Sistemas de Control Industrial: Una Visión Completa

Los sistemas de control industrial son fundamentales para la automatización de procesos en diversas industrias. La automatización se define como la tecnología que permite llevar a cabo un proceso sin intervención humana directa.

Niveles de Automatización y Arquitectura de Control

La arquitectura de control en la automatización industrial se organiza en varios niveles:

• Nivel 0 (Campo): Dispositivos de campo como sensores y actuadores.
• Nivel 1 (Control): Controladores de máquina (ej. PLC).
• Nivel 2 (Supervisión): Control de célula y supervisión (SCADA).
• Nivel 3 (Control de Planta): Sistemas MES (Manufacturing Execution System).
• Nivel 4 (Gestión Empresarial): Sistemas ERP (Enterprise Resource Planning).

Funciones Avanzadas de Automatización

Las funciones avanzadas de automatización incluyen:

• Monitorización de la seguridad: Uso de sensores para identificar peligros.
• Diagnóstico de mantenimiento y reparación: Monitorización del estado de los equipos, diagnóstico de fallos y recomendaciones para la reparación.
• Detección de errores: Identificación y corrección de errores en el proceso.

Tipos de Industrias

Las industrias que emplean sistemas de control se pueden clasificar en:

• De proceso: Manejan materiales de tipo continuo (polvos, gases, líquidos).
• Discretas: Manejan materiales de tipo discreto (piezas individuales).

Control Continuo

El control continuo se basa en la manipulación de variables que cambian de forma continua en el tiempo. Los elementos clave de un sistema de control continuo son:

• Sistema: Conjunto de elementos que transforman una señal de entrada en una señal de salida.
• Planta: Recursos físicos que se van a controlar.
• Proceso: Operación a controlar, responsable del funcionamiento de la planta.
• Control: Mecanismo para minimizar el error entre la salida deseada y la salida real.
• Elemento final de control (Actuador): Dispositivo que regula la salida del sistema.
• Perturbación: Señal de entrada indeseable que afecta la salida.
• Referencia: Señal de entrada que representa el valor deseado de la salida.
• Error: Diferencia entre el objetivo (referencia) y el resultado (salida).
• Realimentación: Mecanismo que incrementa la exactitud y mejora el comportamiento del sistema. Una realimentación mal aplicada puede causar oscilaciones e inestabilidad.

Tipos de Control Continuo

Control con Realimentación (Feedback)

Mantiene el comportamiento del proceso dentro de una tolerancia aceptable, midiendo el error y ajustando la salida.

Diagrama de Bloques:

• G(s): Función de transferencia de la planta.
• H(s): Función de transferencia del sensor.
• K(s): Función de transferencia del controlador.
• F(s): Función de transferencia del prefiltro (opcional).

Señales de Entrada:

• r(t): Referencia.
• l(t): Perturbación de carga.
• d(t): Perturbación a la salida de la planta.
• n(t): Ruido en los sensores.

Señales de Salida:

• e(t): Error de seguimiento.
• u(t): Señal de mando del control.
• y(t): Salida de la planta.

Control PID

Es el controlador más antiguo y utilizado. Obtiene la señal de control a partir del error. La señal de control (u) se compone de tres acciones:

• Proporcional (Up): Up = K * e
• Integral (Ui): Ui = (K / Ti) * ∫e(τ)dτ
• Derivativa (Ud): Ud = K * Td * (de/dt)

Donde:

• K: Ganancia proporcional.
• Ti: Tiempo integral.
• Td: Tiempo derivativo.
• Uo: Valor inicial de la señal de control (bias).

Un Ti menor implica una respuesta más rápida, pero puede reducir la estabilidad.

Control con Prealimentación (Feedforward)

Anticipa el efecto de las perturbaciones detectándolas antes de que afecten a la salida. Se suele combinar con el control realimentado.

Optimización en Estado Estacionario

Utiliza un lazo abierto y un punto de operación (IP) definido.

Control Adaptativo

Es un tipo de control en lazo abierto con capacidad de autocorrección. Incluye retroalimentación para adaptarse a cambios en la dinámica del sistema. Compensa el entorno alterando su algoritmo de control. Tiene tres funciones principales:

1. Identificación: Detecta cambios en el sistema.
2. Decisión: Determina cómo modificar el control.
3. Modificación: Implementa los cambios en el algoritmo de control.

Control Adaptativo con Estrategias Online

Se utiliza cuando no se conoce la relación entre los parámetros de entrada y el IP. Realiza experimentos sobre el proceso y ajusta el control en base a los efectos observados.

Control Discreto

El control discreto se basa en cambios dirigidos por eventos, a diferencia del control continuo que se basa en cambios en el tiempo. Los eventos pueden ser síncronos (ocurren en instantes de tiempo predefinidos) o asíncronos (ocurren en respuesta a algún suceso).

Control por CPU

El control por CPU abarca varias modalidades:

• Monitorización del proceso por CPU: La CPU observa el proceso, recoge y registra datos de la operación (de proceso, de equipos, del producto), pero no controla directamente el proceso.
• Control Digital Directo (DDC): La CPU reemplaza a los controladores tradicionales.
• Control Numérico Computarizado (CNC) y Robótica: Aplicaciones específicas de control por CPU.
• Controladores Lógicos Programables (PLC): Dispositivos ampliamente utilizados en la automatización industrial.
• Control Supervisor: Controla cintas transportadoras, máquinas y robots.

Control Numérico Computarizado (CNC)

El Control Numérico (CN) controla, mediante un programa, las posiciones relativas entre una herramienta de trabajo y una pieza. La Unidad de Control de Máquina (MCU) es la encargada de ejecutar este control.

El Control Numérico Computarizado (CNC) es una evolución del CN donde una computadora integrada en la MCU gestiona el proceso.

Aplicaciones del CNC

• Mecanizado: Torneado, fresado, taladrado.
• Conformado: Corte por láser y plasma, troquelado, contorneado, punzonado, prototipado rápido.

Industrias que Utilizan CNC

• Aeroespacial
• Maquinaria
• Eléctrica
• Fabricación de bienes
• Automoción
• Instrumentación
• Fabricación de moldes

Productos Fabricados con CNC

• Bloques de motor
• Piezas hidráulicas
• Turbinas
• Moldes frontales de vehículos
• Carcasas de móviles
• Prototipos

Operaciones Típicas del CNC

• Almacenamiento de múltiples programas de piezas.
• Ciclos fijos y subrutinas programadas.
• Interpolación.
• Cálculo de aceleración y deceleración.
• Interfaz de comunicaciones.

Ventajas del CNC

• Mayor productividad.
• Mejora de la calidad.
• Reducción de inventario.
• Capacidad para mecanizar formas complejas.
• Mejora de la gestión.

Inconvenientes del CNC

• Alto coste inicial (superior a 18.000 €).
• Mantenimiento especializado.
• No rentable para baja producción.
• Necesidad de personal experimentado en mecánica y electrónica.

Elementos de un Sistema CNC

• Programa de pieza: Instrucciones codificadas para producir la pieza. El formato típico es en bloques que incluyen: número de secuencia, modo de interpolación, coordenadas, velocidad de avance.
• Dispositivos de entrada/salida del programa: Teclado, puerto serie RS232, redes de comunicaciones.
• Unidad de Control de Máquina (MCU): Lee las instrucciones, las decodifica, implementa las interpolaciones, genera comandos para el movimiento de los ejes, recibe señales de realimentación, implementa funciones de control auxiliar.
• Sistema de accionamiento: Circuitos de amplificación, motores (paso a paso, servomotores), husillos de bolas (convierten movimiento rotacional en traslacional).
• Dispositivos de realimentación:
  • Potenciómetros: Miden posición lineal o angular.
  • Encoders: Proporcionan información de posición lineal o rotacional en forma de señal eléctrica (ópticos o magnéticos).
  • Resolvers: Generan una señal de salida que indica la posición angular (rotativos).
  • Tacómetros: Realimentan la velocidad.

DNC (Control Numérico Directo/Distribuido)

• Control Numérico Directo (DNC, años 60): Control centralizado por una única CPU, con conexión directa y en tiempo real a las máquinas. Comunicación bidireccional.
• Control Numérico Distribuido (DNC, actual): Una CPU central se conecta a múltiples MCUs. Comunicación bidireccional.

Sistemas de Coordenadas en CNC

• Piezas planas y prismáticas: Ejes X, Y, Z (fresado y taladrado). Ejes de rotación alrededor de cada eje (A, B, C).
• Piezas de rotación: Ejes X, Z (torneado).

Control de Movimiento en CNC

• Sistema punto a punto (posicionado): La herramienta se mueve a una posición específica y luego realiza la operación.
• Trayectoria continua (contorneo): La herramienta realiza la operación durante el movimiento (fresado o torneado).

Interpolación en CNC

Métodos para definir la trayectoria de la herramienta:

• Lineal
• Circular
• Helicoidal
• Parabólica
• Cúbica

Posicionamiento en CNC

• Absoluto
• Incremental

Programación CNC

La programación CNC utiliza códigos alfanuméricos para especificar las acciones de la máquina.

• Códigos G: Funciones relacionadas con el movimiento real de la herramienta (marcha, interpolación, espera, aceleración, planos, unidades).
• Códigos M: Funciones auxiliares necesarias para el mecanizado (parada, fin de programa, giro del husillo, refrigerante, cambio de herramienta).
• Códigos I, J, K: Coordenadas para movimientos circulares.
• Código R: Radio para movimientos circulares.
• Código F: Velocidad de avance.
• Código S: Velocidad del husillo.
• Código T: Número de identificación de la herramienta.