INFORMÁTICA Y AUTOMÁTICA INDUSTRIAL

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1 INFORMÁTICA Y AUTOMÁTICA INDUSTRIAL Año académico: 2005/06 Centro: Escuela Politécnica Superior Estudios: Ingeniero en Informática Asignatura: Informática y Automática Industrial Ciclo: 2º Curso: 1º Cuatrimestre: 2º Carácter: Optativa Créditos teóricos: 3 Créditos prácticos.: 3 Profesor/es: Francisco Rodríguez Díaz (Teoría y prácticas) Área: Ingeniería de Sistemas y Automática Departamento: Lenguajes y Computación INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Informática y automática industrial es una asignatura optativa ofertada por el área de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad de Almería que consta de 3 créditos teóricos y 3 créditos prácticos, impartiéndose durante el segundo cuatrimestre del curso académico. Constituye la asignatura base de la intensificación de Informática Industrial y Robótica y tendrá un carácter eminentemente aplicado, haciendo uso en las prácticas de material de laboratorio especializado (computadores con tarjetas de entrada-salida analógico-digitales, autómatas programables, software de simulación para control, etc.). Sus descriptores son: Automatización y control de sistemas de producción; Autómatas programables: características, descripción mediante Redes de Petri y programación; Sistemas de control distribuido; Redes locales en la industria; Interfases hombre-máquina; Fabricación flexible y técnicas CIM. Los contenidos de la misma poseen una aplicación amplia en multitud de empresas relacionadas con la fabricación de vehículos, aeronáuticas, manufactureras, etc. Se presentan en la asignatura los principales componentes de los modernos entornos de producción-fabricación integrados. Se persigue también el objetivo de identificar, conectar y experimentar en los diferentes módulos tecnológicos y de gestión bajo asistencia informática.. Las prácticas de laboratorio se desarrollarán en el Laboratorio de Control Automático, Robótica y Visión Artificial del Departamento de Lenguajes y Computación, CITE III, puerta 228. PROGRAMA DE TEORÍA Tema 1. Introducción automática 1.1. Visión general del control industrial 1.2. Modelado y simulación de sistemas 1.3. Sistemas de control automático 1.4. Control por computador 1.5. Fases de diseño e implementación de un sistema de control 1

2 Tema 2. Técnicas de control automático de amplia utilización en la industria 2.1. Clasificación de las estrategias de control 2.2. Control en cascada 2.3. Tratamiento de no-linealidades Saturación Cambios de modo 2.4. Control adaptativo 2.5. Control de sistemas con grandes retardos 2.6. Control por adelanto 2.7. Control óptimo 2.8. Control jerárquico Tema 3. Monitorización y supervisión de procesos industriales 3.1. Concepto de supervisión 3.2. Etapas en la supervisión 3.3. Supervisión y monitorización 3.4. Implementación de los sistemas de supervisión 3.5. Terminología de sistemas de supervisión 3.6. Monitorización de sistemas El entorno de la monitorización Dispositivos de adquisición de datos Registro de datos Representación de un proceso Gestión de alarmas Gráficas y tendencias Históricos y bases de datos 3.7. Sistemas SCADA s Concepto de sistema SCADA Estructura interna Tecnología de sistemas abiertos Arquitectura de un sistema SCADA Desarrollo de una aplicación SCADA Tendencias del mercado 3.8. Detección de fallos Métodos de detección de fallos SCADA s y detección de fallos Métodos estadísticos de detección de fallos Métodos analíticos de detección de fallos Métodos basados en conocimiento de detección de fallos Detección y diagnóstico de fallos 3.9. Diagnóstico de fallos y decisión Tema 4. Control secuencial de procesos 4.1. Automatización de procesos industriales 4.2. Tipos de procesos industriales 4.3. Sensores y actuadores discretos 4.4. Procesos secuenciales 4.5. Modelado de sistemas discretos Tipos de modelos Grafos de estado Redes de Petri 2

3 4.6. Autómatas programables Concepto de autómata programable o PLC Ventajas e inconvenientes de la utilización de autómatas programables Lenguajes de programación. Norma IEC Estructura de los autómatas programables Tipos de tareas en los autómatas programables Ciclo de trabajo de los autómatas programables Seguridad en los autómatas programables Conexión de los autómatas programables Arranque de los autómatas programables Modos de operación de los autómatas programables Programación de los autómatas programables Objetos de memoria Direccionamiento de los objetos Lista de instrucciones Grafcet Estructura de una aplicación 4.7. Buses de campo Concepto y necesidad de los buses de campo Características de los buses de campo PROFIBUS Foundation Fieldbus WorldFIP Tema 5. Control numérico 5.1. Conceptos de máquina-herramienta y control numérico 5.2. Historia del control numérico 5.3. Elementos de un sistema de control numérico 5.4. Clasificación de sistemas de control numérico Clasificación según el sistema de referencia Clasificación según el tipo de trayectoria Clasificación según el tipo de accionamiento Clasificación según el bucle de control Clasificación según la tecnología de control 5.5. Ventajas e inconvenientes de los sistemas de control numérico 5.6. Arquitectura de un sistema de control numérico 5.7. Servomecanismos de un sistema de control numérico 5.8. Sistemas de cambio de herramientas y piezas 5.9. Programación de un sistema de control numérico Información necesaria para la programación de un sistema de control numérico Programación ISO Programación paramétrica Programación asistida Sistema de control numérico de la Universidad de Almería Tema 6. Introducción al CAD/CAE/CAM/CIM y los sistemas de producción 7.1. Conceptos de CAD/CAM/CAE y CIM 7.2. Elementos de producción en un sistema de fabricación automatizada 7.3. Funciones básicas en fabricación: procesado, ensamblaje, movimiento de material, almacenaje, inspección y control 7.4. Organización de planta (layout) y conceptos básicos de producción 7.5. Fabricación rígida y fabricación flexible 7.6. Fabricación flexible 3

4 Componentes de una célula de fabricación flexible Configuración de una célula de fabricación flexible Sincronización y control de los diferentes elementos Simulación Sistemas de seguridad Sistemas de fabricación flexible: organización de la producción Estructura informática de un sistema de fabricación flexible Control de calidad e inspección Ejemplos de aplicación PRÁCTICAS DE LABORATORIO Práctica 1. Análisis y modelado de sistemas dinámicos Material. Computador personal, Sistema operativo Windows 2000, Navegador Web, Programa Matlab 6.5., Herramienta de simulación de sistemas dinámicos Simulink, Sistema de comunicaciones entre computador y los actuadores de control, Tarjetas de entrada/salida de datos ICPDAS, Tarjeta de relés ITC, Maqueta de invernadero con sensores y sistemas de actuación para la fertirrigación de cultivos y el control de las variables climáticas en su interior. Para diseñar un sistema de control para un determinado proceso es necesario conocer el comportamiento dinámico del mismo. Para ello hay que diseñar un modelo del sistema que relacione las dinámicas existentes entre las variables a controlar y las variables de entrada (tanto perturbaciones como variables de control). El objetivo principal de esta práctica es que el alumno sea capaz de diseñar e implementar modelos de determinados procesos o sistemas reales, realizando distintas experiencias con ellos para analizarlos y obtener sus propias conclusiones. Concretamente, se utilizará como planta una maqueta de invernadero en la que se han instalado sensores y sistemas de actuación para el control de las variables climáticas y de fertirrigación. Además, como la herramienta que se va a utilizar a lo largo de las prácticas es Matlab junto con Simulink, se hará una introducción a las mismas y al manejo de sus funciones fundamentales. Como al igual que será necesario en prácticas posteriores, se tienen diseñar e implementar programas bajo este entorno, se han incluido en esta práctica unos ejercicios donde se desarrollan distintos algoritmos útiles para la asignatura y que deberán ser implementados en el lenguaje que incorpora Matlab. Práctica 2. Diseño e implementación de sistemas de control de amplia utilización en la industria Material. Computador personal, Sistema operativo Windows 2000, Navegador Web, Programa Matlab 6.5., Herramienta de simulación de sistemas dinámicos Simulink, Sistema de comunicaciones entre computador y los actuadores de control, Tarjetas de entrada/salida de datos ICPDAS, Tarjeta de relés ITC, Maqueta de invernadero con sensores y sistemas de actuación para la fertirrigación de cultivos y el control de las variables climáticas en su interior. La mayoría de los procesos en la actualidad se controlan con distintos tipos de controladores PID (aproximadamente el 90% de las aplicaciones industriales), que son una buena solución a numerosos problemas de control. Sin embargo, existen casos en los que la dificultad del sistema a controlar requiere la utilización de nuevas estrategias de control de procesos, a las que se denomina control avanzado. Este término es muy subjetivo y puede tener distintos significados en función de los conocimientos y experiencia de la persona que lo utilice. En esta práctica se van a exponer los fundamentos de algunas de estas técnicas que pueden ser de interés, para orientar a los alumnos hacía donde tienen que estudiar si desean seguir su formación en el control automático, además de ofrecer una visión general sobre las técnicas que se utilizan en ámbitos industriales y las líneas de investigación actuales sobre esta materia. Evidentemente, se tratará de poner en práctica los conceptos básicos y fundamentales de este tipo de técnicas que se describen en el tema 2 de teoría. 4

5 Práctica 3. Diseño e implementación de un sistema SCADA Materiales. Computador personal, Sistema operativo Windows 2000, Navegador Web, Programa Matlab 6.5., Herramienta de simulación de sistemas dinámicos Simulink, Sistema de desarrollo de herramientas Scada LabView, Librería de simulación desarrollada por el profesorado. Las exigencias que actualmente se imponen a los procesos productivo en cuestión de rendimiento, calidad y flexibilidad hacen necesario introducir las nuevas tecnologías en el control y vigilancia de éstos. Con este propósito, nace la idea de supervisar los procesos. La incorporación de nuevas tecnologías en la industria permite la reducción del número de paradas innecesarias, la predicción de citaciones anómalas o la actuación rápida y eficaz de forma que se asegure la continuidad y uniformidad de la producción. Así, la supervisión de procesos se establece como forma de automatizar tareas como las descritas en las guías de aseguramiento de la calidad y/o en los planes de mantenimiento preventivo con el fin de eliminar o reducir situaciones indeseadas. La centralización y registro de datos es el primer paso en la implantación de un sistema de supervisión, y su simplicidad reside en la conectividad que ofrecen los actuales sistemas de control. Son los llamados sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisiton) o software de monitorización y control que permiten el acceso a datos del proceso y cierta interacción entre el operario (interfaces gráficos y animados) y el proceso (adquisición de datos a través de dispositivos de campo). Estos sistemas SCADA han substituido las salas de control por ordenadores o terminales de control, y los bellos pero estáticos y voluminosos sinópticos por pantallas configurables y animadas. El objetivo de esta práctica consiste en el diseño e implementación de una herramienta SCADA que supervise un determinado sistema industrial que el alumno debe modelar, analizar y diseñar los controladores del mismo. Práctica 4. Modelado y programación de autómatas programables usando Redes de Petri Materiales: Computador personal, Sistema operativo Windows 2000, Navegador Web, Autómatas programables Schneider-Telemecanique TSX Software PL7. La idea de esta práctica es que los alumnos desarrollen un problema completo de automatización desde su formulación inicial, modelado y simulación mediante Redes de Petri y programación basada en las Redes de Petri del autómata real. Se utilizarán como entradas/salidas las que incorpora el autómata con fines educacionales. La programación se realizará utilizando tres de los cuatro lenguajes de los que dispone el autómata: diagrama de contactos (LD), lista de instrucciones (IL), lenguaje literal estructurado (ST) y Grafcet. Además, el alumno desarrollará una pantalla de explotación mediante un editor gráfico que permitirá la visualización de los valores de interés en la aplicación. Los ejemplos propuestos son la realización de un sistema de control industriales como llenado de silos de cereales, máquinas de llenado y tapado, llenado de contenedores, etiquetadoras, dosificadormezclador automático, células robotizadas, taladradoras, control de temperatura de líquidos, tanques de agitación, automatización de una grúa, detección y expulsión de botellas sin tapón, etc. Práctica 5. Diseño e implementación de un sistema de fabricación fléxible Materiales: Computador personal, Sistema operativo Windows 2000, Navegador Web, Autómatas programables Schneider-Telemecanique TSX Software PL7.Herramienta CAD (AutoCad y versión demo de Pro/Engineer), Célula robotizada basada en el robot SCORBOT ER-V Plus, controlador Tipo A, herramienta de simulación de robots ER Simulation, botonera de enseñanza, cinta transportadora y sensores de posición En esta práctica se mostrarán al alumno aspectos básicos de una herramienta de diseño asistido por computador, ilustrando algunos ejemplos relacionados con los sistemas de producción (industria automovilística, aeronáutica, robótica, etc.). En concreto, se llevará a cabo el diseño y fabricación de una pieza plana utilizando técnicas CAD/CAE/CAM. 5

6 El desarrollo de la práctica consistirá en el diseño de una pieza plana mediante una herramienta CAD, cálculo de los parámetros mecánicos de la pieza en función del material con que se fabrique y el diseño e implementación de un programa que calcule la trayectoria que debería seguir un robot manipulador con una herramienta especial para que la recorte de una lámina cuadrada plana teniendo en cuenta que debe seguir una trayectoria de mínimo desplazamiento y que respete las holguras máximas permitidas en el diseño. Como no se dispone de ninguna herramienta de corte, se puede utilizar un rotulador para que el robot dibuje sobre una lámina plana. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Control automático Aguado, A.; Martínez, M.; Identificación y control adaptativo; Ed. Prentice Hall; 2003 Astrom, K.J.; Wittenmark, B.; Sistemas controlados por computador. Prentice Hall, Amström, K.J.; Hagglund, T.; PID controllers: Theory, design and tunning; Ed. ISA (The Instrumentation, Systems, and Automation Society); Bolton, W.; Ingeniería de control; Ed. Marcombo; 2001 Nise, N.S.; Sistemas de control para ingeniería; Ed. Cecsa; México; 2002 Kuo, B.C.; Sistemas de control automático, Ed. Prentice-Hall, Ogata, K.; Ingenieria de Control Moderna, Ed. Prentice-Hall, Ollero y Camacho. Control e Instrumentación de Procesos Químicos. Ed. Síntesis, Roca, A.; Control de procesos; Ediciones UPC; Universidad Politécnica de Cataluña; España; 1997 Rodríguez, F.; López, M.; Control adaptativo y robusto; Universidad de Sevilla; 1996 Sistemas de supervisión y monitorización Bailey, D.; Practical SCADA for industries; Ed. Newnes; Colomer, J.; Meléndez, J.; Ayza, J.; Sistemas de supervisión; Ed. Cuadernos CEA-IFAC, Lázaro, A.M. LabVIEW 6i. Programación gráfica para el control de instrumentación. Paraninfo Noyes, J.; Bransby; People in control: human factors in control room design; IEE Control Publication; 2001 Patton, R.; Frank, P.; Clarck, R.; Fault diagnosis in dynamic systems. Theory and applications; Ed. Prentice Hall; 1989 Sohlberg, B.; Supervisión and control for industrial proceses; Advances in Industrial Processes; Ed. Springer-Verlag; 1998 Travis, J. Internet Applications in LabVIEW. Prentice Hall Autómatas programables Brams, G.W.; Las Redes de Petri: Teoría y Práctica. Masson, Carracedo, J.; Redes Locales en la industria, Productrónica. Marcombo, Carrow, R.; Soft Logic. McGraw Hill, Lewis, R.W.; Programming industrial control systems using IEC1131-3; IEE Control Publication; 1996 García, C.A.; Gil, A.J.; Llorens, F.; Mañas, C.J.; Martín, J.A.; Autómatas programables; Ed. Universidad de Cádiz; 1999 Martínez, J.; Tomás, L.M.; Problemas resueltos con autómatas programables mediante Grafcet; Ed. Universidad de Murcia; 1999 Olsson, G.; Piani, G.; Computer systems for automation and control, Prentice Hall, Piedrafita, R.; 1999; Ingeniería de la automatización industrial; Ed. Ra-ma; España; 570 pp. Porras, A.; Montanero, A. P.; 1994; Autómatas programables; Ed. McGraw Hill; Madrid; España; 208 pp. 6

7 Romera, J. P.; Lorite, J. A.; Montoro, S., 1994; Automatización. Problemas resueltos con autómatas programables; Ed. Paraninfo; España; 301 pp. Schneider Electrics; 2002; PL7 Micro/Junio/Pro. Manual de referencia; Ed. Schenider Electrics; 792 pp. Silva, M.. Las Redes de Petri en la Automática y la Informática, Ed. AC., Simon, S.; Autómatas Programables, Paraninfo, Buses de campo Berge, J.; Fieldbuses for Process Control: Engineering, Operation and Maintenance; Ed. Instrumentation Systems and Automation Society; 2001 Sempere, V.; Silvestre, J.; Mataix, J.; Fuertes, J.M..; Profibus. Un bus industrial; Ed. Cuadernos CEA-IFAC, Control numérico Díaz Parralejo; A.; La programación de máquinas-herramienta por control numérico; Universidad de Extremadura; 1991 Sebastián, M.A.; Fabricación con máquinas-herramienta con control numérico; Ed. UNED; 1999 Nanfara, F.; The CNC Workbook. An introduction to computer numerical control; Ed. Addison- Wesley1995 CAD/CAM/CAE/CIM Groover, M.P.; Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing; Ed. Prentice Hall; 2000 Lee, K.; Principles of CAD/CAE/CAM; Prentice Hall; 1999 Rehg, J.; Computer-Integrated Manufacturing; Prentice Hall; 2000 Rothbart, H.A.; CAM Design Handbook; Ed. McGraw Hill; 2004 Norton, R.; Lyden, T.J.; CAM Design and Manufacturing Handbook; Industrial Press; 2001 Baumgartner, Knischewski, Wieding. CIM: consideraciones básicas. Marcombo, R. Ferré Masip. Fabricación Asistida por Computador-CAM. Marcombo, M.P. Groover. Automation, Production Systems and Computer Integrated Manufactuing. Prentice Hall, B. Hawkes. CAD/CAM. Paraninfo S.A., V. Rembold. Computer Integrated Manufacturing and Engineering. Addison Wesley, Robótica Barrientos, Peñin, Balaguer, Aracil, Fundamentos de robótica, Ed. Mc Graw Hill, Eshed Robotics; Orpi S.L.; 1994; Simulation-ER. Software de simulación robótica para Scorbot ER V, V-Plus y VII. Manual de usuario; Ed. Orpi, S.L.; Zaragoza; España; 256 pp. Eshed Robotics; Orpi S.L.; 1994; Scorbot ER V-plus. Manual de usuario; Ed. Orpi, S.L.; Zaragoza; España; 165 pp. Eshed Robotics; Orpi S.L.; 1994; Scorbase Nivel 5 para Scorbot ER V, V-Plus y VII. Guía de referencia; Ed. Orpi, S.L.; Zaragoza; España; 61 pp. EVALUACIÓN Prácticas obligatorias. Ejercicios a entregar a lo largo del curso Examen final. Junio 2004 Convocatorias extraordinarias que decida la E.P.S. de la Universidad de Almería 7