Sensores en la Automatización Industrial

Para las empresas en la actualidad es indispensable un sistema de gestión de equipo y maquinaria con el cual lograr: Ciclos más cortos, mejor control y máxima seguridad de los procesos, así como menores tiempos muertos.

La automatización es casi siempre la solución a estas cuestiones y uno de los aspectos de mayor importancia en el área de Automatización Industrial es el tema de los Sensores, los cuales juegan un rol primordial en el sistema productivo.

Automatizar significa que en un proceso productivo no se cuenta con la participación del ser humano, y solo lo hace para fijar instrucciones ó bien modificarlas.

Con este concepto podemos decir que en una operación controlada de manera automática se llevaran a cabo tres acciones: observar, juzgar y decidir y por ultimo actuar.

Para que un sistema electrónico de control pueda controlar un proceso o producto es necesario que reciba información de la evolución de determinadas variables físicas del mismo, que en su mayoría no son eléctricas (temperatura, presión, nivel, fuerza, posición, velocidad, desplazamiento, …)

En un sistema, el sensar se realiza mediante la utilización de elementos tales como: un micro Switch, un limit Switch ó sensores que pueden ser del tipo óptico, de proximidad, de color ó de cualquier otro tipo de acuerdo a la necesidad de sensado, para controlar el sistema puede utilizar de un nivel básico de elementos tales como: relevadores , temporizadores, contadores o más sofisticados como serían un PLC, Microprocesadores Microcontroladores, así mismo se vale de elementos tales como: motores, solenoides, válvulas y lámparas.

Los sensores en la industria son categorizados de acuerdo a la magnitud que miden, pero también al rol que juegan en el moderno proceso de control de manufactura.

Clasificación de los sensores

- Funcionamiento

       - Activos

       - Pasivos

- Señal eléctrica generada

       - Analógicos

       - Digitales

       - Temporales

- Rango de valores proporcionados

       - De medida

       - Todo-Nada (On-Off)

- Nivel de integración

       - Discretos

       - Integrados

       - Inteligentes

- Variable física medida

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Horómetro Digital

Un Horómetro es un dispositivo que registra el número de horas en que un motor o un equipo, generalmente eléctrico o mecánico ha funcionado desde la última vez que se ha inicializado el dispositivo.

Estos dispositivos son utilizados para controlar las intervenciones de mantenimiento preventivo de los equipos.

Para las operaciones de empresas y variadas situaciones de la vida laboral, el manejo del tiempo es un factor de constante control para diversas situaciones de mantenimiento, prevención y precisión de actividades relacionadas con recursos como son maquinaria, equipos, materiales.

Características

El horómetro digital con programación a diferencia del sin programación tiene un contacto adicional que se activa una vez se cumple el conteo de horas, minutos y segundos configurados.

Este contacto se utiliza para activar una alarma que avise al usuario que ha sucedido el tiempo límite para la labor que es necesaria realizar.

Funcionamiento

El horómetro cuenta con un contador interno de tiempo, el mismo que se va incrementando de acuerdo a la señal de entrada, la cual indica si el equipo se encuentra en funcionamiento o no. 

Esta información es desplegada a través de un visualizador.

Dependiendo del tipo de horómetro y sus funcionalidades puede tener una o varias salidas tipo relé que se activan una vez que se cumpla el conteo de tiempo configurado. 

Estos contactos se utilizan para activar una alarma, visual o auditiva, que avise al usuario que ha sucedido el tiempo límite para la labor que es necesaria realizar. 

El tiempo puede estar expresado en horas, minutos, segundos, dependiendo de la dinámica del sistema y de la necesidad del operario.

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Temporizadores

Un temporizador es un elemento en los cuales se abren o cierran determinados contactos, llamados contactos temporizados, después de cierto tiempo, debidamente preestablecido, de haberse abierto o cerrado su circuito de alimentación.

Los temporizadores se clasifican de acuerdo al retardo:

De conexión: Los contactos se hallas desactivados (abiertos) y después de ser energizada la bobina transcurre el retardo y los contactos se cierran. Cuando la bobina es des energizada los contactos vuelven nuevamente a su posición de reposo pero de manera inmediata.

De desconexión: En este caso, los contactos se hallan desactivados (abiertos), pero al energizar la bobina se cierran inmediatamente; al terminar el retardo se abren nuevamente. Al des energizar la bobina no ocurre nada en los contactos puesto que ya han des energizado.

Hoy en día la bobina es reemplazada con dispositivos electrónicos, terminales A1 y A2 que internamente proporcionan la alimentación al circuito y se les denomina de este modo para no perder la compatibilidad con los relés comunes en los diagramas escalera.

Clases de temporizadores:

• Térmicos: actúan por calentamiento de una lamina bimetalica. El tiempo viene determinado por el curvado de la lámina.
• Neumáticos: Su funcionamiento esta basado en la acción de un fuelle que se comprime al ser accionado por el electroimán del relee.
• De motor síncrono: actúan por medio de un mecanismo de relojería accionado por un pequeño motor, con embrague electromagnético. Al cabo de cierto tiempo de funcionamiento entra en acción el embrague y se produce la apertura o cierre del circuito.
• Electrónicos: el principio básico de este tipo de temporización, es la carga o descarga de un condensador mediante una resistencia. Por lo general se emplean condensadores electrolíticos, siempre que su resistencia de aislamiento sea mayor que la resistencia de descarga: en caso contrario el condensador se descargaría a través de su insuficiente resistencia de aislamiento.

Aplicaciones

En la industria, estos ciclos de tiempo de conexión y desconexión permiten controlar espacios de retardos adecuados para ciertos procesos.

Por ejemplo, cuando una pieza es pintada se emplea un tiempo para lograr el secado completo de la pintura, o bien, si se controla el flujo de líquido a través de una boquilla que llena unas botellas, se puede especificar el tiempo preciso que necesita para que cada botella sea llenada.

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Encoders

¿Qué es un encoder?

Un encoder es un sensor electro-opto-mecánico que unido a un eje, proporciona información de la posición angular. Su fin, es actuar como un dispositivo de realimentación en sistemas de control integrado.

¿Cómo funciona un encoder?

Para explicar cómo funciona un encoder debemos mencionar que un encoder se compone básicamente de un disco conectado a un eje giratorio.

El disco está hecho de vidrio o plástico y se encuentra “codificado” con unas partes transparentes y otras opacas que bloquean el paso de la luz emitida por la fuente de luz (típicamente emisores infrarrojos). En la mayoría de los casos, estas áreas bloqueadas (codificadas) están arregladas en forma radial.

A medida que el eje rota, el emisor infrarrojo emite luz que es recibida por el sensor óptico (o foto-transistor) generando los pulsos digitales a medida que la luz cruza a través del disco o es bloqueada en diferentes secciones de este. Esto produce una secuencia que puede ser usada para controlar el radio de giro, la dirección del movimiento e incluso la velocidad.

Los encoders son utilizados en una infinidad de campos e industrias que van desde maquinas de fax, electro-domésticos de consumo hasta robótica, minería  transporte, maquinaria, aeroespacial y más.

Tipos de encoders

Encoder incremental (Incremental Encoder)

Este tipo de encoder se caracteriza porque determina su posición, contando el numero de impulsos que se generan cuando un rayo de luz, es atravesado por marcas opacas en la superficie de un disco unido al eje.

En el estator hay como mínimo dos pares de foto receptor ópticos, escalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor genera una señal cuadrada, el escalado hace que las señales tengan un desfase de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y de ¾ si gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro.

Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de un origen, a base de contar impulsos de un canal y determinar el sentido de giro a partir del desfase entre los dos canales. Algunos encoders pueden disponer de un canal adicional que genere un pulso por vuelta y la lógica puede dar número de vueltas más fracción de vuelta.

La resolución del encoder depende del número de impulsos por revolución.

Encoder absoluto (Absolute Encoder)

Un encoder absoluto se basa en la información proveída para determinar la posición absoluta en secuencia. Un encoder absoluto ofrece un cogido único para cada posición.

Los encoders absolutos se dividen en dos grupos: los encoders de un solo giro y los encoders absolutos de giro múltiple y su tamaño es pequeño para permitir una integración más simple.

Los encoders absolutos son más comúnmente usados en motores eléctricos de corriente directa sin cepillos (brushless DC motors), en la medicina, la industria del transporte en especial en trenes, en la minería y otras industrias.

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Control todo o nada (ON-OFF)

En procesos en los que no se requiere un control muy preciso, el control dos-posiciones on/off, puede ser el adecuado.

En este tipo de control, el elemento final de control se mueve rápidamente entre una de dos posiciones fijas a la otra, para un valor único de la variable controlada.

Un controlador on-off opera sobre la variable manipulada solo cuando la temperatura cruza la temperatura deseada SP. La salida tiene solo dos estados, completamente activado (on) y completamente desactivado (off). Un estado es usado cuando la temperatura está en cualquier lugar sobre el valor deseado y el otro estado es usado cuando la temperatura está en cualquier punto debajo de la temperatura deseada SP.

Dado que la temperatura debe cruzar la temperatura deseada SP para cambiar el estado de salida, la temperatura del proceso estará continuamente oscilando.

Para evitar dañar los dispositivos de control finales un diferencial on-off o histéresis es agregada a la función del controlador. Esta función requiere que la temperatura exceda la temperatura deseada SP en una cierta cantidad antes de que la salida se desconecte nuevamente. La histéresis evitará vibraciones de la salida si el ruido de pico a pico es menor que la histéresis. La cantidad de histéresis determina la variación mínima de temperatura posible.

Una aplicación podría ser un horno eléctrico

La temperatura aumenta al activar las resistencias calentadoras mediante un contactor, gobernado a su vez por un relé dentro del controlador.

Se activara el mando de calentamiento cuando la temperatura está por debajo de la temperatura deseada SP y se desactiva cuando la temperatura esté por arriba.

Este control no es el más adecuado cuando se desea una temperatura constante y uniforme

Sensores Inductivos

¿Que son?

Los sensores inductivos son interruptores electrónicos que trabajan sin contacto para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetos metálicos en un determinado contexto.

Partes

Consta de tres partes principales:

- Oscilador

- Circuito de Disparador (Detector)

- Salida

Principio de Operación

Este sensor genera un campo magnético cambiante de alta frecuencia mediante una bobina, la cual forma parte de un circuito en resonancia. Si una pieza de metal entra en la zona del campo magnético cambiante, se generan pérdidas por corrientes circulantes en la pieza. Esto hace que el circuito en resonancia se altere.

Estados de un sensor inductivo

En función de la distancia entre el sensor y el objeto, el primero mantendrá una señal de salida

1.- Objeto a detectar ausente:

• Amplitud de oscilación al máximo, sobre el nivel de operación;
• La salida se mantiene inactiva (OFF).

2.- Objeto a detectar acercándose a la zona de detección:

• Se producen corrientes de Foucault, por tanto hay una “transferencia de energía”;
• El circuito de detección detecta una disminución de la amplitud, la cual cae por debajo del nivel de operación; 
• La salida es activada (ON).

3.- Objeto a detectar se retira de la zona de detección:

• Eliminación de corrientes de Foucault;
• El circuito de detección detecta el incremento de la amplitud de oscilación;
• Como la salida alcanza el nivel de operación, la misma se desactiva (OFF).

Blindaje

Los sensores de proximidad tienen bobinas enrolladas en núcleo de ferrita. Estas pueden ser blindadas o no blindadas. Los sensores no blindados generalmente tienen una mayor distancia de sensado que los sensores blindados.

Características Técnicas

Para la elección de un sensor inductivo se deben tener en cuenta las características que el fabricante nos proporciona

Eléctricas

• Alimentación
• Consumo
• Corriente de Carga Nominal

Mecánicas

• Grado de protección
• Carcasa
• Resistencia a Golpes

De detección

• Histéresis
• Objeto a detectar
• Sensibilidad

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de los sensores inductivos son la detección de piezas metálicas.

Debido a su funcionamiento, en el que detecta los objetos sin contacto físico:

• Conteo
• Posición
• Forma

Se recomienda en la industria alimentaria, ya que no interfiere en los productos.

Sensores de proximidad

Un sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor.

Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan.

Los más comunes son:

Interruptores de posición

El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit switch, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito.

Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc.

Capacitivos

La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector.

Se utiliza comúnmente para detectar material no metálico: papel, plástico, madera, etc. ya que funciona como un condensador.

Inductivos

Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos.

Fotoeléctricos

El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. La señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez. Esto es muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita tener más de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor.

Magnético

Los sensores de proximidad magnéticos son caracterizados por la posibilidad de distancias grandes de la conmutación, disponible de los sensores con dimensiones pequeñas. Detectan los objetos magnéticos (imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutación.

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Elementos de un sistema de control

Sistema de control de lazo abierto

Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador.

Los elementos de un sistema de control de lazo abierto son:

- Preaccionador

- Actuador

- Planta o Proceso

Sistema de control de lazo cerrado

Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia.

Los elementos de un sistema de control de lazo cerrado son:

- Detector de error

- Regulador

- Preaccionador

- Actuador

- Planta o Proceso

- Transductor

Donde

Señal de referencia o consigna: Es una señal externa de control y, con ella, imponemos el valor deseado en la señal salida.

Señal de salida o respuesta: Es el valor real en cada instante que toma la señal que pretendemos controlar.

Perturbaciones: Las perturbaciones se producen de forma imprevista y provocan una desviación de la señal real respecto de la señal deseada. Pueden ser internas, que dependen del propio sistema como puede ser el envejecimiento de componentes, o externas como, por ejemplo, la apertura de una ventana en un local que se está climatizando.

Comparador o detector de error: Es el dispositivo encargado de comparar el valor de referencia con el valor de la realimentación. El resultado de dicha comparación constituye el error de funcionamiento o desviación de la salida con relación al valor previsto.

Regulador: Es el dispositivo encargado de amplificar y modificar adecuadamente la señal de error que le proporciona el comparador con el fin de que la acción de control sobre el sistema sea más eficaz y presente mejores características de funcionamiento en cuanto a precisión, estabilidad , tiempo de respuesta y sobre oscilaciones. Los reguladores pueden ser de los tipos siguientes: proporcionales (P), proporcional-derivativo (PD), proporcional-integrativo (PI), proporcional-derivativo-integrativo (PID).

Preaccionador: Tiene por finalidad amplificar la señal procedente del regulador para atacar al actuador.

Actuador:  Es el dispositivo de potencia situado en la planta cuyo objeto es entregar energía o realizar un trabajo para mantener el valor de salida en el valor deseado.

Planta o sistema: Es el lugar donde se desea realizar la acción de control.

Transductor: Consiste en un dispositivo capaz de medir en cada instante el valor de la magnitud de salida y proveer una señal proporcional a dicho valor. Normalmente todo transductor consta de dos partes diferenciadas: El captador o sensor, cuya finalidad es captar directamente la magnitud medida (presión, nivel, caudal, temperatura, velocidad, posición, iluminación, etc.;) y El transmisor, que transforma la magnitud vista por el captador en una señal, generalmente eléctrica o neumática, que se enviará al detector de error.

Transductores de Posición, Proximidad y Desplazamiento

- Transductores resistivos

- Transductores Inductivos

- Transductores Capacitivos

- Interruptores Final de carrera

Transductores de Velocidad

- Tacómetros Mecánicos

- Tacómetros Eléctricos

Transductores de Temperatura

- Termorresistencias

- Termistores

- Termopares

- Pirómetros de radiación

Transductores de Presión

- Transductores Mecánicos

- Transductores Electromecánicos

- Transductores de Vacío

Medida de la Iluminación

- Fotorresistencias

- Fotodiodos

- Fototransistores

Elementos del sistema de control

Dispositivos de entrada de órdenes:

- Binarios: Dan ordenes del tipo si/no, verdadero/falso, activado/desactivado. Los principales son pulsadores, interruptores y conmutadores.

- Alfanuméricos: Permiten introducir números y/o letras. Los principales son teclados y preselectores digitales.

Dispositivos de entrada de información:

Son sensores y toman datos de las variables implicadas en el proceso (de estado y salidas) y se las envían a la unidad de control. Hay sensores de temperatura, presión, posición, humedad, etc.

Dispositivos de salida de información:

Son indicadores para los operarios.

- Binarios: pilotos, sirenas, zumbadores, timbres, torretas, luces indicadoras

- Alfanuméricos: displays de 7 segmentos, impresoras, pantallas crt, lcd, tft, etc.

- Analógicos: indicadores de aguja

Controlador:

A partir de la información proporcionada por los dispositivos de entrada (sensores) establece como debe reaccionar el actuador mediante órdenes. Muchas veces se necesita de acondicionadores de señal para adaptar las señales de los sensores a las entradas de los controladores

Control Industrial

Los sistemas de control automático son fundamentales para el manejo de los procesos de producción de las plantas industriales. Está comprobado que el aumento de la productividad está muy relacionado a la automatización de los procesos en la medida que se haga un uso eficiente de los equipos y sistemas asociados. Actualmente la tecnología permite establecer una serie de estrategias de control que eran de difícil implementación hasta hace solamente algunos años atrás, en especial en procesos industriales complejos.

El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial. El uso intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control. Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas.

¿Qué es?

Es aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.

Clasificación

Según la información que recibe el sistema de control:

- Sistemas de lazo abierto

- Sistemas de lazo cerrado

Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida.

Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que se mantiene una relación determinada entre la salida y la entrada de referencia, comparándolas y usando el error como medio de control.

Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso:

- Sistemas Analógicos

- Sistemas Digitales

- Sistemas Híbridos Analógicos-Digitales

Un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan mediante variables continuas. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan cantidades físicas representadas en forma analógica. En un sistema de este tipo, las cantidades varían sobre un intervalo continuo de valores.

Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. También un sistema digital es una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos.

Los sistemas digitales pueden ser de dos tipos:

Sistemas digitales combinacionales: Son aquellos en los que la salida del sistema sólo depende de la entrada presente. Por lo tanto, no necesita módulos de memoria, ya que la salida no depende de entradas previas.

Sistemas digitales secuenciales: La salida depende de la entrada actual y de las entradas anteriores. Esta clase de sistemas necesitan elementos de memoria que recojan la información de la 'historia pasada' del sistema.

Los sistemas híbridos procesan a la vez señales analógicas y digitales.

Según el sistema de producción que se quiere controlar:

- Control de procesos continuos

- Control de procesos discretos

En los procesos continuos la principal fuente de información es la medida de las variables del proceso.

En los procesos discretos adquiere mayor relieve la información procedente del trabajo de las personas.

Según la distribución de los elementos de control:

- Centralizado

- Distribuido

Los sistemas de control centralizado tienen una gran ventaja, que tiene que ver con “Centralizar la información” para luego procesarla.  De ésta manera evitamos, por ejemplo, que la persona que tiene la responsabilidad de garantizar el funcionamiento continuo de una línea de producción “no ande recorriendo toda la planta en busca de la información”, sino que el sistema hace que la información llegue a su oficina o a la gerencia, pudiendo incluso emitir alarmas vía e-mail o SMS.

Básicamente un sistema de control industrial centralizado se compone de 3 módulos que describiremos a continuación:

1.- Autómata programable (PLC)

2.- Ordenador Industrial (PCI)

3.- Sensores (Digitales y Analógicos)

Un Sistema de Control Distribuido o SCD, más conocido por sus siglas en inglés DCS (Distributed Control System), es un sistema de control aplicado a procesos industriales complejos en las grandes industrias como petroquímicas, papeleras, metalúrgicas, centrales de generación, plantas de tratamiento de aguas, incineradoras o la industria farmacéutica.

En este blog abordaremos cada uno de los sistemas de control industrial, sus aplicaciones y algunos ejemplos prácticos, si es de su interés no deje de suscribirse a este blog y dejarnos sus comentarios que con gusto atenderemos.