1 TEMA 2. INTRODUCCIÓ A LA TECNOLOGIA DE CONTROL 2.1 La tecnología de control. Objectius i evolució La tecnologia de control abasta tots els procediments i dispositius que permeten automatitzar les màquines i els processos. Els primers aparells de funcionament automàtic es basaven en la tecnologia mecànica, com l’ànec de Jacques de Vaucanson, un autòmat destinat simplement a la distracció, el teler programable de Joseph Marie Jacquard, el regulador de boles de James Watt per a les màquines de vapor. És amb l’aplicació dels coneixements sobre l’electricitat i l’electromagnetisme quan la tecnologia de control comença a ser més efectiva, com el relé electromagnètic, inventat l’any 1844 per Samuel Morse i William Fardeley, simultàniament i per separat, per aplicar-lo a la telegrafia i que posteriorment ha estat un component insubstituïble en aplicacions d’automatització. És al segle XX que les tecnologies elèctrica, electrònica i informàtica esdevenen predominants i insubstituïbles en la major part de màquines i ginys que funcionen automàticament. La invenció del transistor i, sobretot, del circuit integrat, o xip, permet introduir milions de components electrònics en una àrea de silici molt petita. Els xips constitueixen l’element físic sobre el qual és possible d’introduir els algorismes de control. Els xips dels microprocessadors, que és el nucli dels ordinadors actuals, i de molts controladors, tenen milions de transistors. Un avenç molt important actualment són els autòmats programables o PLC (Programmable Logic Controller), que són petits ordinadors capaços de controlar màquines i circuits a partir d’un programa introduït a la seva memòria. Aquests petits ordinadors estan preparats per a ser emprats en entorns industrials i actualment tenen una posició dominant en els sistemes automàtics destinats a la indústria. El terme automatització prové de la llengua anglesa, del terme automation, que es va començar a emprar l’any 1946 a la companyia General Motors, en les seves cadenes de muntatge d’automòbils, lloc on es van desenvolupar i emprar els primers autòmats programables.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
TEMA 2. INTRODUCCIÓ A LA TECNOLOGIA DE CONTROL
2.1 La tecnología de control. Objectius i evolució La tecnologia de control abasta tots els procediments i dispositius que permeten automatitzar les
màquines i els processos.
Els primers aparells de funcionament automàtic es basaven en la tecnologia mecànica, com l’ànec
de Jacques de Vaucanson, un autòmat destinat simplement a la distracció, el teler programable de
Joseph Marie Jacquard, el regulador de boles de James Watt per a les màquines de vapor. És amb
l’aplicació dels coneixements sobre l’electricitat i l’electromagnetisme quan la tecnologia de control
comença a ser més efectiva, com el relé electromagnètic, inventat l’any 1844 per Samuel Morse i
William Fardeley, simultàniament i per separat, per aplicar-lo a la telegrafia i que posteriorment ha
estat un component insubstituïble en aplicacions d’automatització.
És al segle XX que les tecnologies elèctrica, electrònica i informàtica esdevenen predominants i
insubstituïbles en la major part de màquines i ginys que funcionen automàticament. La invenció del
transistor i, sobretot, del circuit integrat, o xip, permet introduir milions de components electrònics
en una àrea de silici molt petita. Els xips constitueixen l’element físic sobre el qual és possible
d’introduir els algorismes de control. Els xips dels microprocessadors, que és el nucli dels
ordinadors actuals, i de molts controladors, tenen milions de transistors.
Un avenç molt important actualment són els autòmats programables o PLC (Programmable Logic
Controller), que són petits ordinadors capaços de controlar màquines i circuits a partir d’un
programa introduït a la seva memòria. Aquests petits ordinadors estan preparats per a ser emprats
en entorns industrials i actualment tenen una posició dominant en els sistemes
automàtics destinats a la indústria.
El terme automatització prové de la llengua anglesa, del terme automation, que es
va començar a emprar l’any 1946 a la companyia General Motors, en les seves
cadenes de muntatge d’automòbils, lloc on es van desenvolupar i emprar els
primers autòmats programables.
2
Finalment ha estat la robòtica que ha fet possible la substitució de capacitats manipulatives dels
humans. És el resultat de la integració de diferents enginyeries: la mecànica, la elèctrica, la
electrònica i la informàtica. Aquesta tecnologia està molt a prop de fer realitat una antiga aspiració
amb força components mítics: l’obtenció d’una màquina capaç de fer els mateixos moviments de
l’ésser humà i que el pugui substituir.
El terme robot prové del nom d’unes màquines esclaves que apareixien l’obra Rossum’s Universal
Robots de l’autor txec Karel Capek i que es va representar teatralment l’any 1920, moment en el
que es va començar a usar aquesta paraula.
La gran aplicació de la robòtica i el més gran exponent actual de la fabricació automatitzada es
troba en la tecnologia de la fabricació integrada per ordinador o CIM (Computer Integrated
Manufacturing) La integració de màquines, robots, ordinadors, autòmats programables fan possible
la fabricació ajustada a la demanda de productes amb una gran flexibilitat i productivitat, amb la
conseqüent reducció de costos i de llocs de treball. El sector de l’automatització demana de
professionals ben formats i capacitats per emprar, ajustar i reparar aquests elements electrònics. La
producció CIM presenta moltes avantatges entre elles un abaratiment important en els costos, la
qual es veu reflectida en productes més econòmics i d’una qualitat molt estable.
Cèl·lula CIM
2.2. Sistemes de control automàtic
Els sistemes de control estan compostos per diferents elements que s’anomenen de forma genèrica
automatismes. La relació entre aquests automatismes i el procés o màquina sota control és el que
anomenem sistema de control, l’objectiu del qual és aconseguir que la màquina o el sistema
funcioni amb la mínima intervenció humana.
Els sistemes de control estan compostos per diferents elements que s’anomenen de forma genèrica
automatismes. La relació entre aquests automatismes i el procés o màquina sota control és el que
anomenem sistema de control, l’objectiu del qual és aconseguir que la màquina o el sistema
funcioni amb la mínima intervenció humana.
3
Hi ha màquines i processos en els quals la intervenció humana es limita, només, a la seva posada en
marxa i d’altres semiautomàtics on cal la intervenció de les persones en alguna de les accions que
fa la màquina o en algunes fases del procés.
El sistema ha de presentar, en alguns casos, a
l’operador les informacions més significatives de
l’estat del procés per a que en pugui verificar la
correcció del procés. El sistema de control es pot
considerar com un element afegit a una màquina o
procés, el qual segueix fent la mateixa funció,
substituint el control manual per un control automàtic.
El torn de control numèric (CNC)
Els components bàsics d’un sistema de control són: la unitat de control, els actuadors, els sensors i
els elements auxiliars per al comandament i monitorització.
La forma en que un automatisme realitza la seva funció dóna lloc a dos tipus de control: control en
llaç obert i control en llaç tancat.
Sistemes de llaç obert
El control en llaç obert es caracteritza perquè, un cop activat, executa el procés durant un temps
prefixat, independentment del resultat obtingut. Un sistema de control en llaç obert no supervisa el
resultat de la seva acció a la sortida del sistema.
4
Són els sistemes més senzills i econòmics que realitzen funcions molt simples. Són exemples de
control en llaç obert el llum temporitzat d’una escala, la rentadora, un semàfor.. Vegem-ne els
motius.
El llum temporitzat, com el dels blocs de pisos, el seu automatisme ha de substituir l’acció d’apagar
el llum. L’activació s’ha de fer manualment prement un polsador, moment en que els llums
s’il·luminen fins que ha passat el temps programat, moment en el que s’apaguen automàticament.
El sistema de control no verifica si hem arribat o no a la nostra destinació, el temps programat és fix
amb independència del recorregut.
La rentadora és una màquina amb diferents automatismes que coordinadament han d’aconseguir
de fer neta la roba. La rentadora executa un cicle de treball segons el programa de rentat que s’hagi
escollit, el qual va executant seqüencialment els diferents passos, al final s’atura automàticament.
El resultat és que ha rentat la roba però no verifica si realment ja està neta, cosa que pot produir-se
abans d’acabar el programa, o bé pot arribar al final i estar encara bruta.
Sistemes de llaç tancat
Els sistemes de control en llaç tancat estableixen una supervisió sobre la variable de sortida o
resultat final, actuant fins obtenir el resultat desitjat.
5
En aquests sistemes un cop donada l’ordre per iniciar el procés, el resultat de la sortida és analitzat i
si no compleix el valor de la consigna, el dispositiu de control és informat i manté el procés actiu
fins assolir el que estableix la consigna.
La consigna és el valor de referència que hom desitja obtenir com a resultat de l’acció del sistema
automàtic. Aquest valor pot ser, per exemple, la temperatura programada per una calefacció o
condicionador d’aire, el nivell d’aigua a l’interior d’una cisterna.
Els sistemes de control en llaç tancat, per ajustar la seva acció, comproven contínuament el valor de
la sortida del procés i el comparen amb el valor de la consigna. El procés de mostreig sobre la
sortida es fa amb el procés de realimentació que reenvia aquesta informació a l’entrada per a ser
comparada amb la consigna i fa reaccionar el dispositiu de control segons el resultat d’aquesta
comparació.
Analitzem el cas de la calefacció. L’objectiu d’un sistema de calefacció és proporcionar i mantenir
una temperatura determinada, per això disposa d’un sistema de conversió d’una font d’energia en
calor i d’un dispositiu de regulació o control: el termòstat. Aquest procés si no es controla pot no
arribar a la temperatura esperada o sobrepassar-la. El sistema de control en llaç tancat ha d’evitar
aquesta situació per tal d’assegurar que la temperatura arribi al valor establert i s’hi mantingui. Per
això quan la temperatura és inferior a la indicada com a consigna en el termòstat, ha de mantenir la
conversió d’energia i generar calor. Quan la temperatura arriba a un valor superior a l’establert en
la consigna s’ha d’aturar la conversió.
En el cas de la cisterna d’aigua de l’inodor, incorpora un sistema
d’emplenament automàtic, en la qual ha d’entrar-hi aigua només si el
nivell interior està per sota de la consigna i ha d’aturar-ne l’entrada
quan ja és plena. És exemple de control amb mecanismes en el qual la
vàlvula d’entrada d’aigua s’acciona en funció del nivell interior. La
vàlvula s’obre si baixa el nivell i es tanca quan ja és plena. La
realimentació es realitza mitjançant el flotador que a través d’un
sistema de palanca actua sobre la vàlvula.
6
Exercici 2.1. Indica algun aparell o instal·lació que coneguis que hagi evolucionat a nivell d’automatització.
Exercici 2.2. Quina és la diferència entre un sistema de control en llaç obert i un en llaç tancat?
Exercici 2.3. Per descongelar els aliments, sovint utilitzem el microones. Quin tiupus de control incorpora?
Justifica la teva resposta.
Exercici 2.4. Quin tipus de control incorporen les portes automàtiques d’un supermercat?
Exercici 2.5. Quines funcions haurien d’incorporar el llum temporitzat i la rentadora per ser considerats
control en llaç tancat?
Exercici 2..6. Classifica els següents aparells en dos llistes segons siguin llaç obert o tancat: calefactor elèctric,
ascensor, congelador, rentavaixelles assecador de cabells, planxa elèctrica, sistema de reg automàtic,
radiador elèctric.
7
Els components d’un automatisme
Els automatismes es construeixen amb elements físics que poden implicar diferents tecnologies:
mecànica, pneumàtica, hidràulica, elèctrica, electrònica, microelectrònica, els quals poden actuar
independentment o bé combinats. De forma genèrica en un sistema de control hi ha tres parts
bàsiques: el controlador, els actuadors i els sensors. Fan falta també dispositius auxiliars per
interactuar amb el controlador.
El controlador és el dispositiu del sistema que determina i executa el control del procés per al qual està
preparat. Disposa dels elements per a l’activació i desactivació dels dispositius externs, per a la introducció
i modificació de la consigna, per a l’accionament dels actuadors, per la recollida d’informació dels sensors i
els elements de presentació d’informació, i la lògica de control. En els controladors programables cal que
disposin de memòria per emmagatzemar l’algorisme de control, que és el conjunt de passos previstos que
contenen el conjunt d’accions que s’han de realitzar sobre els actuadors per controlar el procés segons la
informació proporcionada pels sensors i els valors prefixats per les consignes.
8
Un actuador és l’element final que fa una acció sobre el procés. Aquest element final pot provocar accions
com increments de temperatura, canvis de moviment, variacions de velocitat, variacions de cabal. Els
actuadors poden ser de tecnologia elèctrica, pneumàtica o hidràulica.
Els sensors són dispositius que prenen dades de la situació del procés o de les variables de sortida i les
transmeten al controlador. Els sensors, i els seus circuits associats, mesuren magnituds de variables que
s’incorporen al llaç de realimentació. La seva sensibilitat i precisió són importantíssims per a un
funcionament acurat del control.
Els dispositius auxiliars són elements per a la interacció entre l’operador i la màquina. Són necessaris per a
l’entrada manual d’informació al controlador per posar-lo en marxa o aturar-lo, per variar-ne les consignes,
o per recuperar el control manual. També hi ha dispositius que són necessaris per recollir informació de
l’estat del sistema i de l’automatisme i per indicar alarmes.
Des del punt de vista del controlador, els actuadors són dispositius externs als que cal enviar la informació
per determinar el seu estat. Per això se’ls considera, juntament amb els visualitzadors i indicadors,
dispositius de sortida del controlador. Els sensors lliuren informació de l’estat de la màquina o sistema cap
el controlador. Per això se’ls considera, juntament amb els polsadors, teclats, etc., dispositius d’entrada
del controlador.
Per construir un controlador capaç d’executar un conjunt d’accions sobre el dispositiu a controlar en funció
de les dades de consigna i l’estat del sistema, es poden emprar diferents sistemes.
El sistemes automàtics amb lògica cablada són els que estan dissenyats per a una funció molt concreta. El
seu circuit està realitzat amb components que sovint fan la funció d’elements auxiliars i alhora formen el
cor del controlador incorporant la lògica del control en la forma de realitzar les connexions entre els
elements. Aquests tipus d’automatismes queden molt restringits en quan a les seves possibilitats. Els
sistemes automàtics amb lògica programable disposen d’una gran flexibilitat ja que la lògica de
funcionament resideix en un programa informàtic incorporat a la memòria del controlador, el qual es pot
modificar sense haver de canviar les connexions del circuit. Això aporta molta flexibilitat a un sistema, una
gran reducció de costos i de manteniment, així com una gran reducció del volum de l’equip. També
reverteix en una major seguretat i reducció d’avaries. Els controladors programables incorporen
microprocessadors o microcontroladors amb una unitat central, memòria, unitats d’entrades i sortides. La
lògica de funcionament de l’automatisme al que s’apliquen resideix en l’algorisme del programa
emmagatzemat a la seva memòria. L’autòmat programable és un dels elements més emprats actualment
en la fabricació d’automatismes.
9
Dispositius de sortida
Els dispositius de sortida són els actuadors, els presentadors o
visualitzadors de dades, els indicadors lluminosos i els acústics. Els
actuadors poden ser de diferents tecnologies: motors elèctrics,
electroimants, resistències calefactores, les vàlvules i els cilindres
pneumàtics, les vàlvules i els cilindres hidràulics, i altres dispositius
comandats per algun d’aquests. Els presentadors o visualitzadors de dades
donen informació de l’estat d’alguna part del procés o de l’automatisme
amb un valor numèric digital o amb una indicació analògica. Els indicadors
lluminosos poden ser interpretats per un codi cromàtic, i els acústics , per
la freqüència i intensitat del seu so. Poden formar part de panells
sinòptics, amb visualitzadors de dígits de numèrics de cristall líquid (LCD) o d’emissors de llum (LED),
indicadors d’agulla, pilots de color, pantalles de dades LCD, monitors, etc.
Els indicadors acústics habitualment s’empren en les alarmes i poden ser des de petits brunzidors fins a
sirenes potents, en els sistemes més complexos poden portar sintetitzadors de veu.
Visualitzador analògic (esquerra) i visualitzador analogicodigital (dreta).
Visualitzadors digitlas ( a dalt a la dreta)
Dispositius d’entrada
Els dispositius d’entrada d’un automatisme els podem agrupar en dos conjunts: els elements de comandament i els
sensors.
- Els elements de comandament o d’entrada d’informació de l’operador són els interruptors, els polsadors, els
commutadors, els teclats, els potenciòmetres, etc.
- Els sensors recullen informació de la màquina o procés. Estan constituïts per materials sensibles a una determinada
magnitud i la converteixen a un altre tipus de magnitud fàcilment integrable al sistema de control. Els sensors
habitualment necessiten d’alguns elements auxiliars per adaptar-se a l’aplicació concreta. La gamma de sensors és
molt àmplia. Entre els de més aplicació industrial podem esmentar: sensors de temperatura, sensors de pressió,
detectors de proximitat, detectors de presència, detectors de nivell, sensors de radiació infraroja, cèl·lules de
càrrega (mesura de força), sensors de visió, sensors de velocitat, etcètera.
Els sensors i els detectors actuen com els “sentits” de l’automatisme en ser sensibles a determinades magnituds,
com ara la pressió, la llum, la força, la composició del material, el color superficial, el magnetisme, etc. La tecnologia
10
dels sensors, tant per a l’aplicació en la mesura de magnituds com per a la
detecció, ha donat lloc a tot un camp de l’enginyeria: la sensòrica.
Exercici 2.7. Classifica els elements en la casella corresponent, Segons la funció que podrien realitzar en un