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Automatización de
procesos agroindustriales
Francisco Casares
Profibus
ASI
Ciclo de SCAN
LON-WORK
CAN
SCADA
Transmisión
serie
RS-485
BUS DE CAMPO
ASI
HART
Señal
analógica
4-20 mA
ETHERNET
Bloque
de Función
OPC
Modulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Módulo II: Integración total en la automatización.
Módulo III: Visión general de sistemas abiertos.
Automatización de procesos agroindustriales
Programa Teórico:
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Estado actual: Automatización distribuida
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida
Automatización Total o Integral
Una metodología de trabajo y una
filosofía de diseño de los sistemas de
automatización, producción y gestión
orientados a la mejora de los niveles de
calidad y la optimización de los
procesos
Módulo II: Integración total en la automatización.
Automatización del Sistema
Análisis de la gestión
Planificación y Control
Arquitectura Integradora del Sistema
Automatización Total
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Características de la solución buscada:
•Alta disponibilidad y recuperación entre caídas.
• Posibilidad de escalar en forma horizontal y vertical.
• Administración centralizada.
• Fácilmente implementable.
• Alto nivel de modularidad.
Desventajas:
Solución de costoso crecimiento si no se acierta en la elección de los componentes
Módulo III: Visión general de sistemas abiertos.
Módulo I.
Introducción : Sistemas de automatización.
Francisco Casares
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:
- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.
- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.
- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.
- NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
- ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS
- FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:
- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.
- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.
- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.
La AUTOMATIZACIÓN es la sustitución de la
acción humana por mecanismos, movidos por una
fuente de energía exterior, capaces de realizar
ciclos completos de operaciones que se pueden
repetir indefinidamente.
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
NECESIDAD DE AUTOMATIZACIÓN
• EVITAR TAREAS TEDIOSAS PARA EL SER HUMANO
• ABARATAR COSTES DE PRODUCCIÓN
• INCREMENTAR LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS
(ESTANDARIZACIÓN)
• ACORTAR LOS TIEMPOS DE INTRODUCCIÓN
DE UN NUEVO PRODUCTO EN EL MERCADO
Un sistema automático supone la existencia de:
Fuentes de energía
Órganos de mando ----> ordenan el ciclo a realizar.
(ordenadores, autómatas, etc)
Órganos de trabajo ----> ejecutan las acciones.
(Motores, pistones, resistencias, etc)
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
La utilización correcta de estos elementos presupone el
conocimiento de los elementos individuales y su funcionamiento,
así como las posibilidades de unión
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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN
Según la naturaleza del automatismos empleado se puede hablar de automatización:
- MECÁNICA- NEUMÁTICA- OLEOHIDRAULICA- ELÉCTRICA- ELECTRÓNICA- MIXTA
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN
Según la naturaleza del automatismos empleado se puede hablar de automatización:
- MECÁNICA- NEUMÁTICA- OLEOHIDRAULICA- ELÉCTRICA- ELECTRÓNICA- MIXTA
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN MECÁNICA
Compuesta por:Ruedas Dentadas, Poleas, Cremalleras, Levas, Palancas, etc.
Inconvenientes: Sistemas complicados y de escasa flexibilidad.
Ventajas: Montaje y mantenimiento económico.
Ejemplos típicos: Motores de combustión, relojes mecánicos, etc.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
MÁQUINA DE VAPOR DE WATT (1819)
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA
Generacion de movimientos lineales:- Muy simple y económicos
- Longitud de trabajo 1-2 m máximo
- Fuerza limitada a 1000-2000 kg debido a la baja presión utilizado en el aire
comprimido (10 bares máximo).
Generacion de movimientos rotativos- Simple y económico (eléctrica < neumática < hidráulica)
- Velocidad de rotación elevada
- Par disponible relativamente débil
- Rendimiento menor que los eléctricos equivalentes
- Compite con los motores eléctricos en el accionamiento de herramientas
manuales
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA
Inconvenientes: Mantenimiento del estado del aire. Desembolso económico grande en la
instalación.
Ventajas: Sencillez. Economía una vez instaladas.Seguridad (interesante en zonas ATEX)
Ejemplos Típicos: Prácticamente la Totalidad de las Automatizaciones Industriales, Tienen Instalaciones Neumáticas .
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN Hidráulica
Generacion de movimientos lineales:- Muy simple
- Velocidad de trabajo pequeña (0,5 m/s)
- Fuerzas disponibles muy grandes de fácil regulación
- Instalación cara
- Longitud de trabajo desde algunos milímetros hasta decenas de metros.
Generacion de movimientos rotativos- Simple
- Velocidad de rotación limitada
- Buen rendimiento y par elevado
- No son sobrecargables
- Campo definido en el cual son indiscutibles:
pocas revoluciones y gran par de torsión.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN HIDRÁULICA
Diferencias: Ejecución de las ordenes más lenta.Desarrolla más trabajo.
Ejemplos Típicos: Prensas, Frenos y Dirección de Automóviles.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA
Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste reducido acumulación difícil
Órganos de mando: Relé, contactor, temporizador.
Órganos de trabajo:Movimientos rotativos ���� motor���� Excelente rendimiento
Velocidad limitadaMovimientos lineales ���� electroimanes
Motores lineales
Ejemplos Típicos: apagados/encendidos de luces.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA-ELECTRONICA
Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste reducido acumulación difícil
Órganos de mando: Ordenador, Autómata programable.
Órganos de trabajo:Movimientos rotativos ���� motor���� Excelente rendimiento
Velocidad limitadaMovimientos lineales ���� electroimanes
Motores lineales
Ejemplos Típicos: Cualquier proceso industrial.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
AUTOMATIZACIÓN MIXTA
En un campo de actuación concreto no se encuentra una
técnica de automatización en solitario, funcionan varias
técnicas a la vez íntimamente relacionadas, unas como
órganos de mando, otras como órganos de trabajo, siendo la
propia aplicación quien efectúa la selección.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Criterio Neumática Hidráulica ElectricidadFuerza lineal Fuerzas limitadas, debido a
la baja presión y aldiámetro del cilindro(50.000 N). Produce fuerzaen reposo sin consumo deenergía.
Grandes fuerzasutilizando alta presión.Produce fuerza enreposo con consumode energía.
Mal rendimiento; granconsumo de energía en lamarcha en vacío. Noproduce fuerza en reposo.
Fuerzarotativa
Par de giro en reposotambién sin consumo deenergía.
Par de giro también enreposo, originándoseconsumo de energía.
Par de giro más bajo enreposo.
Seguridadfrente a lassobrecargas
Sí, se para. Vuelve amoverse cuando se eliminala sobrecarga.
Sí, se para. Vuelve amoverse cuando seelimina la sobrecarga.
No, se estropea.
Movimientolineal
Generación fácil; altaaceleración; alta velocidad(1,5 m/s y más).
Generación fácilmediante cilindros;buena regulabilidad.
Complicado y caro.
Movimientorotativo uoscilante
Motores neumáticos conmuy altas revoluciones(500.000 min
-1); elevado
coste de explotación; malrendimiento; movimientooscilante por conversiónmediante cremallera ypiñón.
Motores hidráulicos ycilindros oscilantescon revoluciones másbajas que en laneumática; buenrendimiento.
Rendimiento másfavorable enaccionamientos rotativos;revoluciones limitadas.
Regulabilidad Fácil regulabilidad de lafuerza y de la velocidad,pero no exacta.
Regulabilidad muybuena y exacta de lafuerza y la velocidaden todo caso
Posible sólolimitadamente siendo elgasto considerable
Acumulaciónde energía ytransporte
Posible, incluso enapreciables cantidades sinmayor gasto; fácilmentetransportable en conductos(1.000 m) y botellas de airecomprimido.
Acumulación posiblesólo limitadamente;transportable enconductos de hastaunos 100 m.
Acumulación muy difícil ycostosa, fácilmentetransportable por líneas através de distancias muygrandes.
Comparación de los medios de trabajoentre las diversas técnicas
Influenciasambientales
Insensible a los cambios detemperatura; ningún peligrode explosión; hay peligrode congelación existiendoelevada humedadatmosférica.
Sensible a lasfluctuaciones detemperatura; fugassignifican suciedad ypeligro de incendio.
Insensible a lasfluctuaciones detemperatura; en losámbitos de peligrosidadhacen falta instalacionesprotectoras contraincendio y explosión.
Gastos deenergía
Alto en comparación con laelectricidad; 1 m
3 de aire
comprimido a 6 bar cuestade 0,006 a 0,012 euros.
Alto en comparacióncon la electricidad.
Gastos más reducidos deenergía.
Manejo No requiere deespecialistas ni enejecución ni enmantenimiento. Nopresenta peligros.
Requiere deespecialistas. Precisaconducciones deretorno.
Sólo con conocimientostécnicos; peligro deaccidente; la conexiónerrónea causa a menudola destrucción de loselementos y del mando.
Criterio Neumática Hidráulica ElectricidadFuerza lineal Fuerzas limitadas, debido a Grandes fuerzas Mal rendimiento; gran
Comparación de los medios de trabajoentre las diversas técnicas
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Las señales de mando son independientes de los órganos receptores
TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO:
OPERARIOCONSIGNASORDENES
SISTEMA DE CONTROL ACTUADORES
PROCESOProducto de
entradaProducto
terminado
Control en lazo abierto:
perturbaciones
El sistema de control no recibe información del comportamiento del proceso
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Las señales de mando dependen de los órganos receptores
TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO:
OPERARIOCONSIGNASORDENES
SISTEMA DE CONTROL ACTUADORES
PROCESOProducto de
entradaProducto
terminado
Control en lazo cerrado:
perturbaciones
sensores
Existe una realimentación a través de los sensores al sistema de control
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:
- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.
- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.
- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.
- NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
- ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS
- FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO
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Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
Ejemplo: Almazara
PATIO
Batidora
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
Ejemplo: Almazara
PATIO
Batidora
Islas de automatización
Gestión ?
Control ?
Todos los dispositivos y sistemas deben estar
integrados en una solución automatizada
conjunta, donde se alcance la uniformidad en
el almacenamiento de datos, configuración,
programación e incluso la comunicación.
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
Ejemplo: Almazara
Arquitectura integradora
Automatización del Sistema Gestión
Arquitectura Integradora del Sistema
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Planificación y Control
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Debe de haber una arquitectura integradora que enlace los diferentes aspectos que nos podamos encontrar mediante uno/ o varios sistemas de comunicación que permita la interrelación entre ellos
Es, decir si se desea tender a una gestión integral es necesario que todos y cada uno de los aspectos de la gestión sean concebidos para su intercomunicación con el resto.
Arquitectura Integradora del
Sistema
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Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida
Nivel de Célula
Nivel de campo
“Situacion actual” de la tecnología de automatización
Ejemplo: Almazara genérica
Fabrica
Áreas
Células
Maquinas
- Se subdivide la fabrica en Áreas funcionales.
- Cada área se divide en tareas coherentes autónomas (células).
- Cada célula se puede dividir en células más pequeñas hasta llegar a nivel de maquina.
Así se puede diseñar el control de cada parte para que tenga unarespuesta eficiente y la existencia de fallos no haga caer al sistema
- Se describe el funcionamiento de cada áreas, con entradas y salidas eléctricas, así como las necesidades de comunicación con otros elementos.
- Se define la arquitectura integradora
Ejemplo: Almazara genérica
ALMAZARA
ÁREASFÁBRICA
Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas
Caldera
Oficinas
Bodega
Fábrica
Patio
ALMAZARA
CÉLULASÁREASFÁBRICA
Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas ���� Células
Línea de recepción patio
Área patio
Línea de recepción patio
Ejemplo: Almazara genérica
Varias líneas en paralelo haciendo la misma función � células
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Célula de CalefacciónCaldera
Célula de AdministraciónOficinas
Célula de Almacen. de AceiteBodega
Célula de Aclarado
Línea de Extracción n
........
Línea de Extracción 2
Línea de Extracción 1
Fábrica
Almacen. previo Molturación
Báscula de Pesaje de Camiones
Línea de Recepción n
........
Línea de Recepción 2
Línea de Recepción 1
Patio
ALMAZARA
CÉLULASÁREASFÁBRICA
Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas ���� Células
Célula de CalefacciónCaldera
Célula de AdministraciónOficinas
Célula de Almacen. de AceiteBodega
Célula de Aclarado
Línea de Extracción n
........
Línea de Extracción 2
Línea de Extracción 1
Fábrica
Almacen. previo Molturación
Báscula de Pesaje de Camiones
Línea de Recepción n
........
Línea de Recepción 2
Línea de Recepción 1
Patio
ALMAZARA
CÉLULASÁREASFÁBRICA
Ejemplo: Almazara genérica ���� Áreas ���� Células ���� Maquinas
Célula: Línea de recepción patio
Ejemplo: Almazara genérica
Máquinas Lavadora
Limpiadora
etc
xx xx xx
xx xx xx
Xx xx xx
Sensores Actuadores TAG
Célula: Línea de recepción patio
Ejemplo: Almazara genérica
Lavadora
Limpiadora
etc
xx xx xx
xx xx xx
xx xx xx
Sensores Actuadores TAG
Total xx xx xx
Se elige el autómata que controla la célula
Se planifica las comunicaciones
PLANO DE LA INSTALACION
Ejemplo: Almazara genérica
FLUJO DE DATOS
Se debe describir el flujo de datos de las diferentes estaciones conectadas.
Para cada flujo:
- Mostrar el volumen y la frecuencia
- Calcular el ancho de banda necesario
Para crear grupos y, de este modo, determinar el uso de los conmutadores, se debe crear una tabla con todas las estaciones
redundancia
Ejemplo: Almazara genérica
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Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuidaCELULA
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articulan las estrategias de automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
Características de la solución buscada:
•Alta disponibilidad y recuperación entre caídas.
• Posibilidad de escalar en forma horizontal y vertical
• Administración centralizada
• Fácilmente implementable
• Alto nivel de modularidad
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Necesario la realización de un estudio de implantación
previo, ya que se deben identificar los procesos
autónomos, asignar elementos a cada proceso y diseñar el
modelo de intercomunicación para responder a las
necesidades del problema planteado.
Solución de costoso crecimiento si no se acierta en la
elección de los componentes.
Desventajas:
Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
Fabrica
Áreas
Células
Maquinas
Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
Sistemas participantes diferentes mas importantes:
Autómatas programables
Comunicación industrial
SCADA
Software industrial (de programación autómatas, etc)
1970-1980 control centralizado
Grandes autómatas
E/S
E/S
•Lógica solo en el controlador
•No hay ninguna tolerancia a fallos del PLC
•Posibilidad de escalar limitada
E/S
Área 3Área 2
Área 1
Historia del control
PLC
1990’s Aparecen islas de automatización
PLC
PLC
1997 Empiezan a aparecer buses de comunicación Industrial.
La tolerancia a fallos aumenta.
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas simples
Se puede escalar
horizontalmente y
verticalmente
Historia del control
PLC
2000 Se desarrollan los ordenadores industriales.
PLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas simples
Nivel: Gestión
Ethernet Industrial
Historia del control
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PLC
2000 Se desarrollan los ordenadores industriales.
PLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas simples
Nivel: Gestión
Ethernet Industrial
ASI HART
Nivel: Actuador/Sensor
Historia del control
PLC
2000 Se desarrollan los ordenadores industriales.
PLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel: Actuador/Sensor
Estado de la
automatización:
Control descentralizado con
Inteligencia distribuida
PLCPLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Maquinas simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel: Actuador/Sensor
Mantenimiento
Produccion
Sistemas Distribuidos PLCPLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Maquinas simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel: Actuador/Sensor
Mantenimiento
Produccion
PLCPLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Maquinas simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel: Actuador/ Sensor
Mantenimiento
Produccion
Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto sobre el que se articulan las estrategias de automatización
Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
¿Qué elementos principales participan en esta arquitectura?
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Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Sistemas participantes diferentes más importantes:
Autómatas programables
Comunicación industrial
SCADA
Software industrial
Nivel Físico
Protocolo
Sensores
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:
- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.
- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.
- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.
- NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
- ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS
- FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO