Control de Nivel

Los controladores de nivel son dispositivos cuya finalidad es la de obtener la garantía de mantener el nivel del liquido o fluido en un rango de variación establecido.

Estos equipos son herramientas muy importantes en lo que son procesos de producción, almacenamiento (ya sea de algún tipo de liquido o de un sólido), etc. 

También se ha visto la necesidad de utilizarlos en automatización de procesos y es que proporcionan mayor precisión en la fabricación de piezas, llenado de envases y en nuestro caso controlar el nivel de un tanque de almacenamiento.

Mantener controlado el nivel del líquido en los diferentes depósitos nos ayuda a obtener información del volumen del líquido así como también el tiempo de llenado

Controles de nivel para tanques de almacenamiento de agua

Los controles del nivel máximo del agua en un tanque de almacenamiento tienen la doble función de garantizar la seguridad de las estructuras y de evitar el desperdicio de agua. El control del nivel máximo se hace mediante un sensor de nivel conectado en alguna forma, ya sea mecánica o electrónica con la operación de una bomba.

Cuando el nivel máximo es alcanzado, el sensor de nivel será cerrado y la bomba se apagara.

El control del nivel mínimo del agua tiene la función de garantizar el buen funcionamiento del sistema evitando la entrada de aire en la tubería que se encuentra aguas abajo del tanque, como por ejemplo en la red de distribución de agua, o en la succión de la o las bombas. En este caso también el sistema está compuesto por un sensor de nivel conectado a la bomba, para aumentar la entrada de agua al tanque.

Cuando el nivel del agua llega al mínimo, el sensor de nivel será abierto, activando la bomba.

Esto permite tener un control automatizado en el llenado y vaciado del tanque. 

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Contadores

Los contadores son sistemas secuenciales con una sola entrada de impulsos a contar, cuyo estado interno en cada instante representa el número de impulsos que se han aplicado.

Los pulsos de entrada pueden ser pulsos de reloj u originarse en una fuente externa y pueden ocurrir a intervalos de tiempo fijos o aleatorios.

El número de salidas limita el máximo número que se puede contar.

Clasificaciones

Según el comportamiento con la señal

• Contadores asincrónicos: son aquellos en los que las entradas de reloj que los gobiernan no actúan simultáneamente en todos los flip-flops sino secuencialmente, es decir, los impulsos a contar no se aplica a las entradas de reloj de todos los flip-flops a la vez, sino generalmente sólo a la del primero, y las entradas de reloj del resto son gobernadas por las salidas del biestable precedente.
• Contadores sincrónicos: son aquellos en los que los impulsos a contar se aplican a todas las entradas de reloj de todos los biestables a la vez.

Según el formato de salida del conteo

• Binario
• BCD (Decimal Codificado en Binario): Cuenta en código decimal desde 0000 a 1001 y de vuelta a 0000. Debido a que se hace el retorno a cero desde 9 y no desde 15 (existe esa posibilidad), el contador BCD no tiene un patrón regular como en una cuenta binaria directa.
• Arbitrario

Según sentido de conteo

• Conteo ascendente ó progresivo.
• Conteo descendente ó regresivo.

Aplicaciones

• Contaje de objetos y sucesos
• División de frecuencia y ampliación de períodos
• Medida de tiempos
• Multiplexado temporal: reparto de tiempos
• Medida de frecuencias

Como ejemplo de las aplicaciones de los contadores les compartimos este video de la serie GE de Hanyoung Nux

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Controladores

Control: Mantener una variable controlada dentro de ciertos rangos previamente establecidos.

¿Qué es un controlador?

Partiendo de la definición anterior de control, decimos que un controlador es aquel instrumento que compara el valor medido con el valor deseado, en base a esta comparación calcula un error y actuar a fin de corregir este error.

Entonces la función del controlador es mantener la variable controlada dentro de los criterios previamente establecidos.

Estas criterios son:

P-Punto de ajuste

X - Desviación

Y - Señal controlada de salida

Conceptos básicos de control

Tenemos que tomar en cuenta que cada proceso tiene una dinámica propia y única. Por lo tanto, cuando en un sistema de control sintonizamos los algoritmos P (Proporcional), I ( Integral) y D (Diferencial) de un Controlador, debemos investigar, probar, medir, calibrar y mantener todo tipo de variables del proceso y sintonizar los parámetros de los algoritmos de control.

Por consiguiente, la sintonización de los parámetros P, I y D debe de realizarse de forma que quede en la forma más perfecta posible con la dinámica del proceso.

Para darnos una idea de la diferencia entre los procesos, tomaremos en cuenta los conceptos de Tiempo Muerto, Constante de Tiempo, Ganancia del Proceso, Ganancia Ultima y Período Último.

Lo que debemos de tomar en cuenta al momento de elegir un controlador es:

Compensación en adelanto

Esta básicamente acelera la respuesta e incrementa la estabilidad del sistema.

Compensación de atraso

Esta puede reducir (pero no eliminar) el error de estado estacionario.

La compensación de atraso-adelanto combina las ventajas de ambas compensaciones dado que posee dos polos y dos ceros. Tal compensación aumenta en dos el orden del sistema, a menos que ocurra una cancelación de polos y ceros en el sistema compensado.

Métodos de Control

Son los modos con los que cuenta un controlador para efectuar la acción de control estos son:

- Dos posiciones

- Dos posiciones con zona diferencial

- Proporcional

- Proporcional con reajuste automático

- Proporcional con reajuste automático y acción derivada

Un controlador de encendido-apagado (controlador binario, de dos posiciones) tiene únicamente dos valores posibles en su salida, dependiendo de la entrada en el controlador.

Un controlador proporcional (P) tiene una salida proporcional a su entrada.

Un controlador derivativo (D) tiene una salida proporcional a la derivada de su entrada.

Un controlador integral (I) tiene una salida proporcional a la integral de su entrada.

Los controladores PD, PI, DI y PID son combinaciones de los controladores, proporcional (P), derivativo (D) e integral (I).

Accionadores y Preaccionadores

¿Qué son los accionadores y preaccionadores?

Un accionador o actuador es el elemento final de control que actúa sobre la variable o elemento final del proceso en respuesta a la señal de mando que recibe.

Tienen la función de participar en la realización física de la tarea.

- Ejecutando o haciendo ejecutar un efecto físico (movimiento)

- Enviando la energía eléctrica hacia un transductor que intervendrá en una transformación física o química.

Un preaccionador permite la amplificación y/o conversión de la señal de control proporcionada por el controlador para el gobierno de la instalación.

Clasificación de actuadores

Según la magnitud controlada:

- Eléctricos: Los motores eléctricos son, actualmente, los más utilizados, debido a que la energía que consumen se puede obtener de forma sencilla y económica, presentan unas buenas prestaciones de par y velocidad, son pequeños y su regulación es fácil.

- Neumáticos:  Son los movidos por aire comprimido. El aire se comprime en un compresor y se envía a pistones ó cilindros de distintos tipos.

- Hidráulicos: Son los movidos por fluido incomprensible, que permite una mayor capacidad de esfuerzos y una más fácil regulación.

Según el tipo de señal de entrada:

- Todo / Nada

- Digital

- Analógico

Los más utilizados en la industria son: Cilindros, motores de CA, motores de CC, etc.

Los preaccionadores más usados son: Relés, contactores, telerruptor, interruptores, válvulas.

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Interruptores de Final de Carrera (Limit switch)

Son sensores de contacto que muestran una señal eléctrica, ante la presencia de un movimiento mecánico.

Son utilizados ampliamente en ambientes industriales para censar la presencia de objetos en una posición específica. Se utilizan en diversas aplicaciones. Pueden determinar la presencia, ausencia, paso y posicionamiento de un objeto.

En un comienzo se los utilizaba para definir el final del recorrido de un objeto, de ahí que se llamen "interruptores de final de carrera"

Diseño

Consta de un accionador unido a una serie de contactos. Cuando un objeto entra en contacto con el accionador, el dispositivo activa (o acciona) los contactos para establecer o interrumpir una conexión eléctrica.

Están compuestos por dos partes: 

un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento.

Los interruptores de final de carrera están diseñados con dos tipos de cuerpo: enchufable y no enchufable.

Carcasas Enchufables: la carcasa enchufable se abre por la mitad para acceder al bloque de terminales. Si el interruptor sufre daños o se desgasta, basta con quitar el cuerpo del interruptor con su cabeza y enchufar uno nuevo. No hace falta volver a realizar el cableado.

Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA o NO en inglés), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados. Existen los de lengüeta, bisagra, palanca con rodillo, varilla, palanca metálica con muelle, de pulsador, etc.

Componentes Básicos:

Accionador: Es la parte del interruptor que entra en contacto con el objeto que se está detectando. Este tiene 2 posiciones, en reposo y posición de operación o punto de disparo.

• Lateral Rotatorio
• De pulsación lateral o superior.
• De vástago oscilante o bigote de gato.

Cabeza: En la cabeza se encuentra el mecanismo que transforma el movimiento del accionador en movimiento de contacto. Cuando el accionador se mueve correctamente, el mecanismo acciona los contactos del interruptor.

Bloque de contactos: En el bloque de contactos se encuentran los elementos eléctricos de contacto del interruptor. Generalmente hay dos o cuatro pares de contactos.

Bloque de terminales: En el bloque de terminales se encuentran las terminales atornillables. Aquí se realiza la conexión eléctrica (por hilos) entre el interruptor y el resto del circuito de control.

Cuerpo del interruptor: En un interruptor enchufable, el cuerpo del interruptor aloja el bloque de contactos. En un interruptor no enchufable, encontrará el bloque de contactos y el bloque de terminales del interruptor.

Base: En un interruptor enchufable, la base aloja el bloque de terminales. Los interruptores no enchufables no tienen una base aparte.

El sensor emite una señal de Encendido/Apagado. (digital) basándose en la presencia o ausencia del objeto en cuestión.

Tipos de Salida:

Hay dos tipos de salidas: electromecánica y de estado sólido.

Electromecánica

• Relé
• Interruptor

Estado sólido o electrónico

• Transistor
• Transistor de efecto de campo (FET)
• Triac
• Analógico
• Red o bus

El tipo de salida que se elija dependerá de la interface que se haya definido en la aplicación y de los tipos de salida disponibles para el sensor con el que se está trabajando.

Hay que conectarlos en una salida digital ya que solo dan dos valores: abierto o cerrado.

Principio de Funcionamiento

El movimiento mecánico en forma de leva o empujador actúa sobre la palanca o pistón
de accionamiento del interruptor de posición haciendo abrir o cerrar un contacto eléctrico
del interruptor.

Esta señal eléctrica se utiliza para posicionar, contar, parar o iniciar una secuencia

operativa al actuar sobre los elementos de control de la máquina.

Estos sensores tienen dos tipos de funcionamiento: modo positivo y modo negativo. 

En el modo positivoel sensor se activa cuando el elemento a controlar tiene una tara que hace que el eje se eleve y conecte el contacto móvil con el contacto NC. Cuando el muelle (resorte de presión) se rompe el sensor se queda desconectado.

El modo negativoes la inversa del modo anterior, cuando el objeto controlado tiene un saliente que empuje el eje hacia abajo, forzando el resorte de copa y haciendo que se cierre el circuito. En este modo cuando el muelle falla y se rompe permanece activado.

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Tacómetro Digital

Un tacómetro (del griego, tachos = velocidad y metron = medida) es el nombre del dispositivo que se encarga de medir la cantidad de revoluciones (giros) de un eje. 

Al medir el número de revoluciones, también mide la velocidad con que gira el eje y, por extensión, la velocidad con que gira un motor.

Los tacómetros suelen medir las revoluciones por minuto (o, de acuerdo a su sigla, RPM). 

Para que su expresión resulte más sencilla, expresan esta unidad de frecuencia multiplicada por 1.000. Así, el indicador puede expresar números del 1 al 8, por ejemplo.

Son utilizados para llevar un registro de las velocidades del elemento que tengamos en estudio, que nos permita saber si está trabajando en forma adecuada.

Con este tipo de instrumentos evitamos que se detenga la maquinaria, pudiendo hacer un mantenimiento en el momento adecuado. También se puede emplear para conocer distancias recorridas por ruedas, engranes o bandas.

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Sensores Fotoeléctricos (Fotoceldas)

Un sensor fotoeléctrico (u óptico) es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz.

Este tipo de sensores se componen de 2 piezas, el emisor, que genera la luz, y el receptor, que "ve" la luz.

Trabajan detectando el cambio en la cantidad de luz que, o bien es reflejada, o bien interrumpida por el objeto a detectar (diana). El cambio en el haz de luz puede ser el resultado de la presencia o ausencia de la diana, o el resultado de un cambio en el tamaño, perfil, receptividad o color de dicha diana. El receptor detecta el cambio y conmuta el estado de la salida del sensor, es decir, si es Normalmente Abierto (NA), se cierra y viceversa.

Los sensores fotoeléctricos se utilizan en muchas industrias y aplicaciones que necesiten detectar dianas a distancias inferiores a 5mm (0.2") hasta 250m (820 pies).

Es necesario que la diana provoque un cambio suficiente en el nivel de la luz percibido por el sensor y que el usuario tenga un conocimiento claro de los requisitos de detección.

Antes de escoger el sensor fotoeléctrico para su proceso deberá contestar las siguientes preguntas:

¿Cuales son el tamaño, forma y/u opacidad del objeto a detectar?

¿El objeto a detectar posee cualidades reflectivas?

¿Que tipo de respuesta se le pide al sensor?

¿Que configuración de montaje se requiere para el sensor?

¿Cuál es la frecuencia de operación y qué requisito impone la velocidad de operación al dispositivo de salida?

¿Cuáles son los requisitos de carga, tales como tensión, corriente, impedancia de carga?

¿De qué valores de tensión y corriente de alimentación se dispone para la operación del sensor?

¿Cuál es la temperatura ambiente que rodea el sensor fotoeléctrico?

¿Existen otras condiciones ambientales, tales como suciedad o altos valores de humedad, que sean únicos en el área que rodea al sensor fotoeléctrico?

Existe un gran número de sensores fotoeléctricos para elegir. Cada uno de ellos ofrece una combinación única de características de detección, salida y opciones de montaje. Muchos sensores también ofrecen lógica incorporada o capacidades únicas de conexión en red de dispositivos.

Componentes Básicos

Un sensor fotoeléctrico tiene cuatro componentes básicos:

• Fuente de luz
• Sensor de luz
• Lentes
• Dispositivo de conmutación de salida

Modos de detección

Los diferentes métodos de detección reciben el nombre de modos de detección. Hay tres tipos básicos:

Barrera (emisor-receptor): El objeto se interpone entre el emisor del haz luminoso y el receptor. Si la luz no llega al receptor se produce la acción de conmutación.

Barrera Reflectiva (réflex): Los detectores se denominan réflex, cuando el emisor del haz luminoso y el receptor, están en el mismo cuerpo y el elemento contrario es un reflector o catadióptrico.

Sensor Difuso: Un objeto cualquiera realiza la función de reflector. El emisor y receptor están en el mismo cuerpo. No permiten que la distancia sea elevada. 

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Sensores Capacitivos

Los sensores capacitivos son interruptores electrónicos que trabajan sin contacto.

Estos sensores aprovechan el efecto que tienen los materiales como el papel, vidrio, plástico, aceite, agua, así como de los metales, de aumentar la capacidad del sensor cuando se encuentran dentro del campo eléctrico generado.

La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica.

Detallamos valores de constante dieléctrica de algunos materiales:

Material                Constante Dieléctica

Acero                                   98

Agua                                    80

Alcohol                              25.8

Caucho                            2.5 a 35

Polietileno                          2.3

Aire                                1.000264

Mica                                   5.4

Papel                                  3.5

Poliester                             3.3

Porcelana                           6.5

Teflon                                2.1

Funcionamiento

Desde el punto de vista puramente teórico, se dice que el sensor está formado por un oscilador cuya capacidad la forman un electrodo interno (parte del propio sensor) y otro externo (constituido por una pieza conectada a masa). El electrodo externo puede estar realizado de dos modos diferentes; en algunas aplicaciones dicho electrodo es el propio objeto a sensar, previamente conectado a masa; entonces la capacidad en cuestión variará en función de la distancia que hay entre el sensor y el objeto. En cambio, en otras aplicaciones se coloca una masa fija y, entonces, el cuerpo a detectar utilizado como dieléctrico se introduce entre la masa y la placa activa, modificando así las características del condensador equivalente.

Aplicaciones

Estos sensores se emplean para la identificación de objetos, para funciones contadoras y para toda clase de control de nivel de carga de materiales sólidos o líquidos. También son utilizados para muchos dispositivos con pantalla táctil, como teléfonos móviles o computadoras ya que el sensor percibe la pequeña diferencia de potencial entre membranas de los dedos eléctricamente polarizados de una persona adulta.

- Detección de nivel

En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etc.) penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia.

- Sensor de humedad

El principio de funcionamiento de esta aplicación es similar a la anterior. En esta ocasión el dieléctrico, por ejemplo el aire, cambia su permitividad con respecto a la humedad del ambiente.

- Detección de posición

Esta aplicación es básicamente un condensador variable, en el cual una de las placas es móvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva entre las dos placas, variando también el valor de la capacitancia, y también puede ser usado en industrias químicas. pero como sabemos este tipo de aplicación no suele ser lo correcto

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Control de Razón

Se utiliza en los casos en que se requiera que dos o más reactivos, u otros elementos, se tengan que mezclar en una cierta proporción instante a instante (no es posible pesar uno y luego el otro para juntarlos de una vez).

Se obtiene de varias maneras:

Instrumento: se diseñan instrumentos para aplicaciones especificas como el control de combustión.

Software: están incorporados en computadores industriales.

Control de razón en Lazo Abierto

Control de razón en Lazo Cerrado

Aplicaciones:

- Mezclado de dos o más ingredientes. Un ingrediente es seteado como la referencia principal y los demás ingredientes son relacionados al anterior

- Control aire-combustible para un proceso de combustión. El flujo de combustible es controlado por un controlador de temperatura o presión. La medida del flujo de combustible es luego usada para determinar el set point de un controlador de flujo de aire.

- Control de flujo de un producto en función a la velocidad de alimentación, como una forma de control de posición.

- Fabricación de la cerveza (mezcla proporcional de cerveza concentrada y agua)

- Fabricación de yogurt saborizados

Ejemplo:

Se muestra un mezclador en el cual dos ingredientes son mezclados, para obtener un producto de buena calidad, la cantidad de cada ingrediente debe ser precisa.

El flujo de un ingrediente no es controlado, este es medido y es usado como referencia para el flujo del segundo ingrediente llamado flujo controlado

Control de Cascada

Definición

Se define como la configuración donde la salida de un controlador de retroalimentación es el punto de ajuste para otro controlador de retroalimentación, por lo menos. El control de cascada involucra sistemas de control de retroalimentación o circuitos que estén ordenados uno dentro del otro.

Cuando utilizarlo

• Cuando el control realimentado simple no provee un desempeño satisfactorio a lazo cerrado.
• Cuando se tiene una variable manipulable y más de una variable medida.
• Cuando las perturbaciones afectan directamente a la variable de proceso manipulada.

Estructura

El control en cascada tiene dos lazos un lazo primario con un controlador primario también llamado "maestro" y un lazo secundario con un controlador secundario también denominado "esclavo", siendo la salida del primario el punto de consigna del secundario. La salida del controlador secundario es la que actúa sobre el proceso.

Funciones

• Reduce los efectos de una perturbación en la variable secundaria sobre la variable primaria.
• Reduce los efectos de los retardos de tiempo.
• El controlador primario recibe ayuda del controlador secundario para lograr una gran reducción en la variación de la variable primaria.

Requisitos

• El lazo interno (secundario) debe ser más rápido que el lazo externo (primario).
• La frecuencia de oscilación en el lazo secundario debe ser al menos tres veces la frecuencia en el lazo primario, si estos están bien sintonizados.

Ejemplo

Control de temperatura: intercambio de calor

El objetivo es calentar una corriente de proceso, Fe, manipulando el caudal de combustible, Fv, que entra al intercambiador.

El regulador externo (TC-temperatura) fija la consigna del regulador interno (FC-caudal) cuyo objetivo es corregir el efecto sobre el caudal de combustible (Fv) del cambio en Pa antes de que afecte de forma significativa a la temperatura T.