AUTOMATAS PROGRAMABLES - LECCION 5
SISTEMAS DE CONTROL BASADOS EN PC

Desde sus inicios, los sistemas digitales, influenciaron en forma extrema el desarrollo de muchas actividades. Hacia los años 70 prácticamente cualquier compañía mediana o grande podía contar con un sistema digital para su administración, los sistemas digitales encontraron multitud de aplicaciones en el ámbito de control industrial. Así, los DCS y los PLC empezaron a ser parte común de una planta mediana o grande. Sin embargo, aquí también los costos impedían determinadas aplicaciones, particularmente en la pequeña industria, es por ello que cada vez más comenzaron a emplearse sistemas de control sencillos, basados en computadora. En este capítulo damos un informe sobre las partes que componen a estos sistemas.

INTRODUCCION

En 1981 IBM lanza la computadora personal PC. Con ella, se tuvo a disposición una computadora compacta y razonablemente económica, orientada a empresas pequeñas o al uso personal. Con el tiempo, la PC se difundirá, permitiendo que aún la compañía más modesta pueda contarla como uno de sus recursos.

Por otra parte, algunos equipos de control automático, como los PLCs o los instrumentos unilazo empiezan a contar con interfaces que permiten su conexión con PCs. Surgen entonces las primeras aplicaciones en que combinan estos equipos. Estas aplicaciones requirieron del desarrollo de software a medida que debía correr en la PC, cuyas funciones fueron la comunicación con el equipo digital de control automático, y la presentación al operador de las variables del proceso.

A efectos de facilitar el uso de estos sistemas por parte de los usuarios, algunas compañías ofrecieron software para supervisión y control de procesos, que brindó en la PC facilidades de presentación de información de apariencia similar a los DCS.

Este nuevo tipo de software hizo más fácil la implementación de sistemas que combinan equipos digitales de control automático y PCs, al ahorrar al usuario el desarrollo de complejos programas para la PC.

De aquí en más, llamaremos al conjunto de equipos digitales de control automático, a la computadora personal y al software de control para la PC como “Sistema de Control Basado en PC”. Su aparición tiene dos áreas principales de impacto: en el área de los procesos continuos, brinda una alternativa de menor costo que un DCS para pequeñas aplicaciones no críticas, que pueden ser implementadas con sistemas con un bajo nivel de integración entre el software de la PC y el del dispositivo de E/S, y comunicaciones no redundantes de baja velocidad.

Las primeras aplicaciones de este tipo de sistemas fueron tipo “stand alone” con una PC y uno o varios dispositivos de E/S. Posteriormente aparecieron y se popularizaron las aplicaciones en red , con varias PCs. Hoy, la aplicación de sistemas de control basados en PC está alcanzando su apogeo, con docenas de miles de PCs corriendo algún software de supervisión comercialmente disponible.

 
PARTES DE UN SISTEMA DE CONTROL BASADO EN PC
Un sistema de control basado en PC está formado por tres partes básicas: la computadora personal PC con su hardware y software de base asociados, el software para control basado en PC, y el o los dispositivos de entrada y salida. Una característica importante de un Sistema de Control Basado en PC es que cada una de estas partes es un producto distinto, usualmente diseñado y comercializado por proveedores diferentes.

Cada una de estas partes tiene características propias, el software para control Basado en PC está específicamente diseñado para su uso en computadoras personales estándar, comunicadas con multitud de equipos industriales. Se caracteriza por un alto grado de adaptabilidad a los condicionamientos de las demás partes. Así, respeta los requerimientos de hardware y software de la PC, utilizando al máximo los estándares. Del mismo modo, tratará de adaptarse a la mayor cantidad posible de equipos digitales de control industrial.

Otras denominaciones utilizadas para referirse al software para control basado en PC son: software de supervisión, software para adquisición de datos, software para control de procesos. En este curso desarrollaremos un software de adquisición de datos y un software de control de procesos.

Ni la computadora ni el software permiten la conexión de elementos de campo en forma directa. Para ello se utilizan dispositivos de E/S, denominación genérica de los equipos digitales que toman la señal del instrumento de campo, la digitalizan y multiplexan y la transmiten a la PC. Dentro de los dispositivos de E/S podemos encontrar equipos con distintas funciones: PLCs, controladores unilazo, registradores multipunto, cromatógrafos tarjeta de adquisición de datos, etc.

Si bien en la mayor parte de las aplicaciones se utilizan computadoras personales tipo PC, aparecen con alguna frecuencia casos en los que éstas son reemplazadas o complementadas con computadoras de mayor capacidad. Debe notarse que la definición de Sistema de Control basado en PC que se ha dado no distingue el lugar en el que reside el algoritmo de control. Este puede ejecutarse en la PC o en el dispositivo de entrada o salida.

Otra definición, más restrictiva, considera que el sistema de control basado en PC es aquel en que el algoritmo de control corre en la PC. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones de sistemas de control basados en la PC, la función de control se ejecuta en el dispositivo de E/S. Adicionalmente, las características que describiremos son similares en uno u otro caso, sin que tenga influencia el lugar en el que resida el algoritmo de control.

 
CLASIFICACION
En función de la ubicación del dispositivo de E/S, los sistemas de control basados en PC pueden clasificarse en sistemas externos e internos.

Sistemas externos
En los sistemas externos el dispositivo de E/S es externo al computador, y la comunicación entre ambos se efectúa por medio de un port de comunicaciones de la PC. En la mayor parte de los casos se utiliza interfaces RS-232 ó RS-485 a baja velocidad (300 a 19200 bps). Algunos dispositivos de E/S externos utilizan interfaces de comunicaciones propietarias, que requieren la instalación de tarjetas especiales en la PC.

Los sistemas externos presentan las siguientes características:

  • El dispositivo de E/S puede ser remoto de la PC (desde unos pocos metros a miles de kilómetros).
  • Al ser externo, son posibles aplicaciones de mayor envergadura que en los sistemas internos. Los dispositivos de E/S asociados a sistemas externos suelen ser más flexibles, posibilitando la expansión por adición de tarjetas de E/S. En general es posible armar redes con dispositivos de E/S de un mismo fabricante, aumentando aun más su flexibilidad.
  • En general, es más sencillo el mantenimiento del dispositivo de E/S, que se realiza sin desarmar la PC.
  • Típicamente, el tiempo en el que la PC toma los datos del dispositivo de E/S puede medirse en algunos segundos.

La mayor parte de las aplicaciones industriales de control automático implementadas con sistemas de control basados en PC se efectúan con sistemas externos.

Sistemas internos
Para aplicaciones requiriendo unas pocas entradas / salidas se dispone de sistemas internos, en los que se instalan tarjetas de E/S en una ranura de la PC. De esta forma, el dispositivo de E/S accede directamente al bus de la PC. Se logran así altas velocidades de muestreo, superándose las 100000 muestras por segundo. Las características de un sistema interno son:

  • Bajo costo
  • Son posibles altas velocidades de muestreo
  • La flexibilidad para la adición de señales es muy baja, ya que está limitada la capacidad de expansión por adición de tarjetas.
  • El mantenimiento implica la manipulación de partes internas del PC.
  • Las señales de los sensores deben llegar directamente a la PC

Estos sistemas se suelen utilizar en aplicaciones de laboratorio, en las que se requiere alta velocidad de muestreo, y pocas entradas/salidas.

Dispositivos de Entrada/Salida (E/S)
El dispositivo de E/S cumple con las siguientes funciones:

  • Punto de conexión de las señales de campo.
  • Acondicionamiento de la señal: amplificación, atenuación, aislamiento, filtrado, etc.
  • Conversión A/D y D/A, multiplexado.
  • Comunicación con la PC, ya sea directamente al bus de datos de la misma, o por medio de interfaces RS-232 , RS-485, USB u otras.
  • Control y cálculo, dependiendo del tipo de dispositivo de E/S. En efecto, algunos dispositivos de E/S no tendrán ningún tipo de nivel de inteligencia para esta función, mientras que otros tendrán capacidad de control secuencial, lógico, o regulatorio, cálculos, etc.

La siguiente clasificación de los dispositivos de E/S se basa en su capacidad de control y cálculo.

  • Tarjetas de E/S para Adquisición de Datos: Utilizadas en sistemas internos, son de bajo costo. No tienen ningún tipo de inteligencia para el control.
  • Sistemas de Adquisición de Datos: DAS Al igual que en el punto anterior, tampoco tiene capacidad de control. Su objetivo es la adquisición de un elevado número de señales, en forma económica. Son utilizados en sistemas externos. Tienen un alto grado de flexibilidad para la adición de señales.
  • PLC: La enorme difusión de los PLCs en muchas industrias ha bajado en forma sensible sus precios, por lo que éstos son muy utilizados como dispositivo de entrada salida. Se los utiliza en aplicaciones que requieren control lógico, secuencial e incluso algo de control regulatorio. También se los utiliza en donde no es necesario control alguno, ya que han logrado desplazar en precio a los sistemas de adquisición de datos de pequeño y mediano tamaño.
  • Instrumentos Unilazo: En forma general, los instrumentos unilazo disponen de interfaces de comunicaciones que permiten su supervisión desde PCs. En muchas plantas, estos instrumentos son comparados como parte de varios proyectos, a lo largo del tiempo. Luego se instala el sistema para supervisión basado en PC, que integra las señales de estos equipos. Algunos instrumentos unilazo son: Controladores, registradores, totalizadores, etc.
  • Dispositivos Programables: Son equipos dotados de inteligencia para el control, pero se diferencian de los equipos anteriormente descritos en que no poseen un nivel de software definido para una tarea específica. Por ejemplo un PLC está diseñado el control lógico, típicamente programable por medio de lógicas en escalera. Los controladores unilazo están diseñados para control PID, por lo que son sencillos de configurar para esta aplicación, y poseen una interfaz al operador diseñada para su función. En cambio, un dispositivo programable es programado en un lenguaje de alto nivel, con un alto grado de flexibilidad. Por supuesto, esta mayor flexibilidad implica un mayor trabajo de programación para una aplicación definida.
  • Otros: En definitiva, cualquier equipo basado en microprocesador que posea una interfaz standard como RS-232 ó RS-485 y un protocolo abierto puede ser supervisado desde una PC. Con frecuencia, el dispositivo de E/S es minimizado en la descripción de un Sistema de Control Basado en PC. Si pedimos a un usuario que nos describa su sistema, es probable que se explaye en el software de supervisión, el sistema operativo de la PC y la causa de su elección, la red, y la PC propiamente dicha, mientras dedica poco tiempo al dispositivo de E/S. Sin embargo, éste ha costado el 40% del total del sistema. El principal factor en la selección del dispositivo de E/S es la necesidad de control y cálculo. Esto orientará al uso de controladores unilazo, PLCs, etc. Otros factores a considerar son la facilidad de expansión, resolución de la conversión A/D y D/A, facilidad de mantenimiento y, por supuesto el soporte local y el costo.
PARTES BASICAS DE UN PAQUETE DE SOFTWARE BASADO EN PC
Un paquete de software para control basado en PC consta básicamente de 4 programas y una base de datos dinámica. La base de datos contiene la estrategia de control, que indica de donde vienen los datos, que se hace con ellos, y adonde van. Decimos que la estrategia de control es una base de datos dinámica, porque el valor de sus variables cambia instante a instante, en forma asociada a las variables del proceso.

La definición de la estrategia de control se realiza mediante un programa diseñado a tal efecto. Otro programa permite crear las pantallas que permitirán al usuario ver datos de la base de datos.

Un tercer programa se ocupa de ejecutar la estrategia de control, cumpliendo las funciones de control que en ella se especifican. La principal característica de este programa es que corre en “background”, es decir, este programa no provee interfaz al usuario. Esta función es cumplida por el cuarto programa, el de visualización, que toma las pantallas anteriormente creadas y las “conecta” a la base de datos dinámica. En la próxima edición describiremos cada uno de estos programas.

 
Sobre un trabajo de Ing. Fernando Ventura Gutiérrez
y la coordinación de Ing. Horacio D. Vallejo
 
FIGURA 1
 
PROMOCIONES
 
 
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