Modelado de sistemas dinámicos

Unidad 1: Automatización y Control Industrial

Unidad 1

Actividad investigación parte 1

2. Describir por lo menos una aplicación real documentada de las tecnologías seleccionadas en la industria:

a. Describir brevemente los componentes utilizados

1. Describir por lo menos dos tecnologías relacionada con la automatización Industrial:

a. Características.

b. Aplicación.

c. Beneficios y desventajas.

En una presentación compartida a través de blackboard dar respuesta a las siguientes preguntas:

3. ¿Cuál consideran que es el nivel de desarrollo en cuanto a Automatización Industrial en Baja California? (Justificar bien la respuesta considerando los niveles de automatización).

4. ¿Cuáles consideran que son los 3 principales retos en cuanto a la Automatización Industrial en Baja California? (Justificar bien la respuesta)

Actividad investigación parte 1

Conceptos Básicos de control (enfoque sistemas)

Un sistema lo podemos definir como un conjunto de elementos que interactúan entre sí para lograr un fin.

Conceptos Básicos

Analizar los problemas bajo un enfoque de sistemas ya que nos permite emplear una serie de herramientas que nos ayudarán a desglosar los problemas en partes.
Todo sistema, de manera general está compuesto por los siguientes elementos:

-Entorno: Es todo lo que rodea al sistema.
-Límites o fronteras: Es lo que separa al sistema con el entorno.
-Entradas: Son estímulos que recibe el sistema del entorno.

Conceptos Básicos

-Salidas: Son respuestas que entrega el sistema producidas por los estímulos que recibe del entorno (entradas).
-Proceso: Consiste en la serie de actividades que se realizan para transformar una entrada dada en una cierta salida.

Conceptos Básicos

Un sistema de control está compuesto por la interconexión de subsistemas-componentes:

Proceso, controlador, compensador, actuador, transductor, sensor, etc.

Los cuales de forma unida se encargan de que el comportamiento del sistema sea el deseado, lo que se constituye en una salida de proceso controlada/deseada.

Conceptos Básicos

Conceptos Básicos

Cada uno de estos subsistemas de componentes representa una relación entrada-salida (input-output, causa-efecto). La salida de un subsistema puede ser la entrada para otro.

En general, un sistema de control esta formado por:

• Una (o mas) entradas independientes (variables manipuladas).
• Una (o mas) salidas resultantes (variables controladas).

Conceptos Básicos

Las variables manipuladas(entrada) corresponden a variables que se encargan de cambiar la cantidad de materia o energía (a través del uso de una válvula, una bomba, un motor, etc.), con el fin de mantener la variable controlada bajo control.

Conceptos Básicos

Las variables controladas(salida) son las variables en las que se esta interesado en realizar acciones de control. La magnitud  o condición de ellas se mide.

Por ejemplo, la concentración de biomasa dentro de un reactor, la concentración de producto de destilado de tope en una columna de destilación, la presión o la temperatura dentro de un fluido almacenado en una vasija.

Perturbación: es una señal que tiende a afectar el valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se

genera dentro del sistema se la denomina interna, mientras que una perturbación externa se genera fuera del sistema y constituye una entrada.

Conceptos Básicos

Los sistemas asociados con señales en tiempo discreto se llaman sistemas en tiempo discreto.

Los sistemas asociados con señales en tiempo continuo se llaman sistemas en tiempo continuo.

Los sistemas asociados con señales en tiempo continuo y discreto se llaman sistemas híbridos.

Conceptos Básicos

El concepto de sistema se aplica a fenómenos físicos y abstractos, tales como los que se encuentran en la
economía, ciencias sociales, pedagogía, etc. Por tanto la palabra debe interpretarse cómo la implicación de sistemas físicos, biológicos económicos y similares. [Ogata, K.]

Nosotros estudiaremos los enfocados a ingeniería.

Conceptos Básicos

Sucesos Notables

El primer sistema de control automatico fue un sistema de control en lazo abierto diseñado antes de nuestra era. Posteriormente, se desarrollo el reloj de agua de ktesibios en Egipto.

En 1774 James Watt desarrollo un sistema de control en lazo cerrado mediante un gobernador de valvula de mariposa para controlar la velocidad de una máquina de vapor.

Sucesos Notables

Ya en la década de 1940 aparecieron los sistemas de transmisión neumática y en la decada de 1950 la instrumentación electrónica (el transistor).

Sucesos Notables

En la década de 1960 apareció el microprocesador y en la década de 1970 aparecieron los sistemas de control e instrumentación basada en computador, hoy en día denominado control digital.

Sucesos Notables

Entre la década de 1980 y 1990, aparece el chip, los computadoras , las redes e Internet.

Sucesos Notables

La pregunta que resulta ahora es que es el control de procesos.

Es una rama del control automática enfocada, principalmente,  en los sistemas de procesos químicos, farmacéuticos, petroleoquímicos y biotecnológicos (procesos industriales).

Sucesos Notables

Conceptos Básicos

Los procesos industriales, en general, son procesos complejos de controlar y se representan por la interconexión de diferentes elementos (tuberías, bombas, válvulas, etc). cada uno de estos elementos se representa por un bloque con una entrada y una salida (causa-efecto), en cuyo interior se escribe la definición del elemento.

Conceptos Básicos

La unión o interconexión de todos los cuadros(elementos) será una representación global del sistema. Al sistema de una única entrada y una salida se le denomina (SISO) y al de varias entradas y varias salidas MIMO.

Un diagrama de bloques de un sistema es una representación gráfica de las funciones que lleva a cabo cada componente y el flujo de señales.

Conceptos Básicos

Aplicaciones industriales

Sistema de control de temperatura.

La temperatura del horno eléctrico se mide mediante un termómetro, que es un dispositivo analógico. la temperatura analógica se convierte a una temperatura digital mediante un convertidor A/D. La temperatura digital se introduce en un controlador mediante una interfaz.

Aplicaciones industriales

Esta temperatura digital se compara con la temperatura de entrada programada, y si hay una discrepancia(error) el controlador envía una señal al calefactor, a través de una interfaz, amplificador y rele, para hacer que la temperatura del horno adquiera el valor deseado.

Aplicaciones industriales

Visualización del proceso, horno con quemadores

Aplicaciones industriales

Llenado de botellas

Consideremos el ejemplo de un proceso de llenado de botellas Al llenar una botella debe de ser reemplazada por una vacia.

Aplicaciones industriales

Llenado de botellas

En este sistema una banda transportadora y la posición de una válvula son accionadas por un controlador.

Cuando la botella vacía llega a cierta posición, el sensor de peso entrega la señal al controlador, el cual detiene el movimiento y abre la válvula para iniciar le llenado. al llegar al valor requerido a través de el sensor de peso se comunica al controlador para iniciar el movimiento y cerrar la válvula .

Aplicaciones industriales

Visualización del proceso, llenado de botellas

Lazo Abierto vs Lazo Cerrado

En un sistema de control en lazo abierto interviene la acción del hombre quien es el que actúa como controlador. Aquí la señal de entrada (referencia) u(t) actúa directamente sobre el dispositivo de control vc(t) (controlador), para producir, por medio del actuador (va(t)), el efecto deseado en las variables de salida y (t). El controlador no comprueba el valor que toma la salida.

Lazo Abierto vs Lazo Cerrado

Lazo Abierto vs Lazo Cerrado

Aplicaciones industriales

En los equipos acordados previamente, desarrollar una presentación donde describan una aplicación industrial del control de procesos industriales.

• Mostrar un video demostrativo
• Identificar variables de entrada, variables de salida, posible perturbación, proponer su interconexion mediante un diagrama de bloques.
• Clasificar como SISO, MIMO
• Clasificar como de lazo abierto o lazo cerrado.

Nota: tomar como referencia la presentación previa.

Aplicaciones industriales

En los equipos acordados previamente, desarrollar una presentación donde describan una aplicación industrial del control de procesos industriales.

• Mostrar un video demostrativo
• Identificar variables de entrada, variables de salida, posible perturbación, proponer su interconexion mediante un diagrama de bloques.
• Clasificar como SISO, MIMO
• Clasificar como de lazo abierto o lazo cerrado.

Nota: tomar como referencia la presentación previa.

Equipo 1

Equipo 2

Equipo 4

Equipo 5

Equipo 7

Equipo 8

Agenda

1.1. Definiciones y conceptos relacionados a los sistemas de control
1.2. Aplicaciones industriales de los sistemas de control
1.3. Sistemas de control de lazo abierto y Sistemas de Control de Lazo Cerrado
1.4. Modelado de sistemas dinámicos

Unidad 1: Automatización y Control Industrial

Lazo Abierto vs Lazo Cerrado

En un sistema de control en lazo abierto interviene la acción del hombre quien es el que actúa como controlador. Aquí la señal de entrada (referencia) u(t) actúa directamente sobre el dispositivo de control vc(t) (controlador), para producir, por medio del actuador (va(t)), el efecto deseado en las variables de salida y (t). El controlador no comprueba el valor que toma la salida.

Lazo Abierto vs Lazo Cerrado

Diferencia

Componentes básicos de un sistema de control

Componentes básicos de un sistema de control

Componentes básicos de un sistema de control

Componentes básicos de un sistema de control

Componentes básicos de un sistema de control

Componentes básicos de un sistema de control

Esquema general potencia/control

Esquema general potencia/control

Esquema general potencia/control

Sistema de control de flujo

Diagrama de bloques lazo abierto vs lazo cerrado

Semáforo

Tostador

Representación general lazo abierto

Representación general lazo cerrado

Lazo cerrado

Representación general lazo cerrado

Lazo cerrado

Ser humano alcanzando un libro

Lazo cerrado

Sistema de calentamiento domiciliario

Lazo cerrado

Sistema de calentamiento de agua con vapor

Lazo cerrado

Sistema de estabilización de un barco

Lazo cerrado

Comparativa

Pasos recomendados para el diseño de un sistema de control

1. Determinar el sistema físico y sus especificaciones.
2. Dibujar diagrama de bloques.
3. Convertir el sistema físico en un esquemático.
4. Desarrollar un modelo matemático y obtener un diagrama de bloques del sistema.
5. Reducir el diagrama de bloques.
6. Análisis, Diseño y Pruebas.

Actividad individual enfocada a pasos 1 y 2

1. Ver los videos adjuntos como referencia
2. Identificar los componentes básicos de los siguientes sistemas de control
3. Dibujar los diagrama de bloques correspondientes.
4. Clasificar como SISO/MIMO
5. Clasificar como lazo abierto y lazo cerrado

Actividad individual enfocada a pasos 1 y 2

A Segway®6 Personal Transporter (PT) is a two-wheeled vehicle in which the human operator stands vertically on a platform. As the driver leans left, right, forward, or backward, a set of sensitive gyroscopic sensors sense the desired input. These signals are fed to a computer that amplifies them and commands motors to propel the vehicle in the desired direction. One very important feature of the PTis its safety: The system will maintain its vertical position within a specified angle despite road disturbances, such as uphills and downhills or evenif the operator over-leans in any direction. Draw a functional block diagram of the PT system that keeps the system in a vertical position. Indicate the input and output signals, intermediate signals, and main subsystems. (http://segway.com)

Actividad individual enfocada a pasos 1 y 2

A high-speed proportional solenoid valve is shown in Figure. A voltage proportional to the desired position of the spool is applied to the coil. The resulting magnetic field produced by the current in the coil causes the armature to move. A push pin connected to the armature moves the spool. A linear voltage differential transformer (LVDT) that outputs a voltage proportional to displacement senses the spool's position. This voltage can be used in a feedback path to implement closed-loop operation (Vaughan, 1996). Draw a functional block diagram of the valve, showing input and output positions, coil voltage, coil current, and spool force.