Aplicaciones con controles
Tres aplicaciones que aparecen una y otra vez en la industria, y que obligan a juntar todo lo anterior: pesaje y dosificación, control de ascensores y sistemas automáticos de verificación y prueba. En las tres, el microcontrolador es lo fácil; lo difícil es el problema real.
El control de temperatura e iluminación se desarrolla en control con dispositivos, los sensores y actuadores en sensores y actuadores, y los periféricos internos en periféricos del microcontrolador. Acá se aplican a tres problemas concretos.
01Pesaje con celda de carga
| Dato de la celda | Qué significa |
|---|---|
| Capacidad nominal | El peso máximo que admite sin dañarse: 5, 50, 500 kg. Se elige con margen sobre la carga real, incluido el peso del recipiente. |
| Sensibilidad | Típicamente 2 mV/V: con 5 V de excitación entrega 10 mV a fondo de escala. Es una señal diminuta. |
| Resistencia del puente | 350 Ω es el valor habitual. Determina la corriente de excitación y el calentamiento. |
| Clase de exactitud | Define linealidad, histéresis y deriva. Es lo que separa una balanza de comercio de un sensor de fuerza cualquiera. |
| Compensación de temperatura | El rango en el que la celda mantiene su exactitud. Fuera de él, la lectura deriva. |
Celda de 50 kg, sensibilidad 2 mV/V, excitación 5 V, conversor de 24 bits con ganancia 128 y entrada de ±20 mV.
- Salida a fondo de escala: 2 mV/V × 5 V = 10 mV para 50 kg.
- Eso significa 0,2 mV por kilogramo, o 200 nV por gramo.
- El conversor tiene 24 bits sobre ±20 mV, es decir un paso de unos 2,4 nV. En teoría alcanzaría para resolver centésimas de gramo.
- En la práctica el ruido deja unos 17 a 19 bits útiles: la resolución real ronda 1 a 5 gramos, y sólo con buen filtrado y promediado.
La conclusión importa: los bits del conversor no son la resolución. Lo que manda es el ruido de la cadena completa, y por eso el cableado, la alimentación y el promediado deciden el resultado.
- Cable de la celda cerca de la potencia: 200 nanovolts por gramo no perdonan nada. El cable va apantallado, separado y lo más corto posible.
- Alimentación ruidosa: la excitación de la celda debe ser limpia y estable. Cualquier variación se traduce directamente en peso.
- Montaje mecánico deficiente: la celda tiene que trabajar en la dirección para la que fue hecha. Tomarla de costado, apoyarla torcida o dejar que el recipiente roce con algo introduce errores mucho mayores que cualquier detalle electrónico.
- Temperatura: la deriva térmica es real. El equipo se estabiliza antes de calibrar.
Se hace la puesta a cero con el recipiente vacío —esa lectura es la tara— y después se coloca una pesa patrón conocida. Con esos dos puntos queda definida la recta peso = (lectura − cero) × pendiente. Si la celda es buena, con dos puntos alcanza; si hacen falta más, el problema es mecánico o la celda no sirve.
02Dosificación por lote
| Etapa | Qué hace el control |
|---|---|
| Tara | Con el recipiente vacío y en reposo, toma el cero. Todo el lote se mide desde ahí. |
| Llenado rápido | Abre el caudal grande hasta llegar al punto de cierre grueso, típicamente el 90 a 95 % del objetivo. |
| Llenado lento | Sólo el caudal chico. Se gana exactitud a costa de tiempo. |
| Corte anticipado | Cierra antes del objetivo, descontando el material en vuelo. Ese valor se aprende de los lotes anteriores. |
| Estabilización y pesada final | Espera a que la balanza se aquiete y registra el peso real del lote. |
| Corrección | Ajusta el corte anticipado según el error del lote anterior. Es lo que hace que el sistema mejore solo. |
Una tolva descarga 2 kg/s en caudal grueso y 0,2 kg/s en fino. La válvula tarda 150 ms en cerrar y el material demora 120 ms en llegar a la balanza.
- Cortando en caudal grueso: 2 kg/s × 0,27 s = 540 g de sobrepeso. Inaceptable.
- Cortando en caudal fino: 0,2 kg/s × 0,27 s = 54 g. Descontables por anticipación.
- Con corrección automática, el error final se estabiliza en pocos gramos.
Por eso todo dosificador serio tiene dos velocidades. Con una sola, o es exacto y lentísimo, o es rápido y no cumple.
03Control de ascensores
- Pedidos: los de cabina y los de piso se guardan en dos tablas de banderas.
- Selección: mientras sube, atiende los pedidos que están por encima y en el mismo sentido; al agotarlos, invierte. Es la maniobra colectiva selectiva, y es lo que evita que el ascensor haga recorridos absurdos.
- Posición: se conoce por sensores de piso y de zona de nivelación, y se verifica permanentemente. Si el sistema pierde la posición, hace un viaje de recuperación hasta un extremo.
- Velocidad: arranque y frenado con rampas, y aproximación lenta al piso. Un ascensor que frena de golpe es un ascensor mal controlado.
Es un circuito en serie de contactos que, si se abre en cualquier punto, corta la maniobra: contactos de puertas de piso, de puerta de cabina, finales de carrera extremos, limitador de velocidad, paracaídas y botones de parada de emergencia.
Ese circuito es independiente del programa y de acción directa sobre la potencia. Un ascensor no se detiene porque el software lo decida: se detiene porque la cadena se abrió. El microcontrolador lee el estado de la cadena para informar y registrar, pero no es quien protege.
Vale para el ascensor y para cualquier máquina: la seguridad no se implementa en software. Se implementa con enclavamientos físicos, contactos de apertura forzada y relés de seguridad, y el programa se ocupa del confort y de la lógica de servicio. Un programa puede colgarse; un contacto abierto en serie con la bobina, no. Sobre esto se vuelve en higiene y seguridad.
04Sistemas automáticos de verificación y prueba
Un banco de prueba automático somete cada unidad fabricada a una secuencia de ensayos, decide si pasa o no, y guarda el resultado. Es lo que permite que una producción tenga calidad medible en lugar de calidad declarada.
| Parte | Función |
|---|---|
| Sujeción | Un dispositivo que posiciona la pieza siempre igual y hace contacto con los puntos de prueba. Es la parte que más define la repetibilidad. |
| Estímulo | Fuentes, generadores y señales de entrada que ponen a la unidad en las condiciones del ensayo. |
| Medición | Multímetro, conversores, contadores. Cada magnitud con su instrumento y su exactitud declarada. |
| Secuencia | El programa que ordena los ensayos, aplica los límites y decide. Se detiene ante el primer fallo o los ejecuta todos, según convenga. |
| Registro | Número de serie, fecha, valores medidos y veredicto. Sin registro, el banco sirve para clasificar pero no para mejorar el proceso. |
Un ensayo tiene un límite de especificación —lo que el producto debe cumplir— y conviene tener además un límite de proceso, más exigente. Las unidades que caen entre ambos pasan, pero se marcan: son la señal temprana de que el proceso se está corriendo. Cuando la producción entera empieza a apilarse cerca del límite, hay un problema aunque todavía nada falle.
Y algo que se olvida siempre: el banco de prueba también hay que verificarlo. Se pasa periódicamente una unidad patrón conocida, buena y otra deliberadamente mala, para confirmar que el banco sigue detectando lo que debe.
05En el laboratorio
Armar una balanza con celda de carga, amplificador y microcontrolador. Calibrar con dos puntos, medir la repetibilidad pesando diez veces la misma pesa y calcular la desviación. Repetir con el cable de la celda cerca de un motor en marcha y comparar.
Con una tolva sencilla y una válvula o un vibrador, dosificar una cantidad objetivo de material granulado. Implementar cierre grueso y fino y corrección automática del punto de corte. Graficar el error de los primeros veinte lotes: se ve cómo el sistema aprende.
Sobre una maqueta de tres o cuatro pisos, programar la maniobra colectiva selectiva con pedidos de cabina y de piso. Agregar una cadena de seguridad física en serie con el contactor y verificar que al abrir cualquier contacto el movimiento se detiene, incluso si el programa insiste.
Armar un banco que verifique automáticamente una placa sencilla hecha en el taller: tensiones de alimentación, consumo, respuesta de las salidas. Definir límites, generar un veredicto y guardar un registro por unidad. Probar el banco con una placa buena y con una saboteada a propósito.
06Errores frecuentes
| Error | Consecuencia |
|---|---|
| Confundir bits del conversor con resolución real | Se promete una exactitud que el ruido de la cadena no permite alcanzar. |
| Cable de celda junto a la potencia | La lectura de peso salta con cada arranque de motor. |
| Montaje mecánico descuidado | Roces y esfuerzos laterales producen errores mucho mayores que cualquier detalle electrónico. |
| Dosificar con una sola velocidad | O es exacto y lentísimo, o es rápido y siempre se pasa. |
| No descontar el material en vuelo | Sobrepeso sistemático en todos los lotes. |
| Poner la seguridad en el programa | Si el programa se cuelga, no hay protección. Los enclavamientos son físicos y en serie. |
| Banco de prueba sin verificar | Puede estar aprobando unidades malas durante meses sin que nadie lo note. |
| Ensayar sin registrar | Se clasifica producto, pero no se puede mejorar el proceso ni rastrear un lote. |
07Autoevaluación
¿Cuánta tensión entrega una celda de 2 mV/V con 5 V de excitación, a fondo de escala?
10 mV. Por eso hace falta un amplificador de instrumentación y un conversor de alta resolución.
¿Por qué 24 bits no significan resolver microgramos?
Porque el ruido de toda la cadena deja bastantes menos bits útiles, en general entre 17 y 19. La resolución real la fija el ruido, no el conversor.
¿Cómo se calibra una balanza?
Con dos puntos: el cero con el recipiente vacío —la tara— y una pesa patrón conocida. De ahí salen la ordenada al origen y la pendiente.
¿Qué es el material en vuelo y por qué importa?
El que ya salió de la tolva y todavía no llegó a la balanza cuando se ordena cerrar. Hay que cortar antes del objetivo por esa cantidad, o todos los lotes salen con sobrepeso.
¿Por qué un dosificador usa dos velocidades?
Porque el caudal grande da rapidez pero mucho material en vuelo, y el chico da exactitud pero es lento. Combinándolos se obtiene un lote rápido y exacto.
¿Qué es la maniobra colectiva selectiva?
La lógica por la cual el ascensor atiende, mientras sube, sólo los pedidos que están por encima y en el mismo sentido, y recién invierte cuando los agota.
¿Qué es la cadena de seguridad de un ascensor?
Un circuito de contactos en serie —puertas, finales de carrera, limitador de velocidad, paracaídas, paradas de emergencia— que corta la maniobra si se abre en cualquier punto, con independencia del programa.
¿Por qué la seguridad no se implementa en software?
Porque un programa puede colgarse, corromperse o tener un error; un contacto abierto en serie con la bobina del contactor, no. El software se ocupa del servicio, no de la protección.
¿Qué diferencia hay entre límite de especificación y límite de proceso?
El de especificación es lo que el producto debe cumplir; el de proceso es más exigente y sirve de alerta temprana: si la producción se acerca a él, algo se está corriendo aunque nada falle todavía.
¿Cómo se verifica que un banco de prueba sigue funcionando?
Pasándole periódicamente una unidad patrón buena y otra deliberadamente mala, y confirmando que las clasifica correctamente.