1

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIALBoris Fernando Criollo Encalada-Byron Esteban Baculima Perez

bcriolloe@est.ups.edu.ec-bbaculima@est.ups.edu.ec

Abstract—This paper presents a brief introduction to automa-tion, the explanation of the types, features and components of asystem.Also it is going to give a little definition of the currentsinteract with the general systems theory and goes deeper intothe theory of automation, and explains why it is necessary toautomate the production of goods and provision of servicesachieve the required quality, consistency, and cost for the currentmarket. In addition, there are many more complex requirementsthat can not be achieved without automation.

Index Terms— Industrial automation, Process.

I. INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas, la industria en el mundo a puestoénfasis en producir calidad, consistentes, económicos y buenosservicios para permanecer en el mercado. Calidad, la consis-tencia, y la competitividad no pueden ser alcanzados sin laautomatización del proceso de la fabricación de los productosy de la prestación del servicio. En línea con esta tendencia,el aplicación de automatización de hoy es omnipresente encasi todas las aplicaciones, a partir de de aguas profundasen el espacio y se ha ganado la confianza del mundo parala consecución de los resultados deseados. Con los años, latecnología de automatización ha avanzado, junto con variasotras tecnologías, como la información, la comunicación, lacreación de redes, la electrónica. La lista a continuaciónmuestra los avances en la tecnología de automatización enlas últimas décadas:

• 1940-1960: neumática• 1960-2000: Analógico• 1980-1990: Digital-propietaria• 2000 en adelante: Digital-abierta

La tendencia actual es avanzar hacia una red abierta desistemas. En este capítulo se ofrece una breve introducción a laautomatización y explica por qué es necesario para automatizarla producción de bienes y la prestación de servicios para lograrla calidad requerida, la consistencia, y el costo para el mercadoactual. Además, hay muchos requisitos más complejos queno se pueden lograr sin automatización. En las discusionesposteriores en el libro, el proceso de término se refiere ala industria procesos / plantas y el sistema se refiere a laautomatización de sistemas / subsistemas.[1]

II. AUTOMATISMO

Sistema que permite ejecutar una o varias acciones sin inter-vención manual.

A. AUTOMATIZACIÓN

Aplicación de sistemas automáticos en la realización de unproceso.

Figure 1. Elementos de un sistema automatico.

1) Acciones: Actuación sobre el medio o proceso, confrecuencia son operaciones que se pueden repetir in-definidamente. Suelen ser acciones humanas suscepti-bles de ser sustituidas por acciones mecánica realizadaspor los órganos de trabajo.

2) Fuente de Energía: Las operaciones y movimientos delos sistemas automáticos suponen un gasto energéticoque ha de ser aportado por un medio externo. Sueledenominarse fuente de potencia a aquélla que suministraenergía a los órganos de trabajo que actúan sobre elproceso. Las funciones propias del sistema automáticotambién necesitan de un soporte energético.

3) Órganos de Mando/Control: Representa el sistemaque decide cuando realizar las acciones, que accionesrealizar, y en su caso, el valor que han de tener algunosde los parámetros que definen una acción o tarea.

4) Órganos Sensoriales:Son sistemas cuya misión consisteen captar o medir determinados valores o magnitudesdurante la realización del proceso. Estos órganos pro-porcionan información a los órganos de mando para queestos puedan dividir consecuentemente.[2]

B. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL FIJA

La automatización fija se utiliza cuando el volumen de pro-ducción es muy alto, y por tanto se puede justificar económi-camente el alto costo del diseño de equipo especializado paraprocesar el producto, con un rendimiento alto y tasas deproducción elevadas. Además de esto, otro inconveniente dela automatización fija es su ciclo de vida que va de acuerdo

2

a la vigencia del producto en el mercado. La justificacióneconómica para la automatización fija se encuentra en pro-ductos con grandes índices de demanda y volumen.

Figure 2. Automatización Industrial Fija.

C. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL PROGRAMABLE

La automatización programable se emplea cuando el volu-men de producción es relativamente bajo y hay una diversidadde producción a obtener. En este caso el equipo de producciónes diseñado para adaptarse a la variaciones de configuracióndel producto; ésta adaptación se realiza por medio de unprograma (Software).

• Fuerte inversión en equipo general• Índices bajos de producción para la automatización fija• Flexibilidad para lidiar con cambios en la configuración

del producto• Conveniente para la producción en montones

Figure 3. Automatización Industrial Programable.

D. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL FLEXIBLE

La automatización flexible es más adecuada para un rangode producción medio. Estos sistemas flexibles poseen car-acterísticas de la automatización fija y de la automatización

programada. Los sistemas flexibles suelen estar constituidospor una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre sipor sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales,controlados en su conjunto por una computadora.

Proveedores de equipos de automatización

• Fuerte inversión para equipo de ingeniería• Producción continua de mezclas variables de productos• Índices de producción media• Flexibilidad para lidiar con las variaciones en diseño del

producto

Las características esenciales que distinguen la automatizaciónflexible de la programable son:

• Capacidad para cambiar partes del programa sin perdertiempo de producción y;

• Capacidad para cambiar sobre algo establecido física-mente asimismo sin perder tiempo de producción.

Figure 4. Automatización Industrial Flexible.

III. MODELOS ISO PARA UN SISTEMAAUTOMATIZADO

Es el modelo más difundido en el ambiente de produccióncontinua por la ISO , consta de cinco niveles que abarcanlas diferentes funciones de una planta coordinada de manerajerárquica, cubriendo desde los aspectos de control de losprocesos físicos en su nivel más bajo, hasta los nivelesdonde se realizan las funciones corporativas de la planta.Cada nivel se caracteriza por un tipo de información y deprocesamiento diferente, siendo necesaria la integración delproceso automatizado para incluir la comunicación interna encada nivel, y entre niveles, con el fin de lograr sistemas quepermitan ejecutar las diferentes tareas de control existentes enuna empresa.

3

Figure 5. Modelo Piramidal ISO de un Sistema Automatizado

• Nivel 1. Este nivel se encuentra en la base de la pirámide.Es un nivel de hardware donde se localiza el conjuntode elementos tales como sensores, transductores, actu-adores eléctricos, neumáticos e hidráulicos, así comoinstrumentos de medición. Todos estos elementos tienenuna relación directa con el proceso productivo y lacomunicación entre ellos se hace generalmente a travésde buses de campo y de esta manera se llevan los datos delas variables medidas (temperatura, nivel, flujo, presión,etcétera.) al siguiente nivel de la pirámide.

Figure 6. Instrumentación, Medición y Actuación

Elementos de medición y detección de las variables de losprocesos (Medidores y Sensores) y los elementos de acciónsobre el proceso (Actuadores).

• Nivel 2. Ya que los elementos anteriores necesitan sercontrolados, en este nivel se encuentran todos los dispos-itivos capaces de realizar esta tarea, como los autómatasprogramables Industriales (API), Controladores LógicosProgramables (PLC), convertidores de frecuencia, tarjetasde control, ordenadores industriales, entre otros. La in-formación en este nivel se realiza a través de protocoloscomo Profibus, ModBus o DeviceNet.

Figure 7. Control Local y Recolección de Datos

Dispositivos para integrar los instrumentos, poseen au-tonomía formando los sistemas de control junto con los instru-mentos y permiten la interconexión con el nivel se supervisión.

• Nivel 3. A través de los sistemas SCADA (Sistema decontrol y adquisición de datos) que se presentan en estenivel de la pirámide, la empresa realiza la gestión y elcontrol de los procesos que se llevan a cabo en toda laplanta de producción por medio de interfaces graficas quepermiten a los operarios modificar los procesos. Parte deeste control también se realiza a través de las HMI (Inter-faz Humano Máquina). En este nivel se recogen señalesen tiempo real, aumentando la productividad y mejorandoel mantenimiento de los equipos gracias a la generaciónde alarmas y el almacenamiento de datos. Otro sistemaque suele utilizarse para realizar la planificación y elcontrol es el conocido M.E.S. (Sistema de ejecución deManufactura).

Figure 8. Supervisión y Control Remoto

Sistemas que permiten visualizar los procesos desde Centrosde Operaciones Automatizadas, dando una “imagen virtual dela planta” . En paneles virtuales se muestran alarmas, fallas,estados y operaciones sobre los procesos.

• Nivel 4. Es el nivel superior de la pirámide el cual se car-acteriza por la gran cantidad de información que maneja.Es necesario implementar en este nivel un sistema deplanificación que permita el manejo adecuado de dichoflujo de información. Tal es el caso del E.R.P (EnterpriseResource Planning o Sistema de Planificación de Recur-sos Empresariales). Luis Muñiz define el ERP como “unsistema de planificación de los recursos y de gestión dela información que, de una forma estructurada, satisfacela demanda de necesidades de la gestión empresarial.”

4

[9] Se trata pues de una herramienta informática parala evaluación, el control y la gestión de los procesosempresariales.

Figure 9. Integración, Optimización y Gestión

Areas de Aplicación

Figure 10. Areas de Aplicación

Sistema informático de gestión de la planta, comunicadistintas organizaciones y mantiene las relaciones con provee-dores y clientes, a través de un ambiente de integracióncomputacional. Existen aplicaciones de alto nivel que permitenla optimización de procesos y el procesamiento de datos partoma de decisiones gerenciales.

La Automatización se aplica en diversos sectores de laproducción de bienes y servicios tales como:

Figure 11. Campos donde se aplica un proceso de Automatización

como ejemplo se presenta un proceso donde es aplicable laautomatización

Figure 12. Proceso en donde es aplicable la Automatización

IV. ESTÁNDARES Y NORMAS DE LAAUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

En el campo de la automatización, la más relevantede estas normas es la IEC 61508 “Seguridad funcionalde sistemas eléctricos/electrónicos/electrónico programables(E/E/PES) relacionados con la seguridad”. Esta norma esun estándar básico, aplicable a todo tipo de industria, en elque se describen los requisitos de diseño para el desarrollode hardware y software destinados a la implementación defunciones instrumentadas de seguridad.

La IEC 61508 describe el nivel necesario de reducción delriesgo según una escala de cuatro niveles, SIL 1, SIL 2, SIL 3y SIL 4, siendo SIL 1 el menor nivel de seguridad y SIL 3 elmáximo que se aplica a la industria. Cada SIL (Safety IntegrityLevel) se alcanza con el conjunto de todas las medidas tomadaspara reducir los riesgos en la planta.

Para la industria de procesos, existe además el estándarIEC61511 ‘Seguridad Funcional– Sistemas instrumentados deseguridad para el sector industrial de procesos’.

La IEC 61511 describe cómo aplicar los componentes dehardware y software desarrollados y validados según IEC61508 al desarrollo de sistemas instrumentados de seguridadespecíficos para la industria de procesos.

Además de los requisitos y recomendaciones para el diseñorobusto de los componentes que constituyen los SIS, en lasnormas IEC sobre seguridad funcional se describen recomen-daciones enfocadas a prevenir fallos de sistema y al desarrollode procesos robustos para el ciclo de vida.

El FSM (Functional Safety Management) establece unmarco de referencia para la organización de todos los métodosy actividades necesarias para lograr el nivel requerido deseguridad funcional.

Dentro de la gestión necesaria para asegurar la seguridadfuncional, se incluye el ciclo de vida de seguridad (SafetyLifecycle), que detalla las distintas fases dentro de etapas enla vida de un planta: análisis, implementación y operación.

A partir de los riesgos identificados en la fase de análisisse evalúa si el nivel de riesgo es aceptable o es necesarioimplementar sistemas de seguridad para reducirlo. Para laimplementación de funciones de seguridad basadas en sistemasE/E/EP existen componentes hardware y software certificadoshasta SIL 3 que facilitan el desarrollo de los SIS requeridos.

V. PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADORCodificación del programa de automatización en un lenguaje

de nivel de ensamblado hace que el programa ejecute sólo en

5

la máquina o la plataforma específica en la que el programa hasido codificado. Por lo tanto, la programación del controladorse realiza en lenguajes de alto nivel que son de fácil com-prensión para los programadores y hacer que el programa deportátiles para su uso en otros controladores y plataformas conla adaptación mínima. El programa compilador, desarrolladopor el proveedor de la plataforma, convierte este programa enlenguaje de alto nivel en su ejecutable máquina equivalente ylo descarga al controlador (objetivo máquina).

El controlador está programado para las funciones de au-tomatización mediante el uso de la siguiente lenguajes de altonivel, que están cubiertos por la norma IEC61131− 3:

• Diagrama de contactos (LD)• Diagrama de bloques de funciones (FUP)• Texto estructurado (ST)• Lista de instrucciones (IL) tabla l función secuencial

(SFC)

La siguiente figura ilustra la estructura de estos lenguajes dealto nivel, que son en general, con el apoyo de todos losvendedores. La norma IEC61131− 3 permite una mezcla deprogramas de automatización escritos en todos los idiomas denivel superior. Los idiomas más utilizados por los ingenierosde automatización son LD y FBD. Son basados gráfico yfueron creados para hacer que el desarrollo y el mantenimientodel programa más fácil para los ingenieros de automatizacióny procesos.

Figure 13. Lenguaje de Programación de Alto Nivel

A. ESQUEMA DE CONTACTOS

El esquema de contactos (LD) se originó en la repre-sentación gráfica de control eléctrico sistemas que utilizanrelés (lógica basado en relés). Se utiliza sobre todo para laautomatización discreta y es ideal para el control secuencialcon enclavamientos. Los detalles de LD son tan de la siguientemanera:

• Sobre la base de los esquemas / diagramas de circuitosde la programación lógica de relé, como se discute enApéndice A

• Representación gráfica de los elementos de programación

El diagrama de escalera nombre se deriva de la semejanza delprograma a una escalera con dos carriles verticales y una seriede peldaños horizontales entre ellos. Los rieles están llamadoscarriles de poder en el esquema de contactos. En la figura 14ilustra un diagrama típico de escalera y sus convenciones.

Figure 14. Esquema de Contactos

Figure 15. LD- Instrucciones Básicas

Figure 16. Instrucciones Lógicas

Figura 15 ilustra los símbolos de programación LD / in-strucciones básicas para secuencial Control con enclavamien-tos. Hoy en día, LD soporta muchos más instrucciones deprogramación, incluyendo funciones matemáticas necesariasen la automatización de procesos continuos.

Figura 16 ilustra algunas funciones lógicas simples progra-mados con la lógica bit instrucciones de LD.

6

B. DIAGRAMAS DE BLOQUES FUNCIONALESEl diagrama de bloques de función (FBD), también una

representación gráfica de diversos matemática y las funcioneslógicas, se desarrolla principalmente para la programacióncontinua automatización de procesos, a pesar de que tambiénes compatible con la automatización de procesos discretos.

El diagrama de bloques de función, como el esquema decontactos, se basa en lo siguiente:

• Las representaciones gráficas de los elementos de pro-gramación, que son modulares, repetible, y reutilizableen diferentes partes del programa.

• El bloque de función representa la relación funcionalentre las entradas y salidas.

• El programa está construido utilizando bloques de fun-ción que están conectados entre sí para definir la elintercambio de datos.

• En los programas, los valores de flujo de las entradas alas salidas, a través de los bloques de función.

• El concepto principal detrás de ETA es el flujo de datos.Las líneas de conexión tienen tipos de datos que debenser compatibles en ambos extremos.

• Apoya la programación de números binarios (dígitos 0y 1) para hacer frente a la lógica de bits. l apoya laprogramación de enteros (individuales y dobles) y losnúmeros reales.

La figura 17 ilustra la estructura de una función de bloques yun diagrama de función de bloques

Figure 17. Función y el diagrama de bloques de función

La siguiente sección explica algunos de los FUP básica yde uso común instrucciones.

La figura 18 ilustra las operaciones lógicas con bits de ETA.Operaciones lógicas con bits interpretan estados de señal de 1(YES) y 0 (NO) y combinarlos según booleana la lógica.

Figure 18. Instrucciones Lógicas

En la figura 19 se ilustra las instrucciones para compararnúmeros enteros (I).

Aquí, las entradas son números enteros o números enterosdobles o real (punto flotante), y la salida es binaria. Si elcomparación es verdadera, la salida de la función es 1 (YES).De lo contrario, es 0 (NO).

Figure 19. FBD - Instrucciones Comparadas

La figura 20 Ilustra las instrucciones básicas de un Flip Flop

Figure 20. FBD - Flip- Flop Instrucciones

VI. ESTÁNDAR IEC 1131 Ó IEC 61131-3

El sistema de control estándar IEC 61131 está basado enun estándar abierto (no propietario) para la implementaciónde un sistema de PLC abierto incluyendo la aplicación de latecnología de bus de campo.

A. GRÁFICO SECUENCIAL DE FUNCIONES (grafcet)

SFC describe gráficamente el comportamiento secuencialde un programa de control. Se derivan de sus antecesores“Petri Nets” y del IEC848 Grafcet. El SFC estructura laorganización interna de un programa y ayuda a descomponerloen partes más fácilmente manejables, mientras mantiene lavisión general. El SFC consiste de “Pasos” enlazados con“Bloques de Acción” y “Transiciones”. Cada Paso representaun estado particular del sistema que se esta controlando.Una transición se asocia con una condición (condiciones)que cuando es cierta causa que el paso previo se desactivey el paso próximo se active. Los pasos están ligados abloques de Acción, que ejecutan algunas acciones de controlpertinentes a dicho Paso. Cada elemento del diagrama puedeser programado en cualquiera de los lenguajes definidos porel estándar IEC, incluido el propio SFC. Se pueden usar

7

secuencias alternativas o incluso paralelas según se requierecon frecuencia en los procesos batch. Por su estructura general,SFC proporciona un medio de comunicación o entendimientoentre personas con diferentes especialidades.

• Las principales compañías de software han desarrolladoherrramientas amigables para reducir el tiempo de desar-rollo y arranque (tiempo al mercado).

• Todos los fabricantes de software basado en diagramasescalera estan buscando la manera de mejorar sus her-ramientas de programación que fueron diseñadas princi-palmente para control digital.

• Aún los fabricantes de software FBD y SFC han sidoforzados a modificar sus técnicas de programación paramantenerse competitivos en el mercado.

• Los diagramas de flujo son utilizados por muchos fabri-cantes de software como la herramienta de configuraciónmás sencilla de utilizar.

VII. CONCLUSIONES

• La Automatización Industrial es posible gracias a la uniónde distintas tecnologías, por ejemplo la instrumentaciónnos permite medir las variables de la materia en susdiferentes estados, gases, sólidos y líquidos, (eso quieredecir que medimos cosas como el volumen, el peso, lapresión etc.), la olehidraulica, la neumática, los servosy los motores son los encargados del movimiento, nosayudan a realizar esfuerzos físicos (mover una bomba,prensar o desplazar un objeto), los sensores nos indicanlo que está sucediendo con el proceso, donde se encuentraen un momento determinado y dar la señal para que sigael siguiente paso, los sistemas de comunicación enlazantodas las partes y los Controladores Lógicos Program-ables ó por sus siglas PLC se encargan de controlar quetodo tenga una secuencia, toma decisiones de acuerdo auna programación pre establecida, se encarga de que elproceso cumpla con una repetición, a esto debemos añadirotras tecnologías como elvacío, la robótica, telemetría yotras más.

• La automatizacion industrial se ha desarrollado muchisi-moa lo largo de las espocas, pasando de se un elementopara trabajar codiciable, a ser una herramienta indis-pensable, para poder ser competencia. Así mismo estaherramienta omite algunos elementos antes necesarios,a la vez que reduce tiempos de produccion, reduce

desperdicios, y sobre todo aumenta rentabilidad. Para queeste proceso se han determinado normas y reglas como lasIEC que tratan de ofrecer el maximo cuidado y seguridadde las personas a las que sirven.

REFERENCES

[1] K.L Sharma, Overview of Industrial Process Automation.[2] http://www.uhu.es/diego.lopez/AI/auto_trans-tema1.pdf