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.

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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