Conceptos Fundamentales de Automatización Industrial

Autómata Programable (PLC): máquina electrónica diseñada para entornos industriales que utiliza una memoria programable para almacenar instrucciones, implementar soluciones y controlar procesos de entrada y salida.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): software especializado para la supervisión y explotación de sistemas automatizados. Permite la interacción del usuario con el automatismo para configurar el funcionamiento, informar sobre estados, almacenar y gestionar datos.

Ciclo Scan: ejecución cíclica del programa en la memoria del PLC cuando está en modo «run». Comprende las siguientes etapas:

1. Lectura de entradas del PLC.
2. Ejecución del programa de control.
3. Escritura de las salidas del PLC.
4. Tareas internas del PLC.

Perro Guardián (Watchdog Timer): herramienta que configura un tiempo límite para el ciclo Scan. Si el ciclo excede este tiempo, el PLC lo detecta y emite una señal.

Controlador PID (Proporcional Integral Diferencial): controlador lineal que proporciona rapidez, precisión y estabilidad en la mayoría de los procesos autorregulables y no autorregulables. Combina tres acciones de control:

Consigna → x → PID → Reaccionador, Accionador → Proceso → Variable Reguladora → Sensor.

Acciones de Control PID

• Acción Proporcional (P): La variable de salida del controlador u(t) es proporcional al error e(t), es decir, a la desviación de la señal controlada respecto a la de referencia. u(t) = H * e(t)
• Acción Integral (I): Acción lenta pero efectiva para eliminar el offset (error estacionario). Es proporcional a la integral del error. u(t) = (1/T_i) * ∫e(t)dt
• Acción Derivativa (D): Reduce el error de variación a lo largo de la trayectoria. m = T_d * d(e(t))/d(t)

Esquema Principal de un Sistema de Automatización

Supervisión: Panel de mando, terminales, PC + SCADA, base de pulsadores, interruptores, conmutadores, teclados, visualizaciones, pantallas táctiles.

Control: Automatismos eléctricos, electrónicos, neumáticos, hidráulicos y mecánicos, PLCs, PC + tarjeta de E/S, microcontroladores, reguladores digitales.

Preaccionadores: Contactor, relé, convertidor de frecuencia, variador de velocidad, electroválvulas.

Accionadores: Resistencia, contactores, motores, cilindro neumático, válvulas de proceso.

Sensores: Termostato, medidor de nivel, final de carrera, fotocélula, pH-metro.

Arquitecturas de Control

Arquitectura Centralizada

Una única unidad de control ejecuta el programa de control. Sensores y actuadores se conectan a través de interfaces de E/S. Ventajas: simplicidad de configuración. Desventajas: cableado extenso hasta la ubicación central, una avería en la unidad de control detiene todo el sistema.

Unidad de supervisión y explotación ↔ Unidad de control ↔ Sensores/Actuadores

Arquitectura de Periferia Descentralizada

Se utiliza un bus de campo para acceder a sensores y actuadores, minimizando el cableado y mejorando la estructuración. Los módulos son conectables. Inconveniente: centralización del procesamiento, una caída de la CPU afecta el funcionamiento.

Unidad de supervisión y explotación ↔ Unidad de control → Módulos de E/S ↔ Bus de campo ↔ Sensores/Actuadores

Arquitectura Distribuida

Mantiene las ventajas de la periferia descentralizada y supera sus deficiencias. La lógica de control se divide entre varias CPUs conectadas por un bus de comunicaciones. Permite la operación continua ante averías. Inconveniente: mayor coste, necesidad de conocimientos especializados para la puesta en marcha y mantenimiento.

Sistema distribuido: Unidad de supervisión y explotación ↔ Unidad de control 1 ↔ Sensores/Actuadores ↔ Unidad de control 2 ↔ …

Arquitectura Híbrida

Combina elementos de las arquitecturas anteriores.

Componentes Hidráulicos y Neumáticos

Válvula Reductora de Presión (Normalmente Abierta – NA): Limita la presión en una rama del circuito a un valor inferior al de la fuente. El caudal pasa libremente si la presión de salida es inferior al taraje. Si lo sobrepasa, la corredera disminuye el caudal.

Válvula de Secuencia: Envía fluido a un sistema secundario solo después de que un movimiento ha finalizado en el primario. El paso se bloquea hasta que la presión del sistema primario alcanza el valor ajustado.

Válvula de Seguridad (Normalmente Cerrada – NC): Conectada entre la salida de la bomba y el tanque. Se abre a una presión ligeramente superior a la requerida para mover la carga, desviando el caudal al tanque.

Señales en Sistemas de Control

Señal de Consigna: Establece las condiciones de referencia deseadas para el proceso, incluyendo los márgenes de variación permitidos.

Señal de Error: Diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida real.

Señal de Control: Señal producida por el controlador para modificar la variable controlada y reducir o eliminar el error.

Propiedades de Fluidos Hidráulicos

Densidad: ρ = m/V (Kg/m³). La compresión de los aceites hidráulicos se considera despreciable, por lo que la densidad no varía significativamente con la presión.

Principio de Pascal: La presión aplicada a un fluido confinado se transmite íntegramente en todas direcciones, ejerciendo fuerzas iguales sobre áreas iguales, perpendicularmente a las paredes del recipiente.

Esquema Hidráulico Típico: Bomba → Válvula de seguridad → Válvula direccional → Válvula de secuencia → Válvula antirretorno → Cilindro primario → Cilindro secundario.

Relés y Contactores

Relé

Dispositivo de protección contra sobrecargas. Tipos:

• Térmicos de bilámina: Reaccionan ante sobreintensidades ligeramente superiores a la nominal, desconectando rápidamente para evitar daños.
• Electromagnéticos: Protegen instalaciones con picos de corriente frecuentes y sobrecargas importantes.
• De conmutación: Accionados por electroimán, abren o cierran contactos al alimentar su bobina.
• Temporizados: Con retardo a la conexión o desconexión, actúan después de un tiempo determinado.

Contactor

Elemento de accionamiento electromagnético con una posición de reposo. Establece la corriente de alimentación de un dispositivo eléctrico (motor) o modifica la forma en que se alimenta. Se acciona aplicando tensión a la bobina. Cuando deja de estar excitada, los contactos vuelven a su estado de reposo, interrumpiendo la alimentación.