semana 1 parte 1 - introduccion a la automatizacion industrial

UNIVERSIDAD “RICARDO PALMA”

FACULTAD DE INGENIERÍA

Escuela de Ingeniería Electrónica

SEMANA 1 – Primera Parte

INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

PROFESOR: ING. HUMBERTO CHONG R.

2012

1

Control Automático - URP Ing. Humberto Chong

1.1 INTRODUCCIÓN

Los términos Automatización Industrial y Control Automático son usados en las

industrias como un equivalente a la optimización, economía y productividad de

un proceso.

Cualquier sistema es susceptible de ser controlado, lo que habría que

especificar es cual es el grado o nivel de automatización impuesto y cuantas

soluciones simples o complejas son viables

Las aplicaciones de la automatización y control automático son el resultado de

varios años de trabajo, tanto de investigadores, fabricantes y usuarios para

buscar mejores caminos en el desarrollo de los procesos industriales.

2

Control Automático Ing. Humberto Chong

• Es la búsqueda por

alcanzar numerosos

“objetivos” que se

presentan en nuestra

vida diaria.

3

¿ Que es un sistema

de control ?


• Se encuentran en todos los sectores

de la industria.

• Cada aspecto de las actividades de

nuestra vida diaria está afecta por

algún tipo de sistema de control.

4

¿ Por qué son importantes los sistemas

de control ?


SISTEMA

DE

CONTROL

OBJETIVOS RESULTADOS

Entradas

o señales actuantes u Salidas

o variables controladas y

El objetivo de un sistema de control es controlar las salidas en alguna forma prescrita mediante las entradas a través de los elementos del sistema de control

u y

Componentes básicos en un sistema de control

5


Objetivos específicos de un Sistema de Control

•Conocer los aspectos básicos relacionados con el modelado de sistema

físicos.

•Conocer las técnicas clásicas de diseño de sistemas de control tanto

continuos como discretos, así como que el alumno sea capaz de evaluar las

posibilidades y limitaciones éstos.

•Conocer los principios de funcionamiento de los elementos involucrados en

los sistemas de control (controladores, sensores, actuadores, etc.), así como

la interconexión entre ellos.

•Conocer los aspectos más importantes involucrados en la implementación

física de los sistemas de control

6


OBJETIVOS ESPECÍFICOS (continuación)

Estabilidad

Seguimiento de referencias

Rechazo de perturbaciones

7


AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES

Producción

Racionalización

Costos operativos

Consumo energético

Control de calidad

8

¿ Porqué

automatizamos ?



¿Dónde va ubicado y cómo se realiza el control de cada Proceso?

¿Cómo se conectan unos controles con otros?

¿Se pueden controlar y/o supervisar procesos desde la gestión de la empresa?

9


¿ Cuando automatizar ?

10

Necesidades

Recuperación de la inversión

EVALUACIÓN

PLANIFICACIÓN

Corto plazo

Proyección


Definir objetivos

Analizar tecnologías

Organizar etapas de

ejecución

Cumplir programas

Evaluar implementación

11

¿ Como

automatizar ?



CRITERIOS PARA UTILIZAR SISTEMAS DE CONTROL EN PROYECTOS

DE AUTOMATIZACIÓN

1. Análisis del nivel de automatización que soporta nuestra planta industrial.

( Planta : Cualquier sistema capaz de ser controlado )

2. Típo de tecnología a aplicar proyectándolo para un desarrollo futuro.

3. Disponer del personal entrenado y calificado para el desarrollo y el

mantenimiento de estos equipos.

4. Tiempo de retorno de la inversión realizada.

12


La Automatización se compone de todas las teorías y tecnologías

encaminadas de alguna forma a sustituir el trabajo del hombre por el de la

máquina.

Conceptualmente, la automatización se basa en una reiterada aplicación del

mecanismo de feedback y, por ello, está en ese sentido relacionada con las

Teorías de Control y de Sistemas.

El tipo de automatización a implantar depende del tipo de proceso a

automatizar: no da lo mismo automatizar un proceso continuo que un proceso

gobernado por eventos.

Los procesos y modelos que existen son:

• Procesos continuos (tiempo continuo y/o discreto)

• Procesos comandados por eventos

• Procesos de fabricación

AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES: Conceptos

13



Algunas teorías, tecnologías y áreas tecnológicas cuyo avance ha

favorecido la evolución de los procesos productivos son las siguientes:

Teorías de Control y de Sistemas

– Teoría de la señal

– Sistemas de eventos discretos

– Máquinas de estado

– Redes de Petri

– Gráficos etapa-transición (grafcet)

– Cartas de estado (statechart)

14



• Tecnologías

– Neumática

– Hidráulica

– Electrónica

– Microprocesadores

– Ordenadores

– Autómatas programables

– Robótica

– Comunicaciones

– Desarrollo del software 15


Instrumentación

y

Control Automático

Electro-neumática

Neumática

Electrónica

Analógica

PLC Sistemas

computarizados

CNC

Electrónica

Digital

Hidraúlica

Electro-hidraúlica

Mandos

Electromecánicos

Tecnologías

16



• Areas tecnológicas

– Automatización de las máquinas-herramienta

– Control de procesos por computador

– Diseño asistido por computador (CAD)

– Fabricación asistida por computador (CAM)

– Fabricación integral por computador (CIM)

– Control de procesos distribuido

– Células flexibles de mecanizado y de montaje

17


Producción

Automatización

Personal

Calificado Supervisores

Técnicos

Operadores

Ingenieros

Gerentes

Necesidad del usuario

18


Estructuras de automatización

Automatización total

La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto

y, por tanto, se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de

equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y

tasas de producción elevadas.

Un ejemplo típico puede ser la fabricación de automóviles, otro ejemplo es la

producción de productos químicos de alta demanda, etc.

La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es

relativamente bajo y hay una diversidad de productos a obtener. En este caso

el equipo de producción es diseñado para adaptarse a la variaciones de

configuración del producto y esta adaptación se realiza por medio de Software.

Un ejemplo podría ser la fabricación de diferentes tipos de tornillos bajo pedido.

Automatización programable

19


Estructuras de automatización

Automatización flexible

La automatización flexible es más adecuada para un rango de producción

medio. Los sistemas flexibles poseen características de la automatización

fija y de la automatización programada. Suelen estar constituidos por una

serie de estaciones de trabajo interconectadas entre si por sistemas de

almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto

por una computadora.

El escalón final es la automatización total de la producción, en la que,

idealmente, la fabricación se realizaría sin intervención humana.

Automatización total

20


Ventajas

• Permite aumentar la producción y adaptarla a la demanda

• Disminuye el coste del producto

• Consigue mejorar la calidad del producto y mantenerla constante

• Mejora la gestión de la empresa

• Disminuye de la mano de obra necesaria

• Hace más flexible el uso de la herramienta

Desventajas

• Incremento de huelgas en la sociedad

• Incremento de la energía consumida por producto

• Repercusión de la inversión en el costo del producto

• Exigencia de mayor nivel de conocimientos de los operarios

Ventajas y Desventajas de la Automatización

21


En el mundo industrial actual la Automatización es prácticamente imprescindible,

debido a los niveles de productividad, fiabilidad y rentabilidad que el mercado

exige a los productos elaborados para ser competitivos.

Antiguamente la automatización se aplicaba sólo al proceso productivo (a las

máquinas), porque era el que más recursos humanos consumía, resultando así

una automatización local. Pero hoy día podemos hablar de una automatización

global ya que se ha extendido no sólo a todos los procesos de la empresa sino

también a los flujos de control que pueden también ser automatizados mediante

buses de comunicación y redes de área local; además, una empresa puede

comunicarse a través de Internet con otras empresas pudiendo crearse de esta

forma redes de empresas extendidas por todo el mundo.

La Automatización en la actualidad

22


Hay muchas áreas y tecnologías que intervienen en la Automatización.

Las más importantes, junto con algunos de sus elementos, son:

• Mecánica

– Herramientas

– Mecanismos

– Máquinas

– Elementos de transporte

• Eléctrica

– Automatismos eléctricos

– Motores eléctricos de c.c. y c.a.

– Cableados de fuerza y de mando

– Aparillajes eléctricos en general

Elementos de la automatización

23



• Tecnología Electrónica

– Controladores analógicos y discretos

– Sensores / Transductores y Transmisores

– Pre accionadores

– Drivers de accionamientos

– Sistemas de Communicaciones

– Telemando y Telemetría

– Sistemas de comunicación inalámbrica

• Neumática y electro-neumática

– Cilindros neumáticos

– Válvulas neumáticas y electro-neumáticas

– Automatismos neumáticos

- Válvulas automáticas de control

24


• Hidráulica y electro-hidráulica

– Cilindros hidráulicos

– Válvulas hidráulicas y electro-hidráulicas

– Automatismos hidráulicos


• Aplicaciones de Control e Informática Industrial

– Controladores de procesos industriales continuos

– Control por computador

– Control lógico programable PLC

– Visión artificial

– Robótica

– Mecatrónica / Control de movimiento

– Células de fabricación flexible

– Software de monitoreo y control

25


– Células de Montaje Automático

– Control Numérico

– Sistemas CAD-CAM (Computer Aided Design & Manufacturing)

– Sistemas CIM (Computer Integrated Manufacturing System)

– Redes y buses de comunicaciones


26


PROCESO PRODUCTIVO

Un proceso productivo es una serie de operaciones que se realizan sobre unas

materias primas (o productos más elementales) para obtener un producto

terminado, listo para su utilización.

Un proceso productivo es un sistema dinámico de control cuya entrada es un

flujo de producto (materias primas) y cuya salida es otro flujo de productos

(productos terminados).

PROCESO

PRODUCTIVO

Materias primas Productos terminados

27


PROCESO PRODUCTIVO

Un proceso productivo se compone internamente de diferentes subprocesos

más simples conectados entre sí, cada uno de los cuales se puede considerar

también como un sistema dinámico de control o proceso.

Los procesos productivos están catalogados como sistemas complejos en la

Teoría de Sistemas.

Cada proceso productivo va asociado a un producto. Si queremos fabricar otro

producto deberemos cambiar el proceso. Sin embargo, para un producto

terminado dado y para la misma materia prima, el proceso puede no ser único:

en general, un mismo producto se puede fabricar de muchas formas diferentes.

28


Tipos de procesos

• Job Shops

• Producción por lotes

• Líneas de producción

• Producción continua

Job Shops

Es un tipo de producción que permite fabricar una amplia gama de productos en

series de tamaño pequeño o mediano. Los productos suelen ser conjuntos de

componentes, posiblemente complicados o de alta tecnología, montados. Se

utiliza para la fabricación de ciertas máquinas herramientas, robots, aviones,

aeronaves y algunos prototipos. Suelen exigir mano de obra muy especializada

y mucho tiempo para el diseño de los procesos y para la preparación de la

maquinaria y los equipos humanos de montaje. Por todo ello, los tiempos de

producción son elevados y los costes también.

29


Job shops

30


Tipos de procesos

Producción por lotes

Está orientada a la fabricación de lotes de tamaño medio de un determinado

producto. La producción de cada lote se hace de una tirada y, una vez

terminado un lote, el departamento de fabricación envía una orden de control

indicando si se puede pasar a fabricar otro lote del mismo o de otro producto,

en función de la demanda.

La maquinaria y el personal han de estar preparados para realizar con

celeridad las operaciones de cambio de lote.

Es quizás el tipo de producción que se emplea para fabricar mayor número de

productos.

Las industrias de calzado, muebles, electrodomésticos, máquina-herramienta

y otras industrias lo utilizan.

31


Producción por lotes

Industria del calzado

Industria de electrodomésticos Industria máquina-herramienta

32


Líneas de producción

Estos procesos son el resultado de la evolución de la producción en cadena,

ideada por Henry Ford. Se utiliza para producir grandes series de unos pocos

productos, que suelen estar formados mediante el montaje de piezas. El

producto se desplaza colocado en cintas trasportadoras, en carros o en otros

elementos de transporte y va pasando por estaciones de trabajo en cada una de

las cuales se le aplica un determinado proceso.

Tipos de procesos

Básicamente hay dos tipos de líneas: líneas de proceso y líneas de montaje. En

las primeras, un producto o materia prima va pasando por distintos procesos

que lo van transformando hasta llegar al producto final. Un ejemplo lo tenemos

en el mecanizado de piezas.

Las líneas de montaje se utilizan para fabricar productos formados por conjuntos

de piezas montados. Ejemplo la fabricación de automóviles, la fabricación de

neumáticos, bombillas, bicicletas, envases de plástico, etc.

33


Líneas de producción

Fabricación de neumáticos

Fabricación de autos

Fabricación de envases de plástico

34


Producción continua

Es el tipo indicado cuando se desea producir pocos productos, de naturaleza

simple (no compuestos de muchas piezas) y en grandes cantidades. Se puede

ver como un flujo continuo de producto sobre el que se van realizando una

serie de operaciones o procesos. Por un lado entra la materia prima y por otro

sale el producto final.

Tipos de procesos

Este tipo de producción se aplica sobre todo en las industrias químicas,

petróleo y gas, minería, papel, tratamiento de aguas, petroquímicas, textiles,

de plástico y de laminación de acero.

Materias

primas

Producto

final

Proceso 1 Proceso 2 Proceso 3

35


Producción continua

36


1.2 CONCEPTOS BÁSICOS EN CONTROL AUTOMÁTICO

Introducción

Teoría de Control Clásica:

Sistemas con una entrada y una salida

Teoría de Control Moderna:

Sistemas de múltiples entradas y salidas

Análisis en el dominio del tiempo ( Variables de Estado ).

Términos:

Plantas Perturbaciones Control realimentado

Lazo abierto Lazo cerrado

Control: Métodos para forzar ciertas variables de un sistema a tomar valores determinados.

Sistema: Combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado.

37


Clasificación de los sistemas

Continuos / discretos

Lineales / no lineales

Variantes / invariantes

Una entrada una salida

Modelado de sistemas lineales

Funciones de transferencia (relación entrada salida, SISO)

Control de sistemas lineales

Teoría clásica de control (funciones de transferencia, SISO)

Teoría de Control Clásica

38


Controlador Actuador Sistema

Sensor

-

+ Referencia Salida

Componentes principales:

• Sistema

• Controlador (Regulador)

• Actuador

• Sensor

Perturbaciones

Acción de control

Flujo de energía

Modelo inverso

Actuador Sistema + Referencia Salida Componentes principales:

• Sistema

• Modelo

• Actuador

Perturbaciones

Acción de control

Flujo de energía

Control por prealimentación (Lazo abierto)

Control por realimentación (Lazo cerrado)

Teoría de Control Clásica

Configuración clásica

39


Herramientas matemáticas

Sistemas/señales continuos

• Ecuaciones diferenciales

• Transformada de Laplace

(función de transferencia)

• Transformada de Fourier

(diagrama de Bode)

Sistemas/señales discretos

• Transformada en z

(función de transferencia)

• Transformada Discreta de Fourier Controlador Actuador Sistema

Sensor Acondicionamiento

(y muestreo)

-

Referencia Salida











• Transformada Discreta de Fourier

Continuo Continuo/discreto

Flujo de energía

40


Diseño e Implementación

Controlador Actuador Sistema

Sensor

-

Referencia Salida

Controladores analógicos

• Electrónicos (Amp. Op.)

Controladores digitales

• Microprocesadores

• Microcontroladores

Interface

Cont./Act.

• Conversión D/A

• Modulación por ancho

de pulso (PWM)

• Lineales

• Todo-nada

Controladores lineales (PID)

Controladores no lineales básicos

• Histéresis Diseño

Implementación

Acondicionamiento (y muestreo)

41


Sistema

x1(t) x2(t) x3(t)

xn(t)

y1(t) y2(t) y3(t)

ym(t)

(y1(t), y2(t),…, ym(t)) = f (x1(t), x2(t),…, xn(t))

Teoría de Control Moderna

Clasificación de los sistemas

Continuos / discretos

Lineales / no lineales

Variantes / invariantes

Múltiples entradas y salidas (MIMO)

Modelado de sistemas lineales

Variables de estado (información mínima para conocer el estado del sistema)

Control de sistemas lineales

Teoría moderna de control (control en variables de estado, MIMO)

42


Teoría de Control Moderna

Configuración moderna

Distribución

Maquinaria o

instalación Accionadores

Adquisición

de Datos

Tratamiento de

los Datos

Dialogo: Hombre - Máquina

Mando de

Potencia

Proceso

Sensor

Control o PLC

Variador de Velocidad

(Control de Motores)

Electroválvula

43


Control de posición de un motor eléctrico

Control de velocidad de un Auto

44


Sistema -

Ec. eléctricas

V(t) Ec. Electro-

mecánicas

w(t) i(t)

r(t) Reg.

corriente -

Reg. velocidad -

Reg. posición -

r(t) Cotrolador De posición

V(t)

dt w (t) i (t) r (t) * * *

Ec. eléctricas

V(t) Ec. Electro-

mecánicas

w(t) i(t)

r(t)

dt

Controlador variables

de estado

w (t)

i (t)

r (t) *

*

*

Control en variables de estado

Control en cascada

r (t) *

Control de posición de un motor eléctrico

45


Controlador (controlador)

Actuador electro -

neumático Sistema

Sensor de velocidad

-

Velocidad de referencia

Velocidad Referencia acelerador

Flujo de energía

Control de velocidad de un Auto

Acelerador Motor

Potencia (kW)

Perturbaciones

Interface

Controlador (controlador)

Actuador electro -

neumático

Sensor de posición

-

Referencia acelerador

Referencia actuador Acelerador

Perturbaciones

Interface

46


CONCEPTOS BÁSICOS EN CONTROL AUTOMÁTICO

PROCESO

CONTROLADO u

y CONTROLADOR

Entrada de

referencia

Señal actuante

Variable

controlada r

Elementos de un sistema de control en lazo abierto

Es la forma mas simple de un control de proceso.

Definiciones de lazo abierto y lazo cerrado

47


SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO

TANQUE DE

GAS NATURAL

A PRESIÓN

CONSTANTE “P”

PI

PL

V2

V1

P1

Ejemplo de aplicación: Gas Natural

Quemador P1 : Suministro de gas desde fuente principal

con una presión P1

48


PROCESO

CONTROLADO

V1

P +

_

PL

Flujo a través de V1

Flujo neto

Flujo de

salida a

través de

V2

Ejemplo de aplicación: Gas Natural – Diagrama de bloques

Flujo neto ( Proceso ) = Flujo de salida – Flujo Val. Control (Net Flow) (Load Flow) (Control Valve Flow)

49


Ejemplo de aplicación: Gas Natural

Objetivo:

Mantener una presión constante “P” en el tanque la cual suministre hacia V2

( válvula de salida) el flujo y presión de gas óptimo para operar un quemador.

Procedimiento:

Si el flujo de salida es conocido, un simple ajuste en PL hasta que

coincida con el de la salida será suficiente.

Al ser iguales estos dos flujos, la presión “P” no variará.

Si el flujo en V1 ó V2 tiende a cambiar con el tiempo, ocurrirá un cambio

en “P”.

Esta es la principal desventaja del lazo abierto.

50


SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO

PLANTA O PROCESO

CONTROLADO

u y MODO DE

CONTROL

Entrada de

referencia Variable

controlada

r

Elementos de un sistema de control en lazo cerrado

ELEMENTO

FINAL DE

CONTROL

MEDICIÓN TRANSMISOR

Detector de error

e +

_

e = Valor Medido – Valor de Referencia

e : Señal de error

Controlador

51


Medición

Elemento primario ( sensor )

Transmisor

Elemento secundario

Controlador

Detector de error + Modo de acción (On/Off, P, PI, PD y PID)

Elemento final de control

Válvula de control

Bomba de velocidad variable

Motores eléctricos

Transportadores

Etc.

Elementos de un sistema de control en lazo cerrado

52


G(s)

H(s)

+

_

Y(s)

y(t)

R(s) U(s)

B(s)

r(t) u(t)

b(t)

Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado

( Sistema de control realimentado lineal )

53


Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado

( Sistema de control realimentado lineal )

Terminología:

R(s) = entrada de referencia ( comando )

Y(s) = Salida ( variable controlada )

B(s) = Señal de realimentación

U(s) = Señal actuante = Señal de error E(s) cuando H(s)=1

H(s) = Función de transferencia de realimentación

G(s)H(s) = L(s) = Función de transferencia de lazo

G(s) = Función de transferencia de la trayectoria directa

M(s) = Y(s) / R(s) = Función de transferencia en lazo cerrado o función

de transferencia del sistema.

54


Cálculo de M(s)

Y(s) = G(s) U(s) ……………..(a)

B(s) = H(s) Y(s) ………………(b)

U(s) = R(s) – B(s)……………..(c)

Reemplazando (c) en (a)

Y(s) = G(s) R(s) – G(s) B(s)….(d)

Sustituyendo (b) en (d) y resolviendo para Y(s)/R(s) se

obtiene la función tranferencia en lazo cerrado:

M(s) = Y(s)

R(s)

G(s)

1 + G(s) H(s) =

55


CONCEPTOS BÁSICOS EN CONTROL AUTOMÁTICO

Unidades de Ingeniería utilizadas en Control Industrial

Variables Unidades

Flujo ( o Caudal ) GPM, Lt/seg, m3/h, Kg/h, SCFH, etc.

Presión Bar, Kg/cm2, psig, psia, Atmósfera, etc

Temperatura °C y °F

Nivel Pies, mts, %, psig, etc.

Ph ph

Conductividad us, umhos

Velocidad rpm

56

semana 1 parte 1 - introduccion a la automatizacion industrial

Documents