Introducción a la automatización - Área de Ingeniería de Sistemas y

TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LA
AUTOMATIZACIÓN
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Definiciones y Conceptos Básicos
Esquema general de un sistema automatizado
Concepto general de realimentación
Tipología de los sistemas de control:
• sistemas de regulación
• sistemas de control secuencial
• Tecnologías para la Automatización
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Introducción
• El control aparece en casa, en los coches, en la industria, y
en los sistemas de comunicación y transporte.
• Cada vez se convierte en un elemento más crítico si falla.
• Necesario para diseño de material e instrumentación usado
en ciencias básicas
• Aparecen principios de control en Economía, Biología y
Medicina
• El control es inherentemente multidisciplinario (proceso,
técnicas de control, tecnología de sensores y actuadores, ...)
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La Ingeniería de Sistemas y Automática
Sistema
Cualquier entidad compleja constituida por un conjunto de elementos que
guardan entre sí una relación de influencia, formando un entramado que asocia
unos elementos con otros.
Automática
Disciplina que trata de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la
sustitución del operador humano por un operador artificial en la ejecución de
una tarea física o mental previamente programada.
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Control
Regulación, manual o automática, sobre un sistema.
Automatismo
Dispositivo que se encarga de controlar el funcionamiento del proceso
capaz de reaccionar ante las situaciones que se presenten.
Sistema Automático
Proceso dotado de elementos o dispositivos que se encargan de
controlar el funcionamiento del mismo, de forma que pueda operar en
cierta medida de forma autónoma, sin intervención humana.
Sistema Automático = Proceso + Automatismo
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Con la automatización se busca:
• reducir costes en
–
–
–
–
materias primas
materiales
energía
mano de obra
• mejorar las condiciones de trabajo
– reducir trabajos pesados
• mejorar la calidad del producto
• realizar operaciones que serían imposibles para un
operador humano
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ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO (I)
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ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO (II)
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ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO (III)
CONTROL EN LAZO CERRADO
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ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO (IV)
Preaccionadores
Supervisión
Parte de Mando
(control)
Accionadores
Parte operativa
(planta o proceso)
Captadores
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Esquema general de un Sistema Automatizado (V)
Supervisión
• Panel de mando
• PC+SCADA
Control
Parte operativa
• Lógica cableada
• PLC´s
• PC+Tarjeta E/S
• Microcontroladores
• Reg. Digitales
• Etc...
• Simuladores E/S
• Maquetas
• Simuladores
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SISTEMAS SCADA
SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Adquisition", es
decir: adquisición de datos y control de supervisión. Se trata de una aplicación
software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de
producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo
(controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso
de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la
información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del
mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad,
supervisión, mantenimiento, etc.
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ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA AUTOMATIZADO (VI)
Parte de Mando
Nivel de
SUPERVISIÓN
ó
Dialogo
Hombre-Máquina
Parte Operativa
Órdenes
o Acciones
de Control
Preaccionadores
Información
elaborada
sobre el
funcionamiento
del S.A.
Consignas
Accionadores
Máquina
o
Proceso
Unidad
de
Control
Captadores
Información
sobre el
proceso
Trabajo
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Sistema Automático: Concepto de Lazo o Bucle
Todo SA, por simple que sea, se basa en la idea de Bucle o Lazo:
Captadores
Mediante los captadores, percibe la condición o estado del proceso
Automatismo o Unidad de Control
En la U.C. existirá algun “algoritmo” o “principio de control” que en función
del estado del proceso, calcula acciones de control u órdenes tendentes
a llevar dicho proceso al estado deseado de funcionamiento
Actuadores
Dichas órdenes son traducidas a acciones de control, que son aplicadas
al proceso mediante los accionadores o actuadores
Nivel de Supervisión
El automatismo puede generar también información elaborada del
proceso o recibir consignas de funcionamiento hacia o desde un nivel
superior de supervisión
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Lazo abierto y Lazo cerrado
Lazo Abierto
Sin concurrencia de la información del estado del proceso.
La acción de control no es afectada por la salida del sistema.
Ej:
• Tostadora
• Lavadora automática
• Pedal del acelerador (aunque aquí el lazo lo cierra el conductor)
Lazo Cerrado
Las acciones de control dependen de la referencia y de la propia
salida del sistema
Ej:
• Piloto automático de un avión
• Ducha
• Termostato
• Sistema de hidratación del cuerpo humano (sed)
• etc.
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Ejemplo de sistema en Lazo Abierto:
Lavadora
• En principio sin concurrencia de sensores
• Nota: No obstante existen lavadoras que miden nivel de carga y
suciedad: eso sería bucle cerrado
inicio
Prelavado
12 min
Aclarado
Giro lento
sin jabón
20 min
Centrifugado
Giro 1200 rpm
5 min
Lavado
Giro lento
con jabón
20 min
fin
Pausa
5 min
Tto. antiarrugas
Giro muy lento
5 min
Centrifugado
Giro 1200 rpm
10 min
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Ejemplo de sistema en Lazo Cerrado:
Sistema de Piloto Automático
perturbaciones:
ráfagas de viento
corrientes
densidad aireC
Consignas
+
-
Avión
Control
altitud
dirección
velocidad
(Medidas)
altitud
dirección
velocidad
etc.
GPS
perturbaciones:
interf. electromag.
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Dos grandes tipos de Sistemas Automáticos
de control:
Sist. Automáticos de Control Secuencial
Sist. Automáticos de Regulación
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Sistemas Automáticos de Control Secuencial
Evento Discreto:
Ocurrencia de una característica en la evolución de una señal (flanco
de subida, paso por un cierto nivel, pulso, llegada de un dato, C).
Suele representarse por un valor booleano {0,1}
Sistemas de eventos discretos:
Sistemas dinámicos que cambian de estado ante la ocurrencia de eventos
discretos. Generalmente el estado sólo puede adquirir un conjunto discreto de
valores y puede ser representado de forma simbólica en vez de numérica.
Sistemas Automáticos de Control Secuencial:
Son los sistemas automáticos en los que el proceso a controlar es un
sistema de eventos discretos
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Sistema de control Secuencial
VE
NS
Unidad
de
Control
Automatismo
función lógica:
si NS=1 entonces VE=0
si NI=0 entonces VE=1
Captadores
Sensores de nivel NS, NI
Actuadores
Válvula todo-nada VE
NI
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Sistema Automático de control Secuencial
MS
MBR
FCS
MB
PARTE DE MANDO
FCB
PARTE OPERATIVA
FCS
FCB
Pieza
FCI
MS
MBR
AUTOMATISMO
MB
V1
FCD
FCI
V1
V2
FCD
V2
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Sistemas Automáticos de Regulación
Sistemas Automáticos de Regulación:
Son los sistemas automáticos en los que el proceso a controlar es
continuo.
Habitualmente se persigue que un conjunto de una o varias variables
continuas del proceso alcancen valores especificados por otras tantas
referencias o consignas.
Ejemplos:
• Control de cambio de rumbo en un buque
• Sistema biológico de regulación de la presión arterial
• Sistema de control de la posición de un brazo robot
• Sistema de control de posición del cabezal de un disco óptico
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Control del cambio de rumbo de un buque
r:
rumbo deseado
e : error en el rumbo
: rumbo del buque
c : ángulo de timón necesario para corregir el rumbo
: ángulo del timón
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Tecnologías para la Automatización
Tecnología Cableada
Uniones físicas entre los elementos que constituyen la Unidad de Control que
pueden ser dispositivos:Mecánicos, Neumáticos, Hidráulicos, Eléctricos,
Electrónicos, etc.
Inconvenientes:
• Ocupa mucho espacio
• Poca flexibilidad
• Mantenimiento costoso
• No adaptados a funciones de control
complejas
Familias tecnológicas:
• Mecánicos
• Neumáticos
• Hidráulicos
• Eléctricos
• Electrónicos, etc.
Ventajas:
• Simplicidad
• Adecuadas para problemas
sencillos
Ejemplos:
• Control de nivel de líquido por flotador
• Sistema de gobierno hidráulico del timón
• Cuadros de mando por contactores
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Tecnologías para la Automatización
Tecnología Programada
Utilización de dispositivos capaces de ejecutar algoritmos, dotados de
entradas y salidas analógicas y/o digitales
Inconvenientes:
• Complicados y caros para
aplicaciones simples
Familias tecnológicas:
• Microprocesadores (ordenadores
de proceso)
• Microcontroladores
• Autómatas Programables (PLCs)
• PCs industriales
Ventajas:
• Flexibilidad
• Ocupan poco espacio
• Coste compensa para
aplicaciones de complicación
media/alta
• Mantenimiento sencillo
Ejemplos:
• Automatización industrial con PLCs
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Esquema típico de una Automatización Industrial
Bus de campo
Nivel de Supervisión:
- Comp. de proceso
- Monitorización
- Interfase hombre-maquina
válvula
Periferia
distribuida
Bus de campo
Proceso
continuo
Periferia
distribuida
sensores
nivel
Control de
Procesos
Discretos
Regulador Industrial
PID (Ej: DR-20)
Control de Procesos Continuos
sensor de
temperatura
interfase
proce
so
DA
AD
micro
controlador
preaccionador
resistencia
Alg.
Control
Periferia
distribuida
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Orígenes de estas transparencias:
• página web de la asignatura Sistemas Automáticos (ISA uniovi)
(http://isa.uniovi.es/ISAwiki/index.php/Sistemas_Automáticos)
• página web de la asignatura Automatización Industrial (ICAI)
(http://www.dea.icai.upco.es/jarm/Asignaturas/AutomatizacionIndustrial_3itiei/transparencias/1intro.pdf)
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