CONTROLES AUTOMATICOS
CURSO DE AUTOMATAS PROGRAMABLES

Saber Electrónica tiene el agrado de presentar un Curso de Control Automático, desarrollado como trabajo de pre gardo por el autor para la Universidad Católica de Santa María. En esta nota describimos detalles que hacen a este trabajo que los lectores pueden bajar "en forma completa" de nuestra web. El trabajo fue realizado por Fernando Ventura Gutiérrez y en sucesivas ediciones daremos detalles de este trabajo, aclarando que se realizan modificaciones para que resulte útil a todos los lectores.

INTRODUCCION

Con este curso se pretende desarrollar un módulo educativo para la enseñanza de cursos de Control Automático con nivel Universitario pero que pueda ser comprendido también por quienes poseen conocimientos limitados de electrónica. Permite al lector experimentar con equipos simuladores de procesos industriales con características reales antes de manipular plantas industriales, para que tenga una visión mayor en los diferentes problemas a los que se va a enfrentar en su vida profesional en el área del control automático.

La meta es el diseño y construcción de 3 tipos diferentes de control que se encuentran en el mundo real en las empresas del medio:

a. Módulo de control PID y Autosintonía PID mediante Visual Basic
b. Módulo de control PID mediante LabView
c. Módulo de control: Instrumento Unilazo Programable (SLPI por sus siglas en inglés, Single Loop Programmable Instrument)

Además de esto necesitamos una planta experimental (simulada) en la que podemos probar nuestro módulo por lo cual estamos diseñando dos simuladores de procesos:

a. Simulador de proceso de temperatura
b. Simulador de proceso de nivel

 
OBJETIVOS

Tenemos por objeto desarrollar un software que permita la sintonización de los parámetros PID, para que el proceso pueda controlar de manera correcta el proceso industrial simulado.

Se realizan tres (3) módulos de control basados en el control PID.

Para la realización de este trabajo se emplean técnicas de modelamiento de software para realizar de manera más sencilla y eficaz el diseño de software.

También se realiza el diseño de simuladores de curvas de procesos industriales que sean capaces de cumplir con todas las características de un proceso real.

El entorno visual en el que se desarrollarán los diferentes programas es mucho más amigable que un software basado en DOS.

EVOLUCION HISTORICA DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
Como todo proceso evolutivo, es casi imposible comprender plenamente el estado actual y las tendencias futuras si es que no se conoce su pasado.

Lo que hoy se está viviendo en el área de control de procesos industriales es la consecuencia de la suma e interrelación de distintos eventos que se fueron sucediendo de forma tal, que es probable que nadie haya pensado, en su momento, que pudieran tener vinculación.

EVOLUCION DEL CONTROL AUTOMATICO
Tiene su primer antecedente (al menos así quedó registrado en la historia) en el Regulador de Watt, el famoso sistema que controlaba la velocidad de una turbina a vapor en el año 1774. Estos avances los podemos observar de forma resumida en la tabla 1.

A partir de aquel “regulador de Watt” se desarrollaron innumerables aplicaciones prácticas. En el plano teórico las primeras ideas surgieron hacia 1870. A partir de la década de los 30 del presente siglo recibieron un fuerte impulso; se hicieron importantes experiencias y análisis.

Como mencionamos, las industrias de procesos continuos fueron las primeras en requerir las variables de proceso en un determinado rango a fin de lograr los objetivos de diseño. Las primeras industrias realizaban el control de las variables en forma manual a través de operadores que visualizaban el estado del proceso a través de indicadores ubicados en las cañerías y/o recipientes y equipos.

El operador conocía el valor deseado de la variable a controlar y en función del error tomaba acciones correctivas sobre un elemento final de control (generalmente una válvula) a fin de minimizarlo.

Esta descripción se ajusta en sus principios a lo que conocemos como lazo cerrado de control o lazo realimentado que se grafica en la figura 1.

 
LA TECNOLOGIA DIGITAL EN EL AREA DE CONTROL AUTOMATICO

Las primeras grandes computadoras se utilizaron actuando sobre controladores individuales en un modo conocido como “Control de Valores Deseados” (Set Point Control – SPC), figura 2.

Los controladores electrónicos analógicos efectuaban el control en la forma convencional siendo supervisados y ajustados sus valores deseados por la computadora, en función de algoritmos de optimización. La falla de la computadora no afectaba el control, dejando el sistema con los últimos valores calculados. Un aspecto a destacar fue que, a diferencia de las aplicaciones en los planos administrativos y científicos, en el área de control se necesitó el funcionamiento de las computadoras “en tiempo real”, es decir, que el procesamiento debía de ser lo suficientemente rápido como para poder resolver eventos y problemas que iban ocurriendo, en instantes.

Esta problemática era (y es) distinta a la de la mayoría de las exigencias computacionales. Tal vez el cálculo en sí no es complejo, pero sí lo es el procesamiento en forma recurrente y en fracciones de segundo de algoritmos sobre cientos de variables (a veces miles) que llegan desde el campo. A este procesamiento se deben sumar las exigencias de otros periféricos (como son las consolas de operación o las impresoras de eventos y alarmas).

En paralelo con el desarrollo del SPC, surgió la idea de trasladar todo el procesamiento de control hacia la computadora teniendo como interfaz las tarjetas de entrada/salida que hacían la conversión de las señales analógicas en digital (y biceversa) de y hacia campo.

Los mayores inconvenientes de este modo de control estaban en la falta de seguridad y continuidad operativa ante una falla (no tan frecuente) de la computadora: la falla abarcaba a toda la planta deteniéndola o lo que era peor llevándola a un estado impredecible y potencialmente peligroso. Dos alternativas surgieron para resolver estos problemas:

* Una computadora redundante a la espera de la falla a la que en ese momento se le transfiera todo el control.
* Un panel con controladores e indicadores convencionales a los que en el momento de la falla le será transferido todo el control.

Ambas alternativas presentaron problemas:

* El problema económico (prácticamente se duplicaba la instalación, o sea la inversión teniendo la mitad ociosa a la espera de una falla).
* La exigencia de tener el sistema de respaldo actualizado con los últimos valores, tanto de campo, como los modificados por los operadores en función del proceso. Esto requería una gran capacidad de cómputo así como una conmutación muy segura (sin saltos ni fallas).
* El problema del lenguaje de programación de las computadoras; el personal de planta no conocía los métodos que estaban reservados a personal especializado.

Estos problemas fueron importantes y dieron lugar a complejos análisis y desarrollos para simplificar la programación, como ser la configuración de las estrategias de control por medio de bloques o el seguimiento de variables actualizándolas en distintas unidades (tracking).

A través del desarrollo tecnológico y la reducción de costos asociados al procesamiento computacional llegaron para ayudar a los ingenieros de control, la aparición del microprocesador permitió tener en un pequeño espacio una gran cantidad de procesamiento.

 
MICROCONTROLADORES

Como el lector de Saber Electrónica ya sabe, un microcontrolador es un circuito integrado que contiene todas los componentes funcionales de una computadora. Su uso es exclusivo para el control de un solo proceso, debido a esto, es usualmente inducido dentro del proceso a gobernar. Es esta última característica la que le da el nombre de “controlador incrustado” (embedded controller).

En otras palabras, se trata de un computador dedicado. El único programa residente en su memoria es aquel que está dedicado a controlar una aplicación determinada. Una vez que el microcontrolador es programado sólo se dedicará a realizar la tarea asignada.

En la actualidad existen varias aplicaciones comerciales que usan microcontroladores, como: la industria automotriz, de computadoras, de electrodomésticos, aeronáutico, espacial, etc.

Según la empresa DATAQUEST se estima que existe un promedio de 240 microcontroladores en cada hogar americano en el año 2001.

“En resumen podemos decir que un microcontrolador es un micro computador de limitadas prestaciones, contenido en un solo circuito integrado que una vez que es programado está destinado para realizar una sola tarea.”

DIFERENCIA ENTRE MICROCONTROLADORES Y MICROPROCESADORES
Sabemos que un sistema basado en microprocesador es prácticamente una Unidad Central de Proceso (UCP o CPU por sus siglas en inglés) que contiene una Unidad de Control, que interpreta las instrucciones y las líneas de datos a ejecutar.

El patillaje del microprocesador está compuesto por:

- Líneas de Buses (Control, Direcciones y Datos) mediante los cuales el microprocesador se comunica con el exterior (Memoria, Periféricos de E/S, etc.)
- Patillas de configuración de cristal
- Patillas de funciones específicas

Un esquema resumido lo podemos observar en la figura 3. La figura muestra la estructura de un sistema de microprocesador (sistema abierto). La disponibilidad de los buses en el exterior permite que se configure a la medida de la aplicación.

De acuerdo a lo anterior expuesto tenemos las siguientes definiciones:

* Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador con características particulares, con solo la elección de los módulos necesarios para poder cumplir con tales fines.
* Un microcontrolador es un sistema cerrado ya que tiene características definidas e inexpandibles, teniéndose que adecuar las características de este al proceso en el cual va a ser usado. En la figura 4 se grafica la función de un µC y se vé que éste posee un microprocesador en su interior.

En el mundo práctico los fabricantes de microcontroladores tienen varios modelos puestos a disposición de usuario, desde los más básicos hasta los más complejos, para que de esta manera los diseñadores puedan dimensionar de forma adecuada el microcontrolador al proceso a controlar, de esta manera los fabricantes de estos equipos no tienen despilfarro al construir un solo tipo de microcontrolador muy bien equipado.

 
MICROCONTROLADORES DE MICROCHIP
ARQUITECTURA INTERNA
Debido a la necesidad de tener un adecuado rendimiento en el procesamiento de instrucciones, el microcontrolador PIC de Microchip usa la arquitectura Harvard frente a la arquitectura clásica Von Neuman. Esta última se caracteriza porque la CPU se conecta con una memoria única, donde coexistían datos e instrucciones, a través de un sistema de buses, tal como se demuestra en la figura 5.

En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de instrucciones y la memoria de datos, además de que cada una dispone de un propio sistema de buses para el acceso.

Esto proporciona el paralelismo, además de adecuar el tamaño de las palabras y los buses a los requerimientos específicos de las instrucciones y los datos. La capacidad de cada memoria es diferente. Esto lo podemos observar en la figura 6, donde se muestra una memoria de instrucciones de 8K x 14, mientras que la de datos sólo dispone de 512 x 8.

Este microcontrolador responde a la arquitectura RISC (Computadoras de Juego de Instrucciones Reducido – Reduced Instruction Set Computer por sus siglas en inglés), el cual se identifica al tener un juego de instrucciones de máquina pequeño y simple, de manera que la mayor parte de instrucciones se ejecuta en un ciclo de instrucción.

MEMORIA DE PROGRAMA
Debemos tener en cuenta que la memoria de este microcontrolador no puede ser ampliada y que la memoria de programa almacena todas las instrucciones del programa de control. Ya que el programa a ejecutar sienpre debe de ser el mismo, éste debe estar grabado de forma permanente, estas pueden ser de 5 tipos diferentes:

a) ROM con máscara
b) EPROM
c) OTP
d) EEPROM
e) FLASH

En nuestro caso haremos uso de un microcontrolador con memoria Flash. Este es un tipo de memoria no volátil, más económica, de igual sistema de borrado/escritura que las EEPROM, pero que pueden tener mayores capacidades que éstas. El borrado se realiza de forma completa y no por bloques o posiciones concretas. Este tipo de memoria es fácilmente identificable en las series de microcontroladores Microchip, por ejemplo lo indicado en la figura 7.

MEMORIA DE DATOS
Los datos en memoria varían continuamente, y esto exige que la memoria que los contiene debe de ser de lectura y escritura, por lo que la memoria RAM estática (SRAM) es la más adecuada aunque sea volátil. Las memorias del tipo EEPROM y FLASH puedan escribirse y borrarse eléctricamente. Sin necesidad de sacar el Circuito Integrado de zócalo de grabador pueden ser escritas y borradas numerosas veces. Para estos casos existen sistemas, tanto para la escritura de EEPROM como FLASH.

LINEAS DE ENTRADA Y SALIDA (E/S)
PARA LOS CONTROLADORES DE PERIFERICOS

Con excepción de las patitas que recibe alimentación (2), las que contienen el cristal (XT) (2) que regula la frecuencia de trabajo del microcontrolador, y una más para “predisponer al microcontrolador” (provocar el RESET, o permitir su escritura), las demás sirven para soportar su comunicación con los periféricos que controla, en nuestro caso tenemos el diagrama de patas de la figura 8.

RECURSOS AUXILIARES
a) Circuito de reloj: para sincronizar
el funcionamiento del sistema
b) Temporizadores
c) Watch Dog Timer, destinado a provocar una reinicialización cuando el programa queda bloqueado.
d) Comparadores analógicos
e) Sistemas de protección entre
fallos de alimentación.
f) Sleep, en el que el sistema se “congela” y pasa a un estado de bajo consumo.

Cabe aclarar que, a lo largo del curso, describimos trabajos con el PIC16F877, que es más poderoso que el PIC16F84 y cuyo diagrama de patas se puede ver en la figura 9. Las características del PIC16F877 son las siguientes:

a) CPU RISC de alta performance
b) 35 Instrucciones de una sola palabra
c) Todas las instrucciones se realizan en un ciclo de instrucción, a excepción de las que contienen saltos u otra programación que las realizan en dos ciclos de instrucción.
d) Velocidad de operación:
DC – 20MHz de entrada de reloj
DC – 200 ns de ciclo de instrucción
e) Más de 8K x 14 palabras de Memoria de Programación FLASH Más de 368 x 8 bytes de Memoria de Datos (RAM) Mas de 256 x 8 bytes de Memoria EEPROM de datos
f) Interrupciones (más de 14 fuentes)
g) Modos de direccionamiento: Directo, indirecto y relativo.
h) Power On-Reset (POR)
i) Temporizador de encendido (PWRT) y Temporizador Oscilador de Encendido (OST)
j) Temporizador Perro Guardián (Watch Dog Timer WDT) con su propio oscilador RC para una operación más confiable.
k) Código de protección programable
l) Modo de SLEEP, ahorrador de energía
m) Opciones de oscilador seleccionables
n) Tecnología CMOS FLASH/EEPROM de alta velocidad y bajo consumo.
o) Amplio rango de operación, de 2.0 a 5.0V
p) Bajo consumo de potencia < 2mA típicamente @ 5V, 4MHz 20µA típicamente @ 3V, 32kHz < 1µA típicamente a corriente estándar q) Timer0: Contador/temporizador de 8 bits con 6 bits de pre-escalar
r) Timer1: Contador/temporizador de 16 bits con pre-escalar, puede ser incrementado durante el modo de SLEEP mediante un reloj/cristal externo.
s) Timer2: Contador/temporizador de 8 bits con un registro de 8 bits, pre-escalar y post-escalar
t) Dos módulos PWM de captura y comparación 16 bits de captura, máxima resolución de 12.5 ns. 16 bits de comparación, resolución, máxima de 200 ns. Máxima resolución del PWM de 10 bits
u) Convertido Análogo Digital multicanal de 10 bits.
v) Puerto Serial Síncrono (Serial Synchronous Port SSP) con SPI (Modo Maestro) e I2C (Maestro/Esclavo) w) USART/SCI con 9 bits de detección de dirección
x) Puerto Paralelo Esclavo (Paralell Slave Port PSP) de 8 bits, con pines de: RD, WR y CS externos de control.

Lo dado hasta aquí constituye la introducción a nuestro Curso de Sistemas de Control, si Ud. desea obtener el trabajo completo, puede bajarlo de nuestra web:

www.webelectronica.com.ar

Debe dirigirse al ícono password e ingresar la clave: control204

Por último, aclaramos que en sucesivas ediciones continuaremos con el desarrollo de este curso.

 
Sobre un trabajo de Ing. Fernando Ventura Gutiérrez con la colaboración de Ing. Ismael Cervantes de Anda y la coordinación de Ing. Horacio D. Vallejo
 
CUADRO
 
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5 - 6
 
FIGURA 7 - 8
 
FIGURA 9
PROMOCIONES
 
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