Libro de Automatizacion

Henry Antonio Mendiburu Díaz

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Capítulo I

SISTEMAS DE CONTROL

1. GENERALIDADES

En muchos procesos indust r ia les la función de control es rea lizada por un operar io (ser humano), este opera r io es el que decide cuando y como manipula r las var iables de modo ta l que se obtenga una cadena product iva continua y eficiente.

La eficiencia productiva implica el constante aumento de los niveles de producción de la maquinar ia insta lada , el mejoramiento de la ca lidad del producto final, la disminución de los costos de producción, y la seguridad tanto para el personal como para los equipos. Para logra r esto es necesar io que los procesos product ivos se rea licen a la mayor velocidad posible y que las variables a controlar estén dentro de valores constantes.

Debido a estas exigencias, la indust r ia ha necesitado de la u t ilización de nuevos y más complejos procesos, que muchas veces el opera r io no puede cont rola r debido a la velocidad y exact itud requer ida , además muchas veces las condiciones del espacio donde se lleva a cabo la t a rea no son las más adecuadas para el desempeño del ser humano.

Fren te a este panorama, surge la automat ización y los sistemas de cont rol como una solución que va a permit ir llevar a la producción a estándares de calidad mucho mejores.

Actualmente en el mundo, se ve una introducción de las computadoras y de la microelect rón ica en la indust r ia y en la sociedad, esto t rae consigo una extensión del campo de la au tomat ización indust r ia l ya que permite a t ravés del manejo de la in formación (seña les, da tos, mediciones, etc.) t ransformar los mecanismos de producción y procesos productivos de algunas industrias.

Se cont inúa y ext iende así el proceso de au tomat ización elect romecánica que se in icia a pr incipios del siglo, la nueva era de la au tomat ización se basa en la fusión de la elect rón ica con los an t iguos mecanismos au tomát icos que funcionaban u t ilizando diferen tes medios mecánicos neumát icos, etc. dando or igen a los robot ., a las máquinas y her ramientas computar izadas, a los sistemas flexibles de producción . Para el diseño y cont rol de la producción se desar rolla ron programas de computación para el dibu jo (CAD), para asistir el diseño (CADICAE), para la manufactura (CAM), para asistir el manejo de proyectos, para asistir la planeación de

AUTOMATIZACIÓN MEDIOAMBIENTAL

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requer imientos, pa ra la programación de la producción , para el cont rol de calidad, etc.

Definiciones Básicas

CONTROL : Acción ejercida con el fin de poder mantener una variable dentro de un rango de valores predeterminados.

SISTEMA DE CONTROL : Conjunto de equipos y componentes, que van a permitir llevar a cabo las operaciones de control.

OPERACIONES DE CONTROL : Conjunto de acciones que buscan mantener una var iable dent ro de pa t rones de funcionamiento deseados.

CONTROL AUTOMÁTICO : Es el desar rollo de la acción de cont rol, sin la participación directa de un ser humano (operario).

AUTOMÁTICO : Es todo aquello que se mueve, regula , y opera , por sí solo, independiente del medio que lo rodea.

AUTOMATIZACIÓN : Consiste de un sistema de cont rol au tomát ico, por el cua l el sistema ver ifica su propio funcionamiento, efectuando mediciones y correcciones sin la interferencia del ser humano.

SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN : Conjunto de equipos, sistemas de in formación , y procedimientos que van a permit ir asegurar un desempeño independien te del proceso, a t ravés de operaciones de control y supervisación.

SUPERVISIÓN Y MONITOREO : Es el proceso de lectura de va lores de las diversas var iables del proceso, con el objet ivo de ident ifica r el estado en el que se viene desarrollando el proceso en un tiempo actual.

2. ELEMENTOS DE UN SISTEMAS DE CONTROL

2.1. Elementos de Control en Procesos Industriales

Dependiendo del t ipo de proceso indust r ia l y la función de cont rol requer ida , los sistemas de cont rol van desde los más simples como mantener el nivel de agua o de temperatura en un tanque, hasta los más complicados en los cuales se hace uso de equipos sofist icados y conjuntos de a lgor itmos de control optimal, control robusto, inteligencia artificial, etc.

Se rea liza el cont rol de un proceso, cuando es posible regula r el va lor de la variable de salida, variando el valor de la señal de control.


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Planta : Es el ambiente donde se encuent ran los equipos y donde se lleva a cabo el proceso. Se puede decir que es el conjunto de objetos físicos, en los cua les es necesar io desar rolla r acciones especia lmente organizadas con el fin de logra r los resu ltados de funcionamiento y per formance deseados; estos objetos van a ser cont rolados por medio de acciones .

Seña les de cont rol : Son aquellas acciones elaboradas por el sistema de cont rol, o dadas por un opera r io, a t ravés de las var iables manipuladas (por ejemplo si se desea mantener un tanque a una tempera tura constan te, se deberá manipula r el n ivel de volta je que recibe la resistencia que brinda calor al tanque).

Per turbaciones : Son aquellas acciones que no dependen del sistema de cont rol n i del operar io, pero in tervienen posit iva o nega t ivamente en el proceso (por ejemplo para el caso an ter ior si se desea mantener una tempera tura constante en un tanque, la tempera tura ambienta l actuará e interferirá con el calor del tanque)

Variables de sa lida : Son aquellas que caracter izan el estado de los procesos dent ro de la plan ta , estas var iables son guiadas por var iables cont roladas. Por ejemplo, si se cuenta con un recipien te de agua en el cua l la var iable de sa lida será el n ivel, en tonces la variable controlada será el flujo de líquido que ingresa al recipiente.

Proceso indust r ia l : Es la sucesión de cambios gradua les (en el t iempo) de mater ia y energía , todo proceso implica una transformación; genera lizando se puede decir que es todo fenómeno físico que se puede medir y controla r . Pueden ser procesos cont inuos (siderúrgica , pet roquímica), procesos de manufactura

SEÑALES DE CONTROL

PROCESO INDUSTRIAL

VARIABLES DE SALIDA

PERTURBACIONES

PLANTA


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(embotelladoras, confección de text iles), procesos de servicio (distribución de agua), y procesos híbridos (reciclaje de vidrio).

2.2. Elementos de un Sistema de Control Automático

Adicionalmente a los componentes an ter iores, se encuent ran aquellos que le van a dar la par t icu la r idad de ser au tomát ico, es decir , el sistema de cont rol va a actuar independien te del opera r io y va a determinar por sí mismo los mejores valores para las señales de control.

Para ello se conta rá con una referencia, que es un va lor dado por el opera r io, este va lor es fijo y depende del t ipo de proceso y de las exigencias que este amer ite; es conocido como set -poin t , este va lor es el que se desea alcanzar y mantener.

Así tenemos 4 elementos que conforman el sistema de control :

CONTROLADOR : Es aquel inst rumento que compara el va lor medido con el va lor deseado, en base a esta comparación ca lcu la un er ror (diferencia en t re va lor medido y deseado), pa ra luego actuar a fin de cor regir este er ror . Tiene por objet ivo elaborar la señal de cont rol que permita que la var iable controlada corresponda a la señal de referencia.

Los cont roladores pueden ser de t ipo manual, neumát ico, elect rón ico; los cont roladores elect rón icos más usados son : computadoras con ta r jetas de adquisición de da tos, PLC (cont roladores lógicos programables), microcontroladores (PIC).

E l t ipo de cont rolador más común es el PLC, el cua l es un equipo elect rónico basado en microprocesadores, hace uso de memorias programables y regrabables (RAM), en donde se a lmacenan inst rucciones a manera de a lgor itmos que van a permit ir seguir una lógica de cont rol. Cont iene

ACTUADOR CONTROLADOR PROCESO

SENSOR

Referencia

Perturbaciones

Variable de

salida


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in ter faces que le permiten maneja r gran número de en t radas y sa lidas tanto analógicas como digitales.

ACTUADOR : Es aquel equipo que sirve para regula r la var iable de cont rol y ejecu ta r la acción de control, es conocido como elemento fina l de cont rol, estos pueden ser de 3 tipos :

Actuadores eléct r icos : Son usados para posicionar disposit ivos de movimientos linea les o rotacionales. E j. motor , relé, switch , electroválvulas.

Actuadores neumát icos : Traba jan con señales de presión , estas señales son conver t idas a movimientos mecánicos. E j. pistones neumát icos, válvulas.

Actuadores h idráu licos : Operan igua l a los neumát icos, son usados en ta reas que requieren mayor fuerza por ejemplo levanta r compuer tas, mover grúas, elevadores, etc. Ej. pistones hidráulicos.

PROCESO : Esta refer ido a l equipo que va a ser au tomat izado, por ejemplo puede ser una bomba , tolva , t anque, compresor , molino, in tercambiador de calor, horno, secador, chancadora, caldera, etc.

Características dinámicas de las variables de proceso:

Inercia : Propiedad de los cuerpos que les permite no var ia r su estado estacionar io sin la in tervención de una fuerza ext raña ; por ejemplo a lgunos sistemas de flu jo de flu idos en los cua les la masa puede ser acelerada.

Resistencia y Capacidad : Se denomina resistencia a aquellas par tes con cua lidades de resist ir la t ransferencia de energía o masa , y se denomina capacidad a aquellas par tes del proceso con tendencia a almacenar masa o energía.

Atraso de t ranspor te : Es el movimiento de masas en t re dos puntos que ocasiona un tiempo muerto.

Respuesta de los procesos frente a una perturbación:

Las respuestas están casi siempre caracter izadas por dos constan tes: una constan te de t iempo ( ) y una ganancia está t ica . La ganancia es la amplificación o a tenuación de la per turbación en el in ter ior del proceso y no t iene in ter ferencia con las ca racter íst icas de t iempo de respuesta . La constan te de t iempo es la medida necesar ia para a justa r una per turbación en la en t rada y puede ser expresada como

= (resistencia) x (capacidad).

SENSOR : Es un elemento de medición de parámet ros o var iables del proceso. Los sensores pueden ser usados también como indicadores, pa ra t ransformar la señal medida en señal eléctrica. Los sensores más comunes son los de nivel, t empera tura , presencia , proximidad, flu jo, presión , en t re ot ros. Pueden ser de varios tipos :


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Sensores de contacto : Son aquellos que rea lizan la medida en contacto directo, real y físico con el producto o materia. Ej. sensores de boya para medir nivel en un tanque, termocupla para medir temperatura, etc.

Sensores de no contacto : Se basan en propiedades físicas de los mater ia les, son más exactos, pero propensos a in ter ferencias del medio ambiente. Ej. sensores ultrasónicos, sensores ópticos, etc.

Sensores digita les : Traba jan con seña les digita les, en código binar io, pueden representa r la codificación de una seña l ana lógica , o también la representación de dos estados on/off. Ej. sensores tipo switch.

Sensores ana lógicos : Proporcionan medidas cont inuas, los rangos t ípicos son de 0 a 20mA, 4 a 20mA, 0 a 5v, 1 a 5v, en t re ot ros. E j. sensores capacitivos, sensores piezoresistivos, etc.

Sensores mecánicos : Son aquellos que t raducen la acción física del elemento medido, en un compor tamiento mecánico, t ípicamente de movimiento y/o calor. Ej. barómetro, termómetro de mercurio, etc.

Sensores elect ro-mecánicos : Este t ipo de sensor emplea un elemento mecánico elást ico combinado con un t ransductor eléct r ico. E j. sensores resistivos, sensores magnéticos, etc.

A cont inuación se muest ra un ejemplo de un sistema de cont rol de n ivel, donde el proceso esta const itu ido por un tanque abier to, el cont rolador es de t ipo elect rónico, y a t ravés de un t ransductor se convier te la seña l eléct r ica a neumát ica , esta señal de presión de a ire acciona una válvula neumát ica que cumple la función de actuador , fina lmente se cuenta con un sensor de nivel de tipo no contacto.

CONTROLADOR

TRANSDUCTOR

ACTUADOR

Sensor

Señal eléctrica

Señal neumática

Señal eléctrica

PROCESO Válvula neumática

Entrada líquido

Salida líquido


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2.3. Tipos de Variables

Se define como var iables a todo aquel parámetro físico cuyo valor puede ser medido. Puede ser:

Variable Cont rolada : Es aquella que se busca mantener constan te o con cambios mínimos. Su valor debe seguir al set-point.

Variable Manipulada : A t ravés de esta se debe corregir el efecto de las perturbaciones. Sobre esta se colocará el actuador

Variable Per turbadora : Esta dado por los cambios repent inos que sufre el sistema y que provocan inestabilidad.

Variable Medida : Es toda var iable adiciona l, cuyo va lor es necesar io registrar y monitorear, pero que no es necesario controlar.

Ejemplo: Intercambiador de calor

Var. Controlada

Si ingresa agua fr ía y sa le agua ca lien te, en tonces se busca cont rola r la tempera tura del agua que sa le, cuya tempera tura esta rá dado por un set-point

Var. Manipulada

El ca lor dentro del in tercambiador depende del suminist ro de va lor ca lien te, por tan to será el flu jo de vapor ca liente, cuyo actuador es la válvula de vapor

Var. Perturbadora No se conoce la tempera tura n i la presión del agua que ingresa , por tan to, estos pueden afectar a la salida

Var. Medida Se puede medir por ejemplo la t empera tura del vapor caliente

Salida Entrada

DETECTOR DE ERRORES Y

CONTROLADOR

ELEMENTO FINAL DE CONTROL

(ACTUADOR)

PROCESO

Perturbación

ELEMENTO DE MEDICION (SENSOR)

VARIABLE CONTROLADA

VARIABLE PERTURBADORA

VARIABLE MANIPULADA

VARIABLE DE REFERENCIA

ERROR

VARIABLE MEDIDA


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2.4. Señales de Comunicación

Como se puede observar el flu jo de información ent re los elementos se da a t ravés de señales. Las señales son un conjunto de da tos que fluyen en diversos sentidos, conformando un flujo de información. Estas pueden ser :

Señales E léct r icas : Ut ilizan el flu jo de elect rones sobre un conductor , pueden ser:

Señales ana lógicas: Son seña les en t iempo cont inuo, la información esta dada por la amplitud de la señal.

Señales digita les: Son señales en t iempo discreto, la información esta dada en código binario.

Señales Neumát icas : La información está dada por la var iación física de compresión o expansión de un flu ido gaseoso en un t iempo determinado.

Señales Hidráu licas : En este caso las var iaciones de presión por lo genera l de un líqu ido viscoso generan el conjunto de da tos a ser transmitidos.

Señales de Sonido : Conformadas por ondas de sonido producidas por el movimiento vibra tor io de los cuerpos a una determinada frecuencia ; también son usadas las ondas ultrasónicas.

BULBO

SALIDA DE

AGUA CALIENTE

ENTRADA DE

AGUA FRIA

VALVULADE VAPOR

ENTRADADE VAPOR

CONTROLADOR

Sensor Temperatura

ACTUADOR

Termómetro indicador

Salida Set-point


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Señales Elect romagnét icas : La información via ja sobre una onda de radio, microondas, o sa télite, empaquetada dent ro de una seña l portadora, recorriendo grandes distancias.

Señales Ópticas : Se hace uso de las fibra ópticas, y son empleadas para transmitir grandes volúmenes de información , genera lmente usados en redes de controladores.

3. TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROL

En base a su pr incipio de funcionamiento los sistemas de cont rol pueden emplear o no, información acerca de la plan ta , a fin de elaborar o no, est ra tegias de supervisión y cont rol, se cuenta con dos t ipos de sistemas de control : de lazo abierto y de lazo cerrado.

3.1. Sistemas de Control de Lazo Abierto (Open loop)

Un sistema de cont rol de lazo abier to es aquel en el cua l no existe realimentación, del proceso al controlador.

Algunos ejemplos de este t ipo de cont rol están dados en los hornos, lavadoras, licuadoras, batidoras, etc.

Su pr incipal venta ja consiste en su facilidad para implementa r , además son económicos, simples, y de fácil mantenimiento.

Sus desventa jas consisten en que no son exactos, no cor r igen los errores que se presentan, su desempeño depende de la calibración inicial.

Se representa a través del siguiente diagrama de bloques:

CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

Entrada Salida

Perturbación


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3.2. Sistemas de Control de Lazo Cerrado (Feedback)

Un sistema de cont rol de lazo cer rado, es aquel en donde la seña l de sa lida o par te de la señal de sa lida es rea limentada y tomada como una seña l de entrada al controlador.

Existen dos tipos: de realimentación positiva, y de realimentación negativa.

Realimentación Posit iva : Es aquella en donde la señal rea limentada se suma a la señal de en t rada . Se conoce también como regenera t iva , no se aplica en el campo de cont rol de procesos indust r ia les. Un ejemplo es el caso de los osciladores.


Realimentación Negativa: Es aquella en donde la seña l rea limentada , se resta de la señal de en t rada , generando un er ror , el cual debe ser corregido. Este es el caso común utilizado en el campo del control de procesos industriales.



Set-Point

Salida

Perturbación

SENSOR

+ +


Set-Point

Salida

Perturbación

SENSOR

+


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3.3. Sistemas en Tiempo Continuo y Tiempo Discreto

Los sistemas en t iempo cont inuo, son aquellos cuyo campo de evaluación se rea liza en un lapso de t iempo permanente y sin pausas, en cambio un sistema en t iempo discreto es aquel que es evaluado durante pequeños lapsos de tiempo intermitentes denominados períodos de muestreo.

E l análisis matemát ico en sistemas cont inuos se lleva a cabo en el dominio de Laplace, y para sistemas discretos se emplea la Transformada Z.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL

Los sistemas de cont rol pueden ser clasificados, basándose en var ios cr iter ios, así pues, podemos tener las siguientes clasificaciones:

Según su dimensión

Sistemas de parámet ros concent rados: Son aquellos que pueden ser descr itos por ecuaciones diferencia les ordinar ias. También son conocidos como sistemas de dimensión finita.

Sistemas de parámet ros dist r ibuidos: Son aquellos que requieren ecuaciones en diferencia (ecuaciones diferencia les con der ivadas parciales). También son conocidos como sistemas de dimensión infinita.

Según el conocimiento de sus parámetros

Sistemas determiníst icos : En estos sistemas se conocen exactamente el va lor que cor responde a los parámet ros. Por ejemplo un circuito RLC encargado de suministrar tensión a un equipo.

Sistemas estocást icos : En este caso, la forma de conocer a lgunos o todos los va lores de los parámet ros, es por medio de métodos probabilíst icas. Por ejemplo un horno o ca ldero que ha acumulado sa r ro y ot ras impurezas (las cua les no t ienen una función matemát ica conocida).

Según el carácter de transmisión en el tiempo

Sistemas cont inuos : Son aquellos descr itos median te ecuaciones diferencia les, donde las var iables poseen un va lor para todo t iempo posible dentro de un in terva lo de t iempo fin ito. Está refer ido a las señales ana lógicas, y su compor tamiento matemát ico es similar a una onda continua. Por ejemplo un proceso de llenado de balones de gas.


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Sistemas discretos : Son aquellos descr itos median te ecuaciones en diferencia , y solo poseen va lores para determinados instan tes de t iempo, separados por in tervalos dados por un per íodo constante. Está refer ido a las señales digita les, y su compor tamiento matemát ico es simila r a un t ren de pu lsos. Por ejemplo el encendido y apagado de un switch que acciona una alarma.

Según la presencia de linealidad

Sistemas linea les : Son aquellos cuyo compor tamiento está defin ido por medio de ecuaciones diferencia les linea les, es decir , los coeficien tes son constantes o funciones de la var iable independien te. Deben cumplir con el principio de superposición. Por ejemplo un amplificador de señales.

Sistemas no linea les : En caso de que una o más de las ecuaciones diferencia les no sea linea l, todo el sistema será no linea l. También se considera rá como sistema no linea l a aquellos para los cua les el pr incipio de superposición no sea vá lido. Por ejemplo el ca len tamiento de un horno.

Según el comportamiento en el tiempo

Sistemas invar ian tes en el t iempo : Ocurre cuando todos sus parámet ros son constantes, y por tan to se mant iene en un estado estacionar io permanentemente. Se define por ecuaciones diferencia les cuyos coeficien tes son constan tes. Por ejemplo la mezcla de sustancias dent ro de un tanque que siempre cont iene la misma cant idad y t ipo de elementos.

Sistemas var ian tes en el t iempo : Ocurre cuando uno o más de sus parámet ros var ía en el t iempo, y por lo tan to no se mant iene en estado estacionar io. Se define por ecuaciones diferencia les cuyos coeficientes son funciones del t iempo. Por ejemplo para un motor de un vehícu lo de ca r rera , la masa del vehícu lo va a var ia r por acción del consumo de combustible.

Según sus aplicaciones

Sistemas servomecanismos : Son aquellos en donde la var iable cont rolada es la posición o el incremento de la posición con respecto a l t iempo. Por ejemplo un mecanismo de cont rol de velocidad, un brazo robótico, etc.

Sistemas secuéncia les : Son aquellos en donde un conjunto de operaciones preestablecidas es ejecutada en un orden dado. Por ejemplo el a r ranque y parada de un motor , la conmutación delta -est rella de un motor, etc.


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Sistemas numér icos : Esta refer ido a sistemas de cont rol que a lmacenan información numér ica , la cua l incluye a lgunas var iables del proceso codificadas por medio de inst rucciones. Por ejemplo tornos, t a ladros, esmer iles, los cua les a lmacenan información referen te a posición, dirección, velocidad, etc.

5. CARACTERÍSTICAS DEL CONTROL

Existe formas y métodos a t ravés de los cuales los sistemas de cont rol pueden ser representados por medio de funciones matemát icas, esta representación recibe el nombre de Modelamiento Matemát ico, este modelo descr ibirá las ca racter íst icas dinámicas del sistema a t ravés de ecuaciones diferenciales. El modelamiento puede ser:

Analít ico : Cuando se aplica las leyes físicas cor respondien tes a cada componente del sistema, que en conjunto forman una est ructura o función matemática.

Exper imenta l : Consiste en la iden t ificación de los parámet ros, median te el aná lisis de da tos de en t rada y sa lida , est imando va lores posibles que se ajusten al sistema

A par t ir del modelamiento matemát ico, aplicando formulas matemát icas, t eoremas, y t ransformadas, se puede llegar a una función que represente la relación en t re la sa lida y ent rada del sistema, esta función se denomina Función de Transferencia.

E l proceso exper imenta l es denominado Ident ificación de Sistemas , y corresponde a la plan ta o proceso que se desea ana liza r , consiste en recoger da tos de la var iable de sa lida con su cor respondien te da to de en t rada que provocó dicha sa lida , para luego median te a lgor itmos matemát icos aproximar una función de t ransferencia , la cua l debe genera l una sa lida (est imada) similar a la salida sensada, y dependiendo de la diferencia entre ambas (error) se dará va lidez a la función obtenida , o se tendrá que reca lcu la r con nuevos valores en los algoritmos matemáticos de análisis.

E l análisis de un sistema que se desea controla r , significa analiza r su compor tamiento dinámico en el t iempo, par t iendo de sus ca racter íst icas matemát icas se puede llegar a conclusiones respecto a l funcionamiento del sistema, t anto a islado como dent ro de un lazo cer rado, a fectado por ru ido y gobernado por un cont rolador . Para conocer dicho funcionamiento se debe llegar a conclusiones puntuales respecto a las siguientes características.


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ESTABILIDAD: Se dice que un sistema es estable cuando después de t ranscur r ido un t iempo t , su va lor de respuesta (sa lida) permanece constante. A este t iempo se le denomina t iempo de establecimiento (t ime set t ing) , y a l va lor a lcanzado se le denomina va lor en estado estable (steady sta te va lue) , el cua l puede ser un valor oscilante dentro de un margen porcentua l mínimo, defin ido a cr iter io del programador . Un sistema se considera inestable cuando su respuesta luego de t rascur r ido un t iempo t se mant iene oscilando, var iando en t re un rango de va lores per iódicos o simplemente se obt iene cualquier va lor a lea tor io. E l siguiente gráfico muestra dos curvas, una de un sistema estable, y la otra de un sistema inestable, logradas luego de aplica r una en t rada esca lón unitario.

Time (sec.)

Am

plitu

de

SISTEMA ESTABLE

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.1

0.2

0.3

0.4From: U(1)

To:

Y(1

)

Time (sec.)

Am

plitu

de

SISTEMA INESTABLE

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-50

0

50

100

150From: U(1)

To:

Y(1

)

EXACTITUD: La exact itud del sistema se mide en base a la desviación existen te en t re el va lor deseado (referencia) y el va lor rea l obtenido en la respuesta del sistema (va lor en estado estable), a esta diferencia se le denomina er ror en estado estable .

VELOCIDAD DE RESPUESTA: Esta ca racter íst ica indica que tan rápidamente es capaz de llegar el sistema, a su va lor en estado estable o estacionar io. La grá fica siguien te muest ra los t ipos de respuesta que se puede obtener en función de la velocidad de respuesta.


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Time (sec.)

Am

plitu

de

RESPUESTA SUBAMORTIGUADA

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5From: U(1)

To:

Y(1

)

Time (sec.)

Am

plitu

de

RESPUESTA OSCILATORIA

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5From: U(1)

To:

Y(1

)

Time (sec.)

Am

plitu

deRESPUESTA CRITICAMENTE AMORTIGUADA

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5From: U(1)

To:

Y(1

)

Time (sec.)

Am

plitu

de

RESPUESTA SOBRE AMORTIGUADA

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5From: U(1)

To:

Y(1

)

SENSIBILIDAD: Este concepto explica la dependencia de unas var iables con respecto a ot ras, puesto que en un sistema habrá a lgunas var iables manipuladas, ot ras cont roladas, y ot ras per turbadoras, es inevitable que la acción de una repercu ta sobre las ot ras, por ello la necesidad de conocer e ident ifica r cada var iable a fin de conocer su na tura leza an tes mencionada.

ALCANZABILIDAD: Cuando un sistema cuenta con esta caracter íst ica , en tonces median te un cont rolador se puede llevar este sistema desde un estado inicial hasta otro estado cualquiera, en un tiempo finito

CONTROLABILIDAD: Un sistema es cont rolable cuando es posible llevar a l sistema a una posición de equilibr io, a l aplica r le una en t rada y transcurrido un período de tiempo finito.

OBSERVABILIDAD: Se dice que un sistema es de rango completo observable, si median te la observación de la sa lida y es posible determinar cualquier estado x(t), en un tiempo finito.

Características Dinámicas

Las caracter íst icas dinámicas de una plan ta están dadas por el compor tamiento que esta presen ta an te una en t rada (esca lón , senoidal, rampa , onda cuadrada , seudo a lea tor io, etc.). Cuando las en t radas no son fijas


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sino que var ían en el t iempo, en tonces también la respuesta del sistema tendrá que variar en el tiempo.

Existen diversas técn icas para ana liza r y ca racter iza r el compor tamiento dinámico de una plan ta , los métodos más conocidos son los siguientes:

Ecuaciones diferenciales

Análisis de respuesta en frecuencia

Caracterización frente a entradas típicas

Variables de estado

Ubicación geométrica de polos y ceros

Muchos sistemas presentan un retardo o t iempo muer to, defin ido como el lapso de t iempo en que el sistema siendo somet ido a una en t rada , no ofrece n inguna sa lida . Por tan to se considera que a cier tos sistemas les toma cierto tiempo responder a los estímulos.

Los reta rdos son propios de procesos lentos como: procesos de t ranspor te, de tempera tura , etc., y t ambién se presenta en sistemas controlados a distancia.

La sigu iente grá fica muest ra la respuesta de un sistema an te una en t rada , en donde se aprecia una zona en la cua l no se produce respuesta alguna por parte del sistema.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2Respuesta con Retardo a la entrada Escalón


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6. MÉTODOS DE CONTROL

Existen métodos y est ra tegias para rea liza r la acción de cont rol, los métodos de cont rol (clásico y moderno) permiten a l cont rolador reaccionar mandando una seña l correct iva del er ror , mient ras que las est ra tegias de control hacen más eficiente a la labor de control, ahorrando recursos y tiempo.

6.1. Métodos de Control Clásico

Los métodos de cont rol clásico son aquellos que esperan a que se produzca un er ror para luego rea liza r una acción cor rect iva . E l er ror se presen ta a causa de la diferencia de lectura en t re la var iable de sa lida sensada y la seña l de referencia , este er ror está presente en todo momento, y la fina lidad es min imizar lo. En a lgunos casos suele generarse un comportamiento oscilatorio alrededor del valor de referencia.

Los métodos de control clásico pueden ser:

CONTROL ON-OFF: Este método solo acepta dos posiciones para el actuador : encendido (100%) y apagado (0%). La lógica de funcionamiento es tener un punto de referencia , si la var iable es mayor el actuador asume una posición , y si la var iable es menor el actuador asume la ot ra posición . Por ejemplo tenemos los sistemas de segur idad cont ra robos, las refr igeradoras domést icas, sistemas de a ire acondicionado, etc. A cont inuación se muest ra su función en el tiempo:

Ref.

Señal sensada

ON

OFF

Señal controlador


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CONTROLADOR PROPORCIONAL (P) : Es un cont rol que se basa en la ganancia aplicada a l sistema, se basa en el pr incipio de que la respuesta del cont rolador deber ser proporcional a la magnitud del error. No corrige ni elimina perturbaciones, puede atenuar o aumentar la señal de er ror . Se representa a t ravés del parámet ro Kp y define la fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error.

CONTROLADOR INTEGRAL (I) : Conocido cono RESET. Este t ipo de cont rolador anula er rores y cor r ige per turbaciones, median te la búsqueda de la seña l de referencia , necesita de un t iempo Ti para loca liza r dicha señal. Se representa median te el t érmino Ki que es el coeficiente de acción integral y es igual a 1/Ti

CONTROLADOR DERIVATIVO (D) : Conocido como RATE. Este cont rolador por sí solo no es u t ilizado, necesita esta r jun to a l proporciona l y a l in tegra l. Sirve para dar le rapidez o aceleración a la acción de cont rol. Necesita de una diferencia l de t iempo Td para a lcanzar la señal de referencia , se representa median te el término Kd que es el coeficiente de acción derivativa y es igual a 1/Td.

1

Entrada

Kp

Salida

Va

Entrada

Salida

T1

T2

T1

Ti


19

CONTROLADOR PROPORCIONAL-INTEGRAL (PI) : Actúa en forma rápida , t iene una ganancia y cor r ige el er ror , no exper imenta un offset en estado estacionar io. La aplicación t ípica es en el control de temperatura.

Función de Transferencia : sTi

Kp1

CONTROLADOR PROPORCIONAL-DERIVATIVO (PD) : Es estable, y reduce los reta rdos, es decir es más rápido. Es usado t ípicamente para el control de flujo de minerales.

Función de Transferencia : sTdKp

CONTROLADOR PROPORCIONAL

INTEGRAL

DERIVATIVO (PID) : Este cont rolador es el más completo y complejo, t iene una respuesta más rápida y estable siempre que este bien sin tonizado. Resumiendo se puede decir que:

El control proporcional actúa sobre el tamaño del error.

El control integral rige el tiempo para corregir el error

El control derivativo le brinda la rapidez a la actuación.

Función de Transferencia : sTdsTi

Kp1

6.2. Métodos de Control Moderno

Los métodos de cont rol moderno br indan nuevas técn icas que permiten ya sea compensar el error y/o eliminarlo, las más comunes son las siguientes:

Va

Entrada

Salida

T1

Td

T1


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CONTROL ANTICIPATORIO (Feedforward) : Este método permite a l controlador ana liza r los da tos de en t rada y de sa lida y median te a lgor itmos matemát icos ca lcula rá la próxima sa lida probable, de modo ta l que au to a justa sus parámet ros con la fina lidad de adecuarse a l cambio, y min imizar la diferencia de medidas. Se recomienda para procesos len tos. Su desventa ja radica en que es necesar io medir todas las var iables per turbadoras, ya que no cor r ige las per turbaciones no medidas.

Se puede mejora r este método agregando una ret roa limentación a la sa lida , de modo ta l que se deje que se produzca un er ror mín imo, el cual será detectado y corregido en la siguiente medición.

COMPENSADORES ADELANTO

ATRASO: Este método permite realizar un cont rol en el dominio de la frecuencia , en el cua l se busca compensar la fase del sistema, agregando (adelando) o quitando (a t raso) fase, para lo cua l se agrega nuevos componentes o nuevas funciones matemát icas a l sistema. Se puede poner cuantos compensadores sea necesar io a fin de llevar la respuesta del sistema a un valor deseado.

Ref.

Salida

PERTURBACIÓN

+ CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

SENSOR

+

+

Ref. Salida

PERTURBACIÓN

+ CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

SENSOR +

+

SENSOR

Perturbación No Medida


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Compensador en Adelanto: Compensador en Atraso:

sT

sTGadelanto 1

1

sT

sTGadelanto 1

1*

1

Donde: condiciona la fase máxima, Seno(fase) = ( 1)/( +1) T indica la frecuencia de trabajo, Frec.central = 1/(T* 1/2)

REALIMENTACIÓN DE ESTADOS : Este método permite ejercer una acción de cont rol mediante el sensado de cada uno de los estados (del modelo en espacio estado del sistema), a t r ibuyéndole una ganancia a cada uno de los va lores leídos, de este modo el lazo de cont rol es cer rado por medio del compensador o cont rolador de estados y no por el sensor . La Ley de control esta dada por la expresión XKu , donde: u es la seña l de cont rol, K

es el vector de ganancia de estados, y X es el vector de estados medidos del sistema.

El vector K puede ha lla rse fácilmente usando Mat lab, con el comando acker y también con el comando place.

SISTEMAS DE SEGUIMIENTO : Este método también es conocido como t racking, es un complemento del método an ter ior , puesto que median te el cont rol por rea limentación de estados se puede llevar la var iable controlada a un va lor de cero (porque no se cuenta con una referencia ), con este método se podrá llevar a la var iable dada a un va lor deseado, puesto que se incorpora una referencia en el sistema.

La seña l de cont rol esta rá dada por : refKXKu i * . Donde

Ki es la ganancia cor respondien te a l estado o estados que se qu iere seguir , y ref es la referencia o set point que se desea alcanzar.

FEEDBACK LINEALIZATION: Debido a que los procesos rea les no cuentan con modelos linea les que los representan , es necesar io el uso de cont roladores no linea les. Este método es conocido como control con modelo de referencia , u t iliza la Teor ía de Lyapunov para determinar la estabilidad del sistema, y el modelo matemát ico esta dado en la forma espacio estado.


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6.3. Métodos de Control Avanzado

Los métodos de cont rol avanzado son aquellos que actúan en forma preventiva , de modo ta l que en base a los da tos tomados, actúan de modo ta l que previenen la ocur rencia de er ror , por tan to el cont rolador está a justando sus parámetros constantemente.

CONTROL ADAPTATIVO : Es una var iante del cont rol an t icipa tor io, en donde la respuesta del cont rolador var ía au tomát icamente basado en los cambios de las condiciones dent ro del proceso, es decir , la respuesta del cont rolador será var iable dependiendo del compor tamiento actua l del proceso. Para que se lleve a cabo esta adaptación se requiere de a lgor itmos matemát icos que simulen el proceso en base a los da tos tomados en el instan te mismo en que se rea liza la acción , este resu ltado va a genera r una señal compensadora que garantizará la confiabilidad del sistema.

CONTROL OPTIMAL: El cont rol opt imal busca la performance en la acción de control, tiene por objetivo buscar una o varias soluciones que

CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO Ref Salida

Perturbación

SENSOR

ALGORITMO MATEMÁTICO DE

ADAPTACIÓN


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cumplan con ciertas restricciones impuestas por el problema y que a la vez cumpla con una función objet ivo (función de costo), la cua l puede ser maximizar o minimizar dicha función . El control permite diversas soluciones para un mismo problema, pero el cont rol opt imal busca dent ro de esas soluciones la más adecuada para cumplir con los requisitos planteados.

CONTROL ROBUSTO : El cont rol robusto es aquel que va a permit ir mantener la acción de cont rol pese a per turbaciones externas e in ternas. Puede exist ir per turbaciones externas como ru ido y vibraciones propias del proceso; o per turbaciones in ternas como un mal modelamiento matemát ico, sistemas no linea les difíciles de linea liza r , incer t idumbre en el accionar o respuesta de la plana frente a est ímulos, en t re ot ros. E l cont rol robusto se resume a ident ifica r y cont rola r la incer t idumbre en los parámet ros y en el comportamiento de una planta.

CONTROL EN TIEMPO REAL : Se define el cont rol de sistemas en t iempo rea l, a l cont rol rea lizado en un in terva lo de t iempo fin ito y constante, es decir que la in formación será sensada con muest ras intermitentes pero todas las veces con un mismo tiempo de muestreo.

Características:

Pueden realizar varias actividades en paralelo

Pueden ejecutar tareas en respuesta a señales externas

Deben funcionar en presencia de fa llos o aver ías parciales, haciendo uso de elementos redundantes.

Adquieren da tos del exter ior . Puede ser pasiva cuando u t ilizan in ter rupciones, o act iva median te el uso de ta r jetas de entrada / salida de señales.

Necesitan de un sistema opera t ivo que les br inde: gest ión eficien te de in ter rupciones, plan ificación de ta reas y priorización de las mismas, acceso a puer tos e in terfaces, mecanismos de medición del t iempo, en t re ot ros. El sistema operativo más empleado es el Linux.

CONTROL DIFUSO : Se basa en la lógica difusa , la cua l a diferencia de la lógica binar ia o booleana (verdadero / fa lso ó 1 / 0), a signa va lores in termedios dentro de esta esca la . Ut iliza la exper iencia del operador para generar una lógica de razonamiento para el controlador. No requiere del modelamiento matemát ico de la plan ta , puede representar modelos de sistemas lineales y no lineales mediante el uso de var iables lingüíst icas y una ser ie de condiciones o reglas previamente defin idas. Sus a lgor itmos (reglas) hacen uso de inst rucciones IF THEN.


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Elementos:

Variable Lingüíst ica : Son var iables eva luadas en un lenguaje na tura l y no cor responden a un va lor numérico exacto. Las var iables lingüíst icas pueden descomponerse en términos lingüíst icos. E j. t empera tura , conducta , velocidad, posición , tamaño, etc.

Universo de Discursión : Es el rango de toda la in formación necesar ia para el compor tamiento cor recto de un sistema. Por ejemplo, temperatura de 5 a 100 °C, velocidad de 10 a 20 m/s, etc.

Término Lingüíst ico: Son los sub-conjuntos o las par tes que puede dividir se una var iable lingüíst ica o en que desee dividir se. Por ejemplo para la var iable velocidad se puede tener los términos rápido, normal, len to; para la var iable n ivel se puede tener los términos alto, medio, bajo; etc.

Conjunto Difusos: Son formas geométr icas que representan una función generada por un término lingüíst ico. E llas elaborarán una sa lida in termedia en el sistema difuso. Pueden ser : t r iángulos, cuadrados, t rapecios, campanas gaussianas, en t re otros.

Función de Membresía: La función de membresía es la agrupación de conjuntos difusos cor respondientes a una sola var iable lingüíst ica , asociada a su grado de per tenencia o membresía dentro del intervalo 0 1.

Fuzzificación: La fuzzificación es el proceso rea lizado para conver t ir una can t idad CRISP (va lor t radicional lógico, binar io, decimal, exacto) en un valor o cantidad difusa.

Defuzzificación: Es el proceso inverso que el de la fuzzificación , es decir, es la acción de convertir un valor difuso en un valor CRISP.


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CONTROL NEURONAL : Hace uso de neuronas de in teligencia a r t ificia l. La neurona a r t ificia l estándar es un elemento de procesamiento que ca lcu la una sa lida mult iplicando su vector de en t radas por un vector de pesos y este resultado es aplicado a una función de act ivación; un conjunto de neuronas conforman una red neuronal. Las Redes Neuronales son par te de la In teligencia Ar t ificia l (AI) ca racter izadas por su capacidad de aprendiza je, su velocidad median te el procesamiento masivo en para lelo de da tos y por la facilidad de modelado de sistemas y controladores no lineales.

Características:

Son dispositivos no-lineales

Pueden aprender un mapeo

Son adaptables

Las respuestas están basadas en evidencia

Usan contexto, es decir , a más información , la respuesta es más veloz y mejor

Son tolerantes a fallas, o sea, que la falla es degradada

Su diseño y análisis es uniforme

Tienen analogía neuro-biológica

Su procesamiento es masivamente, en para lelo, dist r ibuido y realizado con operaciones individuales simples

Aprenden por sí mismas

Tienen capacidad de generalizar

Aplicaciones:

Representación de compor tamientos de funciones linea les y no lineales

Identificación de patrones o sistemas

Sistemas de control

Reconocimiento de imágenes

Reconocimiento de caracteres

Reconstrucción de datos


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Predicción y recomendación para la toma de decisiones

Simulación de modelos económicos y financieros

Clasificación de objetos

Predicciones de clima

Aprendizaje: E l aprendiza je es la acción de mejora r el compor tamiento median te la observación de un er ror pasado con la fina lidad de disminuir el er ror . Eso se produce modificando los pesos de la red neuronal. Tipos:

Supervisado

No supervisado

Por refuerzo

ALGORITMOS GENÉTICOS: Este método simula la evolución na tura l de las especies propuesta por Char les Darwin , fue ideado por J ohn Holland en 1970. La información va sufr iendo cambios igual que lo har ían las especies, es decir se van adaptando a l en torno, lo cua l se lleva a cabo por medio de los procesos de selección na tura l, mezcla , y mutación . En cada ciclo (it eración) una par te del conjunto de h ipótesis conocido como población actua l , es reemplazado por una nueva población median te las funciones evolu t ivas an ter iores. Así sucesivamente en cada ciclo la población es evaluada en base a una función evolu t iva , siendo conservados los da tos más exactos, y siendo

eliminados los da tos que presentan er ror (selección natura l). Para conservar el número de individuos (da tos) estos son mezclados, lo cual genera nuevos individuos simila res a sus procreadores. F ina lmente cada cier to t iempo o dada cier ta cant idad de individuos, a lgunos de los nuevos individuos son mutados a lea tor iamente, pudiendo ser conservados o eliminados en la próxima iteración dependiendo de su utilidad dentro del sistema.

SISTEMAS EXPERTOS: Estos sistemas t ra tan de emular la exper iencia adquir ida por uno o más seres humanos a lo la rgo del t iempo para rea liza r un t raba jo. Este sistema tendrá en su memor ia una base de da tos con múlt iples soluciones a un mismo problema, luego el sistema tendrá que escoger de ent re esas soluciones a la que pueda aplicarse a fin de logra r los mejores resu ltados. El sistema se crea basándose en las exper iencias humanas, la elección de la est ructura de cont rol dependerá de las ca racter íst icas del t raba jo en donde se aplica rá , además el sistema podrá ir aprendiendo con el tiempo y a lmacenar sus propias exper iencias, existe mucha ana logía entre los sistemas expertos y los sistemas neuro-fuzzy.

6.4. Estrategias de Control


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CONTROL EN CASCADA (Cascade) : Consiste en inclu ir uno o más lazos de cont rol in terno dent ro de ot ro externo, con el objet ivo de anula r per turbaciones, impidiendo que estas per turbaciones secundar ias a fecten a l sistema pr incipa l. Básicamente el cont rolador externo se encarga de la var iable pr incipal, mient ras que los cont roladores in ternos se encargan de las per turbaciones más frecuentes. Como regla genera l, a más in terno es el lazo, la respuesta de este debe ser más rápido.

Ventajas:

Las per turbaciones más frecuentes son cor regidas an tes de afectar a la variable principal.

Permite usar ganancias altas.

Tiene una rápida respuesta

Diagrama de bloques:

CONTROL DE RELACIÓN (Rat io) : Consiste en ana liza r y mantener una proporciona lidad ent re dos o más elementos (actuadores) dent ro de un proceso continuo.

Por ejemplo se usa comúnmente cuando t ienen que ingresar dos líqu idos a un tanque, y donde la can t idad del pr imer líquido debe ser el doble que la del segundo, además los líqu idos deben en t ra r constan temente a l tanque.

Para cont rola r este tanque se hará uso de un sensor de flu jo, un cont rolador y un actuador , por cada línea . Sin embargo si se aplica cont rol por relación , se hará uso de dos sensores de flu jo, un cont rolador , un actuador , y un cont rol de relación , lo que significa un ahorro de inst rumentos y un sistema mas sencillo de supervisa r y reparar.

A BA=2B

Ref. ACT CONTR PROC

SENSOR Salida

CONTR

SENSOR

ACT PROC


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Control común Control de relación

CONTROL DE RANGO DIVIDIDO (Split range) : Es aplicado a sistemas con una sola var iable cont rolada y dos o más var iables manipuladas, las cua les a fectan de igua l forma a la var iable cont rolada . Requiere compar t ir la señal de sa lida del cont rolador con varios elementos actuadores.

Diagrama de bloques :

CONTROL SELECTIVO (Overr ide) : Consiste en ejercer cont rol sobre dos var iables de un proceso, relacionas en t re sí de ta l modo que una u

A

B

FE

FC

FC

FE

A

B

FE

FY

FC

FE

Set-Point Salida

CONTROLADOR

ACTUADOR 1

PROCESO

Perturbación

SENSOR

+

ACTUADOR 1

ACTUADOR n


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otra pueda ser cont rolada por la misma var iable manipulada . La acción de cont rol se logra conectando la sa lida de los cont roladores a un switch selector . Es aplicado en segur idad y protección de equipos y motores.

Diagrama de bloques:

CONTROL INFERENCIAL : Consiste en efectuar la medición de la var iable controlada a t ravés de ot ra var iable relacionada , considerada var iable secundar ia (pero dependiente de la pr incipal). Los componentes de este sistema son los mismos que los de un sistema de control rea limentado más una unidad de computo llamada est imador . Se aplica a procesos donde la obtención de in formación o la medición no se puede llevar a cabo por mot ivos de que no existe un elemento medidor para ese t ipo de parámet ros, o si existe es demasiado caro, o también porque no se puede medir constantemente el parámet ro, lo que hace que se adquieran muy pocas muest ras en un t iempo muy la rgo. Por ejemplo tenemos la medición del contenido de humedad en sólidos en operaciones de secado.

Salida

CONTROLADOR

ACTUADOR

PROCESO

Ref 1

SENSOR

CONTROLADOR

SENSOR

Ref 2

SWITCH SELECTOR

PROCESO

Salida


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COMPENSACION DE TIEMPO MUERTO: El t iempo muer to es el in tervalo de t iempo de respuesta desde que se ingresa una señal en la en t rada a un componente o un sistema, y el comienzo de una señal de respuesta por la sa lida del sistema. E l t iempo muer to presenta la principal dificu ltad en los diseños de sistemas de cont rol estable. Como una regla práct ica puede adopta rse la sigu ien te regla : si el t iempo muer to de un proceso es mayor que 1.5 veces su constan te de tiempo ( ), se requiere compensador de t iempo muer to. Donde ( ), es el t iempo necesar io para que un proceso de pr imer orden a lcance una respuesta igua l a l 63.2% de su respuesta fina l, cuando se le somete a un estímulo escalón.

CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO Ref.

Salida

PERTURBACIÓN

VARIABLE SECUNDARIA

SENSOR ESTIMADOR

Salida CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

Ref

Perturbación

SENSOR

e-ks

Compensador


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Capítulo II

AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

1. PANORAMA DE LA AUTOMATIZACIÓN

Un sistema de au tomat ización provee una in ter fase en t re el hombre y el proceso, el t ipo de proceso a desarrolla r será qu ien defina el sistema de au tomat ización a usar . La au tomat ización debe ser considerada como una her ramienta para el personal o operar ios, ya que busca hacer más eficien te el t raba jo; se debe tener en cuenta que es el opera r io qu ien conoce el proceso, mient ras que el personal que diseña e insta la el sistema de au tomat ización solo le brinda facilidades técnicas para poder producir más y mejor.

Por tan to se tendrá que el operador especia lizado en un proceso, será qu ien dicte las pautas de compor tamiento y acción a l sistema de automatización, que rige el proceso en cuestión.

En un proceso product ivo no siempre se just ifica la implementación de sistemas de au tomat ización , pero existen cier tas seña les indicadoras que just ifican y hacen necesar io la implementación de estos sistemas, los indicadores principales son los siguientes:

Requerimientos de un aumento en la producción

Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos

Necesidad de bajar los costos de producción

Escasez de energía

PROCESO

SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN

OPERARIO


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Encarecimiento de la materia prima

Necesidad de protección ambiental

Necesidad de brindar seguridad al personal

Desarrollo de nuevas tecnologías

La au tomat ización solo es viable si a l evaluar los beneficios económicos y socia les de las mejoras que se podr ían obtener a l au tomat izar , estas son mayores a los costos de operación y mantenimiento del sistema.

La au tomat ización de un proceso frente a l cont rol manua l del mismo proceso, br inda cier tas venta jas y beneficios de orden económico, socia l, y tecnológico, pudiéndose resaltar las siguientes:

Se asegura una mejora en la ca lidad del t raba jo del operador y en el desarrollo del proceso, esto dependerá de la eficiencia del sistema implementado.

Se obt iene una reducción de costos, puesto que se raciona liza el trabajo, se reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.

Existe una reducción en los t iempos de procesamiento de información.

Flexibilidad para adapta rse a nuevos productos (fabr icación flexible y multifabricación).

Se obt iene un conocimiento más deta llado del proceso, median te la recopilación de información y datos estadísticos del proceso.

Se obt iene un mejor conocimiento del funcionamiento y per formance de los equipos y máquinas que in tervienen en el proceso.

Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.

Fact ibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y autodiagnóstico.

Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar nuevos equipos y sistemas de información.

Disminución de la contaminación y daño ambiental.

Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.

Aumento en la segur idad de las insta laciones y la protección a los trabajadores.

Existen cier tos requisitos de suma impor tancia que debe cumplir se a l au tomat iza r , de no cumplir se con estos se esta r ía a fectando las venta jas de la au tomat ización , y por tanto no se podr ía obtener todos los beneficios que esta brinda, estos requisitos son los siguientes:

Compat ibilidad elect romagnét ica : Debe exist ir la capacidad para opera r en un ambiente con ru ido elect romagnét ico producido por motores y máquina de revolución . Para solucionar este problema genera lmente se hace uso de pozos a t ier ra para los inst rumentos (menor a 5 ), estabilizadores fer ro-resonantes para las líneas de


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energía , en a lgunos equipos ubicados a distancias grandes del t ablero de a limentación (>40m) se hace uso de celdas apantalladas.

Expansibilidad y escalabilidad: Es una caracter íst ica del sistema que le permite crecer para a tender las ampliaciones fu turas de la plan ta , o para a tender las operaciones no tomadas en cuenta a l in icio de la au tomat ización . Se analiza ba jo el cr it er io de aná lisis costo-beneficio, t ípicamente suele deja rse una reserva en capacidad instalada ociosa alrededor de 10% a 25%.

Manutención: Se refiere a tener disponible por par te del proveedor , un grupo de personal técn ico capacitado dent ro del pa ís, que br inde el sopor te técnico adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable. Además implica que el proveedor cuente con repuestos en caso sean necesarios.

Sistema abier to: Los sistemas deben cumplir los estándares y especificaciones in ternacionales. Esto garant iza la interconect ibilidad y compat ibilidad de los equipos a t ravés de interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad de las aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.

2. SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN

En los sistemas automatizados la inteligencia del proceso esta dado no por el ser humano, sino que es gobernada por una unidad de control. La tecnología usada ha adoptado diferen tes formas desde au tomat ismos mecánicos hasta los actuales automatismos con inteligencia artificial.

La combinación de la in teligencia de los au tómatas programables con los accionadores indust r ia les, así como el desar rollo de captadores y accionadores cada día más especia lizados, permite que se au tomat ice un mayor número de procesos. Los autómatas han evolucionado incorporando nuevas formas de procesar la información y ampliando sus funciones,.

2.1. Elementos de una Instalación Automatizada

MAQUINAS : Son los equipos mecánicos que rea lizan los procesos, traslados, transformaciones, etc. de los productos o materia prima.

ACCIONADORES : Son equipos acoplados a las máquinas, y que permiten rea lizar movimientos, ca len tamiento, ensambla je, embala je. Pueden ser:


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Accionadores eléct r icos: Usan la energía eléct r ica , son por ejemplo, elect roválvulas, motores, resistencias, cabezas de soldadura, etc.

Accionadores neumát icos: Usan la energía del a ire comprimido, son por ejemplo, cilindros, válvulas, etc.

Accionadores h idráulicos: Usan la energía de la presión del agua , se usan para controlar velocidades lentas pero precisas.

PRE ACCIONADORES : Se usan para comandar y act ivar los accionadores. Por ejemplo, contactores, switchs, var iadores de velocidad, distribuidores neumáticos, etc.

CAPTADORES : Son los sensores y t ransmisores, encargados de capta r las seña les necesar ias para conocer el estados del proceso, y luego enviarlas a la unidad de control.

INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA : Permite la comunicación en t re el opera r io y el proceso, puede ser una in ter faz gráfica de computadora , pulsadores, teclados, visualizadores, etc.

ELEMENTOS DE MANDO : Son los elementos de cá lculo y cont rol que gobiernan el proceso, se denominan au tómatas, y conforman la un idad de control.

Los sistemas au tomat izados se conforman de dos par tes: par te de mando y parte operativa:

PARTE DE MANDO : Es la estación cent ra l de cont rol o au tómata . Es el elemento pr incipal del sistema, encargado de la supervisión , manejo, corrección de errores, comunicación, etc.

PARTE OPERATIVA : Es la par te que actúa directamente sobre la máquina , son los elementos que hacen que la máquina se mueva y rea lice las acciones. Son por ejemplo, los motores, cilindros, compresoras, bombas, relés, etc.


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2.2. Autómatas Programables

Los au tómatas son unidades de cont rol, conformadas por equipos electrónicos, los cua les cuentan con un cableado in terno independien te del proceso a cont rola r (hardware), y median te a lgor itmos definen la est ra tegia y caminos a seguir para cont rola r un proceso (software). Estos equipos son conectados hacia los disposit ivos de medida (sensores) y hacia los dispositivos encargados de rea liza r acciones (actuadores). Una vez que el au tómata esta provisto de un a lgor itmo en su memor ia , y que además cuenta con las conexiones respect ivas hacia los equipos de plan ta , se convier te en el cerebro de la fábr ica , t en iendo a su ca rgo el desempeño y funcionamiento de toda la cadena product iva ; los opera r ios deben supervisar que este se compor te ta l como se había planificado y conforme a la lógica ideada por el programador.

Funciones del Autómata y del Sistema

E l au tómata debe rea lizar simultáneamente muchas funciones, siendo las principales:

Detección y lectura de las señales que envían los captadores

Elaborar y envia r las acciones de mando y cont rol a l sistema, a través de los accionadores y pre-accionadores

Mantener un diá logo con los operar ios, informando el estado del proceso y detectando fallas

Permite ser reprogramado con un nuevo a lgor itmo de supervisión y control

E l conjunto de elementos que conforman el sistema au tomat izado deben de in teractuar y desempeñar cier tas funciones que son de ca rácter general para todo el sistema, estas son:

ACCIONADORES

PROCESO

PRE ACCIONADOR

CAPTADOR

UNIDAD

DE CONTROL

INTERFAZ Hombre

- Máquina

COMUNICACIÓN con unid. control


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Establecer comunicaciones en t re las diversas par tes del sistema, así como la comunicación con otros sistemas.

Realizan tareas de supervisión y detección de fallas

Deben controlar tanto procesos continuos, como procesos discretos

A t ravés de un bus de campo o cable de comunicación , deben recoger la información de procesos remotos.

Estructura de un Autómata

Las un idades autómatas programables, in ternamente se ven constituidas por los siguientes dispositivos:

Fuente de a limentación: br inda el suminist ro eléct r ico a la un idad, permite la conversión de la energía a lterna de la red eléct r ica a energía cont inua requer ida por los componentes electrónicos.

Tar jeta procesadora : es el cerebro del au tómata programable que in terpreta las inst rucciones que const ituyen el programa grabado en la memoria , in terpreta y deduce las operaciones a rea liza r , y acciones de control o supervisión a llevarse a cabo.

Tarjeta de memoria : cont iene los componentes elect rón icos que permiten memorizar el programa, los da tos de los sensores (seña les de en t rada) y los accionadores que deben rea liza r los actuadores (señales de salida).

Módulos de en t rada /sa lida , son ta r jeta que permiten el conexionado con disposit ivos de en t rada y/o sa lida tan to de t ipo analógico como de tipo digital

La unidad au tómata puede verse complementada con unidades per ifér icas de en t rada y sa lida , como es una consola de programación para digitar e ingresar los algoritmos, o una pantalla para una presentación gráfica del proceso y los parámetros del sistema.

Selección del Autómata

La selección del au tómata que se va a emplear va a depender del t ipo de proceso y de las funciones que se qu iera rea lice el sistema. Hay que tener en cuenta los siguientes factores:

Factores Cuantitativos:

Toma en consideración factores numéricos y de cantidad.

Entradas y Sa lidas: Se debe determinar la cant idad de seña les de en t rada y sa lida que existan en el sistema y que merezcan conecta rse a l controlador , luego se debe determinar si la s en t radas/sa lidas son de


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tipo analógico o de tipo discreto. Conocida la cantidad, a este total se le debe agregar en t re 10 y 20% adiciona l (reserva para fu turas ampliaciones). Dependiendo de la ubicación de los elementos que van conectados a l cont rolador , puede darse el caso que se encuent ren muy lejanos por lo que se presenta rá problemas de a tenuación y ru ido en el cableado; fren te a esto se puede opta r por el cont rol dist r ibu ido, es decir , colocar var ios cont roladores en dist in tos puntos de las insta laciones, y cada quien manejará un determinado número de entradas/salidas.

Memoria: Se debe considera r la memor ia del sistema y la memoria lógica. La cantidad de memoria del sistema esta directamente ligado al número de en t radas y sa lidas y a l t ipo de estas, así t enemos que una en t rada /sa lida digita l ocupa 1 bit de in formación , mient ras que una en t rada /sa lida analógica ocupa 16 bit s. La memoria lógica esta refer ida a la can t idad de in formación que se debe de a lmacenar a ra íz del a lgor itmo de cont rol, cada inst rucción va a sumar 1 ó 2 bytes, pero los comandos de mayor jera rquía (t imers, contadores, sumadores, conversores, etc.) necesita rán más memoria . Se debe considera r el t amaño de las memor ias, luego adicionar les un porcenta je de reserva, y ubicar la memoria comercial más acorde con las necesidades (1K, 2K, 4K, 8Kbytes, etc.)

Alimentación: Dependiendo de la can t idad de módulos de en t rada /sa lida que se tenga que gest ionar , el au tómata requer irá mayor n ivel de ampera je a un volta je constan te, por cuanto la fuente de a limentación debe esta r plan ificada para sopor ta r dicho requer imiento de cor r iente. Adicionalmente es recomendable conta r con fuentes de reserva en caso de que la principal deje de operar.

Periféricos: Hay que considera r que el au tómata puede conecta rse a disposit ivos externos, para lo cual debe conta r con los puer tos necesar ios para la conexión . En el mercado existen au tómatas a qu ienes se les puede conecta r impresoras, monitores, un idades de disco, visualizadores y teclados alfanuméricos, unidades de cinta, etc.

Factores Cualitativos:

Toma en consideración factores de cua lidad, ca lidad, desempeño, y modo de trabajo.

Condiciones físicas y ambienta les: El ambiente de t raba jo en donde debe opera r el autómata es determinante cuando se debe elegir la confiabilidad y robustez del equipo, puesto que un equipo de mayor ca lidad es más costoso, la plan ificación debe considera r no sobreest imar las condiciones del ambiente (polvo, humedad, temperatura) y requer ir un equipo de mucha mayor robustez a l


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rea lmente necesitado. En genera l los fabr ican tes rea lizan una ser ie de pruebas cuyos resultados se reflejan en las ca racter íst icas técn icas de los equipos: rango de tempera tura de t raba jo y a lmacena je, vibración soportada, nivel de interferencia, humedad, tipo de case, etc.

Tipo de control: Determinar el tipo de control a emplear es una función de los ingenieros de control, y dependerá de la complejidad del proceso, así como de la necesidad de conta r con backups. Se puede optar por un cont rol cen t ra lizado o uno dist r ibuido, por un cont rol PID o uno adaptativo, etc.

Servicios adiciona les: Esta dado por las venta jas adiciona les con que cuenta un equipo en relación a ot ro, como puede ser : el software de programación puede ser más amigable, más comprensible, con un en torno grá fico, ejemplos desar rollados, etc.; cier tos equipos pueden dar una mayor garan t ía , que cubre más situaciones de operación , o simplemente cubren por un mayor lapso de t iempo; el t ra to del suminist rador también es impor tan te a la hora de decidir se por un equipo u ot ro, además los suminist radores pueden br indar cursos gra tuitos de capacitación para el persona l a ca rgo, asistencia técn ica y mantenimiento permanente; disponibilidad en stock dent ro del pa ís, del producto así como de los componentes in ternos (repuestos, en caso sea necesario una reparación); etc.

Compatibilidad: En a lgunos casos se prefer irá equipos de t ipo estándar , mient ras que en ot ros casos será necesar io equipos de t ipo propieta r io. La elección del equipo en cuanto a su compat ibilidad esta rá ligada a los demás equipos existen tes en la plan ta . En a lgunos casos hay quienes prefieren una marca por que le tienen confianza y ya les ha dado buenos resu ltado, en cambio hay ot ros que no quieren amarra rse con un solo suminist rador y prefieren usar equipos

compatibles.

2.3. Ciclos del Programa

E l cont rolador o au tómata programable, t iene a lmacenado en su memoria un a lgor itmo o programa de inst rucciones, este a lgor itmo cont iene un programa pr incipa l o par te fundamenta l, y subprogramas o par tes secundarias.

Para las aplicaciones con autómatas programables el usuar io programador necesita de una comunicación con la máquina para programar y depurar el programa, para acceder a los estados de plan ta y para forzar secuencias de mando sobre el sistema. Para llevar a cabo estas funciones se requiere de un idades de programación , equipos y software, con in ter faces sencillas para el usuar io, y con cana les y protocolos de conexión con el


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autómata estandarizados. E l operador debe poder acceder a las funciones que necesita (programación , depuración , visualización , forzado, etc.) de forma rápida y flexible, según procedimientos que le facilit an la u t ilización del autómata en cualquier proceso indust r ia l. Estos equipos auxilia res son conformados por un idades de programación , diagnóst ico y test , dest inadas a facilit a r la edición y puesta a punto de programas para el au tómata ; Las unidades de programación u t ilizadas son en su mayoría computadoras personales.

La ejecución de un programa dent ro de un controlador programable sigue un esquema cíclico tota lmente diferen te a l que sigue un a lgor itmo diseñado para computadora.

Un ciclo de programa se compone de los siguientes pasos:

Operaciones de gest ión del sistema: Consiste en el t ra tamiento de la información , t ra tamiento de las pet iciones y las llamadas efectuadas por el terminal de programación y el envío de mensajes al terminal.

Lectura del estado de las en t radas: Consiste en la lectura de los regist ros de los módulos de en t rada y el a lmacenamiento de estos datos en una memoria.

Ejecución del programa a lmacenado: Empieza por la pr imera línea y sigue ejecu tando línea por línea hasta la ú lt ima . Durante esta ejecución no se considera una posible var iación en el estado de las en t radas, el estado de las en t radas te toma del va lor a lmacenado en la memoria . Una vez ejecu tada la ú lt ima línea se graban los resultados nuevamente en la memoria.

Escr itu ra de da tos de sa lida : Se efectúa una t ransferencia de in formación de la memor ia a los módulos de sa lida . El ú lt imo va lor que tome la var iable de sa lida será a lmacenado en la memoria

La ejecución del programa pr incipa l y los subprogramas, puede rea liza rse de dos maneras:

Ejecución cíclica : Consiste en encadenar los ciclos del programa uno t ras ot ro en forma cont inua y sin in ter rupciones. Después de actua liza r las sa lidas, el sistema pasa a rea liza r el ciclo nuevamente y así sucesivamente. Es el método de ejecución por defecto.


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Ejecución per iódica : Consiste en ejecu ta r el programa durante cier to t iempo, o también duran te un número defin ido de veces. Estos criterios pueden ser definidos por el operador.

2.4. Procesos de Operación del Sistema

La au tomat ización de los procesos indust r ia les debe contemplar todos los posibles estados en que se pueden encont ra r las máquinas y los equipos. No siempre el sistema va a funcionar perfectamente, se presen ta rán casos de fa llas, que impliquen una parada de emergencia del proceso y la correspondiente puesta en marcha nuevamente.

Se debe considera r pr ior ita r io que el sistema este preparado para a fronta r los diversos procesos, para ello el programa del autómata deberá prever que hacer fren te a posibles problemas, a fin de reducir el t iempo de parada al máximo y permitir un proceso de re-arranque simple.

Los procedimientos pueden dividir se en procedimientos de parada y puesta en marcha , procedimientos de funcionamiento, y procedimientos de falla:

PARADA Y PUESTA EN MARCHA: Está refer ido a los modos de funcionamiento en donde el sistema se encuent ra parado, para luego ponerlo en marcha. Pueden ser:

Parada en el estado in icia l: Corresponde a l estado de reposo normal inicial.

Parada solicitada a fina l del ciclo: Consiste en hacer que una máquina deje de opera r cuando ya ha fina lizado su ciclo de trabajo normal, la máquina pasa al estado de parada inicial.

Parada solicitada en un estado determinado: La máquina t iene que para r por a lgún mot ivo en una par te in termedia de un ciclo, pasa luego a estado de parada obtenida.

Parada obten ida : Es aquella para en un estado in termedio de un ciclo, pueden exist ir diversos grados o puntos in termedios en el ciclo, esto va a estar definido en el programa.

Preparación para la puesta en marcha después de un defecto: En este estado se deben rea liza r las acciones necesar ias para cor regir las fa llas. F ina lizada la reparación , el operador elegirá como y cuando reiniciar la máquina en el proceso productivo.

Puesta del sistema en estado in icia l: Se rea liza de forma automática, retornando la máquina a su estado inicial.

Puesta del sistema en un estado determinado: El operador decide en que estado debe empezar a opera r la máquina , dependiendo de en que parte del ciclo se encuentre el programa.


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PROCEDIMIENTOS DE FUNCIONAMIENTO: Pueden ser:

Producción normal: Es el estado de producción común de funcionamiento automático.

Marcha de preparación: Son las acciones necesar ias para permit ir que la máquina entre en funciones (Ej. calentamiento de un horno para presión de vapor).

Marcha de cier re: Corresponde la fase de vaciado o limpieza que reciben las máquinas antes de parar.

Marcha de ver ificación sin orden: El operador hace funcionar la máquina en forma manua l, pa ra ver ifica r su cor recto desempeño, t ambién se usa para posicionar la máquina en un determinado estado o lugar.

Marcha de ver ificación con orden: La máquina rea liza un ciclo completo de funcionamiento a l r itmo dado por el operador . Se usa para funciones de mantenimiento y verificación.

Marcha de test : Es una prueba de comprobación de buen funcionamiento que realiza el autómata.

PROCEDIMIENTOS DE FALLA: Pueden ser:

Parada de emergencia : Implica la parada de los accionadores, además se debe guardar en memoria la posición en que quedo la máquina.

Diagnóst ico y/o t ra tamiento de defectos: E l au tómata puede guia r a l operador para indicar le donde se encuent ra el defecto (mediante alarmas), el personal de mantenimiento deberá reparar la falla.

Producción a pesar de los defectos: Corresponde a los casos en que la producción debe cont inuar a pesar de que el sistema no funcione cor rectamente. Algunas acciones pueden rea liza rse manualmente por el operador.

Puesta en marcha del sistema

Una vez insta lado los equipos y luego de a lmacenar el a lgor itmo de cont rol y supervisión en la memor ia del au tómata , hay que poner en marcha el sistema para comprobar que responde adecuadamente a las especificaciones del fabricante y acorde a los planeamientos del programador.

Antes de conecta r la energía a l sistema, hay que hacer una ser ie de comprobaciones rutinarias pero importantes:

Comprobar que todos los componentes del au tómata están en su lugar y perfectamente insertados en sus conectores, estos deben ser fijados y asegurados.

Comprobar que la línea de a limentación está conectada a los correspondientes terminales de la fuente de alimentación del equipo, y que se distribuye adecuadamente en el nivel especificado en el manual técnico.


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Comprobar que los cables de conexión entre racks están correctamente instalados, debidamente ordenados, y señalizados.

Comprobar que los cables de conexión a per ifér icos están correctamente instalados.

Comprobar que las conexiones de los bornes y de los módulos de E /S están firmes y corresponden al esquema de cableado, hacer pruebas de continuidad.

Luego de realizar todas las verificaciones previas, se procede a llevar a cabo un ensayo previo del funcionamiento, para lo cua l hay que comprobar que los disposit ivos de E /S funcionan cor rectamente, para lo cual se hará simulaciones en el programa y se medirá los terminales en los módulos.

Luego de fina lizadas todas las comprobaciones an ter iores, hay que in t roducir el programa en la memor ia del au tómata , a cont inuación se energiza a l sistema. Las pruebas de funcionamiento se deben rea liza r por sectores, dependiendo de la amplitud y complejidad del sistema

Ver ificadas y cor regidas las dist in tas secuencias en los dist in tos sectores, se puede proceder a rea liza r un ensayo genera l, pa ra lo cual el sistema puede a r rancar en au tomát ico debiendo funcionar correctamente. Las correcciones efectuadas, tanto en la instalación como en el programa deben ser documentadas inmedia tamente, y se obtendrán copias del programa defin it ivo tan pronto como sea posible.

2.5. Seguridad de Funcionamiento del Sistema

El análisis de la segur idad que debe exist ir en el funcionamiento de un sistema de au tomat ización , es de ca rácter fundamenta l, pa ra ello hay que tener presente cier tas condiciones, y también poner mayor cu idado en la seguridad de ciertas áreas, así tenemos:

FIABILIDAD: Consiste en la probabilidad de que el sistema presente un buen funcionamiento en un determinado instan te de t iempo, t ambién se considera el cr it er io de t iempo medio en t re aver ías (se debe buscar un valor t ípico mín imo de 25000 horas). La fiabilidad dependerá de las condiciones de trabajo a las que se someterá la planta.

TIEMPO DE FALLO: Es el t iempo que toma repara r una fa lla , a sí como rea liza r el manten imiento prevent ivo a l sistema. Una vez detectado el problema, automáticamente se deberá decidir si se paraliza o se cont inúa con la producción . E l compor tamiento del sistema deberá adecuarse al tipo y gravedad del problema.

SEGURIDAD INTERNA: Puede vigilarse bajo dos funciones:


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Watchdog: Le permite a l au tómata supervisa r la duración tempora l de un ciclo, si la duración es excesiva se detendrá la ejecución del programa, enviando una señal de error.

Checksum in terno: E l au tómata rea liza cada cier to t iempo la suma del código del programa, si el va lor cambia sin in tervención del programador, significa que existirá un error en la memoria del programa.

SEGURIDAD EXTERNA: Esta refer ido a las fa llas que se pueden producir en los elementos detectores, actuadores, máquinas, cables, vapor , etc. que escapan a l dominio de la un idad de cont rol. Se debe prever mecanismos de solución , simulacros de fa llas, copias de seguridad (backup) para las bases de datos, etc.

ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA: Los equipos necesitan estar conectados a la red eléct r ica , pero en caso esta fa lle, es necesar io contar con un banco de ba ter ías de respa ldo. Por tan to la un idad de cont rol deberá detecta r cualquier anomalía en el suminist ro eléct r ico y t rasladar la conexión hacia el banco de ba ter ías en caso sea necesar io, así como regresar a la conexión de la red de a limentación normal cuando el problema haya cesado.

MODULOS DE ENTRADA/SALIDA: Constantemente se presentan problemas de ru ido elect romagnét ico, sobretensiones, etc. que hacen que la información recibida o enviada no sea confiable, por tan to el sistema debe esta r preparado para detecta r cuando un modulo de entrada y/o salida no esta trabajando correctamente.

SEGURIDAD EN EL PROGRAMA: Esta refer ido a los métodos que puede grabarse en el programa para que vigile y actúe en caso de fallas. Por ejemplo si se t iene un horno que debe ca len tar hasta 300 °C, y la señal medida de temperatura lo da un sensor, que pasaría si este sensor deja de funcionar , el cont rolador no sabrá cuando se ha a lcanzado la t empera tura adecuada y seguirá ca len tando el horno; fren te a problemas como este, se puede prever en el programa que después de un t iempo adecuado se deje de ca len ta r el horno y se encienda una señal de alarma.

ENTORNO DE TRABAJ O: La unidad de cont rol y equipos elect rónicos son sensibles a las host ilidades del medio en que se desar rollan los procesos indust r ia les, por eso es necesar io tomar las medidas necesar ias para proteger los equipos, como por ejemplo, colocar a ire acondicionado, colocar los equipos en a rmar ios y cámaras hermét icas, etc.

Los au tómatas programables son equipos robustos y pueden ser adaptados a l medio indust r ia l, sin embargo pueden sufr ir desper fectos, por lo


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que es necesar io establecer cier tas ru t inas de mantenimiento prevent ivo para disminuir la probabilidad de fa llo o aver ía . Para ello el opera r io puede seguir las siguientes rutinas de supervisión:

Inspección de los indicadores de diagnóstico del procesador.

Cambio de las ba ter ías an tes de que se cumpla la fecha limite para evita r der rames de esta . Cuanto sea necesar io puede regist ra rse en una secuencia de programa y generar una alarma.

Estar pendiente de los indicadores de "fusible fundido" de los módulos

Observar las conexiones en el cableado de los módulos de E / S y las conexiones de los módulos a l rack para comprobar si siguen perfectamente asentados y sujetos.

3. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Los inst rumentos indust r ia les permiten garan t iza r la ca lidad de los productos terminados y aseguran su producción masiva manteniendo una buena repetibilidad en sus características finales.

3.1. Especificaciones Técnicas

Cuando se t ra ta de inst rumentos de t ipo indust r ia l, hay que tener presen te que se debe cont rola r a lgunas magnitudes, como por ejemplo la presión , el n ivel, tempera tura , etc., pero adiciona lmente es necesar io conocer ot ros parámet ros que le van a dar las especificaciones técn icas a los instrumentos, estas son:

RANGO (Range): Lo conforman el conjunto de va lores que están comprendidos dent ro de los límites super ior e infer ior de la capacidad de medida o de transmisión del instrumento.

ALCANCE (Span): Es la diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del campo de medida del instrumento.

PRECISIÓN (Accuracy): Es la tolerancia de medida o de t ransmisión del inst rumento, y define los límites de los er rores comet idos cuando el inst rumento se emplea en condiciones normales de funcionamiento. Puede ser expresado en tan to porcien to de la lectura efectuada , o directamente en unidades de la variable medida.

ZONA MUERTA (Dead zone, dead band): Es el in tervalo de va lores que no hacen variar la indicación o señal de salida del instrumento, es decir, que no produce un cambio de lectura . Puede ser expresado en tan to porciento del a lcance, o directamente en unidades de la var iable medida.


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SENSIBILIDAD (Sensitivity): Es la razón ent re el incremento de la lectura y el incremento de la var iable que lo ocasiona , después de haber alcanzado el reposo. Puede ser expresado en tanto porciento del alcance, o directamente en unidades de la variable medida.

REPETIBILIDAD (Repeatibility): Es la capacidad del inst rumento de medir va lores idént icos var ias veces, en una var iable ba jo las mismas condiciones de funcionamiento en todos los casos. Se expresa como una tasa máxima porcentual.

HISTÉRESIS (Hysteresis): Es la diferencia máxima que se observa en t re los va lores indicados por el inst rumento cuando recor re toda la esca la en forma ascendente, y los va lores indicados a l recorrer la en forma descendente. Se expresa en tanto porciento del alcance.

Ejemplo : Especificaciones técnicas para un sensor de temperatura.

Rango 20 a 220 °C Alcance 200 °C Precisión 0.5 % Zona muerta 0.1 %, 0.2 °C Sensibilidad 0.05 %, 0.1 °C Repetibilidad 90 % Histéresis 1 %

3.2. Clases de Instrumentos

Según las funciones que realizan los instrumentos se puede clasificar en:

Inst rumentos ciegos: Aquellos que no t ienen indicación visible de la variable medida.

Instrumentos indicadores: Son aquellos que t ienen un indicador visua l, que puede ser analógico y/o digital.

Inst rumentos regist radores: Pueden exist ir de t ipo mecánico como por ejemplo el regist rador circu la r (1 vuelta en 24 horas), regist rador rectangula r o a la rgado (20 mm/hora); t ambién de t ipo elect rón ico como por ejemplo los regist radores digita les que por medio del puer to ser ia l se conectan a una computadora donde aparece gráficamente en pantalla las estadísticas de medición.

Elementos pr imar ios de medida : Son aquellos que están encargados de medir directamente la variable a controlar.


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Transmisores: Son todos aquellos que t ransmiten la var iable a distancia en forma de señal eléct r ica , neumát ica , h idráu lica , o electromagnética.

Transductores: Son aquellos que modifican , convier ten , o acondicionan la señal de en t rada . Por ejemplo tenemos los relés, los conver t idores de señal neumática a eléctrica, etc.

Receptores: Son aquellos inst rumentos que reciben la señal enviada por los transmisores.

Controladores: Son los encargados de encont rar el er ror en t re la var iable medida y la referencia , y efectúan una acción para cor regir dicho error.

Elemento fina l de cont rol: Son los inst rumentos que reciben la señal de cor rección del cont rolador y actúan sobre el proceso para cor regir el error.

3.3. Representación y Simbolismo

Seña les de Comunicación : Las líneas de un ión para envío de seña les o conexiones de los sistemas de cont rol, de a cuerdo a su t ipo, se deben representar de la siguiente manera:

Salida Ref.

CONTROLADOR ELEMENTO FINAL DE CONTROL

PROCESO

Perturbación

TRANSMISOR

+

ELEMENTO PRIMARIO DE

MEDIDA

INDICADOR y/o REGISTRADOR


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Conexión de proceso o suministro

Señal Neumática

Señal Eléctrica

Tubo Capilar

Señal Indefinida

Línea de Software

Línea Mecánica

Señal electromagnética o de sonido

Señal Hidráulica

El símbolo de señal neumática es usado

de esta forma cuando se trata de aire.

AS aire suministrado

ES Suministro eléctrico

GS Suministro de Gas

HS Suministro Hidráulico

NS Suministro de Nitrógeno

SS Suministro de vapor

WS Suministro de agua

Ó

Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Sensores y Controladores : A cont inuación se muest ra la representación de los equipos, sensores y controladores:

Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Norama ISA S5.1 : Para designar y representar a los instrumentos se hace uso de esta norma, que si bien no es de uso obliga tor io, si const ituye una representación a seguir dado que se ha conver t ido en un estándar internacional.

PRIMERA LETRA LETRAS SUCESIVAS

VARIABLE MEDIDA MODIFICAD. FUNCION DE LECTURA PASIVA

FUNCIONES DE SALIDA

LETRA DE MODIFICAC.

A Análisis (composición)

Alarma

B Combustión (quemador)

C Conductividad, Concentración

Regulación (ON OFF) Control


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D Densidad, Peso Especifico Diferencial

E Voltaje Sensor

F Flujo, Caudal Fracción

G Calibre Dispositivo de visión

H Mano (acción manual)

Alarma de alta

I Corriente Eléctrica Indicación (indicador)

J Potencia Exploración

K Tiempo Razón del cambio de

tiempo

Estación de control

L Nivel Luz Alarma de baja

M Humedad Intermedio ó Medio

N Libre Libre a elección Libre a elección

O Libre Orificio, restricción

P Presión Punto de prueba ó conexión

Q Cantidad Integrado, Totalizado

R Radiación Registro

S Velocidad, Frecuencia

Seguridad Interruptor

T Temperatura Transmisor

U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción

V Vibración o Análisis Mecánico Válvula

W Peso (fuerza) Pozo

X Libre a elección Eje X Libre Libre Libre

Y Evento, Estado, Presencia Eje Y Réle,

Computadora

Z Posición, Dimensionamiento Eje Z Actuador,

Manejador Fuente: Instrumental Society of America (ISA)

Diagrama de Procesos o Equipos : Se representan a t ravés de diagramas de flujo, los cuales deta llan las acciones desarrolladas durante las operaciones del proceso y de ingeniería.

A cont inuación se muest ran a lgunos de ejemplos de la representación de algunos equipos :

COLUMNA DESTILACIÓN SECADOR DE FAJA PRECIPITADOR LAVADOR


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4. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Debido a la diversidad de fabr ican tes de equipos y software, en agosto de 1992 se adoptó el estándar dado por la norma IEC 1131-3 para la programación de cont roladores lógicos programables (PLC), según esta norma la programación puede hacerse usando lengua jes textuales y también a t ravés de lenguajes gráficos:

Lenguajes textuales:

Lista de instrucciones (IL)

Texto estructurado (ST)

Lenguajes gráficos:

Diagrama de escalera (LD)

Diagrama de bloques de funciones (DBF)

Carta de funciones estructuradas (SFC)

Lista de inst rucciones (IL): Es un lengua je de ba jo n ivel, simila r a l lengua je ensamblador . Solo permite una operación por línea . Este lengua je es adecuado para pequeñas aplicaciones y para opt imizar par tes de una aplicación . Este lengua je puede programarse usando dispositivos acoplados al PLC.

Texto est ructurado (ST): Es un lengua je de a lto n ivel est ructurado por bloques que posee una sin taxis parecida a l PASCAL. Se emplea para rea liza r sentencias más complicadas, leer y escr ibir da tos de t ipo ana lógico y digita l, permite el manejo de t imers y contadores, además puede hacerse uso de lazos de repetición, y funciones matemáticas.

Diagrama de esca lera (LD): También conocido como diagrama ladder , es el lengua je más usado, semeja el uso de bobinas y contactores, este lengua je es una aproximación a l lengua je eléct r ico que se usaba para los cont roladores basados en contactos (abier to/cer rado). Posee bloques de funciones adiciona les como: t imers, contadores, cont roladores PID, etc.

START STOP MOTOR

MOTOR


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Diagrama de bloque de funciones (FBD): Es un lengua je que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados en t re si de forma aná loga a l esquema de un circu ito. Este lengua je es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flu jo de información o datos entre componentes de control.

Car ta de funciones est ructuradas (SFC): También conocido como grá fico secuencia l de funciones (GRAFCET), es un lengua je que proporciona una cadena secuencia l y est ructurada (secuencias en ser ie y para lelas) de conjunto de inst rucciones. Los elementos básicos son pasos y t ransiciones. Los pasos consisten de piezas de programa que son inhibidas hasta que una condición especificada por las transiciones sea conocida.

5. REDES INDUSTRIALES

La au tomat ización de las indust r ias has generado un sustancia l aumento de la producción y de la maquinar ia insta lada necesar ia para lograr dicha producción; con el objet ivo de desconcent ra r geográficamente las funciones se fue separando y a islando procesos, creándose procesos individuales pero gobernados por una única cen t ra l; ba jo este en torno surgen las denominadas redes indust r ia les, la s cuales son redes de computadoras dent ro de entornos indust r ia les, donde se busca un cor recto aprovechamiento de los recursos tecnológicos, y una integración de los procesos remotos.

Para determinar cual es el t ipo de red de da tos que ofrece mayores venta jas para una aplicación específica , es necesar io rea liza r un estudio previo, se debe buscar que esta pla ta forma de red sea compat ible con todos los equipos (o con la mayor parte de ellos).

Existen a rquitecturas denominadas propieta r io donde un fabr icante lanza productos compat ibles solamente con su propia a rquitectura de red, pero también existen ot ras a rquitecturas denominadas abier tas , que permiten la u t ilización de equipos de cualquier fabr ican te. Además, estas redes de a rquitectura abier tas poseen organizaciones de usuar ios que ofrecen información, y posibilit an el in tercambio de exper iencias con respecto a los diversos problemas de funcionamiento de una red.

Ventajas y beneficios de las redes industriales:

Permiten el t raba jo de var ios disposit ivos a la vez, median te el trabajo en paralelo, reduciendo el tiempo de operación.

Permiten procesar grandes can t idades de in formación , acceso a datos a altas velocidades.

Permiten una in tegración rápida y simple de los diversos subsistemas.


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Permiten una expansión del sistema, pudiéndose aumentar nuevos terminales y nuevos procesos.

Permite supervisa r y monitorear el sistema completo, pudiéndose detecta r fa llas y problemas de procesos remotos desde una estación central de control.

Permiten la programación desde un terminal remoto

Topologías de las Redes

La topología esta refer ida a la forma como el cableado permite el en lace de los dispositivos, así tenemos:

Topología Est rella : Consiste en enlazar todos los disposit ivos hacia un solo punto, la ventaja de esta topología es que si un dispositivo falla no se verán afectadas las comunicaciones con los otros dispositivos.

Topología Anillo: Consiste en en lazar los disposit ivos uno a cont inuación de ot ro, solo un disposit ivo puede mandar o recibir in formación a la vez. Si fa lla un t ramo de red la comunicación se interrumpe, por lo que se acostumbra tender un anillo de respaldo.

5.1. Niveles de jerarquía en una Red Industrial

En una red indust r ia l coexist irán equipos y disposit ivos de todo t ipo, los cuales suelen agruparse jerá rquicamente para establecer conexiones adecuadas, de esta forma se definen cua t ro n iveles dentro de una red industrial:

Nivel de gest ión : Es el n ivel más elevado y se encarga de in tegra r los n iveles siguien tes en una est ructura de fábr ica , e incluso de múltiples factorías. Las máquinas aquí conectadas suelen ser estaciones de t raba jo que hacen de puente en t re el proceso product ivo y el á rea de gest ión , en el cua l se supervisan las ventas, stocks, etc. Se emplea una red de t ipo LAN (Local Area Network) o WAN (Wide Area Network).

Nivel de cont rol: Se encarga de en lazar y dir igir las dist in tas zonas de t raba jo. A este n ivel se sitúan los au tómatas de gama a lta y los ordenadores dedicados a diseño, cont rol de ca lidad, programación, etc. Se suele emplear una red de tipo LAN.

Nivel de campo y proceso: Se encarga de la in tegración de pequeños automat ismos (au tómatas compactos, mult iplexores de E /S, cont roladores PID, etc.) den t ro de subredes. En el n ivel más a lto de estas redes se suelen encontrar uno o var ios au tómatas modula res, actuando como maest ros de la red o maest ros flotantes. En este nivel se emplean los buses de campo.


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Nivel de E /S: es el n ivel más próximo a l proceso. Aquí están los sensores y actuadores, encargados de maneja r el proceso product ivo y tomar las medidas necesar ias para la cor recta automatización y supervisión.

5.2. Clasificación de las Redes

Las redes de datos son clasificadas por el t ipo de equipamiento conectado a ellas y el tipo de datos que circula por la red.

Por el tipo de dato que circula por ellas puede ser:

Bit: Las redes con datos en formato de bit s t ransmiten señales discretas, como condiciones ON/OFF, ó uno y cero

Byte: Las redes con datos en el formato de byte pueden contener paquetes de informaciones discretas y/o analógicas.

Paquetes: Las redes con da tos en formato de paquete o bloque son capaces de transmitir paquetes de información de tamaños variables.

Por el tipo de equipo conectado y tipo de datos que manejan pueden ser:

Red Sensorbus: Manejan da tos en formato de bits. Se u t ilizan para conectar equipos simples y pequeños directamente a la red, con distancias pequeñas, estos equipos conectados requieren de a lta velocidad, y son típicamente los sensores y actuadores.

Red Devicebus: Maneja da tos en formato de bytes. Se u t ilizan para cubr ir distancias de hasta 500m, los equipos conectados pueden tener

GESTION

CONTROL

CAMPO Y PROCESO

ENTRADA / SALIDA

Estaciones de trabajo, supervisión de producto

PC, PLC

Bloques de E/S, controlador, transmisor

Actuadores, sensores

NIVEL

EQUIPO


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var ias en t radas discretas y ana lógicas, además maneja una mayor cantidad de dispositivos.

Red Fieldbus: Maneja da tos en formato de paquetes. Sirve para interconectar equipos de E /S más in teligentes, los cua les pueden desempeñar funciones específicas de cont rol, t a les como lazos de cont rol PID, cont rol de flu jo de in formación y procesos. La red además permite una mayor distancia y el manejo de mayor can t idad de dispositivos.

5.3. Tipos de Redes Industriales

ETHERNET

Las redes E thernet u t ilizan el protocolo de en lace Carr ier Sense/Mult iple Access with Collision Detect ion . Su modo de t raba jo consiste en t ransmit ir los da tos en paquetes en una red, luego cada nodo de la red de E thernet escucha dicha t ransmisión y ver ifica si es que está dest inada a ese nodo. El nodo que cor responde a l direccionamiento de dest ino del paquete es el que responde. Si se detecta una colisión , el nodo det iene la t ransmisión e intenta envia r la in formación nuevamente después de un per íodo de t iempo a lea tor io previamente determinado. Algunos ejemplos comunes de los protocolos de red usados para los sistemas de información de uso genera l son TCP/IP, NetBEUI, IPX/SPX, UDP, AppleTalk, SNMP, y LAT.

Ventajas:

Es una red ampliamente conocida y estandarizada

Muchas PCs ya vienen con la ta r jeta de red Ethernet en su placa madre

Los sistemas operativos Windows trabajan con este tipo de red

Se produce en volúmenes grandes, lo que hace que su costo sea bajo

Desventajas

El t ráfico de E thernet se debe mantener a menudo sign ifica t ivamente deba jo de sus límites teór icos para tener en cuenta la detección de colisión.

La red esta or ien tada mayormente a oficinas y no a en tornos industriales

El ancho de banda es bajo

FIELDBUS

Las redes F ieldbus, son sistemas de comunicación digita l bidireccional, que permiten la comunicación de inst rumentos, así como llevar a cabo tareas de control y monitoreo a través de un software de supervisión.


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Los buses de campo (Fieldbus) constituyen el n ivel más simple y próximo a l proceso dentro de la est ructura de comunicaciones indust r ia les. Está basada en procesadores simples y u t iliza un protocolo mín imo para gest ionar el en lace en t re ellos. Los buses de campo más recien tes permiten la comunicación con buses jerárquicamente superiores y más potentes.

En un bus de campo se engloban las siguientes partes:

Estándares de comunicación: Cubren los niveles físico, de enlace y de comunicación establecidos en el modelo OSI (Open Systems Interconnection).

Conexiones físicas: Esta refer ido a l cableado est ructurado de las instalaciones. Las más comunes son semidúplex (comunicación en banda base t ipo RS-485), RS-422 y conexiones en bucle de corriente.

Protocolo de acceso a l medio (MAC) y de enlace (LLC): consiste en la defin ición de una ser ie de funciones y servicios de la red mediante códigos de operación estándar.

Nivel de aplicación: Es la in ter faz que recibe el usuar io, t raducido en programas de gest ión y presentación . La aplicación suele ser propia de cada fabr icante, pero también a t ravés de lenguajes estándar.

Características:

Comunicación por medio de twisted-pair

Alimentación sopor tado por los mismos dos cables de la seña l, eliminando la necesidad de fuentes de alimentación externas

Velocidad de transmisión de 10 or 100 Mb/s

Basado en TCP/IP y Ethernet

Ventajas:

Se emplea en aplicaciones de control dist r ibu ido, lo cua l es más eficiente que un control centralizado.

PROFIBUS

Es un sistema de bus de campo abierto (Fieldbus) independiente del fabr ican te. Su á rea de aplicación abarca procesos de manufacturación y automatización de edificios.

Tipos:

PROFIBUS-DP Se diseña para comunicaciones de a lta velocidad, en t re los cont roladores indust r ia les y la en t rada-sa lida dist r ibu ida . (Por ejemplo PLC y sensores)


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PROFIBUS-FMS Se diseña para la comunicación de uso genera l sobre todo entre los controladores programables, tales como PLCs y PC.

PROFIBUS-PA: Es un sistema diseñado específicamente para la automatización de procesos.

CAN (Control Area Network)

Estas redes hacen uso de un bus ser ia l pa ra conecta r los disposit ivos. La aplicación or igina l de estas redes fueron los au tomóviles, pa ra cumplir t a reas como sincronización y cont rol del motor , frenos an t ibloca je, monitoreo de la ca ja de engrana jes, a limentación de ventanas y seguros de puer tas, etc. Antiguamente cada disposit ivo necesitaba de una línea dedicada , la cua l es reemplazada por la red CAN. Actualmente las aplicaciones de estas redes se han ampliado a l campo de los procesos indust r ia les. Ut iliza la configuración producto

consumidor (que es una especie de maest ro-esclavo, pero que permite disminuir la cantidad de tráfico).

Ventajas:

Los disposit ivos se pueden comunicar directamente en t re ellos (sin la necesidad del cont rolador). Por ejemplo el sensor impacto puede conecta rse directamente a l a irbag, respondiendo de una manera más rápida y confiable.

Se ha vuelto comercial, puesto que muchos fabricantes lo ofrecen

Los costos de implementación son bajos

DEVICE-NET

Es una red empleada en procesos de fabr icación , sus pr incipales características son:

Topología física de tipo Basic Trunkline-Dropline

Permite hasta 64 direcciones de nodos en una sola red.

Comunicación punto a punto

Modelo producto-consumidor para transferencia de datos.

Transmite señales de datos y potencia por medio del mismo cable.

Inserción de disposit ivos sin necesidad de quita r la a limentación de la red.

Disposit ivos de potencia externos pueden compart ir el cable del bus con dispositivos alimentados por el bus.


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5.4. Protocolos para Buses de Campo

Existen diversos buses de campos (Fieldbus) según los fabr ican tes o agrupaciones de fabricantes, siendo los más importantes los siguientes:

Protocolo MODBUS

Es un protocolo de comunicación desar rollado por MODICON para comunicación en t re PLC s.

Entre los disposit ivos que lo u t ilizan podemos mencionar : PLC, dr ives, sensores, actuadores remotos.

El protocolo establece como deben t ransmit ir se los mensa jes y como realizar la detección de errores.

Su pr incipal inconvenien te es que no está reconocido por n inguna normal internacional.

Control de acceso al medio tipo maestro esclavo.

El protocolo especifica el formato de t rama, secuencias y cont rol de errores.

Sólo especifica la capa de enlace del modelo ISO/OSI.

A cada esclavo se le asigna una dirección fija y única en el rango de 1 a 247.

La dirección 0 esta reservada para mensajes de difusión sin respuesta.

Protocolo BITBUS

Es un sistema de comunicación ser ial. Está basado en una línea compartida RS-485 (varias estaciones de comunicación en un mismo par de cables) y está opt imizado para la t ransmisión de pequeños mensa jes en t iempo rea l. En insta laciones más actua les se emplea también fibra óptica para su implementación.

La estructura de la red puede ser de varios tipos:

Básica: Estructura lógica del tipo maestro

esclavo.

Árbol: Se emplean repet idores para la rgas distancias, se considera todo un único bus y se opera en modo au toreloj (debido a que los repetidores no transmiten la señal de reloj).

Árbol mult in ivel: Se emplean uniones esclavo/maest ro para formar subbuses en var ios n iveles. Cada nivel puede opera r a una velocidad propia y posee sus propias direcciones.

Para la configuración maest ro

esclavo, se t iene que cada esclavo posee su propia dirección de red que le hace diferen te del resto e ident ificable dent ro de la red. El maest ro maneja la red seleccionando los esclavos. Los esclavos deben responder exclusivamente cuando son requeridos por el maestro.

Existen dos modos de sincronización de bits:


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Síncrono: En este modo los da tos se t ransmiten por un par t renzado y el reloj por ot ro par adiciona l. No se admiten repetidores y la estructura del bus es completamente lineal.

Autoreloj: En este modo cada nodo genera su propio reloj, sincronizando con la línea de da tos. Los da tos se codifican en formato NRZI. Se permiten repet idores (obliga tor io para más de 28 nodos). Las der ivaciones a par t ir del repet idor requieren una línea de cont rol además de la línea de da tos, por lo que se emplean dos pares trenzados.

Protocolo PROFIBUS

Utilizando este medio, los disposit ivos de diferen tes fabr ican tes pueden comunicarse sin necesidad de adaptaciones median te in ter faces especiales.

Puede ser empleado tanto para transmisiones de datos de alta velocidad y t iempos cr ít icos, como para ta reas in tensivas de comunicación compleja.

Tiene una estructura maestro esclavo.

Disposit ivos maest ros: Determinan la comunicación de da tos sobre el bus. Un maest ro puede enviar mensa jes sin una pet ición externa cuando mant iene el cont rol de acceso a l bus (la seña l). Los maestros también se denominan estaciones activas.

Disposit ivos esclavos: Son disposit ivos per ifér icos. Los esclavos son normalmente disposit ivos de E/S, vá lvulas, actuadores y t ransmisores de señal. No t ienen el cont rol de acceso a l bus y sólo pueden recibir mensa jes o envia r mensa jes a l maest ro cuando son permit idos para ello. Los esclavos también son denominados estaciones pasivas.

Estándar ASI

ASI (Actua tor Sensor In ter face), es un estándar que define la conexión directa de sensores binar ios y actuadores a l n ivel más ba jo de automat ización (nivel de en t rada /sa lida) hacia redes de más a lto n ivel y dispositivos de control.

Reemplaza complejos cableados y paneles, reduce el t iempo de diseño, costo de instalación y complejidad de mantenimiento.

Opera según el pr incipio maest ro/esclavo. E l cont rolador cen t ra l, t an to una PC o PLC, o la en t rada a redes más a ltas, cont iene un módulo maest ro. Los sensores/actuadores se conectan a esclavos que están enlazados en red por medio de un cable polarizado.

El cableado de red puede efectuarse empleando conexiones en bus o en árbol de hasta 200 metros de longitud (empleando repetidores).


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6. SISTEMAS SCADA

Los sistemas SCADA (Supervisory Cont rol And Data Adquisit ion) son aplicaciones de software, diseñadas con la fina lidad de cont rolar y supervisar procesos a distancia . Se basan en la adquisición de da tos de los procesos remotos.

Estos sistemas actúan sobre los disposit ivos insta lados en la plan ta , como son los cont roladores, au tómatas, sensores, actuadores, regist radores, etc. Además permiten cont rola r el proceso desde una estación remota , para ello el software br inda una in ter faz grá fica que muest ra el comportamiento del proceso en tiempo real.

Además, envía la información generada en el proceso product ivo a diversos usuar ios, t an to del mismo n ivel como hacia ot ros supervisores dentro de la empresa, es decir , que permite la par t icipación de ot ras á reas como por ejemplo: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.

Genera lmente se vincula el software a l uso de una computadora o de un PLC, la acción de control es rea lizada por los cont roladores de campo, pero la comunicación del sistema con el operador es necesar iamente vía computadora . Sin embargo el operador puede gobernar el proceso en un momento dado si es necesario.

Existen diversos t ipos de sistemas SCADA dependiendo del fabr ican te y sobre todo de la fina lidad con que se va a hacer uso del sistema, por ello an tes de decidir cual es el más adecuado hay que tener presen te si cumple o no ciertos requisitos básicos:

Todo sistema debe tener a rquitectura abier ta , es decir , debe permit ir su crecimiento y expansión , así como deben poder adecuarse a las necesidades futuras del proceso y de la planta.

La programación e insta lación no debe presentar mayor dificu ltad, debe conta r con in terfaces grá ficas que muest ren un esquema básico y real del proceso

Deben permit ir la adquisición de da tos de todo equipo, así como la comunicación a nivel interno y externo (redes locales y de gestión)

Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de u t iliza r , con in ter faces amigables para el usuario.

A cont inuación se muest ra una lista de a lgunos software SCADA y su fabricante:

Aimax Desin Instruments S. A.

CUBE Orsi España S. A.

FIX Intellution.

Lookout National Instruments.


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Monitor Pro Schneider Electric.

Scada InTouch LOGITEK.

SYSMAC SCS Omron.

Scatt Graph 5000 ABB.

WinCC Siemens.

Coros LS-B/Win Siemens.

CIRNET CIRCUTOR S.A.

FIXDMACS Omron-Intellution.

RS-VIEW32 Rockwell

GENESIS32 Iconics

6.1. Funciones Principales

Supervisión remota de insta laciones y equipos: Permite a l operador conocer el estado de desempeño de las insta laciones y los equipos a lojados en la plan ta , lo que permite dir igir las t a reas de mantenimiento y estadística de fallas.

Control remoto de instalaciones y equipos: Mediante el sistema se puede act ivar o desact ivar los equipos remotamente (por ejemplo abr ir vá lvulas, act ivar in ter ruptores, prender motores, etc.), de manera au tomát ica y también manual. Además es posible a justa r parámetros, valores de referencia, algoritmos de control, etc.

Procesamiento de da tos: E l conjunto de da tos adquir idos conforman la in formación que a limenta el sistema, esta información es procesada , ana lizada , y comparada con da tos an ter iores, y con da tos de ot ros puntos de referencia , dando como resultado una información confiable y veraz.

Visua lización grá fica dinámica: E l sistema es capaz de br indar imágenes en movimiento que representen el compor tamiento del proceso, dándole a l operador la impresión de esta r presen te dent ro de una plan ta rea l. Estos grá ficos también pueden cor responder a curvas de las señales analizadas en el tiempo.

Generación de repor tes: E l sistema permite genera r informes con datos estadísticos del proceso en un tiempo determinado por el operador.

Representación se señales de a la rma: A t ravés de las señales de a la rma se logra a ler ta r a l operador fren te a una fa lla o la presencia de una condición per judicia l o fuera de lo aceptable. Estas seña les pueden ser tanto visuales como sonoras.

Almacenamiento de información h istór ica : Se cuenta con la opción de a lmacenar los da tos adquir idos, esta in formación puede ana lizarse


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poster iormente, el t iempo de a lmacenamiento dependerá del operador o del autor del programa.

Programación de eventos: Esta refer ido a la posibilidad de programar subprogramas que br inden au tomát icamente repor tes, estadíst icas, gráfica de curvas, activación de tareas automáticas, etc.

6.2. Transmisión de la Información

Los sistemas SCADA necesitan comunicarse vía red, puertos GPIB, telefónica o sa télit e, es necesar io conta r con computadoras remotas que rea licen el envió de da tos hacia una computadora cen t ra l, esta a su vez será parte de un centro de control y gestión de información.

Para realizar el intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estación central de control y gestión, se requiere un medio de comunicación, existen diversos medios que pueden ser cableados (cable coaxia l, fibra ópt ica , cable telefónico) o no cableados (microondas, ondas de radio, comunicación satelital).

Cada fabr ican te de equipos para sistemas SCADA emplean diferen tes protocolos de comunicación y no existe un estándar para la est ructura de los mensa jes, sin embargo existen estándares in ternacionales que regulan el diseño de las in ter faces de comunicación en t re los equipos del sistema SCADA y equipos de transmisión de datos.

Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas y procedimientos que permite a las un idades remotas y central, el in tercambio de in formación . Los sistemas SCADA hacen uso de los protocolos de las redes industriales.

6.3. Elementos del Sistema

Un sistema SCADA esta conformado por:

In terfaz Operador

Máquinas: Es el en torno visua l que br inda el sistema para que el operador se adapte a l proceso desar rollado por la plan ta . Permite la in teracción del ser humano con los medios tecnológicos implementados.

Unidad Cent ra l (MTU): Conocido como Unidad Maest ra . E jecuta las acciones de mando (programadas) en base a los va lores actua les de las var iables medidas. La programación se rea liza por medio de bloques de programa en lengua je de a lto n ivel (como C, Basic, etc.). También se


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encarga del a lmacenamiento y procesado ordenado de los da tos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

Unidad Remota (RTU): Lo const ituye todo elemento que envía a lgún t ipo de información a la un idad cent ra l. Es par te del proceso product ivo y necesariamente se encuentra ubicada en la planta.

Sistema de Comunicaciones: Se encarga de la t ransferencia de información del punto donde se rea lizan las operaciones, hasta el punto donde se supervisa y controla el proceso. Lo conforman los transmisores, receptores y medios de comunicación.

Transductores: Son los elementos que permiten la conversión de una señal física en una seña l eléct r ica (y viceversa). Su ca libración es muy impor tan te para que no haya problema con la confusión de va lores de los datos.

La RTU es un sistema que cuenta con un microprocesador e in ter faces de en t rada y sa lida tanto ana lógicas como digita les que permiten tomar la in formación del proceso provista por los disposit ivos de inst rumentación y control en una localidad remota y, utilizando técnicas de transmisión de datos, envia r la a l sistema cen t ra l. La MTU, ba jo un software de control, permite la adquisición de la da ta a t ravés de todas las RTUs ubicadas remotamente y br inda la capacidad de ejecu ta r comandos de cont rol remoto cuando es requer ido por el operador . La da ta adquir ida por la MTU se presenta a t ravés de una in terfaz grá fica en forma comprensible y u t ilizable, y más aun esta información puede ser impresa en un reporte.

INTERFAZ OPERADOR-MAQUINA UNIDAD CENTRAL

UNIDAD REMOTA

TRANSDUCTOR

PROCESO

(Interfaz Gráfica)


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7. INGENIERÍA ASISTIDA POR COMPUTADORA

E l uso de las computadoras en el sector indust r ia l ha ido en aumento, puesto que permite el manejo de grandes can t idades de in formación , lo que lleva aminorar los t iempos de diseño y mejora r la ca lidad. Por razones de t iempo y dinero, no es fact ible la const rucción de un protot ipo, someter lo a pruebas, dest ru ir lo, y luego volver a const ruir ot ro y seguir la cadena hasta encontrar el prototipo deseado

La ingenier ía asist ida por computadora (Computer Aided Engineer ing

CAE), abarca el concepto de invest igación , diseño, desarrollo y fabr icación de un producto. En las etapas previas a la fabr icación in tervienen los conceptos de diseño asist ido por computadora , que permiten la eva luación de protot ipos vir tua les. En la etapa de fabr icación in tervienen los conceptos de manufactura asist ida por computador , y también el cont rol de ca lidad au tomat izado, que jun tos van a permit ir la elaboración de productos con calidad garantizada y acorde con el prototipo original.

Por PROTOTIPO se entiende como una aproximación física de la pieza o producto que todavía no se ha const ru ido o desar rollado, y por tan to un prototipo vir tua l será aquel que se visua liza a t ravés de la panta lla de un computador y se puede someter a pruebas a t ravés de comandos de un software especia lizado. Actua lmente estos protot ipos vir tua les son dinámicos, en t res dimensiones, color idos, equipados con sensores vir tua les, permiten evaluar características físicas de materiales, entre otros.

7.1. Diseño Asistido por Computadora (CAD)

El software para computadoras permite una in ter faz gráfica con el usuar io que le permite crear un modelo vir tua l o protot ipo vir tua l de un producto, a t ravés de sofist icadas técn icas grá ficas pero a la vez fáciles de u t iliza r . Además permite la cor rección y modificación del modelo en el momento que se quiera , como por ejemplo var ia r el t amaño, forma, contorno, visualización en 3D, ca racter íst icas del mater ia l, comportamiento geomét r ico, respuesta a estímulos, entre otros.

E l diseño vir tua l puede ser simulado a t ravés de diferen tes combinaciones de parámetros. Luego se procede a rea liza r un análisis cont inuo simulando un en torno de t raba jo, hasta encont ra r la combinación más sa t isfactor ia , que se adecue a l propósito del producto, a las exigencias de ca lidad que cumpla los requer imientos del mercado, y que a la vez permita optimizar la materia prima utilizada.

E l diseño vir tua l t ambién permite la simulación del funcionamiento y comportamiento del producto, como por ejemplo: la resistencia de un puente al


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peso, la viscosidad de un aceite, la rotación de un engrana je, la resistencia de una torre frente a un sismo, el movimiento de un brazo robótico, etc.

Los resu ltados que br inda la manufactura vir tua l cent rada en el diseño del protot ipo incluyen el modelo del producto, costo estimado, ca racter íst icas físicas, const itución de mater ia les, etc. Cabe resa lta r que de esta manera los problemas relacionados con el diseño pueden ser iden t ificados y corregidos.

7.2. Manufactura Asistida por Computadora (CAM)

Consiste en la fabr icación de productos basados en protot ipos vir tua les, con la asistencia y dirección de una computadora . Las computadora es la encargada de accionar las máquinas encargadas de la fabr icación , para esto se basan en una serie de códigos numéricos.

Este t ipo de manufactura vir tua l cen t rado en la producción , provee un ambiente que permite la generación de técnicas de planeación del proceso y de la producción , así como est ra tegias de solución de problemas y control au tomat izado del proceso. Br inda la capacidad de planear los requer imientos de recursos (como por ejemplo la compra de nuevos equipos, mater ia pr ima , incorporación de personal calificado).

E l sistema br inda además una mayor precisión en el manejo de la información, sus ventajas principales son:

Conocimiento de costos de producción y cronogramas para la entrega de productos.

Permite la eliminación de er rores del operado y reduce los costos de mano de obra.

Flexibilidad y diversidad en los productos fabricados.

Incrementos de la ca lidad con una disminución de los costos y tiempos de producción.

7.3. Integración CAD/CAM

Conocido comúnmente como Manufactura In tegrada por Computadora (CIM). Se define, como un en torno grá fico que de manera virtual permite simular las act ividades y funciones involucradas en los ciclos product ivos, combinado diseño y fabricación de un objeto en un entorno industrial.

Es concebido como una disciplina que estudia el uso de sistemas informát icos como her ramientas que le permite media r en el campo indust r ia l

product ivo, involucrándose en el diseño y la fabr icación de cua lquier t ipo de bien. A su vez es un requisito indispensable para la indust r ia actua l que t iene que enfren tar los requer imientos del mercado en cuanto a ca lidad y ba jos


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precios, sumado a un t iempo de diseño y fabr icación compet it ivo en relación a otros fabricantes.

También es concebido como una tecnología que permite la gest ión in tegra l de todas las act ividades y procesos desar rollados dent ro de una fábrica, median te el en torno de un sistema informát ico, y que además permite la in tegración de ot ros sectores vinculados a la fábr ica dent ro de un entorno empresarial, es decir la in teracción con á reas de administ ración , logíst ica , mantenimiento, y demás actuantes de la gestión empresarial.

El sistema puede actuar desde dos puntos de vista:

Directa : Mediante aplicaciones en donde la computadora se conecta directamente a las máquinas y equipos, con la fina lidad de monitorear la actividad product iva y rea liza r t a reas de supervisión y control.

Indirecta: En este caso la computadora es u t ilizada como una her ramienta de ayuda en la fabr icación , pero en las que no existe una conexión directa con el proceso productivo.

7.4. Control Numérico Computarizado (CNC)

E l t ipo de cont rol ejercido por la computadora sobre el proceso se denomina Cont rol Numérico por Computadora (CNC).Nace en la necesidad de cont rola r el movimiento de la t rayector ia de una her ramienta u t ilizada para reproducir o mecanizar la geomet r ía de una pieza . La programación median te números y let ras van a descr ibir la t rayector ia a seguir por dicha her ramienta , br indando precisión . Permite el cont rol de herramientas de tornado, mecanizado, y fresado. Además permite simular el compor tamiento de la herramienta y el resultado de la pieza trabajada.

Las venta jas de este t ipo de cont rol apar te de la precisión , ca lidad y flexibilidad son:

Los programas se pueden a lmacenar en la memoria del computador y ejecutarse como un ciclo de operación constante.

En programa solo necesita ser ca rgado una única vez, independien te de la can t idad de ciclos de programa que se desee ejecutar.

Los programas pueden incluir subrutinas

Permite la comunicación con bases de da tos y ot ros sistemas de información

Las pr incipales desventa jas radican en el elevado costo por inversión inicial y costo de mantenimiento, por lo cual no se justifica su uso para niveles bajos de producción.


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7.5. Componentes y Aplicaciones del Sistema CIM

Los componentes de la manufactura in tegrada por computadora son los siguientes:

Modelamiento geomét r ico: Consiste en una técnica de representación de est ructuras a t ravés de sus ca racter íst icas geomét r icas, estas pueden ser líneas, superficies, y volúmenes. Por ejemplo, los modelos lineales se usan para aplicaciones de trayectorias, perfiles topográficos, redes, cableados, etc.; los modelos de superficies se usan en planos de casas, ca r rocer ías, fusela jes, esquemas eléct r icos, etc.; los modelos volumétricos o sólidos se usan para modelar maquetas de arquitectura, piezas mecánicas, envases, moldes, utensilios, etc.

Visua lización grá fica : Permiten genera r imágenes está t icas y también dinámicas. Permiten una diversidad de efectos grá ficos que simulan condiciones na tura les y efectos físicos, como por ejemplo: la luz que ilumina un edificio dependiendo de la posición de este, curvas de n ivel, efectos de rotación , cambios físicos a l aplica r est ímulos a un objeto. También permiten t razar coordenadas, e iden t ifica r los efectos en la parte del objeto señalada.

In terfaz usuar io

sistema: Permite in teractuar a l operador , usuar io, o programador , con el sistema, para visua liza r compor tamientos, ana liza r in formación , programar a lgor itmos de cont rol, y demás funciones que permite el software.

Base de da tos: Permite el acceso a una gran can t idad de in formación , como son da tos de diseño, estadíst icas de producción , diseños an ter iores, etc. Se maneja considerables volúmenes de memoria para el procesamiento de la información.

Métodos numér icos: Son la base de los métodos de cont rol numér ico, empleado en las aplicaciones de análisis y simulación en el sistema.

Sistema de comunicaciones: Le permiten a l sistema conecta rse tan to con ot ros sistemas y base de da tos, como con los disposit ivos y equipos encargados de la fabricación física de los productos.

Sistemas in teligentes de ver ificación: Son el conjunto de equipos que van a mandar información a la computadora, relacionada con el avance del ciclo productivo y posibles fallas en este; van a permitir realizar las tareas de supervisión y monitoreo.


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Los campos de aplicación de la manufactura in tegrada por computadora son diversos, destacándose las á reas de la ingenier ía mecánica , eléct r ica , elect rón ica , civil, a rquitectura , geografía , y ca r togra fía . A continuación se muestra algunas aplicaciones dentro de estos campos:

Ingeniería mecánica:

Librerías de piezas mecánicas normalizadas

Modelado de piezas sólidas

Modelado y simulación de moldes

Simulación de comportamiento de motores

Análisis por elementos finitos

Fabricación rápida de prototipos

Generación y simulación de programas de control numérico

Planificación de procesos

Traductores de formatos neutros

Programación de cont rol numér ico para el mecanizado o monta je de placas

Ingeniería eléctrica y electrónica:

Diseño de circuitos integrados

Diseño de placas de circuito impreso

Diseño de instalaciones eléctricas

Diseño de torres de alta tensión

Análisis, verificación y simulación de los diseños

Secuencia automatizada de procesos

Simulación de programación de robots

PC

COMUNICACIONES INTERFAZ Usuario-Sistema

BASE DE DATOS

METODOS NUMERIC

PLANTA

OPERADOR

MODELAMIENTO GEOMÉTRICO

VISUALIZACIÓN GRÁFICA

SISTEMA DE VERIFICACIÓN

CAD

CAM

CIM


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Ingeniería civil y arquitectura:

Librerías de elementos de construcción normalizados

Diseño arquitectónico

Diseño de interiores

Diseño de puentes, carreteras, edificaciones

Cálculo de estructuras

Mediciones y presupuestos

Planificación de procesos

Sistemas de información geográfica y cartográfica:

Mantenimiento y producción de mapas y datos geográficos

Análisis topográfico

Catastro

Planificación urbana

7.6. Control de Calidad Asistido por Computador (CAQ)

El cont rol de ca lidad está refer ido a la ver ificación que recibe cada bien producido, esta ver ificación implica la comprobación de que el producto cumple con todas las especificaciones mín imas exigidas para poder ser considerarlo como un producto no defectuoso.

Este proceso de ver ificación implica tener una relación de parámet ros a ser comprobados, y de ser el caso de encont ra r un producto que no cumple con los va lores establecidos para dichos parámet ros, este debe ser rechazado y separado fuera de la línea de productos dirigidos hacia almacén.

Por tan to, con el objet ivo de rea liza r esta acción de una manera más rápida y confiable, se hace uso de métodos de control de calidad, los cuales por las exigencias y la tecnificación actual, se desarrollan de manera automática.

E l cont rol de ca lidad asist ido por computador , será el control de calidad realizado en forma automatizada, con el fin de proveer la capacidad de simular la producción rea l, y ofrecer un ambiente para que los ingenieros evalúen o revisen los diseños de un producto con respecto a las act ividades relacionadas con el taller.

Este sistema t raba ja ba jo dos modalidades, ver ificando caracter íst icas externas y ca racter íst icas in ternas, por tan to esta const itu ido por dos subsistemas:

Inspección asist ida por computador (CAI): Implica el uso de las computadoras para in teractuar con sistemas de medición , para ver ifica r ca racter íst icas externas del producto (forma, dimensiones, acabado, etc.). Un ejemplo de este sistema es el uso de cámaras de


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video para la ver ificación del volumen de líqu ido llenado en una planta embotelladora.

Prueba asist ida por computadora (CAT): Implica el uso de la computadora para recolecta r da tos provenien tes de equipos de pruebas que aseguran la ca lidad in terna del producto (ca racter íst icas térmicas, mecánicas, químicas, etc.). Un ejemplo de este sistema es el uso de cámaras de presión para ver ifica r la dureza de un ba lón de gas.

Documents

Libro de Automatizacion