CAPITULO III

CONTROLADORES

3.1 Controladores

El controlador es el segundo elemento en un sistema de control automático, éste toma

una señal de entrada y la compara con un valor establecido para obtener de forma

automática una respuesta o señal de salida hacia los elementos actuadores, en otras

palabras es el “cerebro” del sistema de control.

3.2 Sistemas de datos muestreados

Landau y Zito (2006) detallan dos caminos para introducir un computador digital en un

lazo de control. De acuerdo con estos autores, la mayoría de los sistemas de control

digital se diseñan Relé o relevador: Un dispositivo que convierte una señal pequeña de

voltaje en una con mayor potencia. Capítulo 2: Componentes de los sistemas de control

automático como la Figura , este modelo se conoce como “modelo de tiempo

discreto”. La planta, que incluye el actuador, el proceso y el sensor, como en

prácticamente todas las aplicaciones de control, es un sistema que trabaja en el tiempo

continuo, por tanto es un sistema analógico. En cambio, la salida del proceso debe

convertirse en una señal digital para que el computador pueda leerla. Esta operación se

realiza con un convertidor analógico-a-digital (convertidor A/D o ADC). Una vez que el

computador calcula la salida, se envía el dato a un convertidor digital-a-analógico

(convertidor D/A o DAC) para obtener la señal de control analógica.

La operación normal requiere el uso de un reloj de tiempo real, de manera que cada

cierto intervalo de tiempo definido, Δts, se realiza una muestra. Como el proceso necesita

de una señal sostenida para operar en vez de una señal pulsante, un retenedor de orden

cero (ZOH) tiene el efecto de multiplicar el valor digital, en cada instante, por la unidad. El

tiempo total desde la conversión A/D más el cálculo de la salida más la conversión D/A

debe de ser menor al intervalo de muestreo

En el segundo modelo, llamado “modelo de tiempo continuo” (Figura ), se convierte la

señal analógica del error en un valor digital a través de un convertidor A/D, el computador

calcula la salida y la envía al convertidor D/A. Si bien no parece haber gran diferencia con

el modelo anterior, el sistema ADC-computador-DAC debe comportarse de igual manera

que un controlador analógico, lo que implica el uso de una alta frecuencia de muestreo,

con un algoritmo de control bastante simple, desaprovechando las capacidades del

computador digital (Landau & Zito, 2006).

Los autores Landau y Zito (2006) aseguran que para tomar ventaja de las capacidades

de las computadoras digitales se requiere reemplazar los sistemas de tiempo continuo

por modelos de tiempo discreto, los controladores tipo analógicos por algoritmos digitales

y usar técnicas de control dedicadas. De manera que se logre hacer uso de varias

estrategias de alto rendimiento que no pueden ser implementadas con los controladores

analógicos.

3.3 TIPOS DE CONTROLADORES INDUSTRIALES

3.3.1 Controladores Lógicos Programables

Un Controlador Lógico Programable, o PLC por sus siglas en inglés, es un computador

especializado para control de máquinas y procesos. Utiliza una memoria programable

para almacenar instrucciones y ejecutar funciones específicas que incluyen control de

dos posiciones, conteo, secuenciado, aritmética y manejo de datos. Se les llama lógicos

pues tienen la habilidad de tomar decisiones cuando uno o más factores diferentes deben

ser tomados en cuenta antes de realizar alguna acción (Petruzella, 2005).

Un PLC típico puede dividirse en partes, estas son la unidad de procesamiento central

(CPU), la sección de entradas/salidas (E/S), la fuente de energía, y el dispositivo de

programación. Las entradas y salidas pueden ser fijas o modulares. Las E/S fijas son

típicas de PLCs pequeños que vienen en un solo paquete sin unidades removibles

separadas. El procesador y las E/S se ensamblan juntos y las terminales de E/S están

disponibles pero no se pueden cambiar. La principal ventaja es el menor costo, la

desventaja es la falta de flexibilidad. Las E/S modulares están divididas por

compartimentos en los cuales se pueden conectar módulos separados, esto aumenta las

opciones y la flexibilidad de la unidad. El controlador modular básico consiste en un

estante, la fuente de energía, el módulo del procesador (CPU), módulos de E/S y una

interfaz de operador para programar y supervisar. Los módulos se enchufan en el estante

y el procesador del PLC puede comunicarse con todos los módulos en el estante (Bolton,

2004; Petruzella, 2005).

El diseño de la mayoría de los PLCs es propietario, esto significa que es más difícil

conectarlos a dispositivos y programas hechos por otros fabricantes, o sea que no

cualquier hardware genérico o software se puede usar con un PLC en particular

(Petruzella, 2005)

3.3.2 Microcontroladores

Según Ibrahim (2006), el interés en el control digital ha crecido rápidamente en las

últimas décadas desde la introducción de los microcontroladores. Los microcontroladores

son como un computador en un solo chip, con procesamiento de señales de entrada y

salida incorporados en el mismo circuito integrado, a menudo incorporan convertidores

A/D y D/A. Puede verse un como un pequeño computador orientado a aplicaciones de

control. Los microcontroladores pueden controlar motores, pantallas, comunicarse con

PCs, leer valores de sensores externos, conectarse en una red de microcontroladores y

todo esto sin uso de componentes externos o con muy pocos de ellos (Bolton, 2004;

Ibrahim, 2006).

Los microcontroladores se fabrican específicamente para las aplicaciones de control

digital directo (DDC), en las que el computador sólo se utiliza para llevar a cabo la acción

de control. Son dispositivos de muy bajo costo y bajo consumo de potencia que pueden

utilizarse muy fácilmente en aplicaciones de control digital, la mayoría traen incorporada

la circuitería necesaria para las aplicaciones de control por computador (Ibrahim, 2006).

3.3.3 Computadores personales

En general, prácticamente cualquier computador digital puede ser usado para control

digital, satisfaciendo ciertos requerimientos previos. La mayoría de las aplicaciones de

control digital directo de pequeña y mediana escala se basan en microcontroladores.

Aplicaciones donde se requiere interacción del usuario y control supervisor se diseñan

comúnmente alrededor de hardware PC estándar (Ibrahim, 2006).

Un computador personal puede convertirse en un controlador digital si se le provee

alguna forma para que reciba información de los dispositivos como botones o

interruptores; también se requiere de un programa para procesar las entradas y decidir si

encender o apagar los dispositivos. Sin embargo, algunas características importantes

distinguen a los controladores industriales como los PLCs de los computadores de uso

general. Primero, a diferencia de los computadores un PLC, por ejemplo, está diseñado

para funcionar en el ambiente industrial con amplios ámbitos de temperatura y humedad

ambientales. Una segunda distinción es que el hardware y el software de los PLCs son

diseñados para el empleo fácil por electricistas y técnicos de planta, quienes tan sólo

requieren un conocimiento limitado de las computadoras y lenguajes de programación

(Bolton, 2004; Petruzella, 2005).

A diferencia de los computadores, el PLC se programa en lógica escalonada de

relevadores o algún otro lenguaje fácil y viene con el lenguaje de programación

incorporado en su memoria permanente. Un PLC no tiene ningún teclado, unidad de CD,

monitor, o disco duro; en cambio, tiene una caja autónoma con puertos de comunicación

y un juego de terminales para dispositivos de entrada y salida. Algunos fabricantes

desarrollan programas y tarjetas de interfaz que permiten a un computador personal

hacer el trabajo de un PLC, estos sistemas son llamados soft logic controllers.

Algunas de las ventajas de sistemas de control basados en computadores personales

son el costo inicial más abajo, requieren menos hardware y software propietarios,

permiten el intercambio de datos con otros sistemas, procesamiento veloz de los datos y

fácil personalización .