SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN Y AUTÓMATAS PROGRAMABLES

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1 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN Y AUTÓMATAS PROGRAMABLES

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3 SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN Y AUTÓMATAS PROGRAMABLES Enrique Mandado Pérez Catedrático Jubilado de Tecnología Electrónica Miembro del Instituto de Electrónica Aplicada de la Universidad de Vigo Profesor del Máster de Sistemas Electrónicos Avanzados de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad del País Vasco Jorge Marcos Acevedo Profesor Titular del Departamento de Tecnología Electrónica de la Universidad de Vigo Celso Fernández Silva Profesor Titular del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Escuela de Ingeniería Industrial de la Universidad de Vigo Ignacio Armesto Quiroga Profesor Titular del Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Escuela de Ingeniería Industrial de la Universidad de Vigo José Luis Rivas López Director General de SECITOR Auditor forense jefe del Laboratorio de Informática Forense europeo (LIFe) Investigador del grupo GEDEFA de la Universidad de Vigo José María Núñez Ortuño Profesor Ayudante del Centro Universitario de la Defensa de Marín adscrito a la Universidad de Vigo

4 Sistemas de automatización y autómatas programables Tercera edición, Enrique Mandado Pérez; Jorge Marcos Acevedo; Celso Fernández Silva; Ignacio Armesto Quiroga; José Luis Rivas López; José María Núñez Ortuño 2018 MARCOMBO, S.A Maquetación y diseño: Ángel Solé Cardona Diseño de la cubierta: ENEDENÚ DISEÑO GRÁFICO «Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra». ISBN: D.L.: B Impreso en XXXX Printed in Spain

5 Prólogo a la primera edición Seguramente todo empezó por la capacidad de observación y de imaginación del ser huma no; aunque pronto se descubrió la correlación causa-efecto, al menos para los hechos más sim ples. Pero a medida que se iban incrementando los conocimientos, se fue constatando que todo era bastante más complejo de lo que parecía, que había múltiples variables que influenciaban esa relación y que no había por tanto hechos aislados, sino una multitud de causas que debían estudiarse como sistemas en su conjunto para poder predecir los efectos que se producían y que además eran cambiantes. El manejo de toda esa información y su transformación en consecuencias resulta hoy bas tante natural, pero el proceso ha sido largo y a base de sucesivos avances. Por ello este libro comienza con los primeros pasos que el ingenio humano puso en marcha, así como con los elementos industriales que fue desarrollando, primero eléctricos, más tarde electrónicos y en la actualidad informáticos, en una carrera permanentemente acelerada, que avanza sin conocer un final, siempre superándose y sorprendiéndonos. Al comienzo de los años ochenta asumí la responsabilidad de dirigir el negocio de automatización de Siemens. A lo largo de estos años, la experiencia vivida con nuestros clientes nos ha enseñado que las nuevas tecnologías de automatización no sólo necesitan buenos productos y buen equipo de venta, sino también un gran apoyo de formación técnica, tanto del Hardware como del Software para los profesionales que proceden de otras técnicas, así como para los jóvenes ingenieros y técnicos, que de forma continua se incorporan a las técnicas de automati zación. La demanda de la formación técnica especializada orientada a la práctica ha ido creciendo de forma continua hasta superar en el año 2002 en Siemens la cifra de técnicos formados en estas técnicas. Como consecuencia de esta creciente demanda, y de la aparición de la formación a distancia (on-line) también de estas tecnologías, mi amigo Enrique Mandado, con su gran experiencia formadora, nos presentó sus ideas de apoyo a la formación especializada industrial. De las re flexiones conjuntas nace este libro, que hoy tengo el honor de prologar. Este libro está dirigido a los técnicos del área de automatización no sólo como libro de consulta sino como libro de estudio. En él se recogen los conceptos fundamentales para entender el funcionamiento de los sistemas electrónicos de control digital, la normalización existente en este terreno, así como los equipos Hardware, desde las configuraciones más sencillas hasta las más complejas apoyadas en técnicas de comunicación y visualización de última generación y los distintos sistemas de programación utilizados en automatización, con ejemplos concretos. v

6 Sistemas de automatización y autómatas programables En nombre de la empresa Siemens y en el mío propio, quiero agradecer muy especialmente al equipo de profesores firmantes del mismo, dirigidos por mi amigo Enrique, el esfuerzo reali zado y por parte de Siemens a los Sres. Amador y Cano, por su colaboración para sacar a la luz esta obra, que con toda seguridad reforzará el conocimiento de las técnicas de automatización, en un sector en creciente desarrollo. Manuel Lenza Director General División Productos y Sistemas Industriales de Siemens vi

7 Introducción a la tercera edición El éxito obtenido en las dos ediciones anteriores ha animado a los autores de las mismas a llevar a cabo esta tercera edición, a la que se han incorporado dos nuevos coautores para acometer dos aspectos de la automatización que han adquirido gran importancia actualmente: la seguridad ante sabotajes y las comunicaciones inalámbricas. Las principales novedades de esta edición son: En el capítulo 1 se introducen nuevos conceptos y equipos que se describen en profundidad en el resto de los capítulos. Se han ampliado los ejemplos del capítulo 3 para mostrar el diseño de una máquina taladradora mediante la utilización de la herramienta Codesys que cumple con la norma IEC En el capítulo 4 se muestran ejemplos de nuevos productos desarrollados por empresas españolas. En el capítulo 5 se muestra la forma llevar a cabo el modo de funcionamiento automático de una taladradora, utilizando para ello la herramienta Codesys. Se ha ampliado el contenido del capítulo 7 para incluir diversos sensores de medida utilizados, tanto en los procesos de fabricación como en los procesos continuos. Se incluye un nuevo capítulo 8 dedicado a los actuadores más utilizados en los diferentes tipos de procesos productivos. Se ha actualizado el capítulo 9 mediante la inclusión de nuevos ejemplos de productos y nuevas técnicas de gestión de la interfaz máquina-usuario (HMI). El capítulo 10 está dedicado a la automatización de los productos y procesos productivos e incluye en esta edición un nuevo apartado dedicado a los sistemas de información y a la seguridad de los mismos ante sabotajes. El capítulo 11 está dedicado exclusivamente a las Comunicaciones Industriales, tanto punto a punto como multipunto, que constituyen redes de comunicaciones que trabajan en tiempo real. Los capítulos 12, 13 y 14 contienen ejemplos de diferentes tipos de redes de comunicaciones industriales. El capítulo 15, dedicado a la confiabilidad (Dependability), incluye las normas desarrolladas por la Organización Internacional de Normalización (ISO) y por la Comisión Elec- vii

8 Sistemas de automatización y autómatas programables trotécnica Internacional (IEC) y las directivas europeas que deben cumplir las máquinas utilizadas en la industria para garantizar su seguridad ante averías y proporcionar una confiabilidad elevada. El capítulo 16 está dedicado a la confiabilidad de los controladores electrónicos y, a través de numerosos ejemplos, se describen los sistemas independientes de seguridad y los principales sensores y módulos de seguridad así como los autómatas programables de seguridad y de disponibilidad elevada. En el apéndice 1 se presentan, además de los conceptos básicos de las comunicaciones electrónicas digitales, las comunicaciones inalámbricas digitales y los diferentes tipos de redes inalámbricas de área personal, local, metropolitana y extensa. Especial mención se hace de las normas elaboradas por el IEEE que han sido utilizadas por diversos fabricantes para desarrollar productos propios de comunicaciones inalámbricas personales como son, por ejemplo, las redes Blutuz, Zigbi, 6LoWPAN, Hart, ISA a, ZWave, UWB y WISA. En este apéndice se describen también las redes de área extensa, su evolución y su combinación con Internet. Especial hincapié se hace en las aplicaciones de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) en las empresas industriales mediante la utilización de las comunicaciones inalámbricas de identificación (RFID), las comunicaciones inalámbricas cercanas (NFC), las redes inalámbricas de sensores (WSN) y el Internet de los objetos (IoT). Los autores agradecen a José Luis Rodríguez Rivera su trabajo en la realización de nuevas figuras, a Jesús Fraile Mora por la cesión de numerosas figuras de sus libros de Máquinas Eléctricas e Instrumentación Aplicada a la Ingeniería y a las numerosas empresas que han contribuido a ilustrar los principales aspectos de la Automatización con imágenes de sus productos. También quieren agradecer la ayuda recibida de la Asociación para el Progreso de la Tecnología en Galicia (APROTEGA) que va a colaborar en la presentación del libro y al Instituto de Electrónica Aplicada de la Universidad de Vigo que contribuyó a facilitar su trabajo en equipo. Los autores viii

9 Índice general PARTE 1 FUNDAMENTOS DE LOS CONTROLADORES LÓGICOS Capítulo 1 INTRODUCCIÓN A LOS CONTROLADORES LÓGICOS 1.1 CONCEPTOS GENERALES CONTROLADORES LÓGICOS SIN UNIDAD OPERATIVA CONTROLADORES LÓGICOS COMBINACIONALES CONTROLADORES LÓGICOS SECUENCIALES Introducción Descripción de los sistemas secuenciales Especificación mediante niveles de las variables de entrada Especificación mediante cambios de nivel de las variables de entrada Controladores lógicos implementados con sistemas secuenciales síncronos.. 21 Controladores lógicos cableados Controladores lógicos programables de arquitectura fija Controladores lógicos programables de arquitectura configurable CONTROLADORES LÓGICOS CON UNIDAD OPERATIVA INTRODUCCIÓN AUTÓMATAS PROGRAMABLES CON UNA UNIDAD LÓGICA Introducción Conceptos básicos Unidades de entrada y salida Unidad Central AUTÓMATAS PROGRAMABLES BASADOS EN UN COMPUTADOR Introducción Características generales de los computadores Unidad de control Unidad de memoria ix

10 Sistemas de automatización y autómatas programables Características generales de los autómatas programables basados en un computador Unidades de acoplamiento de entrada y salida de variables digitales y analógicas Unidades de entrada/salida especiales Procesadores de comunicaciones Memoria de programa Memoria de datos Recursos físicos (Hardware) y de programación (Software) de los autómatas programables basados en un computador Unidad Central Capacidad de memoria de programa/datos Capacidad de entradas y salidas digitales Modularidad de entradas y salidas Módulos específicos de entrada/salida Capacidad de interrupción Interfaz máquina-usuario Recursos de Comunicaciones Protección ante sabotajes y averías Lenguajes de programación Bibliografía PARTE 2 SISTEMAS DE PROGRAMACIÓN DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES Capítulo 2 SISTEMA STEP7 DE PROGRAMACIÓN DE AUTÓMATAS PROGRAMABLES 2.1 INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS GENERALES DE STEP x TIPOS DE DATOS UNIDADES DE ORGANIZACIÓN DEL PROGRAMA VARIABLES LENGUAJE DE LISTA DE INSTRUCCIONES (AWL) DE STEP CONCEPTOS GENERALES IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES INSTRUCCIONES INSTRUCCIONES QUE OPERAN CON VARIABLES LÓGICAS... 74

11 Índice Introducción Instrucciones de selección, de entrada y salida o de operación Instrucciones sin paréntesis Instrucciones con paréntesis Instrucciones de memorización Instrucciones que operan con flancos INSTRUCCIONES QUE OPERAN CON COMBINACIONES BINARIAS Introducción Instrucciones de carga y transferencia Instrucciones aritméticas Instrucciones de comparación Instrucciones de conversión Instrucciones de desplazamiento y rotación Instrucciones lógicas con combinaciones binarias INSTRUCCIONES DE TEMPORIZACIÓN INSTRUCCIONES DE CONTAJE INSTRUCCIONES DE CONTROL DEL PROGRAMA Instrucciones de salto Instrucciones de control de bloque Instrucciones de control de la ejecución de un grupo de instrucciones LENGUAJE DE ESQUEMA DE CONTACTOS (KOP) DE STEP CONCEPTOS GENERALES IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES OPERACIONES CON CONTACTOS Operaciones lógicas Operaciones de memorización Operación de inversión OPERACIONES CON CONTACTOS Y BLOQUES Operaciones con flancos Operaciones de temporización Operaciones de contaje LENGUAJE DE DIAGRAMA DE FUNCIONES (FUP) DE STEP CONCEPTOS GENERALES IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES OPERACIONES LÓGICAS OPERACIONES DE MEMORIZACIÓN OPERACIONES CON FLANCOS OPERACIONES DE TEMPORIZACIÓN xi

12 Sistemas de automatización y autómatas programables xii OPERACIONES DE CONTAJE LENGUAJE DE DIAGRAMA FUNCIONAL DE SECUENCIAS (S7-GRAPH) DE STEP Bibliografía Capítulo 3 SISTEMA NORMALIZADO IEC DE PROGRAMACIÓN DE AUTÓMATAS PROGRAMABLES 3.1 INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL SISTEMA NORMALIZADO IEC TIPOS DE DATOS UNIDADES DE ORGANIZACIÓN DEL PROGRAMA DE UN PROYECTO Subprogramas Funciones Bloques funcionales Variables LENGUAJE NORMALIZADO DE LISTA DE INSTRUCCIONES CONCEPTOS GENERALES IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES INSTRUCCIONES INSTRUCCIONES QUE OPERAN CON VARIABLES LÓGICAS Introducción Instrucciones de selección, de entrada y salida o de operación Instrucciones de memorización Instrucciones que operan con flancos INSTRUCCIONES QUE OPERAN CON COMBINACIONES BINARIAS Introducción Instrucciones de selección Instrucciones aritméticas Instrucciones de comparación Instrucciones lógicas con combinaciones binarias INSTRUCCIONES DE CONTROL Instrucciones de salto Instrucciones de llamada y retorno de módulo FUNCIONES BLOQUES FUNCIONALES Introducción

13 Índice Bloques funcionales de memorización Bloques funcionales de detección de flanco Bloques funcionales temporizadores Bloques funcionales contadores Bloques funcionales de usuario LENGUAJE NORMALIZADO DE ESQUEMA DE CONTACTOS CONCEPTOS GENERALES IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES OPERACIONES CON CONTACTOS Operaciones lógicas Operaciones de memorización Operaciones con flancos BLOQUES FUNCIONALES Bloques funcionales normalizados Bloques funcionales de usuario FUNCIONES LENGUAJE NORMALIZADO DE DIAGRAMA DE FUNCIONES CONCEPTOS GENERALES IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES OPERACIONES LÓGICAS BLOQUES FUNCIONALES DIAGRAMA FUNCIONAL DE SECUENCIAS IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA NORMALIZADO IEC Bibliografía PARTE 3 CONTROLADORES ELECTRÓNICOS Capítulo 4 FUNDAMENTOS DE LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS 4.1 INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN Y FUNDAMENTOS DE LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS SEGÚN LA FORMA DE LLEVAR A CABO EL CONTROL CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS SEGÚN EL TIPO DE VARIABLES DE ENTRADA xiii

14 Sistemas de automatización y autómatas programables xiv Introducción Controladores lógicos Controladores de procesos continuos Introducción y clasificación Clasificación de los controladores de procesos según el tipo de señales internas Controladores analógicos de procesos Controladores digitales de procesos Clasificación de los controladores de procesos según el algoritmo de control CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS SEGÚN LA ESTRUCTURA ORGANIZATIVA CLASIFICACIÓN LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS SEGÚN EL NIVEL DE RIESGO CLASIFICACIÓN DE LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS DIGITALES SEGÚN EL TIPO DE PROCESADOR Bibliografía Capítulo 5 DISEÑO DE CONTROLADORES LÓGICOS CON AUTÓMATAS PROGRAMABLES 5.1 INTRODUCCIÓN HERRAMIENTAS DE DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR DE LOS CONTROLADORES LÓGICOS BASADOS EN AUTÓMATAS PROGRAMABLES INTRODUCCIÓN ADMINISTRACIÓN DE UN PROYECTO STEP RECURSOS Y REQUISITOS NECESARIOS PARA DESARROLLAR UN PROGRAMA STEP MÉTODOS CLÁSICOS DE DISEÑO DEL PROGRAMA DE CONTROL DISEÑO DE SISTEMAS COMBINACIONALES CON UN AUTÓMATA PROGRAMABLE DISEÑO DE CONTROLADORES LÓGICOS SECUENCIALES IMPLEMENTADOS CON UN AUTÓMATA PROGRAMABLE Método de diseño basado en la emulación de biestables RS Método del algoritmo compacto de emulación del diagrama de estados MÉTODOS DE DISEÑO DE CONTROLADORES LÓGICOS SECUENCIALES COMPLEJOS MÉTODO DE DISEÑO BASADO EN LA PARTICIÓN DEL ALGORITMO EN FASES

15 Índice MÉTODO DE DISEÑO BASADO EN EL DIAGRAMA FUNCIONAL DE SECUENCIAS Introducción Conceptos básicos del lenguaje S7-Graph Etapas Transiciones Evolución Reglas de evolución del lenguaje S7-Graph Ramas alternativas Saltos Fin de cadena Ramas simultáneas Operaciones permanentes Conceptos avanzados de S7-Graph Denominación de las etapas Acciones asociadas a etapas Acciones normalizadas (Standar) Acciones con enclavamiento (Interlock) Supervisión de la evolución entre etapas Eventos y acciones asociadas Acciones para activar y desactivar otras etapas Transiciones condicionadas por etapas o por otras transiciones Temporizadores, contadores y operaciones aritméticas en acciones Integración de cadenas secuenciales programadas en S7-Graph Juego de parámetros de los bloques funcionales de S7-Graph Modos de operación del controlador secuencial Ejemplos de diseño de controladores lógicos con el lenguaje S7-Graph Ejemplos típicos de automatización realizados con el lenguaje S7-Graph COMPARACIÓN DEL MÉTODO DE DISEÑO BASADO EN S7-GRAPH Y EL BASADO EN EL DIAGRAMA DE PARTICIÓN EN FASES COMPARACIÓN ENTRE EL LENGUAJE SFC Y EL S7-GRAPH Bibliografía xv

16 Sistemas de automatización y autómatas programables Capítulo 6 CONTROL DE PROCESOS MEDIANTE AUTÓMATAS PROGRAMABLES 6.1 INTRODUCCIÓN CONTROLADORES NO LINEALES INTERMITENTES xvi CONCEPTOS GENERALES CONTROLADOR TODO-NADA BÁSICO CONTROLADOR TODO-NADA DE DOS POSICIONES Controlador todo-nada con histéresis Controlador todo-nada con zona muerta CONTROLADOR TODO-NADA MULTIPOSICIÓN CONTROLADOR INTERMITENTE PROPORCIONAL EN EL TIEMPO CONTROLADORES LINEALES CONTINUOS INTRODUCCIÓN CONTROLADOR CONTINUO PROPORCIONAL CONTROLADOR CONTINUO PROPORCIONAL, INTEGRAL, DERIVATIVO (PID) Introducción Acción de control integral Acción de control derivativa Combinación de las acciones proporcional, integral y derivativa (PID) ELECCIÓN DEL ALGORITMO DE CONTROL Reglas relativas a la naturaleza de la variable que se controla Reglas relativas al tipo de respuesta del proceso AJUSTE EMPÍRICO DE LOS CONTROLADORES PID Introducción Métodos empíricos de ajuste con identificación en bucle abierto Introducción Método de ajuste de Ziegler-Nichols con identificación en bucle abierto Método de ajuste de Cohen y Coon Método de ajuste de Chien, Hrones y Reswick Métodos empíricos de ajuste con identificación en bucle cerrado Método de ajuste por «Prueba y error» Método de ajuste de Ziegler-Nichols en bucle cerrado Método de ajuste del relé de Åström y Hägglund Métodos de ajuste basados en modelos matemáticos Métodos de ajuste basados en la minimización de índices de error

17 Índice IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL CONTINUO PID MEDIANTE UN AUTÓMATA PROGRAMABLE Introducción Bloques funcionales y lenguajes Lenguaje CFC de descripción de controladores de procesos continuos Bibliografía PARTE 4 CONTROLADORES ELECTRÓNICOS Y GESTIÓN DE LOS PROCESOS PRODUCTIVOS Capítulo 7 SENSORES Y SISTEMAS DE RADIOIDENTIFICACIÓN INDUSTRIALES 7.1 INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES INDUSTRIALES INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES INDUSTRIALES SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL ELEMENTO SENSOR CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES SEGÚN EL TIPO DE SEÑAL ELÉCTRICA QUE GENERAN Sensores analógicos Sensores digitales Sensores temporales CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES SEGÚN EL RANGO DE VALORES Sensores de medida Sensores todo-nada CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES INDUSTRIALES SEGÚN EL MODO DE OPERACIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SENSORES SEGÚN LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SENSORES SEGÚN EL NIVEL DE INTEGRACIÓN Sensores discretos Sensores integrados Sensores inteligentes CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES SEGÚN LA VARIABLE FÍSICA MEDIDA xvii

18 Sistemas de automatización y autómatas programables 7.3 CARACTERÍSTICAS DE ENTRADA DE LOS SENSORES INDUSTRIALES xviii CAMPO O RANGO DE MEDIDA FORMA DE VARIACIÓN DE LA MAGNITUD DE ENTRADA Datos estáticos (Static data) Datos dinámicos (Dynamic data) Datos transitorios (Transient data) Datos aleatorios (Random data) CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE SALIDA Sensores de salida analógica Sensores de salida digital Sensores de salida todo-nada Sensores todo-nada de salida del tipo relé Sensores todo-nada de salida electrónica Sensores todo-nada de salida electrónica de dos hilos Sensores todo-nada de salida electrónica de tres hilos Sensores todo-nada de salida electrónica de cuatro hilos Sensores de salida temporal CARACTERÍSTICAS DE ALIMENTACIÓN CARACTERÍSTICAS DE AISLAMIENTO CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS CONCEPTOS GENERALES GRADO DE PROTECCIÓN AMBIENTAL DE LOS SENSORES INDUSTRIALES CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Exactitud Precisión, repetibilidad y reproducibilidad Calibración Histéresis Linealidad Mínimo valor medible Resolución Sensibilidad CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS Introducción

19 Índice Respuesta en frecuencia Tiempo de respuesta Tiempo de subida y de bajada Constante de tiempo Amortiguación o sobreoscilación ( V) CARACTERÍSTICAS AMBIENTALES Efectos térmicos Efectos de la aceleración y las vibraciones Efectos de la presión ambiental Efectos de las perturbaciones eléctricas Otros efectos CARACTERÍSTICAS DE FIABILIDAD SENSORES INDUSTRIALES DE APLICACIÓN GENERAL EN PROCESOS DE FABRICACIÓN Y EN PROCESOS CONTINUOS INTRODUCCIÓN SENSORES DETECTORES DE OBJETOS Introducción Sensores de proximidad con contacto Introducción Finales de carrera Introducción Elementos de un final de carrera Modo de operación Contactos eléctricos Características técnicas de los contactos Criterios de selección de los finales de carrera Microrruptores Sensores de proximidad sin contacto Conceptos generales Símbolos normalizados Símbolos de los sensores de proximidad de dos hilos Símbolos de los sensores de proximidad de tres hilos Símbolos de los sensores de proximidad de cuatro hilos Sensores de proximidad optoelectrónicos Introducción Características constructivas de las fotocélulas Características técnicas de las fotocélulas Sensores de proximidad optoelectrónicos de barrera de luz xix

20 Sistemas de automatización y autómatas programables xx Sensores de proximidad optoelectrónicos de reflexión sobre espejo Sensores de proximidad optoelectrónicos de reflexión sobre objeto Sensores de marcas Fotocélulas de fibra óptica Sensores de proximidad electromagnéticos Sensores de láminas de contacto Sensores de efecto Hall Sensores inductivos Sensores de proximidad inductivos Conceptos generales Tipos de sensores de proximidad inductivos Campo de trabajo Características técnicas Normas de instalación Sensores de proximidad capacitivos Conceptos generales Tipos de sensores de proximidad capacitivos Campo de trabajo Características técnicas Normas de instalación Sensores de proximidad ultrasónicos Introducción Características de los ultrasonidos Sensores ultrasónicos de barrera Sensores ultrasónicos detectores de eco Influencia del objeto Influencia de la temperatura Influencia de las condiciones ambientales Característica técnicas Normas de instalación SENSORES DE MEDIDA DE DISTANCIA Sensores de medida de distancias magnéticos Sensores de medida de distancia de inductancia variable Sensores de medida de distancia de transformador diferencial Sensores de medida de distancia de efecto Hall

21 Índice Sensores de medida de distancia optoelectrónicos Sensores de medida distancia ultrasónicos SENSORES DE MEDIDA DE DESPLAZAMIENTO Introducción Codificadores optoelectrónicos rotativos Codificadores optopeléctrónicos rotativos absolutos Codificadores optoeléctrónicos rotativos incrementales SENSORES DE NIVEL SENSORES DE MEDIDA DE FUERZA Y PRESIÓN Introducción Sensores de medida de fuerza y presión resistivos Sensores de medida de fuerza y presión piezoeléctricos SENSORES DE MEDIDA DE ACELERACIÓN Y VIBRACIONES SENSORES DE CAUDAL SENSORES DE MEDIDA DE TEMPERATURA Introducción Sensores termorresistivos Introducción Sensores bimetálicos todo nada Sensores termorresistivos metálicos Sensores termorresistivos de óxidos metálicos Sensores de temperatura basados en la unión P-N Sensores de temperatura termoeléctricos Sensores de temperatura piroeléctricos SISTEMAS DE AUTOIDENTIFICACIÓN Bibliografía Capítulo 8 ACTUADORES 8.1 FUNDAMENTOS Y DEFINICIÓN CIRCUITO DE CONTROL COMPONENTES ELÉCTRICOS Relés electromagnéticos Contactores COMPONENTES ELECTRÓNICOS Componentes electrónicos pasivos Dispositivos electrónicos Introducción xxi

22 Sistemas de automatización y autómatas programables xxii Dispositivos electrónicos pasivos Introducción Diodo semiconductor de potencia Diodo luminiscente Dispositivos electrónicos de potencia activos sin memoria Introducción Transistor bipolar Transistor de efecto de campo MOSFET Transistor bipolar de puerta aislada Dispositivos electrónicos de potencia activos con memoria Rectificador controlado de silicio Tiristor con control de apertura Tiristor bidireccional (Triac) Relé de estado sólido CONVERTIDORES DE ENERGÍA INTRODUCCIÓN CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS ESTÁTICOS CONVERTIDORES ELÉCTRICOS Introducción Solenoides Máquinas eléctricas Motores eléctricos Introducción Motores de corriente continua Motores de corriente alterna CONVERTIDORES DE ENERGÍA MECÁNICOS CONVERTIDORES DE ENERGÍA NEUMÁTICOS CONVERTIDORES DE ENERGÍA HIDRÁULICOS Bibliografía Capítulo 9 INTERFACES DE ENTRADA Y SALIDA 9.1 INTRODUCCIÓN Y CLASIFICACIÓN INTERFAZ DE CONEXIÓN CON EL PROCESO INTRODUCCIÓN INTERFACES DE APLICACIÓN GENERAL DE CONEXIÓN CON EL PROCESO Introducción

23 Índice Interfaces de variables todo-nada Interfaces de sensores de salida analógica Interfaz de sensores todo-nada sin aislamiento galvánico Interfaz de sensores todo-nada con aislamiento galvánico Introducción Interfaces de sensores todo-nada con aislamiento galvánico y alimentación en continua Sensores todo-nada con salida del tipo contacto Sensores todo-nada de dos hilos Sensores todo-nada de tres hilos Interfaz de sensores todo-nada con aislamiento galvánico y alimentación en alterna Interfaces de variables de salida todo-nada con alimentación en continua Clasificación y descripción Interfaces de variables de salida todo-nada con relé Interfaces de variables de salida todo-nada con transistor NPN Interfaces de variables de salida todo-nada con transistor PNP Interfaces de variables de salida todo-nada con tiristor o triac Protección de las salidas todo-nada Introducción Salida con carga inductiva Salida con carga resistiva del tipo lámpara de incandescencia Salida con carga resistiva del tipo diodo luminiscente Interfaces de sensores analógicos Interfaces de sensores analógicos por tensión Interfaces de sensores analógicos por corriente Interfaces de sensores analógicos mediante informaciones digitales Interfaces de variables analógicas de salida Interfaz de variables analógicas de salida por tensión Interfaz de variables analógicas de salida por corriente INTERFACES DE APLICACIÓN ESPECÍFICA DE CONEXIÓN CON EL PROCESO Unidades de entrada de medida de temperatura Unidades de entrada de contaje Unidades de entrada/salida remotas Unidades de posicionamiento Módulos de control en bucle cerrado Módulos de control en bucle abierto Unidades de regulación xxiii

24 Sistemas de automatización y autómatas programables 9.3 INTERFACES DE CONEXIÓN CONTROLADOR-USUARIO xxiv UNIDADES DE PROGRAMACIÓN EQUIPOS DE INTERFAZ USUARIO-MÁQUINA Introducción Características de los equipos de visualización y actuación SISTEMAS DE SUPERVISIÓN Y ADQUISICIÓN DE DATOS (SCADA) Conceptos generales Técnicas de gestión OLE y OPC Técnica de gestión OPC-UA Bibliografía Capítulo 10 AUTOMATIZACIÓN DE LOS PRODUCTOS Y LOS PROCESOS PRODUCTIVOS Y DE LA GESTIÓN DE LA TECNOLOGÍA 10.1 INTRODUCCIÓN AUTOMATIZACIÓN DEL DISEÑO Y LA FABRICACIÓN DE LOS PRODUCTOS DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADOR INGENIERÍA ASISTIDA POR COMPUTADOR FABRICACIÓN ASISTIDA POR COMPUTADOR Introducción Clases de automatización de los procesos y sus características Introducción Automatización fija Automatización programable Automatización flexible Automatización integrada Planificación de los productos a fabricar Controladores electrónicos digitales Introducción Autómatas Programables y controladores digitales Programables Computadores industriales Introducción Computador industrial y autómata programable Computador industrial y sistema operativo en tiempo real

25 Índice Computador industrial y programa (Software) de emulación de un autómata programable Computador empotrado Procesadores digitales integrados Controladores electrónicos de procesos continuos Sistemas CAD/CAM Sistemas de control numérico Introducción Sistemas de control numérico en bucle cerrado Sistemas de control numérico en bucle abierto Sistemas de manipulación de elementos Introducción Conceptos básicos de un robot y su clasificación Sistemas de fabricación flexible Módulo de fabricación flexible Celda de fabricación flexible Línea de fabricación flexible Taller flexible FABRICACIÓN INTEGRADA POR COMPUTADOR. PIRÁMIDE CIM Introducción Implantación del modelo CIM AUTOMATIZACIÓN DE LA GESTIÓN DE LA TECNOLOGÍA INTRODUCCIÓN SISTEMAS DE INFORMACIÓN Definición y evolución Era del computador central Era de los minicomputadores Era del computador personal Era cliente/servidor Era de la computación en la nube y la movilidad Sistema de gestión documental Sistema de gestión del ciclo de vida de un producto Sistema de gestión de los datos de un producto Sistema de planificación de las necesidades de materiales Sistema de ejecución de la fabricación xxv

26 Sistemas de automatización y autómatas programables Sistema de planificación de los recursos de la empresa Seguridad de los sistemas de información Introducción Normas relativas a la seguridad ante sabotajes Legislación Metodología de tratamiento de los incidentes de seguridad Análisis forense Bibliografía PARTE 5 COMUNICACIONES INDUSTRIALES Capítulo 11 COMUNICACIONES INDUSTRIALES 11.1 INTRODUCCIÓN COMUNICACIONES INDUSTRIALES PUNTO A PUNTO xxvi INTRODUCCIÓN ENLACES PUNTO A PUNTO DE SENSORES Y ACTUADORES REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LAS REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES REDES DE DATOS Redes de empresa y de fábrica Redes de célula REDES DE CONTROL Conceptos generales Redes de controladores Redes de sensores-actuadores Conceptos generales Redes de sensores-actuadores de capacidad funcional limitada Redes de sensores-actuadores de capacidad funcional elevada FAMILIAS DE REDES INDUSTRIALES REDES ETHERNET INDUSTRIAL Introducción Tipos de redes Ethernet Industrial EL AUTÓMATA PROGRAMABLE Y LAS COMUNICACIONES INDUSTRIALES

27 Índice INTRODUCCIÓN COMUNICACIÓN ENTRE EL AUTÓMATA PROGRAMABLE Y LOS DISPOSITIVOS DE CAMPO COMUNICACIÓN ENTRE AUTÓMATAS PROGRAMABLES Y OTROS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS DISEÑO E IMPLANTACIÓN DE SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO, BASADOS EN AUTÓMATAS PROGRAMABLES Introducción Metodología de diseño de sistemas de control distribuido Elección de los controladores electrónicos Elección de las redes de comunicaciones Configuración del sistema Bibliografía Capítulo 12 RED AS-i DE SENSORES-ACTUADORES 12.1 INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS GENERALES CAPA FÍSICA DE LA RED AS-i CABLE DE CONEXIÓN AS-i MÉTODO DE CONEXIÓN AS-i PROCESO DE MODULACIÓN DE LA SEÑAL CAPA DE ENLACE DE LA RED AS-i CONTROL DE ACCESO AL MEDIO CONTROL LÓGICO Identificación de los subordinados Parametrización de los subordinados Funcionamiento del procesador principal de comunicaciones Operaciones básicas Modos de funcionamiento Etapas de funcionamiento Formato de los mensajes Órdenes del protocolo de enlace de la red AS-i Orden de intercambio de datos Orden de escritura de los parámetros Orden de asignación de dirección Orden de inicialización Orden de supresión de dirección Orden de lectura de la configuración de E/S xxvii

28 Sistemas de automatización y autómatas programables xxviii Orden de lectura del código de identificación Orden de lectura del estado Orden de lectura y puesta a cero de los bits de estado CAPA DE APLICACIÓN DE LA RED AS-i TABLAS DE DATOS DE USUARIO TABLAS DE DATOS DE CONFIGURACIÓN TABLAS DE DATOS DE CONFIGURACIÓN PERMANENTE TABLAS DE INDICADORRES DE ESTADO AS-i COMPONENTES DE UNA RED AS-i FUENTE DE ALIMENTACIÓN AS-i MÓDULOS DE CONEXIÓN MÓDULOS DE USUARIO SENSORES/ACTUADORES CON CIRCUITO INTEGRADO AS-i MÓDULO PRINCIPAL MÓDULOS PASARELA AS-i CONEXIÓN DE SENSORES SEGUROS ANTE AVERÍAS Bibliografía Capítulo 13 FAMILIA DE REDES DE CAMPO PROFIBUS 13.1 INTRODUCCIÓN CARACTERÍSTICAS GENERALES RED PROFIBUS-DP CARACTERÍSTICAS GENERALES CAPA FÍSICA DE LA RED PROFIBUS-DP Medio de transmisión Transmisión mediante señales eléctricas (norma EIA RS-485) Transmisión mediante señales ópticas Método de codificación de las señales Capa de enlace de PROFIBUS-DP Control de acceso al medio Control lógico Formato de los mensajes Servicios de transferencia de datos Funcionamiento de los procesadores de comunicaciones Tratamiento de los errores de transmisión CAPA DE APLICACIÓN DE LA RED PROFIBUS-DP

29 Índice Funciones de diagnóstico Descripción y configuración de una red PROFIBUS-DP RED PROFIBUS-PA PRINCIPALES ELEMENTOS DE UNA RED PROFIBUS UNIDADES DE ENTRADA-SALIDA REMOTA SENSORES/ACTUADORES CON RECURSOS DE COMUNICACIÓN PROFIBUS INTEGRADOS MÓDULOS PRINCIPALES PROFIBUS MÓDULOS PASARELA PROFIBUS REPETIDORES Y MÓDULOS DE ENLACE PROFIBUS COMPARACIÓN DE LAS REDES PROFIBUS Y AS-i Bibliografía Capítulo 14 RED INDUSTRIAL UNIVERSAL PROFINET 14.1 INTRODUCCIÓN TOPOLOGÍA DE PROFINET REDES EHERNET INDUSTRIAL DE TOPOLOGÍA ESTRELLA REDES EHERNET INDUSTRIAL DE TOPOLOGÍA ÁRBOL REDES EHERNET INDUSTRIAL DE TOPOLOGÍA LINEAL SISTEMAS COMPONENTES DE PROFINET INTRODUCCIÓN PROFINET IO PROFINET CBA COMPATIBILIDAD ENTRE PROFINET Y PROFIBUS Bibliografía PARTE 6 GARANTÍA DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS Y LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS Capítulo 15 CONFIABILIDAD. CONCEPTOS BÁSICOS 15.1 INTRODUCCIÓN CONCEPTOS RELACIONADOS CON EL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA INTRODUCCIÓN xxix

30 Sistemas de automatización y autómatas programables xxx CONCEPTOS BÁSICOS RELATIVOS A LA CONFIABILIDAD Imperfecciones de un sistema y sus consecuencias Atributos de un sistema en relación con la confiabilidad Fiabilidad Mantenibilidad Disponibilidad Seguridad Seguridad ante averías Seguridad ante sabotajes Nivel de comportamiento Predecibilidad Verificabilidad CONCEPTOS RELATIVOS A LA IMPLEMENTACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ELEVADA CONFIABILIDAD Métodos de realización de sistemas para proporcionar confiabilidad elevada Prevención de fallos Enmascaramiento de fallos Control de fallos Métodos para comprobar y reparar los sistemas de confiabilidad elevada CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONFIABILIDAD ELEVADA Sistemas de aplicación general de prestaciones elevadas Sistemas utilizados en aplicaciones peligrosas Sistemas de disponibilidad elevada Sistemas de fiabilidad elevada VERIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS INTRODUCCIÓN VERIFICACIÓN ESTÁTICA VERIFICACIÓN DINÁMICA VERIFICACIÓN EXTERNA AUTOVERIFICACIÓN TOLERANCIA A FALLOS DE LOS SISTEMAS INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS TOLERANTES A FALLOS DE ACUERDO CON LA REDUNDANCIA Tipo de elemento redundante Cantidad de redundancia

31 Índice Estrategia de utilización de la redundancia Redundancia estática Redundancia dinámica Redundancia híbrida LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS Y LA SEGURIDAD ANTE AVERÍAS INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS ELECTRÓNICOS EN RELACIÓN CON LA SEGURIDAD ANTE AVERÍAS Introducción Sistemas electrónicos independientes de seguridad SIS no programables por el usuario SIS programables por el usuario Controladores electrónicos seguros ante averías Controladores electrónicos seguros ante averías y de disponibilidad elevada NORMAS RELATIVAS A LOS SISTEMAS DE SEGURIDAD ANTE AVERÍAS Introducción Normas de seguridad relativas a las máquinas Introducción Norma UNE-EN ISO Norma UNE-EN IEC Normas de seguridad relativas a los procesos Introducción Norma UNE-EN IEC Norma ANSI/ISA Norma MIL-STD-882D Normas ferroviarias Normas de automoción PROCEDIMIENTO GENERAL DE DISEÑO DE UN SIS LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS Y LA SEGURIDAD ANTE SABOTAJES Bibliografía Capítulo 16 CONFIABILIDAD DE LOS CONTROLADORES ELECTRÓNICOS 16.1 INTRODUCCIÓN xxxi

32 Sistemas de automatización y autómatas programables 16.2 SISTEMAS ELECTRÓNICOS INDEPENDIENTES DE SEGURIDAD DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN SENSORES DE SEGURIDAD Sensores de proximidad de actuación mecánica de seguridad Sensores de posición magnéticos de seguridad Sensores detectores de objeto optoelectrónicos de seguridad Cortinas fotoeléctricas Rejillas fotoeléctricas de seguridad Bordes de seguridad Barrera fotoeléctrica de seguridad Barrera con sistema de exclusión formado por 4 sensores Barrera con sistema de exclusión formado por 2 sensores cruzados MÓDULOS DE SEGURIDAD Definición y características generales Módulos de seguridad configurables Módulos de seguridad programables CONFIABILIDAD DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES INTRODUCCIÓN CONFIABILIDAD DE LOS AUTÓMATAS PROGRAMABLES DE APLICACIÓN GENERAL Introducción Recursos internos de diagnóstico Circuito de vigilancia Circuito de comprobación de la batería Entradas de seguridad Instrucciones del tipo MCR Instrucciones de acceso a la periferia Recursos externos de diagnóstico Seguridad de las entradas Duplicación de sensores y unidades de entrada Triplicación de sensores y unidades de entrada Autocomprobación de las interfaces de entrada Seguridad de las salidas Seguridad ante sabotajes AUTÓMATAS PROGRAMABLES DE CONFIABILIDAD ELEVADA Conceptos generales Autómatas programables de seguridad Autómatas programables de disponibilidad elevada Bibliografía xxxii

33 Índice Apéndice 1 COMUNICACIONES ELECTRÓNICAS A1.1 CONCEPTOS GENERALES A1.1.1 INTRODUCCIÓN A1.1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS COMUNICACIONES ELECTRÓNICAS SEGÚN EL TIPO DE SEÑALES ELÉCTRICAS A1.1.3 MEDIOS DE TRANSMISIÓN A Introducción A Clasificación de los medios de transmisión A Medios guiados A Líneas metálicas de pares A Cable coaxial A Guías de onda A Medios dieléctricos A Medios inalámbricos A1.1.4 CANALES DE COMUNICACIONES A1.1.5 CLASIFICACIÓN DE LAS COMUNICACIONES ELECTRÓNICAS SEGÚN EL MÉTODO DE TRANSMISIÓN A Transmisión en banda base A Transmisión con modulación de una portadora A1.2 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES DIGITALES A1.3 CONCEPTOS BÁSICOS DE LAS COMUNICACIONES DIGITALES PUNTO A PUNTO A1.3.1 MODOS DE TRANSMISIÓN DE LAS SEÑALES A Transmisión en banda base A Transmisión en banda ancha A1.3.2 MODOS DE COMUNICACIÓN A1.3.3 MODOS DE SINCRONIZACIÓN A Transmisión asíncrona A Transmisión síncrona Protocolos síncronos orientados al carácter Protocolos síncronos orientados al contaje de octetos Protocolos síncronos orientados al bit A Transmisión isócrona A1.3.4 MÉTODOS DE DETECCIÓN DE ERRORES A Detección de errores en la transmisión asíncrona A Detección de errores en la transmisión síncrona A1.3.5 MÉTODOS DE ENCRIPTACIÓN Y AUTENTIFICACIÓN xxxiii

34 Sistemas de automatización y autómatas programables xxxiv A1.3.6 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y ELÉCTRICAS DE LAS CONEXIONES A1.3.7 NORMALIZACIÓN DE LAS COMUNICACIONES DIGITALES PUNTO A PUNTO CABLEADAS A Bucle de corriente digital A Norma RS Protocolo de la comunicación y velocidad de transmisión Características mecánicas y eléctricas A Norma RS A Norma RS A Norma RS A Norma USB A1.4 REDES DIGITALES A1.4.1 INTRODUCCIÓN A1.4.2 MODELOS DE INTERCONEXIÓN DE LOS COMPUTADORES A1.4.3 CONCEPTOS ESPECÍFICOS DE LAS REDES DIGITALES A Clasificación de las redes digitales cableadas de acuerdo con la topología A Topología de canales independientes A Topología estrella A Topología bus A Topología árbol A Topología anillo A Topologías híbridas A Clasificación de las redes digitales según la extensión A Redes de área local A Conceptos generales Topología Medio físico de transmisión Forma de compartir el medio físico entre varios procesadores Estrategia de acceso al medio A Redes de área local descentralizadas Red Ethernet Red anillo con paso de testigo Red bus con paso de testigo A Redes de área local principal/subordinado A Redes de área local proveedor/consumidor