httpsatenea.upc.edupluginfile.php5250242mod resourcecontent1tema1CIA 20 21.pdf

Tema 1. Introducció al control
industrial i automatització
1. Conceptes bàsics. Terminologia
2. Sistema de regulació
3. Sistema automatitzat
4. Regulació / automatització
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
1
Exemple 1: Nivell d’un líquid en un dipòsit
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
2
Exemple 2: Impressora 3D
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
3
Exemple 3: Seguidor solar
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
4
Exemple 4: Control de la velocitat de creuer adaptativa
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
5
Terminologia
Component: És un element físic que pot adoptar diferents estats de
funcionament.
Sensors / transductors
Actuadors
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
6
Terminologia: Components
Sensors o transductors: Són els
components que indiquen el valor
d’una magnitud física i ens informen de
l’estat d’un sistema: temperatura,
tensió, nivell, flux, ….
Aquesta variació física es transforma,
mitjançant l’electrònica, en un senyal
elèctric que podrà ser processat.
En el cas de sensors de temperatura
s’anomenen sondes.
Sensor de nivell: ultrasons
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
7
Terminologia: Components
Actuadors: són els components encarregats d’actuar sobre el procés, en
general són elements que transformen l’energia elèctrica en un altre tipus
d’energia: rotació, moviment, calor, ... .
Bomba
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
8
Terminologia
Component: És un element físic que pot adoptar diferents estats de
funcionament.
Sensors / transductors
Actuadors
Sistema: És una combinació de components que actuen en conjunt per
realitzar una determinada funció, la qual no es realitzaria amb només una
de les parts.
Procés: Successió d’operacions o fases que es repeteixen regularment en
un sistema o conjunt de sistemes
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
9
Terminologia: Procés
- Sistema d’omplir el dipòsit
- Procés de variar el nivell
Variables
pertorbació
PROCÉS
Variables
d’entrada
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
Variables
de sortida
10
Variables d’entrada d’un procés: són les senyals o matèries que entren al
sistema per realitzar una certa operació o procés i que poden ser regulades
per el usuari.
Variables pertorbacions d’un procés: són les senyals o matèries que
entren al sistema i modifiquen el seu funcionament però no poden ser
regulades per el usuari.
Variables de sortida d’un procés: són les senyals o matèries que surten
del sistema i que són l’objectiu del procés.
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
11
Terminologia: Procés
- Sistema d’omplir el dipòsit
- Procés de variar el nivell
Variables pertorbació:
Flux d’aigua a la
sortida
PROCÉS
Variables
d’entrada:
Flux de la bomba
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
Variables
de sortida:
Nivell del
dipòsit
12
Terminologia: Procés
- Sistema de posicionament de l’element terminal
- Sistema d’escalfament del plàstic
- Procés de fabricar una peça 3D
Variables pertorbació:
- Temperatura de l’entorn
PROCÉS
Variables d’entrada
- Tensió aplicada als motors
- Tensió aplicada a la resistència
15/02/2021
Variables de sortida:
- Posició de l’element terminal
- Temperatura del plàstic
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
13
Terminologia: Sistema de control
Controlador o regulador: és el sistema que elabora i calcula en tot moment el
valor de les variables d’entrada al procés per tal de que la variable de sortida
coincideixi amb uns valors desitjats a pesar de l’existència de pertorbacions.
Variables
pertorbació
Controlador
/ regulador
PROCÉS
Variables
d’entrada
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
Variables
de sortida
14
Tema 1. Introducció al control
industrial i automatització
1. Conceptes bàsics. Terminologia
2. Sistema de regulació
3. Sistema automatitzat
4. Regulació / automatització
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
15
Sistema de regulació
Mode de funcionament d'un sistema, aparell automàtic, etc, consistent en
comparar la magnitud a regular amb un valor de referència a fi de que els dos
valors siguin com més pròxims millor.
La majoria de éssers vius tenen sistemes de regulació.
Exemple 1: Regulació de les
constants vitals
15/02/2021
Un procés biològic vital auto-regulat és el
manteniment de les anomenades constants
vitals (pressió sanguínia i temperatura del
cos) dels homes i animals. Complexes
mecanismes biològics reaccionen en front de les
adversitats o pertorbacions (per exemple, els
canvis bruscs de la temperatura ambient o els
esforços musculars) intentant mantenir aquestes
variables a uns valors adequats per cada
organisme, anomenats constants o consignes.
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
16
Sistema de regulació
En el nostra entorn, estem acostumats a realitzar moltes tasques de regulació.
Destaquem en el marc de les tasques domèstiques:
- torradora de pa, el sistema de control és un temporitzador;
- sistema de dosificació d’aigua calenta, el sistema de control és manual amb una vàlvula
que permet la mescla de dos fluids;
- regulació de la temperatura d’un forn elèctric, el sistema de control és un termòstat;
Podem parlar d’altres sistemes més complexes com:
- Control de posicionament del capçal per la lectura i escriptura dels discs durs dels PCs
- El regulador de velocitat en un vehicle
La regulació pot ésser manual o automàtica, però a causa de la complexitat
de molts processos industrials s’utilitza la regulació automàtica, mitjançant un
regulador.
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
17
Sistema de regulació: anell obert / anell tancat
Anell obert
Es caracteritza perquè el sistema de control és independent de l’estat del
sistema. Com exemples podem citar:
- torradora de pa (temporalitzada)
- secador de cabells
- volum dels altaveus
Procés
Compara
Decideix
Comportament
pertorbacions
Canvis
Resposta
Actuador
Actua
Comportament
control
+
+
Mesurar
Operació manual o en llaç obert
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
18
Sistema de regulació: anell obert / anell tancat
Anell obert
Característiques d’un llaç obert:
variable de
pertorbació
Consigna o referència o
objectiu de control
r(t)
p(t)
uc(t)
Controlador
Comportament
pertorbacions
u(t)
Actuador
Variable de control o
regulació
15/02/2021
Procés
Comportament
control
Variable
manipulada
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
+
yp(t)
+
variable de procés
19
Sistema de regulació: anell tancat
Es caracteritza perquè el sistema de control té en compte ambdós la
resposta del sistema i dels senyals de referència o consigna. Com exemples
es podria considerar:
-
el sistema de calefacció d’un habitatge
el sistema de fred d’una nevera
p(t)
Error de regulació
r(t)
e(t)
Controlador
+
uc(t)
u(t)
Actuador
Procés
Comportament
pertorbacions
Comportament
control
+
yp(t)
+
y(t)
Sensor
variable mesurada
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
20
Sistema de regulació: anell tancat
Hi ha diversos sistemes de regulació en llaç tancat: regulació per tot o res,
proporcional, integral, derivativa, etc.
L’objectiu de l’enginyeria de control de sistemes és dissenyar el sistema de
regulació de forma que:
- s’aconsegueixi l’objectiu final, ex. assolir el valor desitjat de temperatura;
- el transitori tingui un comportament adequat, ex: no interessa que per
assolir els 40ºC haguem d’esperar tot el dia o que escalfem tant que
assolim una temperatura superior i desprès haguem de refredar;
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
21
Comparació sistema de regulació: anell obert /
anell tancat
Regulació del nivell d’un dipòsit:
Mesurar
Comparar
Decidir
Actuar
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
22
Tema 1. Introducció al control
industrial i automatització
1. Conceptes bàsics. Terminologia
2. Sistema de regulació
3. Sistema automatitzat
4. Regulació / automatització
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
23
Sistema automatitzat
Automatitzar significa aconseguir que una màquina funcioni o actuï
mecànicament sense la intervenció de l’home.
Indicacions
d’interès per el
usuari
Permeten
introduir ordres
Permeten
conèixer l’estat
del procés
Modifiquen el
comportament
del procés
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
24
Sistema automatitzat:
Exemple 3: Automatització d’una porta de garatge
Elements d’informació
Elements d’actuació
Elements d’entrada
d’ordres del usuari
Elements de sortida de
informació
Detector de porta oberta
Detector de porta tancada
Motor amb dos sentits de gir: dreta i
esquerra
Comandament
No n’hi ha
Funcionament:
Es disposa d’un dispositiu de comandament a distància que
quan s’activa:
si la porta està tancada, cal que aquesta s’obri
si la porta està oberta, cal que aquesta es tanqui
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
25
Sistema automatitzat:
Exemple 3: Automatització d’una porta de garatge
Funcionament:
Es disposa d’un dispositiu de comandament a distància que quan s’activa:
si la porta està tancada, cal que aquesta s’obri
si la porta està oberta, cal que aquesta es tanqui
Programa per controlar la porta:
if (detector porta tancada == 1) i (comandament == 1):
while (detector porta obert ≠ 0):
Motor d’obrir porta = 1
else (detector porta oberta == 1) i (comandament == 1):
while (detector porta tancada ≠ 0):
Motor tancar porta = 1
Lògica Booleana
Models d’esdeveniments discrets
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
26
Sistema automatitzat:
Model d'esdeveniments discrets
Un sistema d’esdeveniments discrets es caracteritza perquè la
informació provinent del sistema canvia en uns instants de
temps concrets (discrets) i es mantenen constants o invariants
la resta del temps. La seqüència d’instants en els quals l’estat
del sistema por presentar un canvi, obeeix a un patró aleatori.
Sensor de porta Porta tancada
tancada == 1
Porta
tancant
Comandament = = 1
Porta
obrint
Comandament = = 1
Porta oberta
15/02/2021
Estat
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
Transició
Sensor de porta
oberta == 1
27
Sistema automatitzat:
Àlgebra de Boole: codi binari
Quan es vol representar números hom utilitza el sistema decimal: 0, 1, 2, . i 9
Tots els números es poden representar amb aquest sistema afegint més o menys
dígits.
Els aparells electrònics digitals solen funcionar a dos nivells perfectament diferenciats,
hi ha voltatge o no, d’aquí el nom de sistema binari:
0 => no hi ha voltatge
1 => hi ha voltatge
L’àlgebra de Boole estudia les operacions a realitzar amb la informació binaria.
Aquestes operacions se’ls anomena funcions lògiques i les bàsiques són les: OR,
AND i NOT.
http://www.edu365.cat/eso/tecnologia/historics/electronica/index.htm
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
28
Sistemes automatitzats
Control i automàtica aplicada:
http://www.dailymotion.com/video/xcmkhb_has200-smc_tech
http://www.fumanoids.de/
https://www.youtube.com/watch?v=lxUBcwB4ivg
15/02/2021
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
29
Regulació / Automatització
Sistema de regulació
Objectiu
Aconseguir que una variable del
sistema tingui un determinat valor
Sensors
Mesuren la variable a regular
Actuadors
Modifiquen el valor de la variable
a regular
Eines
Models continus/equació
matemàtiques diferencials
Sistema automatitzat
Fer que el sistema treballi de forma
automàtica
Informen sobre l’estat del sistema
Modifiquen l’estat del sistema
Implementació Reguladors PID
tecnològica
Autòmats programables
Temes 3 i 4
15/02/2021
Models d’esdeveniments discrets
Tema 2
Tema1. Introducció al control industrial i
automatització
30