Arquitectura de Sistemas de Control

La teoría de control es un campo interdisciplinario de la ingeniería y las matemáticas, que trata con el comportamiento de sistemas dinámicos. A la entrada de un sistema se le llama referencia. Cuando una o más variables de salida de un sistema necesitan seguir cierta referencia sobre el tiempo, un controlador manipula la entrada al sistema para obtener el efecto deseado en la salida del sistema (retroalimentación). La retroalimentación puede ser negativa (regulación autocompensatoria) o positiva (efecto "bola de nieve" o "círculo vicioso").

Un sistema de control es un conjunto de dispositivos encargados de administrar, ordenar, dirigir o regular el comportamiento de otro sistema o variables, con el fin de reducir las probabilidades de fallo y obtener los resultados deseados (controlar las variables). Sistema de control es el conjunto de dispositivos que actúan juntos para lograr un objetivo de control. Por lo general, se usan sistemas de control industrial en procesos de producción industriales para controlar equipos o máquinas. Existen dos clases comunes de sistemas de control, sistemas de lazo abierto y sistemas de lazo cerrado:

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. Estos sistemas se caracterizan por: 

Ser sencillos y de fácil concepto.



Nada asegura su estabilidad ante una perturbación.



La salida no se compara con la entrada.



Ser afectado por las perturbaciones. Éstas pueden ser tangibles o intangibles.



La precisión depende de la previa calibración del sistema.

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. El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias: 

Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.



Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar.



Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos casos y requiere una atención que el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.

Sus características son: 

Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros.



La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema.



Su propiedad de retroalimentación.



Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas.

Existen sistemas dinámicos lineales y sistemas dinámicos no lineales. Si se conocen dos soluciones para un sistema lineal, la suma de ellas es también una solución; esto se conoce como principio de superposición. En general, las soluciones provenientes de un espacio vectorial permiten el uso del álgebra lineal y simplifican significativamente el análisis. Para sistemas lineales continuos, el método de la transformada de Laplace también puede ser usado para transformar la ecuación diferencial en una ecuación algebraica. Para los sistemas lineales discretos, el método de la transformada Z también puede ser usado para transformar la ecuación diferencial en una ecuación algebraica.

Los sistemas no lineales son mucho más difíciles de analizar y a menudo exhiben un fenómeno conocido como caos, con comportamientos totalmente impredecibles.

Codiseño Control, Computación y Comunicación. Una gran cantidad de desafíos se enfrenta el campo de control de retroalimentación, especialmente cuando el nuevo ambiente que difiere sustancialmente de la de los últimos cincuenta años es rápido. En cualquier caso, los rápidos avances en la computación, comunicación, sensores y creación de redes también dan lugar a oportunidades sin precedentes para los Sistemas de Control en Tiempo Real. El campo de la ciencia y la ingeniería de sistemas de control está entrando en una edad de oro del crecimiento y la oportunidad sin precedentes que probablemente va a empequeñecer los avances estimulados por el programa espacial de la década de 1960 Estas oportunidades de crecimiento están estimulando los enormes avances en la tecnología informática, ciencia de materiales, tecnología de sensores y actuadores, así como en los fundamentos teóricos de los sistemas de control y dinámicos. Muchas de las oportunidades de crecimiento futuro se encuentran en los límites de las disciplinas tradicionales, sobre todo en el límite de la informática con otras disciplinas de ingeniería. La tecnología de los sistemas de control es la piedra angular de la nueva revolución de la automatización se producen en áreas tan diversas como los electrodomésticos, electrónica de consumo, sistemas de automoción y aeroespacial, sistemas de fabricación. . . Como se mencionó anteriormente, el nuevo entorno caracterizado por amplias aplicaciones de dispositivos integrados en red, el patrón de diseño estándar tradicional, permite la separación de las diferentes disciplinas, será el más largo y valido cuando se aplica en la ingeniería en tiempo real de sistemas de control. Para hacer frente a este problema, principios y métodos en las comunidades informáticas y de comunicación deben ser incorporados en el diseño e implementación de sistemas de control. La teoría de control de retroalimentación y la tecnología pueden, por supuesto, adaptarse ambos en sistemas informáticos y de comunicación para lograr un mejor rendimiento. Esta interacción está dando lugar a la ola emergente de la revolución de la tecnología de la información, la convergencia de la informática, la comunicación. En el último medio siglo,

los campos de la informática, la comunicación y el control han logrado grandes éxitos en forma aislada. La creación de ENIAC, el primer gran escala ordenador electrónico de propósito general se realizo en la Universidad de Pennsylvania en 1946, es un símbolo del nacimiento y la evolución de la informática moderna. El documento titulado "Una teoría matemática de la comunicación" por Shannon, publicado en 1948, sienta las bases de la teoría de la información. La publicación del libro "Cibernética" de Wiener en 1948 simboliza la naissance de la ciencia de control, una disciplina de la que los principios y métodos se han utilizado hoy en día en los diferentes sistemas de ingeniería. Los ricos resultados teóricos y tecnológicos alcanzados en estas disciplinas han formado una base sólida para el desarrollo de una nueva teoría unificada del sistema como resultado de la convergencia. Por ejemplo, el reciente progreso acelerado de la tecnología informática, las comunicaciones y la tecnología de detección trae nuevas oportunidades para el control en tiempo real.

Procesadores integrados y redes inalámbricas ciertamente llegarán a ser los componentes característicos de futuros en Tiempo Real Sistemas de Control. La convergencia de la informática y la comunicación ha dado a luz a una serie de tecnologías importantes, de los cuales los ejemplos más representativos son Internet y la tecnología inalámbrica. Por otro lado un buen número de conferencias académicas y revistas que cubren múltiples disciplinas como la informática, la comunicación y el control se han puesto en marcha en los últimos años. Estos fenómenos dan a conocer que los estrictos límites tradicionales entre estas disciplinas se harán cada vez menos rigurosa. En su lugar, la interacción dinámica entre estas disciplinas será una característica clave de la tecnología de la información. Para promover la aparición de esta área multidisciplinar, The Panel of the future. Direcciones en el Control, Dinámica y Sistemas (expertos) han recomendado que las agencias gubernamentales y la comunidad de control deberían aumentar considerablemente la investigación dirigida a la integración de control ( la informática, las comunicaciones y redes). Varias instituciones han comenzado iniciativas. Por ejemplo, el Departamento de Defensa de los EE.UU. ya ha hecho una gran inversión en esta área a través de la iniciativa “Programa de investigación de la universidad multidisciplinaria (MURI)”. Se ha informado de que el Departamento de Defensa de EE.UU tiene previsto otorgar becas de investigación con un total de más de $ 150 millones para las instituciones académicas en virtud de este programa durante los cinco años a partir de 2006. En el contexto de un control en tiempo real, hay dos clases de forma intuitiva de convergencias: el control y la informática, y el control integrado y comunicación integrados. La integración de la informática, comunicación y control ofrece una metodología nueva para implementar el control en

tiempo real en entornos dinámicos. Siguiendo esta metodología, es por lo tanto posible realizar la codiseño de la computación, comunicación y control en la ingeniería de sistemas de control, que está en contraste con el patrón de diseño tradicional que separa el control y la programación. Todo el proceso de implementación de sistemas de control nunca más se compondrá de estas dos etapas separadas. Mientras que el diseño del controlador tendrá en cuenta las limitaciones de las plataformas de aplicación, los algoritmos de control bien diseñados serán implementados por los ingenieros de sistemas con los requisitos de tiempo de las aplicaciones de control de la mente. De esta manera, un proceso fundamental de la interacción dinámica se establece entre la informática, la tecnología de la comunicación y los sistemas de control, se cree que es capaz de contribuir a la optimización del rendimiento del sistema.

Sin embargo, existe todavía dudas de cómo construir una teoría más holística que sirva para futuros avances en la convergencia de la informática, la comunicación y el control. Dado que la programación de recursos se convierte en la principal preocupación en este contexto, esta área se refiere a menudo como el control y la programación codiseño o control integrado y la programación, abarca tanto las áreas de control integrado y la informática y el control integrado y comunicación. En la última década, ha habido un creciente interés en codiseño de control y programación. Algunos de los esfuerzos que se realizan con respecto al control integrado y la informática o el control integrado y comunicación, respectivamente, en las dos secciones siguientes. El énfasis se pone en: 1) la aplicación de la programación de retroalimentación a los sistemas informáticos y de comunicación 2) Codiseño de programación y control de los Sistemas de Control en Tiempo Real

Control Integrado y Computación La mayoría de los trabajos existentes en el área de control integrado y la informática se puede dividir en dos categorías:

1)Sistemas computarizados de control: (En el primer caso, las aplicaciones consideradas son por lo general los sistemas informáticos de propósito general (sistemas, es decir, no-control), y la tecnología clave utilizada para la gestión de los recursos es el control de retroalimentación / programación.) Como su nombre lo dice, la idea básica detrás de los sistemas computarizados de control es la aplicación de la teoría y técnicas de control de retroalimentación a los sistemas de cómputo de tal manera que se consigue el rendimiento deseado. El control de realimentación proporciona la comunidad de ingenieros con una tecnología que permite atacar la incertidumbre y mejorar la flexibilidad de los sistemas. Por ejemplo, cuando se introduce el control de retroalimentación, las perturbaciones externas y / o internas puede ser mejorada significativamente por los sistemas informáticos. Mejorando así también el determinismo del sistema durante el tiempo de ejecución. El control de realimentación también se puede utilizar para compensar o reducir los efectos negativos de las plataformas de ejecución en el rendimiento del sistema. En particular, para los sistemas informáticos que operan en entornos abiertos dinámicos, mediante el control de retroalimentación de la gestión de recursos podría mejorar la flexibilidad del sistema en un contexto de incertidumbre en la disponibilidad de recursos, lo cual es de vital importancia para garantizar el comportamiento temporal satisfactoria de los sistemas. Debido a la complejidad inherente de los sistemas de computación, en la mayoría de los casos es difícil de construir modelos matemáticos (suficientemente precisos) para formular su dinámica. A veces, incluso la selección de un tipo de modelo apropiado es extremadamente difícil.

2)Sistemas de Control embebido (los sistemas embebidos se diseñan para cubrir necesidades específicas.): Los sistemas de control embebido considerados en el contexto del control y la programación, generalmente se componen de un conjunto de bucles de control digital. El algoritmo de control dentro de cada bucle de control se implementa por separado, como una tarea en tiempo real. Naturalmente, el recurso compartido de interés es el tiempo de CPU. En consecuencia, el objetivo más común del codiseño es optimizar la calidad general de control del sistema sometido a las limitaciones de recursos de CPU

Integración Control y Comunicación En el área de control integrado y computación, el recurso exige nuestra llamada de atención son los recursos computacionales(capacidad), mientras que, en los sistemas para el control integrado y comunicación, el recurso que exige más atención especial será el recurso de la comunicación,

por ejemplo, ancho de banda de la red. Al igual que hizo en la sección anterior, se identifican dos categorías de trabajos relacionados en el área de control integrado y comunicación: sistemas de control de redes y sistemas de control inalámbrico. El área de control de la red es bastante amplia, ya que involucra una variedad de aspectos de las comunicaciones de la red. La aplicación más representativa de la teoría y las tecnologías de control de las redes de cable es “el control de congestión de la red”, por ejemplo, el control de la tasa de extremo a extremo de las redes IP y la gestión de colas en los routers. En la historia, el diseño de algoritmos de control de congestión en las redes tradicionales, a menudo son realizado por los ingenieros de sistemas, rara vez está asociado a la teoría de control de retroalimentación. Las técnicas clásicas de control se aplican con éxito para la gestión de cola activa, donde un controlador proporcional y un controlador PI están diseñados y analizados. También se añade un componente derivado en el controlador PI, formando así el marco más general de PID. Para mejorar la estabilidad y robustez del sistema, los autores presentan el enfoque de control adaptativo para diseñar un gestor de colas activo mediante el control de la lógica difusa, que ofrece un mejor rendimiento que el enfoque basado en el control PI. En comparación con las redes de cable, la gestión de recursos en entornos inalámbricos podría ser mucho más difícil. Esto es principalmente porque las redes inalámbricas transmiten datos a través de canales de radio, que se caracteriza mayormente un alto nivel no determinismo. Las capacidades de canal de las redes inalámbricas dependen en gran medida de muchos factores tales como la potencia de transmisión, ancho de banda y el tamaño de ranuras de tiempo, y de ese modo son potencialmente variable, lo que contrasta con las redes cableadas que siempre se mantendrá fijos capacidades de los enlaces.

1)Sistemas de Control de redes: Los sistemas de control en red cerradas (a través de redes cableadas) son el resultado natural de la integración del control y la comunicación. En aplicaciones de control de módem los sistemas de control en red dependen tanto de las redes tradicionales de control como de las redes de datos de uso general tales como Ethernet e Internet para transmitir datos e intercambio de información. Puede ser clasificado en tres categorías: (1) Enfoques basados en el diseño del controlados: La clave de los enfoques basados en el diseño del controlador es el diseño de algoritmos de control que son robustos frente a retrasos en la red, inducida por las pérdidas de paquetes

(2) Enfoque basado en el diseño de red: Los enfoques basados en el diseño de redes tienen que ver principalmente con la forma de mejorar la calidad de servicio de la red de tal manera que se cumplan los requisitos de tiempo de los sistemas de control (3) Codiseño de control y red:

2)Sistemas de control Inalámbrico: Los últimos años han sido testigos de la aparición de las tecnologías de redes inalámbricas que son cada vez más cada vez más maduras, la disponibilidad de un gran número de dispositivos lo utilizan son cada vez más comercializados y más baratos. Todos estos factores hacen posible llevar a cabo el control en tiempo real a través de redes inalámbricas. De hecho, el campo de control inalámbrico está atrayendo la atención de forma continua desde la academia y la industria por sus incomparables ventajas sobre los sistemas en red con cables tradicionales de control, como mejor apoyo a la movilidad de nodo, una instalación más sencilla y mantenimiento, y costos más bajos. Sin embargo, es muy difícil lograr un control efectivo sobre la base de las redes inalámbricas (por ejemplo WiFi, ZigBee y Bluetooth) que son mucho menos fiables que las redes cableadas. Se estudia el impacto de la variación de desvanecimiento canales inalámbricos en el rendimiento de control, donde los autores sugieren que los parámetros del controlador deben ser adaptados de forma dinámica con respecto a las condiciones del canal.

Arquitectura de Sistemas de control Clásico

Hasta bien entrado el siglo XX las únicas herramientas analíticas que poseía el especialista en control eran la utilización de ecuaciones diferenciales ordinarias junto con criterios algebraicos para determinar la posición de las raíces de la ecuación característica asociada. Aplicando el criterio de Routh y Hurwitz el ingeniero determinaba la estabilidad o no de los sistemas, pero para esto se debía obtener el modelo matemático operando mediante ecuaciones diferenciales. Esto suponía un arduo trabajo. Además, hay que destacar que el criterio de Routh y Hurwitz no ofrece información de cómo mejorar la estabilidad del sistema. Desde el punto de vista teórico, la Ingeniería de Control se empieza a consolidar cuando se produce el traslado y aplicación de los conocimientos adquiridos en los problemas de amplificación de señales a los problemas de control industrial. Estos estudios desembocan en la llamada Teoría Clásica de Control, en la cual se utililizaban como herramientas matemáticas los métodos de Transformación de Laplace y Fourier y la descripción externa de los sistemas. La teoría desarrollada para el control de procesos, desde el punto de vista clásico y moderno, tiene su base esencial en el conocimiento de la dinámica del proceso que se desea controlar. Esta dinámica normalmente se expresa haciendo uso de ecuaciones diferenciales ordinarias, y en el caso de sistemas lineales, se hace uso de la transformada de Laplace para obtener una representación matemática que relaciona la señal que se quiere controlar y la señal de entrada al sistema. Esta relación matemática se conoce como función de transferencia. Desde la teoría clásica de control, considerando el caso más sencillo de un sistema lineal de una entrada y una salida, la dinámica se puede representar como en la siguiente figura.

En esta figura se representa el bloque etiquetado como "Proceso" o "Planta", que es el sistema que se desea controlar. A este sistema le llegan dos señales, una etiquetada como "Entrada de control" que será la señal que genera el controlador que se ha de diseñar y la señal etiquetada como "Entrada incierta" que puede representar cualquier señal indeseable externa al sistema y que se conoce también como "perturbación" o "ruido". Finalmente, la señal de "Salida" que será la señal que se desea que se comporte de una forma determinada. La señal de salida también se conoce como señal controlada. La teoría de control clásica utiliza extensamente el concepto de función de transferencia (o transmitancia). Se realiza el análisis y el diseño en el dominio de s (Laplace) y/o en el dominio de la frecuencia. La teoría de control moderna que está basada en el concepto del espacio de estado, utiliza extensamente el análisis vectorialmatricial. El análisis y el diseño se realizan en el dominio del tiempo. La teoría de control clásica brinda generalmente buenos resultados para sistemas de control de una entrada y una salida. Sin embargo, la teoría clásica no puede manejar los sistemas de control de múltiples entradas y múltiples salidas.

Arquitectura de Control Por Computador

El sistema de control digital completo se puede considerar dividido en dos partes: 

 

Una parte analógica, que contiene las leyes físicas del sistema en sí, pues la mayor parte de los sistemas reales funcionan de forma analógica. A este comúnmente se le agregan los sensores y actuadores. Una parte digital en la que encontramos las leyes de control. Estas leyes deben tratarse por tanto como un sistema discreto. Una interfaz análogo-digital que permite la comunicación de las dos partes.

Convertidor Análogo-Digital Un convertidor análogo digital realiza principalmente dos operaciones:  El muestreo de la señal, es decir su discretización temporal, con un período fijo que se denota generalmente como “T” . Una señal discreta es una señal que posee un valor solo a unos instantes precisos. Estos instantes de tiempo están definidos por el período de muestreo, que es un valor de tiempo constante que separa dos de estos instantes. Un discretizador ideal se puede ver como un interruptor que se conecta cada segundo, durante un instante muy corto de tiempo y esta desconectado el resto del tiempo.  La cuantificación de la señal, es decir la discretización de los valores que puede utilizar para que la señal sea compatible con el formato de representación de los computadores. Por ejemplo, un computador que trabaja con 8 bits puede tratar solo 256 valores distintos. Las informaciones que entran y salen de este serán sucesiones de números de tipo: 123, 135, 34, 0, 255, etc. Convertidor Digital-Análogo Un convertidor digital-análogo por su parte tiene como objetivo obtener de nuevo la señal analógica previamente discretizada equivalente de forma exacta para todo tiempo “t”. En el caso general, la reconstrucción perfecta

de la señal analógica es imposible, pues funciones diferentes en el tiempo pueden tener el mismo valor discreto

El funcionamiento de un sistema de control discreto depende entonces de: 



La frecuencia de muestreo, la cual tiene una influencia sobre la precisión de la medida y el retraso que agrega el bloqueador de orden cero. La precisión del sistema numérico, el cual puede adoptar solo valores numéricos precisos, por tanto, tiene una influencia sobre el error de cuantificación (Amplitude Quantization Error).

La comunicación se realiza de forma discontinua pero uniformemente distribuida en el tiempo. La etapa de control está implementada en un dispositivo de naturaleza discreta que únicamente es capaz de recibir y generar señales discretas. Son necesarios, por lo tanto, dispositivos de conversión analógico-digital y digital-analógico que actúen de interfaz entre el mundo analógico del proceso bajo control y el mundo digital donde está implementada la ley de control. La forma más habitual de implementar un control discreto es emplear un periodo de muestreo regular (T), lo cual significa que los instantes de muestreo de las variables de interés y los instantes de actuación del controlador sobre la planta estarán equiespaciados en el tiempo y coincidirán con los múltiplos enteros del periodo de muestreo. En una situación más real debería existir una diferencia de un periodo de muestreo entre la captura de una muestra y la aplicación de la acción de control generada a partir de la información que proporciona, ya que el cálculo de la acción necesitará de un tiempo no nulo. Este retraso respecto a la situación ideal habrá de ser tenido en cuenta en el diseño de la ley de control para que no tenga una influencia significativa en las prestaciones del sistema. En cualquiera de los casos, en una estrategia de control discreto

convencional los instantes de muestreo y aplicación de acciones están perfectamente determinados y se distribuyen en el tiempo de forma regular. La implementación discreta del control tiene innegables ventajas, entre ellas la posibilidad de implementar estrategias de control complejas que no podrían ser conseguidas con componentes continuos.

Sin embargo, tiene el inconveniente de que la comunicación control-planta se interrumpe de forma periódica. Tan sólo en los instantes de muestreo el sistema se comporta como una verdadera estructura de control realimentada, quedando la planta sin control durante todo el periodo intermuestreo Otras veces, es el coste temporal de la ejecución del algoritmo de control o de las conversiones A/D y D/A, el que determina este límite. Una última posibilidad es que la limitación en la frecuencia de muestreo venga impuesta por el enlace de comunicación, a través del cual se transmite la información entre controlador y planta.

Arquitectura de Control Distribuido Historia de los Sistemas de Control Distribuido ( SCD ) • Los SCD fueron creados para sustituir a los controladores monolazo y a los ordenadores de proceso que tenían un solo procesador central • La disponibilidad de los primeros microprocesadores facilitó que Honeywell fuera la compañía que lanzó el primer Sistema de Control Distribuido en 1974 el sistema TDC 2000 ( Total Distributed Control ). Tuvo tanto éxito que en poco tiempo se convirtió en el sistema más extendido en la industria de proceso • La arquitectura de un SCD está formada por múltiples procesadores, cada uno de los cuales controla una unidad de proceso de una planta, de forma que en caso de fallo solo es esa parte la que queda sin control • Los sistemas de control distribuido disponen de una configuración redundante opcional. El sistema de control TDC2000 disponia de un controlador de reserva por cada un máximo de ocho controladores activos • Los SCD diseñados inicialmente para el control analógico de procesos, evolucionaron rápidamente hacia sistemas híbridos que manejaban asimismo señales de entrada/ salida digital (principios de los años 80 )

¿Por qué surgieron? El control digital directo (DDC) durante esa época sufría de un problema sustancial: EL POTENCIAL peligro de que exista una falla en un único computador digital que controlaba o ejecutaba MULTIPLES lazos de control PID, funciones que nunca debía detenerse. El control digital trajo muchas ventajas, pero no valía la pena si existía el riesgo de que la operación de detuviera completamente (o fallara catastróficamente) seguido de un falla en el hardware o software en una única computadora.

Los controles distribuidos están destinados a solucionar esta preocupación teniendo múltiples computadores, cada una responsable de un grupo de lazos PID, distribuidos por las instalaciones y enlazados para compartir información entre ellas y con las consolas de operación. Ahora ya no había la preocupación de tener todos los lazos en un solo computador. La distribución de los computadores o controladores también ordeno el cableado de señales, dado que ahora cientos o miles de cables de instrumentos solo tienen que llegar hasta los nodos distribuidos, y no todo el camino hasta llegar la sala de control centralizada. Solo los cables de la red tenían que está enlazando a los controladores, representando una drástica reducción de cablead necesario. Además, el control distribuido introdujo el concepto de REDUNDANCIA en los sistemas de control industrial: donde la adquisición de señales digitales y las unidades de procesamiento estaban equipadas con un "spare" o "repuesto" para que automáticamente tomen el control de todas las funciones críticas en caso de ocurra una falla primaria.

Definición Un Sistema de Control Distribuido consiste en el enlace, por medio de una red de comunicaciones, de diversos nodos distribuidos físicamente, dotados de capacidad de proceso y enlazados a sensores y/o actuadores. Estos sistemas se caracterizan por que el proceso de control tiene lugar en estos nodos de manera coordinada. Las redes de comunicaciones orientadas al enlace de estos nodos son conocidas también como buses de comunicaciones o redes multiplexadas. Un nodo es un procesador autónomo con su propio hardware: procesador (CPU), memoria, oscilador de reloj, interfaz de comunicaciones, e interfaz hacia el subsistema que controla

Por el contrario, en un sistema de control centralizado existe un único controlador donde confluyen todas las señales de entrada a muestrear, se procesan realizando todos los algoritmos necesarios de control y se generan todas las señales necesarias de salida. Los sistemas centralizados dan lugar a costosos y pesados cableados punto a punto (desde cada sensor o actuador hasta el sistema centralizado) y a la utilización de redes analógicas (4-20mA) tanto para la conexión de sensores dedicados a la captación de señales de entrada como para la activación de indicadores.

En un principio la principal razón para la migración desde los sistemas centralizados a los sistemas distribuidos fue la necesidad de simplificación y normalización del cableado, basándose en la filosofía de la sustitución de cobre (costosos cableados punto a punto) por silicio (nodos inteligentes enlazados por un bus serie sobre par trenzado de baja sección). Sin

embargo, existen razones adicionales por las que es preferible un sistema distribuido tales como menor tiempo de diseño y menores costoss de operación y mantenimiento.

Dentro de los sistemas distribuidos, el mundo del automóvil es un sector de referencia ya que es un mercado que necesita de gran volumen de componentes de bajo coste, fiables y capaces de funcionar en entornos agresivos. El bus de comunicaciones utilizado en los sistemas distribuidos embebidos en el automóvil es el bus CAN (Controller Area Network) y en el estudio de este bus y de los buses de campo que lo toman como base versa parte del presente curso.

En la siguiente figuro se muestra una arquitectura típica de un Sistema de Control Distribuido (DCS):

Cada rack contiene un procesador para implementar todas las funciones de control necesarias, con tarjetas individuales de entrada y salida (I/O) para convertir las señales de analógicas a digitales o vice-versa. La redundancia de procesadores, redundancia de cables de red, e incluso redundancia de tarjetas I/O es implementada para prevenir la falla en algún componente. Los procesadores de los DCS son usualmente programados para realizar una rutina de auto-revisión en sus componentes redundantes del sistema para asegurar la disponibilidad de los equipos spare en caso de alguna falla.

Si incluso hubiera una talla total en uno de los racks de control, solo los lazos PID de este único rack serán afectados, ningún otro lazo del sistema. Por otro lado, si los cables de red fallan, solo el flujo de información entre estos dos puntos se dañaría, el resto del sistema continua comunicando la información normalmente. Por lo tanto, una de las "leyes" o características clave de un DCS es su tolerancia a fallas serias: sin importar la falla de hardware o software el impacto en el control del proceso es minimizado por el diseño.

Arquitectura de control jerárquico La estructura de control jerárquico se deriva de una simplificación del sistema de control. Cuando el control está basado en modelos, se auxilia por una serie de modelos del proceso que pueden ir desde una abstracción muy general hasta una descripción detallada. Los niveles más altos del control corresponden a largas escalas de tiempo y controlan eventos de baja frecuencia, mientras que los niveles más bajos corresponden a escalas de tiempo cortas y controlan eventos de alta frecuencia. El sistema de control se implementa con una estructura jerárquica de control en tres niveles. Cada nivel se enfoca a resolver diferentes problemas de control con diferentes objetivos e incluso diferente escala de tiempo