Introducción a las comunicaciones industriales noviembre de 2004 1 Sistemas de control y Automatización de Procesos Qué es un sistema de control? Proceso Selector de temperatura Comparador + _ Accionador Calentador Sensor de temperatura Regulador Filtrado y amplificación noviembre de 2004 2 Sistemas de control y Automatización de Procesos Dónde se encuentran sistemas de control? noviembre de 2004 3 1
Sistemas de control y Automatización de Procesos Qué es un sistema automatico? SISTEMA CAPAZ DE LLEVAR A CABO CORRECTAMENTE LAS ACCIONES PARA LAS QUE FUE DISEÑADO SIN NECESIADAD DE INTERVENCIÓN POR PARTE DEL SER HUMANO Ejemplos: Portón de Garaje automático Lavado automático de coches Célula de Fabricación Piloto automático de aviones Máquina-Herramienta noviembre de 2004 4 Sistemas de control y Automatización de Procesos Por qué se automatizan los procesos? 1. EVITAR TAREAS TEDIOSAS PARA EL SER HUMANO 2. ABARATAR COSTES DE PRODUCCIÓN 3. INCREMENTAR LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS (ESTANDARIZACIÓN) 4. ACORTAR LOS TIEMPOS DE INTRODUCCIÓN DE UN NUEVO PRODUCTO EN EL MERCADO noviembre de 2004 5 Arquitectura de un sistema de producción MATERIAS PRIMAS Parte Operativa (Proceso) ENERGÍA MATERIAS ELABORADAS noviembre de 2004 6 2
Arquitectura de un sistema AUTOMÁTICO de producción MATERIAS PRIMAS Parte de Mando (Controlador) Parte Operativa (Proceso) ENERGÍA MATERIAS ELABORADAS noviembre de 2004 7 Evolución de las técnicas de automatización Sustitución fuerza humana por animal Sustitución fuerza animal por eólica/hidráulica No son técnicas de automatización. Son fuentes de energía. La parte de mando sigue recayendo en un ser humano Tecnología mecánica Tecnología neumática/hidráulica Tecnología eléctrica Tecnología electrónica noviembre de 2004 8 Tecnología Mecánica noviembre de 2004 9 3
Tecnología Mecánica noviembre de 2004 10 Historia moderna de la automatización 1745. Máquinas de tejido controladas por tarjetas perforadas 1817-1870. Máquinas especiales para corte de metal 1863. Primer piano automático, inventado por M. Fourneaux 1856-1890. Sir Joseph Whitworth enfatiza la necesidad de piezas intercambiables 1870. Primer torno automático, inventado por Christopher Spencer. 1940. Surgen los controles hidráulicos, neumáticos y electrónicos para máquinas de corte automáticas. 1945-1948. John Parsons investiga sobre control numérico. 1960-1972. Se desarrollan técnicas de control numérico directo y manufactura computerizada. noviembre de 2004 11 Esquema general de un proceso automatizado Preaccionadores Accionadores Supervisión Parte de Mando (control) Parte operativa (proceso) Captadores noviembre de 2004 12 4
El computador como elemento de control Antes de los años 70: Lazos de control monovariable Un lazo para cada variable controlada: Muchos controladores y paneles de control enormes. REGULADOR 1 PROCESO 1 Panel de control y visualización REGULADOR 2 PROCESO 2 REGULADOR N PROCESO N noviembre de 2004 13 El computador como elemento de control Después de los 70: Desarrollo de los micropocesadores Supervisión por computador REGULADOR 1 PROCESO 1 COMPUTADOR Supervisión del control Interfaz con el operador REGULADOR 2 REGULADOR N PROCESO 2 PROCESO N noviembre de 2004 14 El computador como elemento de control Evolución al Control Digital Directo El computador realiza el control de los procesos PROCESO 1 COMPUTADOR Control multivariable Interfaz con el operador PROCESO 2 PROCESO N noviembre de 2004 15 5
El computador como elemento de control Tendencia: Control Distribuido Sistemas basados en microprocesador realizan el control de cada proceso, coordinados por un computador central MICROPROC. 1 PROCESO 1 COMPUTADOR Coordinación del control Interfaz con el operador MICROPROC. 2 MICROPROC. N PROCESO 2 PROCESO N noviembre de 2004 16 Arquitecturas de control a) Arquitectura Centralizada CONTROLADOR SENSORES ACTUADORES b) Arquitectura Descentralizada CONTROLADOR SENSORES ACTUADORES SENSORES ACTUADORES noviembre de 2004 17 Arquitecturas de control c) Arquitectura Distribuida CONTROLADOR 1 CONTROLADOR 2 CONTROLADOR n SENSORES ACTUADORES SENSORES ACTUADORES SENSORES ACTUADORES noviembre de 2004 18 6
Equipos de Control noviembre de 2004 19 Precio PLC Micro PLC Módulo Lógico Temporizadores Contactores Funcionalidad noviembre de 2004 20 Control Continuo Sistemas Empotrados Control Procesos noviembre de 2004 21 7
Qué es un autómata programable? Definición IEC 61131 Un autómata programable (AP) es una máquina electrónica programable diseñada para ser utilizada en un entorno industrial (hostil), que utiliza una memoria programable para el almacenamiento interno de instrucciones orientadas al usuario, para implantar soluciones específicas tales como funciones lógicas, secuencias, temporizaciones, recuentos y funciones aritméticas, con el fin de controlar mediante entradas y salidas, digitales y analógicas diversos tipos de máquinas o procesos. AP = PLC Autómata programable = Programmable Logic Controller noviembre de 2004 22 Arquitectura típica de un autómata programable noviembre de 2004 23 Ejemplos de autómatas programables Autómata TSX Micro (Schneider) Autómata S7-200 (Siemens) noviembre de 2004 24 8
En los sistemas de cableado tradicionales: Cada captador/accionador es cableado al equipo de control. Si aumenta el número de captadores o accionadores se complica el cableado de la instalación Se pueden inducir ruidos en los cables de señal, sobre todo en señales analógicas Los captadores/accionadores sólo pueden ser vistos desde el equipo al que están directamente conectados A SU FAVOR: Experiencia de los operarios noviembre de 2004 25 Utilizando redes industriales: Mediante un sólo cable de comunicación serie el equipo de control se conecta a captadores y accionadores, incluyendo: Captadores/accionadores clásicos ( todo o nada o analógicos) Dispositivos inteligentes (variadores de velocidad, robots, reguladores digitales, terminales de visualización, ) Otros equipos de control noviembre de 2004 26 Con el desarrollo en microprocesadores, aparecen sensores y actuadores inteligentes, que permiten configuración y programación remota, surgiendo nuevas necesidades en la comunicación entre estos dispositivos y los elementos de control de mayor nivel. noviembre de 2004 27 9
CIM (Computer Integrated Manufacturing) GESTION DE EMPRESA OFICINA TECNICA Y PLANIFICACION COORDINACION DE PLANTA SUPERVISION Y CONTROL DE CELULA CONTROL LOCAL DIRECTO Sensores y actuadores Nivel de Empresa Nivel de Fábrica /Factoría /Planta Nivel de Área Nivel de Célula Nivel de Campo/Estación Nivel de Proceso / Máquina noviembre de 2004 28 Los PLCs y otros equipos se conectan en el bus de comunicaciones a nivel de célula. Intercambio de información a Kbps Mbps El envío de estas informaciones se realiza por medio de las funciones suminstradas por el protocolo de comunicaciones en pequeños paquetes Requisitos temporales elevados El PLC debe leer todos los captadores y escribir todos los accionadores en un tiempo inferior a un ciclo de programa (ciclo de scan) Por el bus se deben transmitir dos tipos de datos: Datos de proceso o de entrada/salida Parámetros o mensajes noviembre de 2004 29 Datos de proceso Se caracterizan por su influencia directa sobre el sistema controlado: señales que actúan sobre los contactores, válvulas, referencias, etc. Datos de entrada/salida de cada dispositivo: unos pocos bytes. Se pueden conectar al bus un gran número de dispositivos de campo. Los datos de proceso son cíclicos y deben ser continuamente actualizados por medio del bus de comunicación. Los tiempos que se manejan son del orden de unos pocos milisegundos. Los datos de entrada/salida únicamente se identifican por la dirección del dispositivo en la red. noviembre de 2004 30 10
Parámetros o mensajes Los parámetros tienen la función de ajustar, monitorizar y programar los dispositivos. No dispone del carácter de información cíclica que tienen los datos de proceso. Esta información es transmitida sólo por demanda. La transmisión requiere una especial seguridad. El tamaño de la información oscila desde 10 a 100 bytes por dispositivo, aunque pueden ser del orden de cientos de Kbytes en dispositivos inteligentes. No tiene apenas requisitos de tiempo. Se requiere información adicional describiendo el tipo de información (no sólo la dirección del dispositivo). noviembre de 2004 31 Red de comunicaciones Nodo Nodo Nodo Red de datos: Tamaño de paquetes grande Baja tasa de paquetes Áreaextensa Interface de Red Procesador PC Estaciónde Trabajo Mainframe, Entrada/Salida Terminal Impresora, Red de control: Tamaño de paquetes pequeño Alta tasa de paquetes Requisitos de tiempo real Interface de Red Procesador Microcontrolador Microprocesador PC, Entrada/Salida Sensor Actuador noviembre de 2004 32 Tamaño de datos Velocidad necesaria de reacción 1 Mbps 1 Kbps 1 bps 1 min 1 seg 1 ms INFORMÁTICA AUTOMÁTICA GESTION DE EMPRESA OFICINA TECNICA Y PLANIFICACION COORDINACION DE PLANTA SUPERVISION Y CONTROL DE CELULA CONTROL LOCAL DIRECTO noviembre de 2004 33 11