CONCEPTOS DEL CONTROL AUTOMÁTICO INDUSTRIAL

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Sensores y transductores

  • Un sensor es un dispositivo que responde a un fenómeno cambiante.
  • Un transductor es un dispositivo que transfiere energía de una forma a otra.

Los sensores y transductores se pueden clasificar de varias formas dependiendo de factores como la entrada y salida de energía, variables de entrada, elementos de detección y principios eléctricos o físicos. Desde el punto de vista de la entrada y salida de energía, hay tres tipos: los modificadores, los autogeneradores y los moduladores

  • En los modificadores, una forma particular de energía se modifica en lugar de convertirse; por lo tanto, la misma forma de energía existe tanto en la etapa de entrada como en la de salida
  • En los autogeneradores, las señales eléctricas se producen a partir de entradas no eléctricas sin la aplicación de energía externa. Los ejemplos típicos son los transductores piezoeléctricos y células fotovoltaicas.
  • Los moduladores, por otro lado, producen salidas eléctricas a partir de entradas no eléctricas, pero requieren una fuente externa de energía. Las galgas extensométricas son ejemplos típicos de tales dispositivos.

Sensores inteligentes

Un sensor inteligente convencional mide parámetros físicos, biológicos o químicos y convierte estos parámetros en señales eléctricas Requieren circuitos y componentes externos complejos para el procesamiento de señales y su visualización.  El término sensor inteligente (en inglés : smart sensor ) se adoptó a mediados de la década de 1980 para diferenciar una nueva clase de sensores diferente de los sensores convencionales. Los sensores inteligentes tienen alguna forma de inteligencia y pueden convertir la señal del sensor en un nivel que los hace mucho más convenientes de usar. Proporcionan funciones como valor agregado, aumentando así la calidad de la información en lugar de simplemente pasar la señal sin procesar. Pueden realizar funciones tales como autoidentificación, autocomprobación, tablas de búsqueda, curvas de calibración, así como disponer de capacidad para comunicarse con otros dispositivos. Estas funciones se llevan a cabo mediante la integración de sensores con microcontroladores o microprocesador o circuitos lógicos en el mismo chip. Comprensiblemente, el microprocesador contiene RAM y ROM y se puede programar convenientemente externamente de forma externa.

Los sensores inteligente también incluyen las funciones de amplificación, acondicionamiento, procesamiento y conversiones A / D de la señal.

Los diferentes sensores inteligentes se fabrican con red neuronal y otras tecnologías de inteligencia, programados y mantenidos sobre del chip. Estos sensores son capaces de asimilar una gran cantidad de datos; por lo tanto, son capaces de tomar acciones autónomas y apropiadas para lograr los objetivos en cualquier entorno dinámicamente cambiante. Son adaptables para anticipar eventos y complejidades de proceso; por lo tanto, la detección, el aprendizaje y las autoconfiguraciones son elementos clave.

Ejemplo de sensores inteligentes que están disponibles en el mercado son sensores de presión y acelerómetros, biosensores, sensores químicos, sensores ópticos, sensores magnéticos, etc. Los sistemas de visión inteligente y sensores basados en procesadores paralelos son ejemplos típicos de tales dispositivos.

INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL. SEÑALES DE CONTROL

Temas relacionados : Instrumentación industrial. convertidores i/p de corriente a presión

Las señales de control de instrumentación industrial se pueden transmitir neumática o eléctricamente. Debido a las necesidades de un suministro de aire para transmisión neumática, plomería inflexible, costo, tiempo de reacción lento, rango limitado de transmisión, confiabilidad, precisión y los requisitos de los sistemas de control, la transmisión eléctrica es ahora el método preferido. Las señales eléctricas se pueden transmitir en forma de voltajes, corrientes, de forma digital, óptica o inalámbrica. Desafortunadamente, los términos transductor, convertidor y transmisor a menudo se confunden y se usan indistintamente.

Los transmisores son dispositivos que aceptan señales eléctricas de bajo nivel y las formatean para que puedan transmitirse a un receptor distante. Se requiere que el transmisor pueda transmitir una señal con suficiente amplitud y potencia para que pueda ser reproducida en un receptor distante como una verdadera representación de la entrada al transmisor, sin ninguna pérdida de precisión o información.

El valor inicial (offset) se refiere al extremo inferior del rango operativo de una señal. Al realizar un ajuste de valor inicial, la salida del transductor se configura para dar la salida mínima (generalmente cero) cuando el valor de la señal de entrada es mínimo.

El intervalo de medida (span) se refiere al rango de la señal, es decir, desde cero hasta la deflexión de escala completa.  La configuración del intervalo de medida (o ganancia del sistema) ajusta el límite superior del transductor con la entrada de señal máxima. Normalmente hay alguna interacción entre el desplazamiento y el intervalo; la compensación debe ajustarse primero y luego el intervalo.

Transmisión de una señal neumática

Las señales neumáticas se utilizaron inicialmente para la transmisión de señales y todavía se utilizan en instalaciones más antiguas o en aplicaciones donde las señales eléctricas o las chispas podrían producir la ignición de materiales combustibles. La transmisión neumática de señales a largas distancias requiere un tiempo de estabilización excesivamente largo para las necesidades de procesamiento actuales y en comparación con las transmisiones de señales eléctricas. Las líneas de señales neumáticas también son inflexibles, voluminosas y costosas en comparación con las líneas de señales eléctricas y no son compatibles con microprocesadores. Por lo tanto, no se utilizarán en nuevos diseños, excepto posiblemente, en circunstancias especiales como se mencionó. Las presiones de transmisión neumática se estandarizaron en dos rangos, es decir, 3 a 15 psi (20 a 100 kPa) y 6 a 30 psi (40 a 200 kPa); ahora el rango preferido es de 3 a 15 psi. El cero no se usa para el mínimo de los rangos, ya que las presiones bajas no se transmiten bien y el nivel cero se puede usar para detectar fallas del sistema.

Transmisión analógica

Consideraciones de ruido

Las señales analógicas de voltaje o corriente están cableadas entre el transmisor y el receptor. En comparación con las señales digitales, estas señales pueden ser relativamente lentas para procesarse debido a la constante de tiempo de la capacitancia, inductancia y resistencia del cableado, pero siguen siendo mas rápidas en términos de la velocidad de los sistemas mecánicos. Las señales analógicas pueden perder precisión si las líneas de señal son largas con alta resistencia; puede ser susceptible a la compensación de tierra, los bucles de tierra, el ruido y la captación de radiofrecuencia. La figura 1a muestra el controlador que suministra energía de corriente continua al transmisor y la ruta de la señal desde el transmisor al controlador. La energía de corriente continua para los sensores se puede obtener del controlador para ahorrar el costo de derivar la energía en el sensor como se muestra en la Fig. 1b. Sin embargo, la corriente que fluye en la línea de tierra (que se muestra en la figura 1a) desde el suministro será mucho mayor que la corriente de la señal y producirá una caída de voltaje a través de la resistencia del cable de tierra, elevando el nivel de tierra del transmisor que dará un error de compensación de señal en el controlador. El segundo problema con este tipo de cableado es que es susceptible a la captación de ruido de radiofrecuencia (RF) y de inducción electromagnética (EMI), es decir, el ruido inducido de los motores y transmisores de RF producirá señales de error.

Figura 1- Las conexiones de suministro y señal se muestran entre el controlador y el transmisor usando (a) cables rectos y (b) un par trenzado.

Para reducir estos problemas, se puede utilizar la configuración que se muestra en la Fig. 1b. Esta configuración muestra que el suministro de corriente continua al transmisor se genera a partir del voltaje de la línea de corriente alterna a través de un transformador de aislamiento y un regulador de voltaje en el transmisor. La conexión a tierra se usa solo para la ruta de retorno de la señal. Los cables de retorno de señal y tierra son un par trenzado apantallado, es decir, los cables de señal están apantallados por una funda con conexión a tierra. La pantalla reduce la captación de RF y EMI y el ruido inducido en ambas líneas se reduce considerablemente. Debido a que las variaciones en los voltajes de suministro, que pueden producir cambios en el voltaje de compensación y la ganancia del sensor / transmisor, se debe regular el voltaje de suministro.

Figura 2- Conexión de señal diferencial apantallada entre el controlador y el transmisor.

En la figura 2 se muestra un método mejorado para minimizar la captación de RF y EMI. En este caso, el transmisor envía una señal diferencial utilizando un par trenzado apantallado. La captación reducida afectará a ambas señales en la misma cantidad y se cancelará en el receptor diferencial del controlador. Las señales diferenciales normalmente no se ven afectadas por las compensaciones de tierra.
Se puede generar una señal de voltaje de salida diferencial usando el circuito que se muestra en la figura 3. Las etapas de salida tienen ganancia unitaria para dar baja impedancia de salida y señales de fase igual y opuesta. Los amplificadores operacionales también están disponibles comercialmente con salidas diferenciales que se pueden usar para controlar las etapas de salida del búfer.

Señales de voltaje

Las señales de voltaje normalmente están estandarizadas en los rangos de voltaje de 0 a 5 V, 0 a 10 V o 0 a 12 V, siendo de 0 a 5 V el más común. Los requisitos del transmisor son una impedancia de salida baja para permitir que el amplificador maneje una amplia variedad de cargas sin un cambio en el voltaje de salida, deriva de baja temperatura, deriva de compensación baja y bajo ruido. La figura 4a muestra un transmisor con una señal de salida de voltaje. Su baja impedancia de salida permite al controlador cargar la capacitancia de la línea, logrando un tiempo de estabilización rápido. Sin embargo, el voltaje de entrada al controlador Vent puede ser menor que el voltaje de salida Vsal del transmisor debido a pérdidas de resistencia en los cables si el receptor está consumiendo corriente, es decir,

La R interna del controlador debe ser muy alta en comparación con la resistencia del cable y las conexiones, para minimizar la pérdida de señal (que suele ser el caso).

Fig. 3 - Amplificador diferencial con salidas búfer.

Fig. 4 - Efecto de la resistencia y la capacitancia del conductor en (a) señales de voltaje y (b) señales de corriente.

Una señal diferencial como se muestra en la Fig. 4 eliminará el ruido de fondo y los problemas de compensación.

Señales de corriente

Las señales de corriente están estandarizadas en dos rangos; estos son de 4 a 20 mA y de 10 a 50 mA, donde 0 mA es una condición de falla. El último rango era el estándar preferido, pero ahora se ha eliminado, y el rango de 4 a 20 mA es el estándar aceptado. Los requisitos del transmisor son una alta impedancia de salida, de modo que la corriente de salida no varíe con la carga, la baja temperatura, la desviación de compensación y el bajo nivel de ruido. La figura 4b muestra un transmisor con salida de corriente. La principal desventaja de la señal de corriente es su mayor tiempo de estabilización debido a la alta impedancia de salida del controlador que limita la corriente disponible para cargar la capacitancia de la línea. Después de que se carga la capacitancia de la línea, la corriente de señal en el controlador es la misma que la corriente de señal del transmisor y no se ve afectada por los cambios normales en la resistencia del cable. La resistencia interna del controlador es baja para señales de corriente, es decir, unos pocos cientos de ohmios. Una vez más, una conexión de señal diferencial elimina el ruido y los problemas de tierra.

Conversión de señales

Se requiere conversión de señal entre señales de bajo nivel y señales de control de alta energía para el control del motor y el actuador. Las señales de control pueden ser digitales, de voltaje analógico o de corriente analógica, o neumáticas. A veces es necesario convertir señales eléctricas en señales neumáticas para el control del actuador. La neumática todavía se usa en aplicaciones donde el costo de conversión a control eléctrico sería prohibitivo, la radiación electromagnética (e/m) podría causar problemas o en un ambiente peligroso donde las chispas de los dispositivos eléctricos podrían causar la ignición de materiales volátiles.

Fig. 5 - Conversión de señal (a) amplificador de presión y (b) transductor de corriente a presión.

Se puede usar un amplificador neumático lineal para aumentar la presión de una señal de presión de nivel bajo a una señal de presión alta para accionar un actuador. La figura 5a muestra un amplificador de presión. El gas de un suministro de alta presión está controlado por un tapón cónico que está controlado por un diafragma cuya posición se establece mediante una señal de baja presión. La ganancia del sistema se establece mediante el área del diafragma dividida por el área de la base del tapón cónico. La presión de salida está invertida pero es lineal con respecto a la presión de entrada; el dispositivo que se muestra es uno de los muchos tipos diferentes. La retroalimentación neumática se puede utilizar para mejorar las características del amplificador.

En la figura 5b se muestra uno de los muchos diseños de un convertidor de corriente a presión (también llamado transductor electroneumático). El resorte tiende a mantener cerrada la aleta, dando una salida de alta presión (15 psi).

Cuando la corriente pasa a través de la bobina, la aleta se mueve hacia la bobina abriendo el espacio de aire en la boquilla reduciendo la presión del aire de salida. La presión de aire de salida se establece en un máximo de 15 psi de presión mediante el ajuste de cero establecido cuando la corriente a través de la bobina es de 3 mA de corriente. La ganancia y el alcance del sistema se establecen moviendo la boquilla con respecto a la aleta. La presión de salida se invierte con respecto a la amplitud de la corriente en la configuración como se muestra, pero podría configurarse para que no sea inversora. Existe una relación lineal entre la corriente y la presión.

Estándares de transmisión

Las señales digitales se pueden transmitir a través de un bus en serie o paralelo cableado, mediante transmisión por ondas de radio o por fibra óptica, sin pérdida de integridad. Los datos digitales se pueden enviar más rápido que los datos analógicos debido a la mayor velocidad de transmisión. Otra ventaja es que los transmisores y receptores digitales requieren mucha menos energía que los dispositivos de transmisión analógica.

Los estándares de comunicación para la transmisión digital entre computadoras y equipos periféricos están definidos por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Electrical and Electronic Engineers - IEEE). Los estándares son IEEE488 o RS232. Sin embargo, se han desarrollado varios otros estándares y ahora están en uso. El estándar IEEE488 especifica que un nivel digital “1” estará representado por un voltaje de 2 V o más y un nivel digital “0” deberá especificarse en 0.8 V o menos, así como el formato de señal que se utilizará. El estándar RS232 especifica que un nivel "1" digital debe estar representado por un voltaje de entre +3 V y +25 V y un nivel "0" digital debe ser especificado por un voltaje de entre -3 V y -25 V también, así como el formato de la señal que se utilizará. La fibra óptica ahora también se utiliza ampliamente para proporcionar una transmisión de muy alta velocidad a largas distancias y no se ve afectada por la captación de interferencia electromagnética o de RF. La figura 6 muestra un cable de fibra óptica de dos vías configurado con controladores de diodos emisores de luz (LED) y receptores de fotodiodos.

Las señales digitales se pueden transmitir sin pérdida de precisión y pueden contener códigos de corrección de errores para una corrección automática limitada de los mismos o para requerir automáticamente la retransmisión de datos. Estas redes se conocen como redes de área local (en inglés LAN; local area networks ) cuando se utilizan en un área limitada, como una planta, o redes de área amplia (en inglés WAN; wide area networks) cuando se utilizan como un sistema global. En la figura 7 se muestra una red LAN típica.

Fig. 6 - Bus de fibra óptica

Fig. 7 - Una red LAN

Fig. 8 - Sistema de control de procesos con entradas y salidas individuales para cada variable.

La ingeniería, las finanzas y el marketing pueden establecer comunicación con los controladores de procesos para monitorear las operaciones de una planta, a fin de obtener cifras de costos y detalles de entrega de productos a través de una red LAN, directamente desde el sistema de control de procesos.
Los sistemas de control de procesos basados ​​en computadora son sistemas flexibles con un procesador central y la capacidad de agregar unidades de interfaz de forma limitada. Las unidades de interfaz pueden ser receptores para la recepción de información analógica y / o digital de los sensores de monitoreo o transmisores para enviar información de control a los actuadores de control. Una unidad receptora típica contendrá 8 amplificadores analógicos con convertidores de analógico a digital (ADC) que le dan a la unidad la capacidad de interactuar con 8 dispositivos de transmisión analógicos y cambiar los datos a un formato digital para interactuar con el procesador. Otras unidades de interfaz contienen amplificadores de termopar o puentes para usar con sensores resistivos. Una unidad transmisora ​​de datos tendrá la capacidad de controlar 8 actuadores y contendrá 8 convertidores digitales a analógicos (DAC) para cambiar los datos digitales a un formato analógico para cada actuador que se esté controlando. Esta configuración se muestra en la Fig. 8. Cada entrada o salida requiere su propio cable o bus de interconexión, lo que da como resultado una masa de cableado que requiere un enrutamiento cuidadoso y un marcado de identificación.

Instrumentación y redes

La conexión en red de recursos de hardware y software es esencial para unir múltiples sensores e instrumentos para el intercambio de información, las operaciones colaborativas y el intercambio de funciones de equipos y dispositivos. Las redes están formadas por una colección de dispositivos, el medio que vincula estos dispositivos y el software que soporta la interconexión de todo el sistema. Un sistema está formado por un grupo de partes interrelacionadas con el objetivo de establecer una interrelación entre ellas para mejorar la eficiencia, facilitar la integración de la aplicación y compartir los recursos.

Debido a los recientes avances en la tecnología de comunicaciones, los sensores y los instrumentos se pueden conectar fácilmente en red. Muchos procesos requieren mediciones de cientos y quizás miles de parámetros que emplean muchos instrumentos. La disposición resultante para realizar la medición general en un proceso complejo se denomina sistema de medición. En los sistemas de medición los instrumentos operan de forma autónoma pero coordinada.  La información generada por cada instrumento se puede comunicar entre los propios instrumentos y los controladores o entre instrumentos y otros dispositivos digitales como registradores, unidades de visualización, impresoras, enrutadores, estaciones base o servidores.  

Conectar dispositivos juntos para formar redes no es un nuevo concepto, y ha estado operativo durante muchos años en una diversa gama de aplicaciones. En las redes anteriores, casi todos los dispositivos de comunicación estaban conectados por cables; por lo tanto, estaban en gran parte fijos en el espacio. Los dispositivos actuales de las redes modernas, se pueden configurar mediante el uso de tecnología de comunicación inalámbrica y software relacionado; por lo tanto, pueden tener movilidad en el espacio sin dejar de mantener redes viables.

Fig. Proceso de comunicación de dispositivos en red.

Por lo tanto, las redes modernas pueden verse como (1) redes cableadas, en las que los dispositivos de comunicación están conectados por cables, por lo tanto, en gran parte fijos en el espacio, (2) redes inalámbricas en qué los dispositivos se comunican de forma inalámbrica, por lo que pueden moverse en el espacio, e (3) híbridos, que son redes en las que se utilizan en combinación técnicas tanto cableadas como inalámbricas. En este momento, las redes móviles basadas en técnicas inalámbricas brindan principalmente servicios basados ​​en voz, pero están manejando cada vez más datos y otras formas de información. Las redes inalámbricas pueden igualar a funciones similares a las redes fijas, además de ofrecer muchas ventajas, como la reducción en el costo de configuración inicial y el mantenimiento.

Los distintos dispositivos necesitan de un software de red para emitir las solicitudes y respuestas que les permitan comunicarse entre sí con éxito. Un proceso de comunicación entre dos dispositivos se ilustra en la figura siguiente. En este caso, la comunicación se lleva a cabo en forma simplex; el dispositivo A envía información al dispositivo B. En muchas redes, los dispositivos que se comunican invocan una capa de códigos, que se denomina sistemas operativos de red (NOS). Los NOS controlan el acceso a los recursos de la red. Ejemplos de NOS comunes utilizados en computadoras son Windows NET, Windows 10, Novell's NetWare, etc.

La mayoría de los paquetes de software de red vienen con módulos para iniciar (login) y cerrar sesión en la red. Los módulos de red para iniciar y cerrar sesión pueden incluir consideraciones tales como seguridad de contraseña, validación del acceso del usuario a archivos y software específicos, inicio de sesión automático de función para algunos dispositivos, menús de ayuda y mensajes de error, etc.

Soporte de software para sensores e instrumentos

El software es un término usado para describir la función de programas, procedimientos y documentación en dispositivos digitales programables y sistemas informáticos. El soporte de software es una parte integral del sistema de instrumentación moderno. Se puede dividir en tres grupos principales:

(1) software del sistema,

(2) software de programación y

(3) software de aplicación

Todos se desarrollan utilizando lenguajes de programación, lenguajes de scripting, lenguajes de máquina o códigos ensambladores, o configuraciones FPGA. Algunos ejemplos de lenguajes de programación son C o C ++, Java y Basic.

El software en sistemas de instrumentación incluye

Software de Aplicación, como Excel, procesadores de texto, videojuegos y Open Office que proporciona tareas a los usuarios.

• El firmware es un software almacenado permanentemente en los dispositivos de memoria programables en las placas principales u otros tipos de soportes de hardware integrados.

Middleware, controla y coordina sistemas distribuidos

Software de sistema, como los sistemas operativos que interactúan con el hardware para proporcionar un servicio coordinado para aplicaciones como Linux y Microsoft Windows

Páginas web desarrolladas por tecnologías como HTML, Perl, JSP, XML, PHP

Calibración

La relación entre la entrada de la variable de medición física y la variable de la señal (salida) para un sensor específico se conoce como la calibración del sensor. Por lo general, un sensor (o un sistema de instrumentos completo) se calibra proporcionando una entrada física conocida al sistema y registrando la salida. Los datos se trazan en una curva de calibración como el ejemplo que se muestra en la figura siguiente.

Fig. Ejemplo de curva de calibración de un instrumento.

En este ejemplo, el sensor tiene una respuesta lineal para valores de la entrada física menores que X0. La sensibilidad del dispositivo está determinada por la pendiente de la curva de calibración. En este ejemplo, para valores de la entrada física superiores a X0, la curva de calibración se vuelve menos sensible hasta alcanzar un valor límite de la señal de salida. Este comportamiento se denomina saturación y el sensor no se puede utilizar para mediciones superiores a su valor de saturación. En algunos casos, el sensor no responderá a valores muy pequeños de la variable de entrada física. La diferencia entre las entradas físicas más pequeñas y más grandes que un instrumento puede medir de manera confiable determina el rango dinámico del dispositivo.

Fig. Entradas de interferencia

La precisión de los instrumentos se puede aumentar mediante la calibración. En muchos casos, se pueden utilizar gráficos de calibración, ecuaciones matemáticas, tablas y la experiencia de los operadores. En los últimos años, con la aplicación de técnicas digitales e instrumentos inteligentes, las correcciones de errores se realizan automáticamente por medio de computadoras o dentro de los propios dispositivos y sensores.

Modificación e interferencia de entradas.

En algunos casos, la salida del sensor se verá influida por variables físicas distintas del mensurando previsto. En la Figura anterior, X es el mensurando deseado, Y es una entrada de interferencia y Z es una entrada de modificación. La entrada de interferencia Y hace que el sensor responda de la misma manera que la superposición lineal de Y y el mensurando previsto X. La salida de la señal medida es, por lo tanto, una combinación de X e Y, con Y interfiriendo con el mensurando previsto X. Un ejemplo de una entrada de interferencia sería una vibración estructural dentro de un sistema de medición de fuerza.

 

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