TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL

1. Hechos por el hombre. Como los sistemas eléctricos o electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento.

2. Naturales, incluyendo sistemas biológicos. Por ejemplo los movimientos corporales humanos como el acto de indicar un objeto que incluye como componentes del sistema de control biológico los ojos, el brazo, la mano, el dedo y el cerebro del hombre. En la entrada se procesa el movimiento o no, y la salida es la dirección hacia la cual se hace referencia.

3. Mixtos, cuyos componentes están unos hechos por el hombre y los otros son naturales. Se encuentra el sistema de control de un hombre que conduce su vehículo, este sistema está compuesto por los ojos, las manos, el cerebro y el vehículo. La entrada se manifiesta en el rumbo que el conductor debe seguir sobre la vía y la salida es la dirección actual del automóvil.

El hombre ha utilizado herramientas para satisfacer sus necesidades. Por ejemplo, descubrió, quizá por casualidad, cómo obtener fuego para proporcionarse calor y cocinar sus alimentos. Lo hizo frotando enérgicamente dos trozos de cierta piedra (pedernal). La piedra era su herramienta. Hoy en día, se dispone de pequeños y económicos encendedores que permiten disponer inmediatamente de fuego. Si se los observa con atención, se verá que tienen una pequeña piedra, que cuando es rozada por la medita metálica que hacemos girar, desprende chispas que encienden el gas.

Precisamente, el material con que está hecha esa pequeña piedra es, en esencia, el mismo que utilizaban nuestros antepasados de las cavernas. En la actualidad lo en­contramos, junto con un tanque de gas, una válvula que regula su salida, una entra­da de oxígeno y hasta otra válvula de recarga formando parte de un sistema: el encen­dedor. Cada componente, por sí mismo, no puede proporcionar fuego, pero sí puede hacerlo el conjunto.

Entonces, ¿cómo podría definirse un sistema? ¿Qué componentes tiene?

¿CÓMO SE PUEDE CONTROLAR UN SISTEMA?

Un encendedor, una bicicleta y un automóvil son sistemas que funcionan sólo si cuentan con todos sus componentes y éstos desarrollan sus funciones en forma simultánea.   Un sistema (del griego syn, conjunto, e histánai, armado, coordinado) es un conjunto de elementos o dispositivos que interactúan para cumplir una función determinada. Se comportan en conjunto como una unidad y no como un montón de piezas sueltas.

El comportamiento de un sistema cambia apreciablemente cuando se modifica o reem­plaza uno de sus componentes; también, si uno o varios de esos componentes no cum­plen la función para la cual fueron diseñados. Entonces, resulta necesario controlar cada ele­mento en forma independiente, o bien, el resultado final de todo el sistema.

Se puede controlar la batería de un auto, la presión de los neumáticos, la temperatura del agua de refrigeración o la presión de aceite: batería, neumáticos, agua de refrigeración y aceite son algunos de los componentes de un automóvil. Pero, además, es posible controlar la velocidad del auto, que es el resultado del funcionamiento del motor en su conjunto.

Consideremos, por ejemplo, una cocina como "sistema integral hogareño de cocción de alimentos". ¿Cómo hacemos para supervisar la temperatura del horno para cocinar una torta? Primero, encendemos el horno, y luego, giramos la perilla que lo identifica. Con este accionar, se modifica la apertura de la válvula que regula la cantidad de gas que llega al quemador del horno, y de esta manera su temperatura final. Esta operación permitirá accionar en for­ma manual el sistema de control de la temperatura del horno. Lo haremos teniendo en cuenta nuestra experiencia anterior o las indicaciones de la receta que leímos en un libro, para que el resultado sea el esperado. Hemos controlado el proceso. Ahora bien, a medida que el hombre y las técnicas por él desarrolladas evolucionaron, las máquinas dejaron de ser herramientas que realizaban una sola operación para ejecutar varias de manera consecutiva y simultánea. Entonces, los procesos resultaron más com­plejos, más costosos y de mayor duración. Por lo tanto, no fue posible controlar el sistema manualmente, sino que se hizo necesario el empleo de diversos mecanismos.

 Por ejemplo, consideremos una pequeña planta embotelladora de vino. Hace algunos años, para que una máquina colocara el cor­cho a presión, una empleada debía sostener la botella ya llena en forma manual. Hoy en día, una máquina llena la botella vacía, la ta­pa y hasta le coloca la etiqueta en pocos se­gundos. Y, aun más, todo esto lo hace simul­táneamente con varios envases. Es decir que, con el tiempo, se no se hacen más operacio­nes individuales, y se pasa a realizar proce­sos o conjuntos de operaciones vinculadas entre sí.

Ahora bien, ¿qué hace que nuestra máqui­na embotelladora funcione adecuadamente, tome sólo una botella por vez, no pegue tres etiquetas en cada envase, o deje de funcionar si el líquido que envasa se ha terminado?

Pues de esto se ocupa el control auto­mático de procesos.

Lazo Abierto Versus Lazo Cerrado

Volvamos al ejemplo del horno. ¿Cómo puede regularse la temperatura del horno para cocinar un pollo durante una hora?

Los pasos a seguir serían:

1. encender el quemador;

2. girar la perilla de la válvula que regula el gas, de manera que la cantidad de calor que se genera satisfaga las indica­ciones de la receta (leve, moderado, fuerte).

En ese momento, una válvula reguladora (el sistema de control) se abrirá o se cerrará pa­ra que pase la cantidad de gas necesaria pa­ra que arda en el quemador con el calor de­seado. Si se desea modificar la temperatura, se debe girar la perilla de la válvula a fin de dejar pasar más o menos gas.

Luego hay que colocar el pollo dentro del horno durante el tiempo establecido.

Éste es un sistema de control de lazo abierto, pues la salida no modifica el fun­cionamiento del sistema.

¿Pero qué sucedería si durante la hora de cocción la presión del gas en la línea dismi­nuyera? Pasará menos gas y no se alcanzará el punto de cocción en el tiempo buscado.

Los sistemas de lazo abierto no cumplen su función en presencia de modificaciones o perturbaciones del medio.

 Una variante a este tipo de sistema, es que utiliza un elemento de control externo, un reloj programable por ejemplo. De esta manera se logra un control casi automático del sistema, pero sigue este sin modificar al sistema en presencia de cambios en la salida del mismo.

Este tipo de inconveniente tiene lugar a diario en innumerables situaciones; para so­lucionarlos, se han desarrollado los sistemas de lazo cerrado, en los cuales se incluyen

tres nuevos elementos: el sensor, la retroalimentación y el comparador.

•    El sensor colecta la información sobre el estado de salida del sistema.

•    La retroalimentación es la vía por la cual viaja esa información.

•    El comparador coteja esa salida con la entrada del sistema.

Ejemplos de retroalimentación

• Un coche conducido por una persona en principio es un sistema realimentado; ya que si la velocidad excede la deseada, se reduce la presión sobre el pedal, y si es inferior a ella, aumenta la presión, aumentando por lo tanto la velocidad del sistema.

• Un sistema de calefacción está realimentado, ya que si la temperatura excede la deseada la calefacción se apagará o bajará de potencia, mientras que si no la alcanza aumentará de fuerza o seguirá funcionando.

Si la entrada y la salida son iguales, el sis­tema se encuentra estabilizado; pero si son diferentes, entonces el controlador reaccio­nará modificando el sistema para corregir 1a situación.

Éste es el caso de los hornos que se usar en los procesos industriales, y que tienen un sistema de control de lazo cerrado. En ellos, la entrada es la temperatura buscad* del horno, por ejemplo, 120 °C. El controlador, una válvula de gas electrónica, dejará pasar suficiente gas a fin de alcanzar es« temperatura. Si la presión del gas deseen diera, o si hiciera mucho frío alrededor entonces, un sensor de temperatura envía ría una señal de retroalimentación al comparador, y éste abrirá la válvula para dejar pasar mayor cantidad de gas.

El comparador permanentemente toma la señal de entrada, la compara con la retroalimentación, e informa al controlador si debe realiza modificaciones para estabilizar el sistema.

SENSORES O CAPTADORES

 ¿Conocen las puertas que se abren automáticamente apenas una persona se acerca? ¿Qué conjunto del sistema de control es el responsable de detectar la presencia de la persona?

Esas puertas tienen un sensor óptico. Los sensores son dispositivos que captan información del medio y son capaces de traducir y transmitir esa información a un elemento controlador.   De acuerdo con el tipo de señal que emi­tan, los sensores se pueden clasificar en digita­les y analógicos. En los sensores digitales, la señal de salida sólo tiene dos posibles estados: "bajo" y "alto". La salida cambia de un estado a otro cuando el estímulo de entrada supera un umbral predeterminado. En cambio, en los sensores analógicos, la señal de salida se modifica proporcionalmente a la señal de entrada. Por ejemplo, un termómetro digital emitirá una señal eléctrica si la temperatura excede, por ejemplo, los 70 °C, y una baja si ésta es menor de 70 °C. Por su parte, el termómetro ana­lógico emitirá una corriente eléctrica tanto más intensa cuanto mayor sea la temperatura.

 De acuerdo con la señal que reciben, los sensores se pueden clasificar en ópticos y de posición (de fin de carrera y de distancia), entre otros.

•    Los sensores ópticos son dispositivos sen­sibles a la cantidad de luz que incide sobre ellos. Contienen una célula fotoeléctrica capaz de conducir más comente eléctrica cuanto más energía luminosa recibe. Son muy utilizados como sensores de proximidad, es decir, reaccionan a la presencia de una persona u objeto. Están compuestos por un emisor de luz infrarroja y un receptor del mismo tipo de luz. Ambos miran en la misma dirección, y cuando un objeto se sitúa frente a ellos, la luz emitida por el emisor es reflejada en el objeto hacia el receptor, el cual se activa. El emisor y el receptor también pueden montarse a cierta distancia uno del otro, a fin de construir una barrera luminosa. Cuando un objeto se interpone, el receptor deja de recibir la luz emitida por el emisor.

•    Los sensores de posición permiten conocer la posición relativa de un objeto en un sistema. Pueden percibir la presencia del objeto en el extremo de un recorrido, como los sensores de fin de carrera, o la distancia a la que se encuentra el objeto del sensor, como los sensores de distancia. Los de fin de carrera son, básicamente, in­terruptores que se accionan cuando un elemento móvil alcanza determinado punto de su recorrido, que no se desea sobrepasar. Tam­bién se usan como elementos de seguridad: todos los ascensores tienen estos sensores en los pisos más bajos y más altos, que desconectan y bloquean el sistema de movimiento ante cualquier desperfecto. Son excelentes ejemplos de sensores digitales. Mientras el objeto no llegue al final del recorrido, la salida se encuentra, por ejemplo, en "bajo". Cuando el objeto acciona el sensor, la salida cambia in­mediatamente a "alto".

Según su principio de funcionamiento, los sensores de final de carrera se clasifican en sen­sores inductivos o capacitivos.

•    Los sensores inductivos utilizan un campo magnético que se modifica según la distan­cia a la que se encuentra un objeto metálico.

•    Los sensores capacitivos emplean un campo eléctrico que se modifica según la distancia a la que se encuentra el objeto. Pueden reaccionar ante cualquier tipo de sólidos suficientemente densos, y también líquidos.

COMPARADORES

Los comparadores, como su nombre lo indica, comparan las señales de entrada y de salida provenientes de la retroalimentación. Pueden ser analógicos -comparan magnitudes similares en forma continua (corrientes eléctricas, distancias, presiones, etc.)- o digitales -comparan señales "alto"-"bajo"-. Cuando la señal de retroalimentación no coincide con la de entrada, envían otra señal a los controladores para que accionen los actuadores y equilibren el sistema, hasta que la señal de salida, en una nueva comparación, coincida con la de entrada.

CONTROLADORES: RELÉS, VÁLVULAS Y LEVAS

¿Es posible controlar a distancia los ele­mentos de un sistema?

Sí, es posible hacer­lo a través de los controladores. Éstos pue­den ser de funcionamiento electromagnéti­co (relés), hidráulico (válvulas) o mecánico (levas), entre otros.

El RELÉ es un aparato que recibe señales eléctricas de bajo voltaje y puede activar o desactivar circuitos de gran potencia. Consta de un electroimán o bobina y de una pieza móvil. Cuando la corriente de ba­jo voltaje pasa por el electroimán, genera un campo magnético que mueve la pieza. Ésta sirve para cerrar o abrir un contacto en un circuito eléctrico de mayor voltaje o po­tencia. De esta forma, se puede controlar a distancia el funcionamiento de grandes mo­tores mediante señales eléctricas relativa­mente bajas. Las VÁLVULAS son elementos hidráulicos, cuyas piezas móviles responden a la determinada presión de un fluido. Cuando dicha presión alcanza cierto nivel, la válvula se abre o se cierra y provoca el movimiento requerido.

 Las LEVAS actúan al ser movidas por me­dios mecánicos y adoptan la posición re­querida para ejercer el control del sistema.

 ACTUADORES

Los actuadores son los dispositivos encargados de cumplir las órdenes enviada por un controlador para corregir el sistema y que, en general, corresponden a movimientos de diferentes tipos. Los actuadores pueden clasificarse según el tipo de energía; que utilizan para realizar su trabajo y por el tipo de movimiento que realizan.

Los actuadores eléctricos utilizan energía eléctrica para funcionar. Pueden trabajar a través de un campo electromagnético, aunque el tipo más frecuente lo hace con motores eléctricos, que pueden ser de corriente alterna, corriente continua, etc. El motor mueva un eje del que se toma movimiento circular en forma directa, o bien, se transforma el movimiento lineal por diversos mecanismos Los actuadores hidráulicos o neumáticos trabajan bajo el mismo principio: La  conducción de fluidos a presión desde una bomba por cañerías hasta el sitio de utilización. En los hidráulicos, líquidos como el aceite son bombeados y transportados por cañerías hasta el actuador, donde ejercer presión para producir un movimiento. Lo cilindros son los actuadores hidráulicos por excelencia, capaces de desarrollar tanto movimientos lineales como circulares. Grandes fuerzas pueden aplicarse mediante estos sistemas.

 Los actuadores neumáticos son similares, y usan el aire a presión para provocar movimientos. Si bien también utilizan cilindros, hay que tener en cuenta que el aire, como todos los gases, es compresible, fenómeno que no se manifiesta en el caso de  los líquidos, por eso sólo pueden emplearse para realizar esfuerzos moderados.

CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES (PLC)

Hasta los años setenta, en las industrias las máquinas automáticas utilizaban la tec­nología del relé. La automatización se reali­zaba mediante un tablero con varios relés y elementos de detección, como los sensores de fin de carrera, los sensores ópticos, los in­ductivos y los capacitivos.

Este conjunto de relés tenía un ordena­miento lógico de trabajo, según la necesi­dad de producción de las máquinas que controlaba. Si bien estas series de relés eran eficientes, fueron superadas, a partir de la década de 1980, por los controladores lógi­cos programables (PLC).

El PLC es básicamente un aparato elec­trónico que recibe señales de entrada a tra­vés de elementos de detección y control, los capacitores, y entrega señales de salida a los mecanismos que ejecutan una serie de ope­raciones que corresponden a un programa. Quien ejecuta ese programa es una pequeña computadora contenida en él.

Las ventajas respecto del tablero de relés son múltiples, porque el PLC: •    no posee contactos móviles que puedan deteriorarse por chisporroteo o fatiga; •    no tiene cables de interconexión que puedan producir fallas por falsos contactos debido a vibraciones de las máquinas que controlan; •    no genera ruidos y produce muy poco ca­lor; esto se debe a que carece de piezas mó­viles y a que sus circuitos electrónicos están compuestos exclusivamente por transistores o circuitos integrados con corrien­tes de trabajo muy débiles. Pero la ventaja fundamental radica en que es programable, es decir que su programa de trabajo se puede modificar, con lo cual un mismo PLC puede contener en su memoria uno o varios programas que se adecúen a la necesidad de la producción. Si luego se modi­fican las condiciones de algún producto o proceso, puede ser reprogramado. Además, varios PLC pueden conectarse a una misma computadora, situada en una oficina técnica, la que permite programar o reprogramar los PLC, visualizar fallas y obtener estadísticas desde un solo punto de observación y control.

Control Numérico Computarizado (cnc)

Se trata del control automático de máquinas-herramienta por medio de computadoras.

Las máquinas-herramienta son ele­mentos muy útiles en la industria, sobre todo en la industria metalúrgica, pero también en la química, de la alimentación, en la naval, la petrolera, etc. Las más utilizadas son tornos, fresadoras, agujereadoras, etcétera.

El torno sujeta una pieza de madera, o de metal, y la hace girar mientras un elemento" de corte da forma al objeto. Consta de un motor eléctrico, una caja que reduce la velocidad, un eje principal donde va montado un plato con mordazas, para sujetar la pieza sobre la que se trabaja, y que tiene por encima dos guías; por éstas corre un carro sobre el que va montado un portahe­rramientas, que se desplaza en forma trans­versal' al carro. Todos los movimientos del torno pueden recibir transmisión mecánica del motor a través de la caja reductora y son accionados manualmente por el operador.

En la fresadora, la pieza entra en contacto con un dispositivo circular que cuenta con varios puntos de corte. La pieza se sujeta a un soporte que controla el avance de la pieza contra el elemento de corte.

Las máquinas agujereadoras o taladros se utilizan para abrir orificios, para modificarlos o para adaptarlos a una medida.

Al implementarse el CNC, un microprocesador realiza todas las operaciones de control, que responden a un programa previo. Para esto, la máquina cuenta con sensores, mecanis­mos y motores de velocidad variable para completar la operación.

TRABAJO PRÁCTICO

A) En base a lo que vimos, completá el siguiente crucigrama

1. Dispositivo que se encuentra en los sistemas de lazo cerrado y que recoge información del estado de salida.

2. Tipo de sensor sensible a la cantidad de luz.

3. Dispositivos controladores que se accionan en forma mecánica.

4. Sistema de control que no se realiza en forma manual.

5. Principal elemento de un relé, que crea un campo magnético y conecta el contacto.

6. Dispositivo que se encuentra en los sistema de lazo cerrado y coteja la salida con la entrada.

7. Dispositivo que regula, por ejemplo la cantidad de gas en un horno.

B) Diseñando

Basándonos en la ciencia ficción y en los adelantos modernos, creá un relato donde los protagonistas vivan en un medio altamente controlado, rodeados de sistemas de control, por ejemplo un sistema inteligente para la preparación del desayuno. (máx. 2 carillas)

C) Analicemos los siguientes artículos

Control del tráfico aéreo (Wikipedia)

El servicio de control del tráfico aéreo, también conocido por sus siglas en inglés ATC (Air Traffic Control) se presta por los países firmantes del tratado de Chicago que dieron origen a la creación de la OACI en los términos especificados por las normas de esta organización internacional. El espacio aéreo se divide en regiones de información de vuelo, conocidas como FIR (Flight Information Region) y cada país se hace responsable del servicio en las comprendidas en su 'área de responsabilidad'. En muchos casos esta área de responsabilidad excede las aguas territoriales de un país a fin de que el espacio aéreo comprendido sobre las aguas internacionales sea provisto de un servicio de información. El espacio aéreo en el que se presta el servicio de control aéreo se llama 'espacio aéreo controlado'.En las regiones de información de vuelo se encuentran las áreas terminales de los aeropuertos importantes y entre ellas discurren las aerovías, pasillos por los que circulan las aeronaves. Otros elementos son las áreas prohibidas, restringidas o peligrosas que son zonas donde el vuelo de aeronaves se ve restringido en diferentes medidas y por causas diversas. Las normas que regulan la circulación aérea en el espacio aéreo controlado se recogen en el Reglamento de Circulación Aérea.

Volar sigue siendo un problema: otro día de demoras en Aeroparque

Según denunciaron los gremios y Aerolíneas sería porque el radar de Ezeiza no funciona.

Volvieron las demoras en los vuelos del aeroparque Jorge Newbery. Pilotos, controladores aéreos, Aerolíneas Argentinas y el ex piloto Enrique Piñeyro, que denunció en un juzgado federal las condiciones en que se está volando, insisten con que el radar encargado de controlar los despegues y aterrizajes no es un elemento de trabajo confiable.

El comodoro Jorge Reta, director de Asuntos Institucionales de la Fuerza Aérea, atribuyó las demoras de ayer "al congestionamiento del tránsito, a lo que se sumó una zona de tormentas al Norte de Entre Ríos y al Sur de Corrientes, lo que lleva a darle una mayor separación a los aviones". Y aseguró a Clarín que el radar, que fue afectado por un rayo el 1º de marzo, "está funcionando perfectamente desde el sábado".
 

También salió a garantizar la seguridad Francisco Palano, director del Centro de Instrucción y Perfeccionamiento y Experimentación (CIPE). "El control del tránsito aéreo funciona con normalidad", dijo a la agencia Télam. Pero todos los otros sectores consultados por Clarín dijeron lo contrario. Pilotos y controladores coinciden en que el pasajero debe estar tranquilo mientras haya demoras, porque eso significa que los aviones vuelan a una distancia prudencial. Luego de un día difícil en el hall del aeroparque, el vocero de Aerolíneas Argentinas, Jorge Molina, decía "Me pusieron 30 minutos de espera por cada aterrizaje y de 10 por despegue. Hay que sincerar: el radar no está funcionando como corresponde".

Ayer, voceros de los controladores aéreos señalaban a este diario: "Pedimos que nos den garantías por escrito que el radar está en óptimas condiciones. Como para nosotros el radar secundario en este momento no es confiable, para garantizar la seguridad tenemos que trabajar con un procedimiento manual, lo que implica diez minutos de 'distancia' entre un avión y otro para el despegue y ocho minutos para el aterrizaje".

Mientras, es de esperar más demoras. "El sistema radar sigue sin funcionar —se sumaba anoche Diego Serra, de la Unión de Aviadores de Líneas Aéreas—. Y no está verificado. Porque los dos aviones verificadores de la Fuerza Aérea están fuera de servicio".

A TRABAJAR

a)      Teniendo en cuenta que el avión es el sistema, los datos de vuelo (altura, velocidad, rumbo) son los datos de entrada, y los de salida. Realizá un diagrama en bloques del sistema ATC.

 b)      ¿Qué función cumple el radar, el controlador de tráfico y las comunicaciones con el piloto?

c)      ¿Por qué es peligroso entonces que el radar no funcione, que parte del sistema está fallando? 

d)     ¿Si al fallar el radar se opera en forma manual, se asemeja a qué tipo de sistema?