Automatización de procesos agroindustriales

Transcripción

1 Automatización de procesos agroindustriales Ciclo de SCAN Señal analógica HART Transmisión serie RS-485 Bloque de Función ETHERNET 4-20 ma SCADA LON-WORK Francisco Casares CAN BUS DE CAMPO OPC Automatización de procesos agroindustriales Estado actual: Automatización distribuida Programa Teórico: Modulo I. Introducción : Sistemas de. Módulo II: Integración total en la. Módulo III: Visión general de sistemas abiertos. Jerarquía de niveles en la tecnología de Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida Módulo II: Integración total en la. Automatización Total o Integral Planificación y Control Una metodología de trabajo y una filosofía de diseño de los sistemas de, producción y gestión orientados a la mejora de los niveles de calidad y la optimización de los procesos Automatización del Sistema Arquitectura Integradora del Sistema Automatización Total Análisis de la gestión 1

2 Módulo III: Visión general de sistemas abiertos. Características de la solución buscada: Alta disponibilidad y recuperación entre caídas. Posibilidad de escalar en forma horizontal y vertical. Módulo I. Introducción : Sistemas de. Administración centralizada. Fácilmente implementable. Alto nivel de modularidad. Desventajas: Solución de costoso crecimiento si no se acierta en la elección de los componentes Francisco Casares - PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN: - CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN. - TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN. - TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO. PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN: - CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN. - TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN. - TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO. - NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS - ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS - FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO La AUTOMATIZACIÓN es la sustitución de la acción humana por mecanismos, movidos por una fuente de energía exterior, capaces de realizar ciclos completos de operaciones que se pueden repetir indefinidamente. NECESIDAD DE AUTOMATIZACIÓN Un sistema automático supone la existencia de: Fuentes de energía EVITAR TAREAS TEDIOSAS PARA EL SER HUMANO ABARATAR COSTES DE PRODUCCIÓN INCREMENTAR LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS Órganos de mando Órganos de trabajo ----> ordenan el ciclo a realizar. (ordenadores, autómatas, etc) ----> ejecutan las acciones. (Motores, pistones, resistencias, etc) (ESTANDARIZACIÓN) ACORTAR LOS TIEMPOS DE INTRODUCCIÓN DE UN NUEVO PRODUCTO EN EL MERCADO La utilización correcta de estos elementos presupone el conocimiento de los elementos individuales y su funcionamiento, así como las posibilidades de unión 2

3 TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN Según la naturaleza del automatismos empleado se puede hablar de : - MECÁNICA - NEUMÁTICA - OLEOHIDRAULICA - ELÉCTRICA - ELECTRÓNICA - MIXTA TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN Según la naturaleza del automatismos empleado se puede hablar de : - MECÁNICA - NEUMÁTICA - OLEOHIDRAULICA - ELÉCTRICA - ELECTRÓNICA - MIXTA AUTOMATIZACIÓN MECÁNICA Compuesta por: Ruedas Dentadas, Poleas, Cremalleras, Levas, Palancas, etc. Inconvenientes: Sistemas complicados y de escasa flexibilidad. Ventajas: Montaje y mantenimiento económico. Ejemplos típicos: Motores de combustión, relojes mecánicos, etc. MÁQUINA DE VAPOR DE WATT (1819) AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA Generacion de movimientos lineales: - Muy simple y económicos - Longitud de trabajo 1-2 m máximo - Fuerza limitada a kg debido a la baja presión utilizado en el aire comprimido (10 bares máximo). Generacion de movimientos rotativos - Simple y económico (eléctrica < neumática < hidráulica) - Velocidad de rotación elevada - Par disponible relativamente débil - Rendimiento menor que los eléctricos equivalentes - Compite con los motores eléctricos en el accionamiento de herramientas manuales 3

4 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA Inconvenientes: Mantenimiento del estado del aire. Desembolso económico grande en la instalación. Ventajas: Sencillez. Economía una vez instaladas. Seguridad (interesante en zonas ATEX) Ejemplos Típicos: Prácticamente la Totalidad de las Automatizaciones Industriales, Tienen Instalaciones Neumáticas. AUTOMATIZACIÓN Hidráulica Generacion de movimientos lineales: - Muy simple - Velocidad de trabajo pequeña (0,5 m/s) - Fuerzas disponibles muy grandes de fácil regulación - Instalación cara - Longitud de trabajo desde algunos milímetros hasta decenas de metros. Generacion de movimientos rotativos - Simple - Velocidad de rotación limitada - Buen rendimiento y par elevado - No son sobrecargables - Campo definido en el cual son indiscutibles: pocas revoluciones y gran par de torsión. AUTOMATIZACIÓN HIDRÁULICA AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA Diferencias: Ejemplos Típicos: Ejecución de las ordenes más lenta. Desarrolla más trabajo. Prensas, Frenos y Dirección de Automóviles. Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste reducido acumulación difícil Órganos de mando: Relé, contactor, temporizador. Órganos de trabajo: Movimientos rotativos motor Excelente rendimiento Velocidad limitada Movimientos lineales electroimanes Motores lineales Ejemplos Típicos: apagados/encendidos de luces. AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA-ELECTRONICA Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste reducido acumulación difícil Órganos de mando: Ordenador, Autómata programable. Órganos de trabajo: Movimientos rotativos motor Excelente rendimiento Velocidad limitada Movimientos lineales electroimanes Motores lineales AUTOMATIZACIÓN MIXTA En un campo de actuación concreto no se encuentra una técnica de en solitario, funcionan varias técnicas a la vez íntimamente relacionadas, unas como órganos de mando, otras como órganos de trabajo, siendo la propia aplicación quien efectúa la selección. Ejemplos Típicos: Cualquier proceso industrial. 4

5 Comparación de los medios de trabajo entre las diversas técnicas Criterio Neumática Hidráulica Electricidad Fuerza lineal Fuerzas limitadas, debido a Grandes fuerzas Mal rendimiento; gran la baja presión y al utilizando alta presión. consumo de energía en la diámetro del cilindro Produce fuerza en marcha en vacío. No ( N). Produce fuerza reposo con consumo produce fuerza en reposo. en reposo sin consumo de de energía. energía. Fuerza Par de giro en reposo Par de giro también en Par de giro más bajo en rotativa también sin consumo de reposo, originándose reposo. energía. consumo de energía. Seguridad Sí, se para. Vuelve a Sí, se para. Vuelve a No, se estropea. frente a las moverse cuando se elimina moverse cuando se sobrecargas la sobrecarga. elimina la sobrecarga. Movimiento Generación fácil; alta Generación fácil Complicado y caro. lineal aceleración; alta velocidad mediante cilindros; (1,5 m/s y más). buena regulabilidad. Movimiento Motores neumáticos con Motores hidráulicos y Rendimiento más rotativo u muy altas revoluciones cilindros oscilantes favorable en oscilante ( min -1 ); elevado con revoluciones más accionamientos rotativos; coste de explotación; mal bajas que en la revoluciones limitadas. rendimiento; movimiento neumática; buen oscilante por conversión rendimiento. mediante cremallera y piñón. Regulabilidad Fácil regulabilidad de la Regulabilidad muy Posible sólo fuerza y de la velocidad, buena y exacta de la limitadamente siendo el pero no exacta. fuerza y la velocidad gasto considerable en todo caso Acumulación Posible, incluso en Acumulación posible Acumulación muy difícil y de energía y apreciables cantidades sin sólo limitadamente; costosa, fácilmente transporte mayor gasto; fácilmente transportable en transportable por líneas a transportable en conductos conductos de hasta través de distancias muy (1.000 m) y botellas de aire unos 100 m. grandes. comprimido. Influencias ambientales Gastos de energía Manejo Comparación de los medios de trabajo entre las diversas técnicas Criterio Neumática Hidráulica Electricidad Insensible a los cambios de temperatura; ningún peligro de explosión; hay peligro de congelación existiendo elevada humedad atmosférica. Alto en comparación con la electricidad; 1 m 3 de aire comprimido a 6 bar cuesta de 0,006 a 0,012 euros. No requiere de especialistas ni en ejecución ni en mantenimiento. No presenta peligros. Sensible a las fluctuaciones de temperatura; fugas significan suciedad y peligro de incendio. Alto en comparación con la electricidad. Requiere de especialistas. Precisa conducciones de retorno. Insensible a las fluctuaciones de temperatura; en los ámbitos de peligrosidad hacen falta instalaciones protectoras contra incendio y explosión. Gastos más reducidos de energía. Sólo con conocimientos técnicos; peligro de accidente; la conexión errónea causa a menudo la destrucción de los elementos y del mando. Control en lazo abierto: TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO: Las señales de mando son independientes de los órganos receptores OPERARIO CONSIGNAS ORDENES SISTEMA DE CONTROL Producto de entrada ACTUADORES PROCESO Producto terminado perturbaciones El sistema de control no recibe información del comportamiento del proceso Control en lazo cerrado: TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO: Las señales de mando dependen de los órganos receptores OPERARIO CONSIGNAS ORDENES SISTEMA DE CONTROL ACTUADORES - PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN: - CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN. - TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN. - TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO. - NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS - ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS Producto de entrada PROCESO Producto terminado - FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO perturbaciones sensores Existe una realimentación a través de los sensores al sistema de control 5

6 NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS Ejemplo: Almazara Batidora Ejemplo: Almazara Batidora PATIO PATIO Gestión? Control? Islas de NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS Ejemplo: Almazara Todos los dispositivos y sistemas deben estar integrados en una solución automatizada conjunta, donde se alcance la uniformidad en el almacenamiento de datos, configuración, Arquitectura integradora programación e incluso la comunicación. Planificación y Control Arquitectura Integradora del Sistema Automatización del Sistema Arquitectura Integradora del Sistema Gestión Debe de haber una arquitectura integradora que enlace los diferentes aspectos que nos podamos encontrar mediante uno/ o varios sistemas de comunicación que permita la interrelación entre ellos Es, decir si se desea tender a una gestión integral es necesario que todos y cada uno de los aspectos de la gestión sean concebidos para su intercomunicación con el resto. 6

7 Situacion actual de la tecnología de Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida Fabrica Áreas Células Maquinas - Se subdivide la fabrica en Áreas funcionales. - Cada área se divide en tareas coherentes autónomas (células). - Cada célula se puede dividir en células más pequeñas hasta llegar a nivel de maquina. Así se puede diseñar el control de cada parte para que tenga una respuesta eficiente y la existencia de fallos no haga caer al sistema - Se describe el funcionamiento de cada áreas, con entradas y salidas eléctricas, así como las necesidades de comunicación con otros elementos. - Se define la arquitectura integradora Áreas FÁBRICA ÁREAS ALMAZARA Áreas Células FÁBRICA ÁREAS CÉLULAS Área patio Patio Línea de recepción patio ALMAZARA Fábrica Línea de recepción patio Bodega Oficinas Caldera Varias líneas en paralelo haciendo la misma función células 7

8 Áreas Células FÁBRICA ÁREAS CÉLULAS Línea de Recepción 1 Línea de Recepción 2... Patio Línea de Recepción n Báscula de Pesaje de Camiones Almacen. previo Molturación Línea de Extracción 1 ALMAZARA Línea de Extracción 2 Fábrica... Línea de Extracción n Célula de Aclarado Bodega Célula de Almacen. de Aceite Oficinas Célula de Administración Caldera Célula de Calefacción Áreas Células Maquinas FÁBRICA ÁREAS CÉLULAS Línea de Recepción 1 Línea de Recepción 2... Patio Línea de Recepción n Báscula de Pesaje de Camiones Almacen. previo Molturación Línea de Extracción 1 ALMAZARA Línea de Extracción 2 Fábrica... Línea de Extracción n Célula de Aclarado Bodega Célula de Almacen. de Aceite Oficinas Célula de Administración Caldera Célula de Calefacción Sensores Actuadores TAG Lavadora Limpiadora etc xx xx xx xx xx xx xx xx xx Total xx xx xx Máquinas Lavadora Limpiadora etc Sensores Actuadores TAG xx xx xx xx xx xx Xx xx xx Se elige el autómata que controla la célula Se planifica las comunicaciones Célula: Línea de recepción patio Célula: Línea de recepción patio PLANO DE LA INSTALACION FLUJO DE DATOS Se debe describir el flujo de datos de las diferentes estaciones conectadas. Para cada flujo: - Mostrar el volumen y la frecuencia - Calcular el ancho de banda necesario Para crear grupos y, de este modo, determinar el uso de los conmutadores, se debe crear una tabla con todas las estaciones redundancia 8

9 Jerarquía de niveles en la tecnología de Jerarquía de niveles en la tecnología de (Nível de fabrica) (Nível de fabrica) (Nível de Área) (Nível de Área) Jerarquía de niveles en la tecnología de Jerarquía de niveles en la tecnología de (Nível de fabrica) (Nível de fabrica) (Nível de Área) (Nível de Área) CELULA Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articulan las estrategias de Características de la solución buscada: (Nível de fabrica) (Nível de Área) Alta disponibilidad y recuperación entre caídas. Posibilidad de escalar en forma horizontal y vertical Administración centralizada Fácilmente implementable Alto nivel de modularidad 9

10 Desventajas: Necesario la realización de un estudio de implantación previo, ya que se deben identificar los procesos autónomos, asignar elementos a cada proceso y diseñar el modelo de intercomunicación para responder a las necesidades del problema planteado. Solución de costoso crecimiento si no se acierta en la elección de los componentes. Jerarquía de niveles en la tecnología de Fabrica Áreas Células Maquinas Jerarquía de niveles en la tecnología de control centralizado Historia del control Sistemas participantes diferentes mas importantes: Autómatas programables Comunicación industrial SCADA Grandes autómatas Lógica solo en el controlador No hay ninguna tolerancia a fallos del Posibilidad de escalar limitada Software industrial (de programación autómatas, etc) E/S Área 1 E/S E/S Área 2 Área 3 Historia del control 1990 s Aparecen islas de 1997 Empiezan a aparecer buses de comunicación Industrial. La tolerancia a fallos aumenta Se desarrollan los ordenadores industriales. Ethernet Industrial Historia del control Nivel: Gestión Nivel: Proceso Nivel: Proceso Se puede escalar horizontalmente y verticalmente 10

11 2000 Se desarrollan los ordenadores industriales. Historia del control Nivel: Gestión 2000 Se desarrollan los ordenadores industriales. Nivel: Gestión Ethernet Industrial Ethernet Nivel: Proceso Nivel: Proceso Estado de la : Nivel: Actuador/Sensor HART Nivel: Actuador/Sensor Control descentralizado con Inteligencia HART distribuida Produccion Nivel: Gestión Produccion Nivel: Gestión Ethernet Mantenimiento Ethernet Mantenimiento Sistemas Distribuidos Nivel: Actuador/Sensor HART Nivel: Actuador/Sensor HART Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articulan las estrategias de Jerarquía de niveles en la tecnología de Produccion Nivel: Gestión Ethernet Mantenimiento Nivel: Actuador/ Sensor HART Qué elementos principales participan en esta arquitectura? 11

12 Jerarquía de niveles en la tecnología de Sistemas participantes diferentes más importantes: Autómatas programables Comunicación industrial SCADA Software industrial Nivel Físico Protocolo - PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN: - CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN. - TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN. - TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO. - NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS - ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS - FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO Sensores 12