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4. Tipos de controles de un proceso: lazo abierto o lazo cerrado

Mediante un sistema de control se puede manejar el funcionamiento de un proceso automático predeterminado. Existen dos tipos de sistemas de control en función de cómo estos relacionan los parámetros de entrada con los de salida.

4.1. Control en lazo abierto

Los sistemas de control en lazo abierto realizan un proceso de forma lineal, en el que el valor de entrada no está ligado con el valor de salida. Es decir, en estos sistemas el parámetro de salida no interfiere en el de entrada.

Ejemplo

Un ejemplo de control en lazo abierto se encuentra por ejemplo en un semáforo, donde las luces de este se conmutan en verde, amarillo y rojo por medio de un temporizador sin tener en cuenta la cantidad de tráfico que exista en cada momento.

En un esquema de control en lazo abierto el comportamiento del sistema es previsible, donde no existe interferencia entre los parámetros de entrada y salida. Una característica propia de los sistemas en lazo abierto es que el controlador no registra y/o revisa el resultado de salida, teniendo por tanto un control limitado del proceso al no comparar el valor de salida del sistema con el valor deseado.

Las características distinguen a un sistema de control en lazo abierto son:

1 Cada acción automática está referenciada a un valor de entrada.
2 Son propensos a desestabilizarse en presencia de perturbaciones, dando como respuesta resultados indeseados.
3 Tras su activación, realizan el proceso durante el tiempo programado sin dependencia y verificación del resultado obtenido.
4 El empleo de un tipo de control en lazo abierto requiere de un completo conocimiento del proceso por su incapacidad de autoajustarse.

Recuerde

En los procesos controlados en lazo abierto el parámetro de salida no tiene influencia sobre el sistema de control.

Actividades

5. Describa mediante un ejemplo un sistema automático que funciona en lazo abierto.

4.2. Control en lazo cerrado

Cuando al final de un proceso la variable de salida tiene influencia directa sobre el controlador y por tanto puede alterar el proceso, se dice que se está ante un control de tipo lazo cerrado.

Los sistemas de control en lazo cerrado se encuentran retroalimentados por la variable de salida, que facilita la regulación del proceso.

Ejemplo

Los aires acondicionados son ejemplos de máquinas que funcionan con controles de lazo cerrado. Cuando se regula la temperatura de una estancia a un valor determinado, el sensor térmico del aire acondicionado verifica que la temperatura sea correcta y en caso contrario envía una señal al controlador con la información necesaria para que tome una determinada acción y por consiguiente lograr el ajuste en la temperatura de la estancia.

Algunas de las características que identifican un sistema de control en lazo cerrado son:

1 Relación entre parámetro de salida y entrada.
2 Establecimiento de un valor de referencia deseado, a partir del cual se realiza la regulación o ajuste del sistema.
3 Capacidad para asumir perturbaciones desestabilizadoras.
4 Necesidad de incorporar un elemento o sistema que actúe cómo verificador comparando el valor de entrada con el de salida.

Definición

Perturbación

Es una acción externa que modifica de forma indeseada el normal comportamiento o funcionamiento de un sistema.

Actividades

6. ¿Qué tipos de procesos automáticos en lazo cerrado puede encontrar en su entorno? Elija uno y describa su funcionamiento.

La representación de los sistemas de control en lazo abierto y en lazo cerrado de un sistema automático se hace a través de diagramas de bloques. Un diagrama de bloques resume esquemáticamente el funcionamiento que realiza un proceso señalando los pasos en los que se lleva a cabo su ejecución.

En los diagramas de bloques se recogen entradas, salidas, procesos intermedios y finales, así como parámetros indicativos y los principales dispositivos que intervienen a lo largo del proceso.

Actividades

7. Complete la siguiente tabla eligiendo el tipo de proceso que le corresponde al funcionamiento de cada aparato.

	Lazo abierto	Lazo cerrado
Tostador
Horno
Lavadora
Termostato
Sistema de calefacción
Puerta automática

Aplicación práctica

Trabajando para la compañía “Automatismos García” debe realizar el diagrama de bloques de un proceso que funciona en lazo cerrado para un horno industrial. La entrada del sistema será de aire frío y la salida de aire caliente hacia el interior del horno. A continuación, se recogen los sistemas y elementos que deberá incluir en el diagrama de bloques. Dibuje el esquema y describa el funcionamiento del proceso. Deberá además dibujar los límites del horno en cuyo interior se encontrará el calentador y el sensor.

1 Calentador
2 Comparador
3 Termómetro (sensor)
4 Unidad de control

SOLUCIÓN

La entrada de aire es recibida por un comparador que envía la señal a la unidad de control. Esta analiza los valores térmicos tanto de la temperatura de entrada como la del interior del horno. Si la temperatura del horno marca un valor inferior al programado, la unidad de control hace funcionar al calentador, introduciendo aire caliente dentro del horno. Cuando la temperatura interior del horno marque el valor establecido, la unidad de control reducirá la entrada de aire caliente en el horno a través del calentador. El proceso en lazo cerrado se consigue a través de un termómetro en el interior del horno conectado con el comparador, que permite a la unidad de control tomar las decisiones acordes a la situación planteada.

5. Tipos de procesos industriales aplicables

Los procesos de fabricación permiten transformar las materias en productos acabados. El control de estos procesos automáticos se puede realizar mediante la tecnología de lazo abierto o lazo cerrado y su aplicación industrial en función de la evolución del proceso con respecto al tiempo, se clasifica en tres tipos:

1 Proceso discreto
2 Proceso continuo
3 Proceso por lote

Los procesos discretos y por lotes se usan principalmente en autómatas programables, mientras que los procesos continuos están íntimamente ligados a la automatización industrial de mecanismos de producción y control.

Definición

Autómata programable

Es un elemento, sistema o máquina electrónica diseñada con el fin de controlar en tiempo real un proceso industrial de tipo secuencial o por lote. Dicho autómata permite la programación de los procesos a controlar.

Actividades

8. Realice una breve investigación sobre autómatas programables. ¿Cuándo aparecen en la industria? ¿Qué características los definen? ¿Qué uso se le da en la industria?

5.1. Proceso discreto

El fundamento de los procesos discretos se basa en la entrada de materia que a través de varias fases secuenciales de actuación, se obtiene un producto final, es decir, a lo largo de un sistema de fabricación discreto compuesto por varias fases, el producto recibe procesos distintos en cada fase, sin embargo el proceso es siempre el mismo para todos los productos.

Proceso automatizado continuo para el etiquetado de botellas (© Fotografía: indeedous Vía Web - CC BY 2.0)

Ejemplo

Un ejemplo de proceso automático secuencial se encuentra en una línea de envasado de refrescos donde la materia prima es una botella vacía que en el primer proceso se etiqueta, en el segundo se llena de refresco y en el tercero se coloca el tapón, quedando el producto final. Durante este proceso, todas las botellas recibirán el mismo tratamiento.

En los procesos discretos el elemento de entrada o materia prima es siempre un objeto con las mismas características que sobre el que se trabaja con procesos individuales hasta la obtención del producto final. Los procesos secuenciales son ampliamente empleados por la industria en la fabricación de piezas.

5.2. Proceso continuo

Los procesos continuos se basan en la constante entrada de elementos y salida de productos del sistema, regulándose los procesos que actúan sobre el elemento en función de las características de este y el producto final deseando. Es decir, en los procesos continuos el elemento de entrada puede ser de características diferentes y será el proceso el encargado de ajustar dicho elemento al producto final.

Ejemplo

Un ejemplo de proceso continuo automatizado se encuentra en el sistema de refrigeración de un frigorífico industrial, en el que se desea mantener una temperatura estable de 0 ºC. Inicialmente el sensor térmico de la estancia, muestra que esta se encuentra a temperatura ambiente, con lo que la unidad de control hace que el aire caliente (elemento) de entrada circule por el proceso de enfriado a máxima potencia, para obtener aire frío (producto). Gracias a un comparador, a medida que la temperatura de la estancia se va acercando a la temperatura de referencia la unidad de control va regulando la potencia de frío necesaria, llegando un punto en el que para mantener estable la temperatura solo es necesario el aporte de una mínima cantidad de aire frío.

Los procesos industriales continuos se caracterizan por:

1 Los parámetros empleados en el proceso son de tipo analógicos, tales como temperatura, presión, humedad, etc.
2 Los procesos son complejos requiriéndose en ocasiones largos periodos de tiempo para el arranque y/o parada del sistema.

5.3. Proceso por lote

Cuando los elementos de entrada en el proceso son un conjunto de piezas distintas que a lo largo del proceso conformarán un único producto, se conoce por proceso por lote o discontinuo. Para la obtención del producto es necesaria la aplicación de distintas operaciones sobre las materias de entrada.

Ejemplo

Los procesos de ensamblaje en la industria se tratan de procesos por lote. Por ejemplo, el proceso de ensamblado de tres piezas distintas por medio de roblonado para obtener un producto acabado conformado por la fijación de dichas piezas.

Actividades

9. Realice una tabla comparativa que incluya distintos ejemplos de procesos de tipo discreto, continuo y por bloques.

Aplicación práctica

Para el diseño del ensamblaje de una nueva pieza en la fábrica de “Metalizados Martínez” se ha reunido el equipo de operaciones y diseño de la fábrica con el fin discutir y establecer el proceso óptimo por el que se llevará a cabo el mismo. Uno de los diseñadores determina que el diseño debería ser un sistema automatizado en continuo donde el propio proceso es el que se regula así mismo. Justifique que su conclusión es errónea indicando cuál es el proceso correcto que se debe realizar, ya que se trata de la unión de cuatro piezas para dar como resultado una pieza final ensamblada.

SOLUCIÓN

El proceso óptimo para la constitución de un sistema automatizado con el fin de ensamblar cuatro piezas diferentes sería un proceso por lotes, donde la intervención de distintas operaciones automatizadas sobre el conjunto de materias inicial dará como resultado un único producto final.

6. Aparamenta eléctrica: contactores, interruptores, relés, entre otros

Previamente se han visto las partes de las que se compone un sistema automático. No obstante, existen más elementos que intervienen en la automatización de un sistema como son los contactores, interruptores, relés, etc.

En este apartado se abordará toda la aparamenta necesaria para hacer funcionar correctamente un sistema de automatización industrial.

6.1. Contactores

Para hacer posible el funcionamiento de un sistema con tecnología cableada es necesario el uso del contactor, este dispositivo es el encargado de abrir y cerrar los distintos circuitos. El contactor es un dispositivo que no puede ser accionado por un operario de forma manual, sino que es el propio circuito el que envía la señal de accionamiento.

Contactor

En la industria se pueden encontrar diferentes tipos de contactores en función del proceso a controlar. Además su colocación en el sistema puede variar según el diseño del circuito, sin embargo, la vía de conexión de un contactor y sus partes son generalmente siempre las mismas.

Los elementos que componen un contactor son:

1 Bobina: es un arrollamiento o bobinado de hilos (generalmente en cobre) que se encuentran conectados directamente con alimentación del circuito mediante las bornas. La función de la bobina es la de producir fuerzas magnéticas que serán empleadas para generar el movimiento de un resorte que abrirá o cerrará un circuito. La intensidad del magnetismo producido se controla mediante la variación de tensión en la bobina. Existen bobinas tanto para corriente continua como alterna.
2 Soporte magnético: la culata y el martillo constituyen el circuito magnético del contactor, que a su vez actúan como soporte y cobertura de la bobina. La culata es el elemento estable y fijo que alberga a la bobina, separado de esta mediante un resorte se encuentra el martillo. Estos elementos fabricados en metal se imantan cuando por la bobina se hace circular electricidad, produciéndose el desplazamiento del martillo y constituyendo la parte móvil del circuito.
3 Vástago: es el elemento de unión mecánica entre el martillo y los diferentes contactores. Su geometría y forma depende del diseño del contactor.
4 Contactos: cuando se produce el movimiento del martillo, las bornas de los contactos se desplazan a su vez, produciendo el cierre o apertura de los distintos circuitos. Se diferencian dos tipos de contactos dentro de un contactor:Contactos de fuerza: reciben este nombre por su mayor poder de corte, ya que permiten actuar en circuitos eléctricos de alta potencia. Generalmente se emplean para el encendido de un motor eléctrico, electro radiadores, etc.Contactos de mando: generalmente empleados para las accionar sistemas auxiliares y de control, su poder de corte es mucho menor en comparación con los contactores de potencia.

Un contactor puede albergar en su interior tanto contactos de fuerza como contactos de mando. Los contactos de fuerza son generalmente de tipo abierto, es decir, que en su estado de reposo, cuando no circula electricidad por la bobina, las bornas se encuentran separadas y por tanto impide el recorrido de la electricidad en sus circuitos. En cambio los contactos de mando en su estado de reposo pueden ser tanto de tipo abierto como de tipo cerrado.

Nota

Se puede distinguir entre un contactor de potencia y otro de mando mediante la numeración que establece el fabricante en base a los estándares. Los números de una sola cifra indican contactos de potencia. Los números de dos cifras se refieren a contactos de mando y cuando estos terminan en 1 – 2 indican que son tipo cerrado mientras que los acabados en 3 – 4 son de tipo abierto.

En la imagen siguiente se puede observar cómo todos los contactos están numerados con dos cifras, lo que indica que se trata de un contactor exclusivamente de mando. Además junto a estas cifras se encuentran las siglas NO y NC que indican en inglés:

1 NO: contactos normalmente abiertos.
2 NC: contactos normalmente cerrados.

Numeración de un contactor

Nota

Actualmente, además de contactos abiertos y cerrados, se pueden encontrar contactos de tipo temporizado cuya función es la de abrir/cerrar un circuito con una diferencia de tiempo previamente configurada.

A los contactores se le pueden incorporar contactos auxiliares a través de cámaras acoplables. Dichas cámaras pueden montar contactos normalmente abiertos, normalmente cerrados o temporizados.

Contactor montando cámara auxiliar

Las normativas que regulan las categorías de empleo de los contactores en las instalaciones industriales automatizadas son:

1 La normativa UNE 20 – 109: aparamenta de maniobra en circuitos de baja tensión.
2 La normativa EN 60947 – 2: aparatos de conexión y mando en baja tensión.

A continuación, se muestra el símbolo que representa un contactor en un circuito eléctrico de automatización.

Actividades

10. Identifique en la siguiente imagen el tipo de contactor e indique según su numeración si los contactos son normalmente abiertos o cerrados.

6.2. Interruptores

El interruptor es un dispositivo de mando que permite la apertura o cierre de un circuito, su accionamiento es manual y solo cuenta con dos posiciones (abierto o cerrado). La forma de actuar en un interruptor es muy variada: palanca, soporte rotativo, balancín, deslizadera, etc., pero el funcionamiento es siempre el mismo, acercar o alejar los contactos de la llave para producir el corte o cierre del circuito.

Interruptor

Los interruptores incorporan un sistema de enclavamiento mecánico que mantiene la posición del mismo de manera estable y fija, con lo que un interruptor abierto, siempre permanecerá abierto hasta que se actúe sobre él.

Un interruptor está compuesto por:

1 Actuador: se refiere a la palanca o dispositivo que una vez accionado produce el movimiento de corte o cierre de circuito.
2 Polos: son los puntos de contactos del circuito. Un interruptor puede abrir y cerrar más de un circuito, solo basta con aumentar el número de polos.
3 Vía: es la posición que adquiere el interruptor al accionarlo. Los interruptores cuentan con dos vías (circuito abierto – circuito cerrado).

A continuación, se citan los tipos de interruptores más comunes usados en la industria de la automatización:

1 Pulsador: dispositivo que al presionarlo abre/cierra el circuito.
2 Basculante: se actúa en el circuito por medio de una palanca que separa o junta los contactores.
3 Rotativo: su funcionamiento es igual a los anteriores, pero el mecanismo de movimiento se basa en girar una ruleta hasta la posición determinada de apertura o cierre.
4 Centrífugo: el mecanismo de apertura y/o cierre se basa en la aplicación de una fuerza centrífuga.

Los interruptores industriales se encuentran regulados por la normativa IEC 60947 - 2, que recoge las características mínimas de estos, el modo de empleo, el grado de protección, etc.

La siguiente imagen muestra el símbolo empleado en un esquema eléctrico para un interruptor.

6.3. Relés

El funcionamiento de un relé es similar al de un contactor. Los relés industriales al igual que los contactores, disponen de un sistema magnético para producir el movimiento que abrirá/cerrará los contactos de los circuitos conectados.

Una de las grandes diferencias entre los contactores y los relés es el tamaño, generalmente los relés tienen una estructura de un tamaño reducido en comparación con los contactores.

Relé

Aunque el funcionamiento básico de un relé es similar al de un contactor, su montaje estructural es diferente, haciendo este más compacto. El relé está formado por una bobina cuyos hilos se encuentran conectados a las bornas que alimentarán el circuito magnético. La armadura metálica conecta con los contactos por medio de una palanca. La variación en la tensión en la bobina produce el magnetismo que desplaza la armadura que actúa de palanca y mueve los contactores, haciendo que estos se separen (circuito abierto) o entren en contacto (circuito cerrado). El zócalo es la estructura sobre la que se montan todos los componentes.

El relé anteriormente descrito, se trata del tradicional relé electromecánico. En la industria además se pueden encontrar relés electrónicos que actúan de la misma forma, pero con tiempos de respuesta más rápidos, sin partes móviles (lo que hace aumentar la vida útil del componente) y no producen chispas, siendo más seguro para instalaciones de riesgo por inflamación.

Ejemplo

En una instalación industrial el personal está continuamente en contacto con agua para desarrollar su función y se decide aumentar la seguridad de un circuito eléctrico que enciende un motor para evitar las descargas eléctricas. Para ello, se decide conectar un circuito secundario de muy baja potencia que accionado por el operador a través de un relé hará funcionar el motor. En la imagen siguiente se puede observar el funcionamiento del relé los distintos estados del circuito.

En el mercado se pueden encontrar tanto relés de contacto fijo como relés conmutadores:

1 Relé de contacto fijo: funciona como un interruptor abriendo o cerrando el circuito.
2 Relé conmutador: según la posición del relé deja pasar la corriente por un circuito o por otro. Es decir, cuando no circula electricidad por la bobina del relé existe un circuito cerrado y en cambio cuando comienza a circular corriente por la bobina del relé, este circuito se abre interrumpiéndose su función y activando otro circuito distinto.

Véase a continuación una imagen con la simbología empleada para designar a los de relé de contacto fijo y conmutado.