Fundamentos de Automatización Industrial: GRAFCET, GEMMA y Control PID

GRAFCET: Diagrama Funcional para Automatismos Secuenciales

El GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande Etapes-Transitions) es un método gráfico y lenguaje funcional que describe los procesos a automatizar, precisando el ciclo y las condiciones de funcionamiento de una máquina automática. Permite representar los automatismos secuenciales, describiendo gráficamente la evolución del automatismo y sus diferentes comportamientos.

Este diagrama funcional detalla las acciones a realizar y los procesos intermedios que las desencadenan, facilitando la obtención de las secuencias que ha de ejecutar un autómata programable. El GRAFCET representa la sucesión de las fases o estados de un ciclo de automatización.

GEMMA: Metodología para Modos de Marcha y Paro

Las siglas GEMMA (Guide d'Étude des Modes de Marches et d'Arrêts) designan la metodología para el estudio de los modos de marcha y paro en sistemas automatizados. Esta se complementa con la representación GRAFCET y propone un enfoque que abarca los modos de operación y detención del control secuencial, el funcionamiento correcto del proceso controlado, así como el manejo de situaciones deterioradas ante anomalías e incluso el tratamiento de emergencias para prevenir daños humanos o materiales.

La idea central de la metodología GEMMA es su enfoque de diseño estructurado. Dada la complejidad de los factores que intervienen en la automatización de procesos, el diseño estructurado es fundamental para modelar las tareas de forma parcial y organizada. En el diseño estructurado de un sistema automatizado, se identifican tres módulos principales:

• Módulo de Seguridad: Garantiza la protección de personas y equipos.
• Módulo de Modos de Marcha: Define los diferentes estados operativos del sistema.
• Módulo de Producción: Describe el funcionamiento normal del proceso.

Estructura modular del diseño estructurado de sistemas automatizados.

Para la intervención del operario humano, la metodología GEMMA considera un panel industrial con las siguientes funciones clave:

• Servicio: Funciones de mantenimiento y configuración.
• Marcha/Paro: Control de inicio y detención del proceso.
• Verificación: Comprobación del estado y funcionamiento del sistema.

Conceptos Fundamentales de Control en Automatización

Control ON-OFF (Todo-Nada)

El control ON-OFF, también conocido como todo-nada o abierto-cerrado, es la forma más simple de control por retroalimentación. En este sistema, el controlador activa o desactiva completamente la salida. El elemento final de control solo ocupa una de sus dos posibles posiciones (encendido o apagado).

Un ejemplo común es el alumbrado público, que se enciende cuando la luz ambiental es inferior a un nivel de luminosidad predeterminado.

Componentes de la Acción de Control

Los modos de acción de control, que pueden combinarse para formar controladores más complejos, son:

• Proporcional (P): Actúa sobre la cantidad o magnitud del error actual.
• Integral (I): Actúa sobre el promedio acumulado del error a lo largo del tiempo, eliminando el error de estado estacionario (desviación).
• Derivativa (D): Actúa sobre la velocidad de cambio del error, anticipando futuras desviaciones.

Control Proporcional Integral (PI)

El control Proporcional Integral (PI) combina las acciones proporcional e integral. La acción integral es crucial para eliminar los errores de estado estacionario (desviaciones persistentes). Sin embargo, los cambios rápidos en las cargas pueden causar que la variable controlada exceda los límites aceptables antes de que el control integral se ajuste completamente. Por ello, a menudo se requiere una respuesta más específica para cambios rápidos en la señal de error.

Ejemplo de aplicación: Termómetros industriales.

Control Proporcional Integral Derivativo (PID)

El controlador Proporcional Integral Derivativo (PID), también denominado controlador trimodo, combina las tres acciones de control: proporcional, integral y derivativa. Este sistema es el más completo y versátil.

Un controlador PID es un mecanismo de control por retroalimentación ampliamente utilizado en procesos industriales. Su función es corregir el error entre un valor medido (variable de proceso) y el valor deseado (punto de referencia), calculando una acción correctora que ajusta el proceso en consecuencia.

El algoritmo de cálculo del control PID se basa en tres parámetros distintos:

• El término proporcional determina la reacción del controlador al error actual.
• El término integral aborda los errores acumulados a lo largo del tiempo.
• El término derivativo anticipa los errores futuros basándose en la tasa de cambio del error.

Básicamente, el control PID integra los beneficios de las acciones proporcional e integral, complementándolos con la capacidad de respuesta anticipatoria de la acción derivativa.

En todos los casos de control, el objetivo primordial es mantener la variable controlada lo más cerca posible del punto de referencia establecido.