Introducción a los Sistemas de. Automatización Industrial

Transcripción

1 Introducción a los Sistemas de Automatización Industrial Automatización Industrial Índice TEMA - Introducción a los Sistemas de Automatización Industrial 1 - Los Automatismos - Bloques de un Sistema de Automatización 2 - Objetivos de la Automatización 3 - Funciones de los Automatismos 4 - Tecnologías de los Automatismos 41 Transición de Lógica Cableada a Lógica Programada 5 - Introducción a los Autómatas Programables Industriales 51 Historia de los API s 52 Evolución de la Automatización con API s 53 - Componentes de un Sistema de Automatización Industrial 54 - Lenguaje de Programación de Autómatas 55 - Gamas de Productos 6 Introducción a la norma IEC

2 Automatización de un Proceso Accionadores Captadores PROCESO ORGANO DE CONTROL Acciones Datos Consignas Información - Pulsadores - Interruptores - Codificadores - Potenciometros -Lámparas - Visualizadores - Contajes -Alarmas OPERADOR Objetivos de la Automatización Objetivos de la Automatización Producir una calidad constante Proveer cantidades necesarias en el momento preciso Incrementar la productividad y flexibilidad de la herramienta

3 Funciones de los Automatismos I Grados de Automatización Vigilancia Guía Operador Mando Vigilancia Guía operador Mando Adquisición Tratamiento Acción Estructura Bucle abierto Bucle abierto Bucle cerrado Funciones de los Automatismos II Niveles de Automatización Nivel 1 - Elemental - Nivel de Máquina Nivel 2 - Máquinas simples Nivel 3 - Proceso Nivel 4 - Nivel de Gestión Integrada

4 Tecnologías de los Automatismos I Soluciones a los Problemas de Automatización Problema de Automatizacion Tecnicas Cableadas Tecnicas Programadas Fluidica Neumática Electrica PC Industrial Automata Programable Control Numérico Control de Robot Bus de Control Reles Electronica Estatica Sistemas a Proposito Sistemas Modulares Tecnologías de los Automatismos II Técnicas Cableadas - Limitaciones Espacio que ocupan Falta de flexibilidad Dificultad de dominar problemas complejos Coste de reutilización de los componentes Complejidad de búsqueda de averías y reparación Rentabilidad financiera limitada

5 Tecnologías de los Automatismos III Técnicas Programadas herramientas informáticas Informática Industrial: disciplina que conjuga las teorías de la automática y los medios de la informática con el fin de resolver problemas de naturaleza industrial Automata Programable Industrial: máquina electrónica programable por un personal no informático y destinada a pilotar o gobernar procedimientos lógicos secuenciales en ambiente industrial y en tiempo real Tipos de Lógicas Lógica Combinatoria Reproducibilidad de las situaciones y(t) = f(x;t) Lógica Secuencial Gobierno en función de situaciones anteriores u(t+ t) = f(x,u;t) y(t) = g(x,u;t) Lógica Secuencial Asíncrona: propagación atemporal Lógica Secuencial Síncrona: propagación periodica

6 Tratamientos Paralelos y Secuenciales Tratamiento Paralelo Todas las señales concernidas en un instante dado son tenidas en cuenta simultáneamente por el órgano tratamiento u1 u2 Circuito (1,1) (2,1) Capa 1 Capa 2 Capa q (q,1) y1 uk uk+1 un (1,2) (1,p) (2,2) (2,r) Sentido de propagación (q,2) (q,s) y2 ym Tratamiento Secuencial Todas las señales concernidas en un instante dado son tratadas sucesivamente, en un orden previamente definido Transición Procesador Programable Solución Cableada Tratamiento Paralelo X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 Y3 Y4 Solución Programada Tratamiento Secuencial X1 X2 X3 X4 Entradas INSTRUCCIONES (Memoria Programa) PROCESADOR Progr Interpretador de Instrucciones Salidas Y1 Y2 Y3 Y4

7 Transición Técnica Cableada/Técnica Programada L+ Técnica Cableada Técnica Programada L+ 8 S1 0 K2 Aparato de Programación S1 0 S2 S2 K1 CPU Tarjetas de Entrada Tarjetas de Salida Memoria de Programa K1 K2 K3 H1 V1 K1 H1 V1 L- L- 9 2 Transición Lógica Programada Elementos del Órgano de Mando Tarjetas de Entrada/Salida: interface entre los dispositivos de E/S (sensores y actuadores) y el órgano de mando Unidad de Proceso: Sustituye los diferentes elementos de mando, por un sistema basado en un procesador Programa de Mando: Secuencia de instrucciones que ejecuta la unidad de proceso para el control del sistema

8 Tipos de Dispositivos en el Control Industrial Controlador de Lógica Programable (PLC) Autómatas Programables Dispositivo de carácter genérico Amplia utilización en sectores muy diversos Arquitecturas hardware propietarias Lenguaje de programación estándar No dispone, en general, de interfaz hacia el operador Control Numérico (NC) Controles Numéricos Dispositivo de aplicación en el sector de la M H Arquitecturas hardware propietarias Lenguaje de programación (bastante) estandarizado Dispone, en general, de un interfaz para el operador Las prestaciones de este interfaz son muy diversas Cierta tendencia a incluir PCs para las comunicaciones y la supervisión Tipos de Dispositivos en el Control Industrial Control de Robot (RC) Buses de Control Controladores de Robot Dispositivo de carácter específico para un tipo de robot Utilización del robot en sectores diversos de la industria Arquitecturas hardware propietarias Diversas formas de programación de los dispositivos Dispone de interfaz de programación para el operador Tendencia a incluir PCs para comunicaciones y programación Controles Numéricos Dispositivo de carácter genérico Arquitecturas hardware: Bus VME (Motorola) Simicro (Siemens) Arquitectura PC (ISA, PCI, PCI-104, Lenguajes de programación de alto nivel (C, C++, ) Dispone de interfaz para el operador Mejores prestaciones Mayor complejidad de programación

9 Tipos de Dispositivos en el Control Industrial Sistemas de Control Distribuido (DCS) Vehículos de Transporte Autónomos (AGV) Sistemas de Control Distribuido Dispositivo muy dependientes del fabricante Utilización en sectores de la industria del proceso continuo Arquitecturas hardware propietarias En general, son sistemas poco distribuidos Programación dependiente del fabricante Dispone de interfaz para operador Tendencia a utilizar hardware de PLCs Tendencia a ser más distribuidos Vehículos Autónomos Filoguiados (AGV) Dispositivo muy dependientes del fabricante Utilización en sectores de la industria muy automatizados Sistemas de control (PLC s o Buses de control) Tendencia a incrementar la sensorización e inteligencia Utilización de buses en el control del sistema Dispone de interfaz simples operador Introducción de los API s Autómata Programable: controladores electrónicos cuyas funciones se almacenan como programas en un aparato de control Precedentes: controladores programados por conexiones, ordenadores de proceso Historia: aparición, empresas origen, realizaciones en Europa Pliego de condiciones: medio industrial perturbado, variedad y número de E/S, simplicidad de manejo y bajo coste

10 Limitaciones del Ambiente Industrial Ambiente Físico y Mecánico vibraciones choques humedad temperatura Polución Química gases corrosivos vapores de hidrocarburos polvos metálicos polvos industriales Perturbaciones Eléctricas fem termoeléctricas potenciales voltaicos de unión parásitos electrostáticos interferencias electromagnéticas Automatización con PLC s (I) Tendencias en la Evolución Disminución del cableado de E/S manejadas en paralelo Agrupación de E/S en grupos funcionales Descentralización de E/S y proceso Mejora de comunicaciones Fallo limitado al dispositivo

11 Automatización con PLC s (II) Hace 20 años Hace 10 años Automatización con PLC s (III) Situación Actual

12 Sistema de Comunicaciones de Siemens Nivel Planta Tiempo de Ciclo de Bus < 1000 ms Ethernet/TCP/IP CNC Controlador de Área MAP/MMS Ethernet PC/VME Nivel Célula Tiempo de Ciclo de Bus < 100 ms VME/PC PLC PROFIBUS-FMS DCS Nivel Campo Tiempo de Ciclo de Bus < 10 ms PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA Sistema de Comunicaciones de Rockwell Internet Ethernet DH+ ControlNet ControlNet RIO DeviceNet DeviceNet

13 Cambio de Paradigma en el Control Distribuido Control Centralizado 1980 s I/O Descentralizadas y Proceso 1990 s Control Distribuido 2000 OI PB Panel Flex I/O Multi-disciplined Controller Prox Lógica solo en el controlador Adquisición I/O basada en scan Comunicaciones intensivas Unico camino de datos Un punto de fallo PB Panel Drive Adquisición I/O basada en scan Comunicaciones intensivas Múltiples caminos de datos El fallo permanece al nivel del PLC I/O más cercanas al dispositivo de campo Axis Controller Flex I/O Packaged Controller Drive w/pid Adquisición de datos basada en eventosevent-cambio de estado o Peer- Peer) Menos comunicaciones intensivas Caminos de datos dedicados Fallo limitado al dispositivo Supervisión y Monitorización Supervisión Conjunto de acciones desempeñadas con el propósito de asegurar el correcto funcionamiento del proceso incluso en situaciones anómalas Monitorización Sistema de vigilancia y asistencia al operario en el que se cumplen solo algunas de las etapas de supervisión Proceso Proceso Monitorización Supervisión Objetivo Final Facilitar la tarea del operario encargado de la vigilancia del proceso

14 Supervisión y Monitorización Evolución (I) Inicialmente Mediante sinópticos del proceso realizados en marquetería : - La visualización: Lámparas, displays,(mucha imaginación) - Accionamiento: Interruptores, pulsadores, conmutadores, etc Década de los 80 Mediante tarjetas inteligentes ubicadas en el bus de los PLCs - Podían controlar de forma autónoma un monitor y un teclado - Intercambiaban datos con la CPU del PLC por el bus del PLC - Ofrecían herramientas sencillas de configuración y programación - Las prestaciones muy variadas (pantallas alfanuméricas, gráficas, etc) Supervisión y Monitorización Evolución (II) Actualmente Interfaces HMI A) Interfaces de Operador (OP s) - De fácil programación - Robustos - Funciones de comunicación con el dispositivo de control B) Mediante Ordenadores y SCADAS - PC industrial o de sobremesa - SCADA: Aplicación software diseñada para funcionar en ordenadores de control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de control supervisando el proceso desde la pantalla del ordenador - Ofrece herramientas sencillas de configuración para la aplicación - Las prestaciones muy variadas (número de variables, plataforma, SO) - Comunicación a través de una amplia gama de buses y redes

15 Componentes de un Sistema de Automatización Sistema de Automatización Autómatas Programables Aparatos de Programación Lenguaje de Programación Mando Regulación Aviso Acoplamiento Programación Prueba Documentación Esquema de Funciones Esquema de Contactos Lista de Instrucciones Gráfico Secuencial Lenguaje de Programación Usuario Aparato de Programación Autómata Programable Tarea Planteada Traducción Mando Lenguaje de Programación Regulación Aviso Documentación Retraducción Acoplamiento

16 Mercado Internacional del PLC Siemens 26 % Schneider-Autom 18 % Allen-Bradley 17 % GE Fanuc 8 % Mitsubishi 11 % Otros 20 % Situación Actual del Mercado del PLC Islas de automatización dependientes del fabricante ALLEN-BRADLEY SIEMENS MITSUBISHI

17 Gamas de Productos Simatic S5 Gamas de Productos Simatic S5 Memoria Principal S5-90U S5-95U S5-100U S5-115U S5-135U S5-155U Alternativa Miniautómat Miniautómata con modularidad integral; Sistema de automatización para gama media que permite Capacidad multiproceso Gran económica y a rápido en puede aumentarse en función de las adaptación gradual según las necesidades capacidad de de poca volumen necesidades del sistema memoria embergadura reducido para multip CPU 100 CPU 102 CPU 103 CPU 941 CPU 942 CPU 943 CPU 944 CPU 922 CPU 928 CPU 928B C 946/947 4Kb 16Kb (2x8) 2Kb 4Kb 20Kb 18Kb 42Kb 48Kb 96Kb 64 Kb R/EP 64 Kb R/EP 64 Kb R/EP 896Kb R/EP RAM/ RAM/ RAM/ RAM/ RAM/ RAM/ RAM/ RAM/ RAM/ 22 Kb RAM 46 Kb RAM 46 Kb RAM EPROM/ EPROM/ EPROM/ EPROM/ EPROM/ EPROM/ EPROM/ EPROM/ EPROM/ EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM EEPROM T Proceso 2ms 2ms 70ms 7ms 0,8ms 1,6ms 1,6ms 0,8ms 0,8ms 20ms 1,1ms 0,6ms 1,4ms Marcas / /32768 Temp/Cont 32/32 128/128 16/16 32/32 128/ / / / / / / / /256 F Aritm +,- +,-,x,: +,- +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: +,-,x,: E/S Digitales 10/6 (48) 16/16 (256) E/S Analóg (8) 8/1 (16) Redes Loc L1 L1,L2 L1 L1 L1,L2,H1 L1,L2,H1 L1,L2,H1 L1,L2,H1 L1,L2,H1 L1,L2,H1 L1,L2,H1 L1,L2,H1

18 Gamas de Productos Simatic S7-300 CPU DP 128 kbyte CPU DP 512 kbyte CPU 312 IFM 6 kbyte CPU kbyte CPU kbyte CPU DP 64 kbyte CPU kbyte CPU 314 IFM 32 kbyte Gamas de Productos Simatic S7-300 Instrucciones /Datos Memoria de trabajo Direcc libre ED / SD EA / SA Tiempo elaboración/ 1 K inst binarias Marcas Contadores Temporizadores CPU K / - 12 Kbyte no ,6 ms CPU K / - 24 Kbyte no ,3 ms CPU 315 (CPU 315-2DP) 16 (21) K / - 48 (64) Kbyte si ,3 ms CPU 316-2DP 42 K / Kbyte si ,3 ms CPU K / 256 Kbyte 512 Kbyte si ,1 ms (Interfase PROFIBUS-DP ( Interfase PROFIBUS-DP ( Interfase maestro/esclavo maestro/esclavo para 64 estaciones DP) para 64 estaciones DP) PROFIBUS-DP(M/S) 125 estaciones DP;MPI utilizcomo DP (12 MBaud))

19 Gamas de Productos Simatic S7-400 CPU Kbyte CPU Kbyte CPU DP 256 Kbyte CPU DP 768 Kbyte CPU 414-H 768 Kbyte CPU DP 1,6 Mbyte CPU DP 3,2Mbyte CPU Mbyte CPU 417-H 4 Mbyte Gamas de Productos Simatic S7-400 Código/Datos Instrucciones ED / SD EA / SA Tiemp ejec Inst Marcas Temp/contador Interfases de comunicación CPU /48KB 72/72KB 16 K 24 K 8/8 K 512/ 512 a partir de 0,2µs 4K 256 / 256 MPI/DP PROFIBUS-DP CPU CPU CPU CPU /128KB 384/384KB 0,8/0,8MB 1,6/1,6MB 2/2MB *) 42 K 128 K 265 K 530 K 660 K 16/16K 32/32K 32/32K 64/64K 128/128K 1/1K 2/2K 4/4K 8/8K a partir de 0,1µs 8K 256 / 256 MPI/DP PROFIBUS-DP IFM-SS a partir de 0,08µs 16K 512 / 512 MPI/DP PROFIBUS-DP IFM-SS a partir de 0,1µs 16K 512 / 512 MPI/DP PROFIBUS-DP 2IFM-SS

20 Aportación de los Autómatas Programables Concepción - Instalación herramienta manejable trabajo independiente del lugar adaptable a nuevas exigencias modificable según necesidades trabajo en paralelo en simulado formación de usuario rápida primera etapa de automatización dos problemas conocimiento de posibilidades elección función de necesidades Explotación y Mantenimiento adaptada contexto de la empresa difer niveles de responsabilidad posibilidad de cambiar programa diagnosis en funcionamiento localización de averías Campos de Utilización de los API s Metalurgia y Siderurgia Mecánica y Automóvil Industrias Químicas Industrias Petrolíferas Industrias Agrícolas y Alimentarias Transportes y Manutención Aplicaciones Diversas