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Sistemas de Automatización, Tema 1:

Introducción a los Automatismos

26/02/2009

Vicente Arévalo, Dpto. de Ingeniería de

Sistemas y Automática 1

y

g e n i e r í a d e S i s t e m a s

Tema 1: Introducción a losautomatismosSistemas de Automatización

D e p a r t a m e n t o d e

I n

A u t o m á t i c a

Vicente Aré[email protected]

y

Temario

1. Introducción a los automatismos:

– Definiciones básicas.

– Introducción a los sistemas de fabricación:

• Evolución histórica.

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Tipos de control.

• Componentes.

• Tipos de proceso.

• Control de una planta industrial.

– Clasificación de los automatismos.

– Concepto de autómata finito (AF).

– Ejemplo de un automatismo.

D e p a r t a m e n t o d e I n



. .

3. Métodos clásicos de diseño de automatismos.

4. GRAFCET. Diseño e implantación en autómatas.

5. Introducción a la robótica*.





26/02/2009



y

Contenido

1. Introducción a los automatismos: – Definiciones básicas.




• Componentes.







I n



y

Definiciones básicas (I)

• Automátic@:

– Que obra o se regula por si mismo.

• Automatismo:


– Máquina o sistema capaz de cumplir funciones de mando, regulación y

control sin que medien agentes exteriores.

• Automatización industrial:

– Utilización de técnicas y equipos para el gobierno de un proceso

industrial, de tal forma que éste funcione de forma automática.








26/02/2009



y

Definiciones básicas (II)

• Automática: – Ciencia que estudia la automatización y sus aplicaciones.

– Trata de regular, con la mínima intervención humana, elcomportamiento dinámico de un sistema mediante órdenes de mando.


• Sistema:

– Conjunto de elementos, físicos o abstractos, relacionados entre si de

forma que modificaciones o alteraciones en determinadas magnitudes

en uno de ellos puede influir en los demás (y viceversa).

• Sistemas de control:


I n



– Conjunto de equipos que permiten que un sistema funcione de forma

automática.

– Ejemplos:

y


• Llenado de un deposito:









26/02/2009



y


• Sistema de calefacción “manual”: :-)



I n



y

Definiciones básicas (III)

• Variables del sistema:

– Magnitudes que definen el comportamiento de un sistema. Su

naturaleza define el tipo de sistema:

• Mecánico, químico, eléctrico, económico, térmico, etc.


• Variables de estado:




– Conjunto mínimo de variables de un sistema tal que, conocido su valor

en un instante dado, permiten conocer la respuesta (variables de

salida) del mismo ante cualquier señal de entrada o perturbación.





26/02/2009



y

Definiciones básicas (y IV)

• Planta: – El equipo físico que se desea controlar (motor, horno, reactor, etc.)

• Proceso:

g e n i e r í a d e S i s t e m a s – onun o e operacones que se esean con roar.

• Perturbación:

– Señal de comportamiento no previsible que tiende a afectar adversamente el

comportamiento del sistema.

• Realimentación:

– Operación que, en presencia de perturbaciones, tiende a reducir la diferencia


I n



entre la salida y la entrada de referencia.

• Sistema de regulación automática:

– Sistema de control realimentado en el que la entrada de referencia y/o la salida

deseada varían en el tiempo lentamente .

y

Contenido






• Componentes.













26/02/2009



y

Evolución histórica (I)

• Griegos y árabes: – [250 a.C.] Lámpara de aceite de nivel constante.

– [270 a.C.] Reloj de agua (flotador).



I n



y

Evolución histórica (II)

• Revolución industrial:

– [1769] Máquina de vapor con regulador automático de velocidad.





Máquina de vapor (J. Watt, 1769)





26/02/2009



y

Evolución histórica (y III)

• Revolución “electrónica”: – [1952] El primer amplificador operacional.

– [1971] El microprocesador “4004” de Intel.



I n



y

Contenido






• Componentes.













26/02/2009



y

Tipos de control (I)

• Sistema de control: – Bucle (o lazo) abierto:

• Sistema de control en el que la salida no tiene efecto sobre la señal de

control.

•


– lavadora, semáforos, horno doméstico, etc.

– Bucle (o lazo) cerrado:

• Sistema de control en el que la salida tiene efecto sobre la señal de control

(utiliza la realimentación para reducir el error).

• Ejemplos:

– calefacción, vitrocerámica, etc.


I n



y

Tipos de control (II)

• Control en bucle (o lazo) abierto:


– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el

controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el




.

• El regulador no comprueba el valor que toma la salida.

• Muy sensible a las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.





26/02/2009



y

Tipos de control (II)

• Control en bucle (o lazo) abierto:


– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el

controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el


I n



.

• El regulador no comprueba el valor que toma la salida.• Muy sensible a las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.

y

Tipos de control (III)

• Ejemplos de control en lazo abierto:Cruce con semáforos


Lavadora

Agua (dureza?,presión?, temp.?,…)

Detergente Tráfico (cantidad?, origen?, destino?,…)




,…

Ropa (cantidad?, grado desuciedad ?, color?, …)





26/02/2009



y

Tipos de control (IV)

• Control en bucle (o lazo) cerrado:


– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se

compara con el valor de referencia u(t).


I n



• regu a or po r a respon er e manera m s a ecua a an e as

perturbaciones que se produzcan sobre la planta.

y

Tipos de control (IV)

• Control en bucle (o lazo) cerrado:


– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se

compara con el valor de referencia u(t).




• regu a or po r a respon er e manera m s a ecua a an e as

perturbaciones que se produzcan sobre la planta.





26/02/2009



y

Tipos de control (y V)

• Ejemplos de control en lazo cerrado:



I n



y

Contenido






• Componentes.













26/02/2009



y

Componentes (I)

• Máquinas.

• Sistemas de

– manipulación y/o


– transporte de materiales.

• Sistemas de control.

• Recursos humanos.


I n



y

Componentes (II)

• Tipos de máquinas:

– Manuales:

• Están directamente supervisadas por un operario.

• La máquina proporciona la fuerza y la energía, y el operario proporciona el

g e n i e r í a d e S i s t e m a s .

– Semiautomáticas:

• Un programa en la máquina ocupa una parte del ciclo y el operario la otra.

– Automáticas:

• Operan largos periodos de tiempo sin intervención del operario.

• Se requiere su vigilancia cada cierto número de ciclos.








26/02/2009



y

Componentes (III)

• Tipos de sistemas de manipulación de material: – Carga:

• Mueven la unidad de trabajo hasta las máquinas de producción o

equipamiento de proceso.


– Colocación y posicionamiento:

• Sitúan la unidad de trabajo en la máquina en una posición determinada.

• Se utilizan cuando se requiere precisión y exactitud.

– Descarga:

• Retiran la unidad de trabajo de la máquina una vez está procesada.

• Realizan su transporte a otra máquina o simplemente la retiran.


I n



y

Componentes (IV)

• Sistemas de control por computador. Funciones:

– Comunicar instrucciones a los operarios.

– Control y/o coordinación de los sistemas de

• Manipulación y

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Transporte de material

– Planificación de la producción de la planta.

– Diagnóstico de averías. – Control de calidad.

– Supervisión de seguridad en los procesos.

– …








26/02/2009



y

Componentes (y V)

• Recursos humanos. Funciones: – Operarios:

• Realizan el trabajo manual o semiautomático.

• Controlar el proceso automático.

g e n i e r í a d e S i s t e m a s – Operadores informáticos y/o programadores.

– Personal de mantenimiento.

– Otras tareas indirectas.


I n



y

Contenido






• Componentes.













26/02/2009



y

Tipos de procesos (I)

• Clasificación (en función de su evolución en el tiempo) : – Procesos continuos:

• Evolucionan de forma continua en el tiempo.

• Las materias primas entran por un extremo del sistema y salen por el otro

g e n i e r í a d e S i s t e m a s .

• Ejemplo: sistema de calefacción.

– Procesos discretos (o de eventos discretos):

• Evolucionan de forma NO continua en el tiempo.

• Las materias primas son elementos discretos que se trabaja de forma

individual, obligando a descomponer el proceso en una serie de estados.

• Ejemplo: mecanizado de piezas con un taladro.


I n



– Procesos discontinuos (o por lotes):• Híbrido de los dos anteriores.

• Las materias primas entran por un extremo en lotes y por el otro extremo

sale el producto acabado.

• Ejemplo: montaje de un ordenador.

y

Tipos de procesos (II)

• Procesos continuos:

– Sus variables (analógicas) toman infinitos valores entre un máximo y un

mínimo.

– Los automatismos que los controlan se denominan reguladores.


• Sistemas de control para procesos continuos (reguladores):

– Analógicos. – Digitales (requieren conversores A/D y D/A).

• Ejemplos:

– Químicos, farmacéuticos, metales básicos, petróleo, comida, bebidas,




generación de energía eléctrica, etc.

QuímicosGeneración deenergía eléctrica





26/02/2009



y

Tipos de procesos (y III)

• Procesos discretos (o de eventos discretos): – Sus variables son señales todo/nada (binarias) que cambian en

instantes concretos de tiempo.

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Sistemas de control para procesos discretos:

– Lógicos.

• Ejemplos:

– Automóviles, aviones, ordenadores, maquinaria y en general, otros

componentes con los cuales estos productos son ensamblados.


I n



Ensamblajede piezas

Manutenciónindustrial

Dosificacióny embalaje

Transportedel producto

y

Contenido






• Componentes.













26/02/2009



y

Control en planta de fabricación (I)

• Planta típica de fabricación:



I n



Zonas Sistemas de control

y

Control en planta de fabricación (y II)

• Control todo/nada:

– Lógica de control cableada.

– Elementos: relés, termopares, …


• Control analógico:

– Circuitos electrónicos analógicos. PID.

– Existencia de derivas.

• Control digital con datos muestreados:

– Uso de tecnología digital (microprocesadores).

–




. .

• Control de eventos discretos:

– Respuesta ante eventos (señales binarias)

– Teoría de estados. Sistemas PLC.





26/02/2009



y

Contenido





• Componentes.







I n



y

• Según su tecnología de implantación:

– Cableado.

– Programado o programable.

Clasificación de los automatismos (I)


• Según su capacidad de memoria:

– Estático o Combinacional.

– Dinámico o Secuencial.








26/02/2009



y

Clasificación de los automatismos (II)

• Automatismo Cableado: – Un automatismo que tiene implantada la ley de control mediante la

unión física de los elementos que constituyen la unidad de control.

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Unidad de control:

– Dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos.


I n



y

Clasificación de los automatismos (III)

• Automatismo Programable (AP):

– Un automatismo que tiene implantada la ley de control como una

secuencia de instrucciones escritas en un programa.

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Unidad de control:

– Microcontroladores, ordenadores y autómatas programables

industriales (APIs), …








26/02/2009



y

• Según su tecnología de implantación: – Cableado.

– Programado o programable.

Clasificación de los automatismos (IV)


• Según su capacidad de memoria:

– Estático o Combinacional.

– Dinámico o Secuencial.


I n



y

• Automatismo Combinacional (AC):

– Sus salidas dependen en cada momento del valor de sus entradas,

independientemente del cual sea el estado inicial.

Clasificación de los automatismos (V)

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Características:

– No necesitan memoria.

– Formas de representación:

• Tablas de la verdad.

• Funciones lógicas.

• Diagramas lógicos.




• apas e arnaug .





26/02/2009



y

Clasificación de los automatismos (y VII)

• Automatismo Secuencial (AS): – Sus salidas dependen de las variables de entrada y del estado inicial

del sistema (esto es, del valor de las entradas en instantes anteriores).

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Características:

– Necesitan memoria.

– Los estados anteriores se memorizan mediante variables de estadointernas:

• Implementadas típicamente mediante biestables (o flip-flops ).


I n



– ormas e represen ac n:

• Autómatas finitos.

y

Contenido






• Componentes.













26/02/2009



y

Autómata finito (I)

• Definición: – Máquina matemática que permite establecer una relación indirecta

(basada en el concepto de estado) entre las entradas y las salidas.

g e n i e r í a d e S i s t e m a s • Formalización:

– Un AF es un sistema de sucesos discretos compuesto de:

• Alfabeto de entrada (E): conjunto finito de símbolos que recibe.

• Alfabeto de salida (S): conjunto finito de símbolos que emite.

• Estados (Q): conjunto finito de estados que resumen la evolución del AF

desde su estado inicial.


I n



– Q0: estado inicial

• Función de transición (δ:QxEQ): determina el estado próximo a partir del

estado y la entrada actual a medida que evoluciona en el tiempo.

• Función de lectura (λ:QxES): determina la salida del AF a partir del estado

y la entrada actual a medida que evoluciona en el tiempo.

y

Autómata finito (II)

• Evolución del estado:

– Autónoma (asíncrona):

• Los cambios del estado interno se producen al presentarse un nuevo

símbolo de entrada.

•


presente y futuro son iguales).

– Controlada (síncrona):

• Los cambios del estado interno se producen sólo en determinados instantesde tiempo (señal de reloj).

• Formas de representación:

– Tablas de estados o fases.




– Diagramas de contactos.

– Grafos reducidos.

– Redes de Petri.

– Diagramas de Ladder.

– GRAFCET.





26/02/2009



y

Autómata finito (III)

• Ejemplo: – Centrifugado de una lavadora:

• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.


Tabla de variablesTambor de la lavadora


I n



y

Autómata finito (III)

• Ejemplo:

– Centrifugado de una lavadora:

• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.

– Representación mediante GRAFCET:









26/02/2009



y

Contenido





• Componentes.







I n



y

Ejemplo de un automatismo (I)

• Puerta de acceso al aparcamiento de una comunidad devecinos.


debe memorizar el estado

del sistema para determinar

la acción de control.




NOTA: La puerta no se puede abrir sin que esté completamente cerrada (y viceversa).





26/02/2009



y

Ejemplo de un automatismo (II)

• Diseño de un automatismo. Pasos:1. Identificar las entradas de la planta:

• Variables a controlar: bomba, motor, piloto, …

• Salidas de control: señal de error, …


2. Identificar las salidas de la planta:

• Variables a partir de las cuales se construyen las funciones lógicas que

rigen las salidas.

• Entradas de control: sensor de temperatura, velocímetros, …

3. Construir las funciones lógicas que rigen las salidas:

a) Las condiciones que hacen que la salida no se active.


I n



b) Las condiciones que hacen que la salida se active.

c) Simplificarlas si es posible y no se pierde la legibilidad del control.

4. Implementar:

• Lógica de relés, PLC, …

y

Ejemplo de un automatismo (III)

• Elementos del sistema:

– Planta: La puerta metálica.

– Consignas: Abrir y Cerrar puerta. Los usuarios dispondrán de una llave

g e n i e r í a d e S i s t e m a s para accionar los pulsadores.

– Actuador: Motor (con inversión de giro) conectado mecánicamente a lapuerta.

– Sensores: Final de carrera para detectar que la puerta está abierta o

cerrada.




– Automatismo: Sistema electrónico de control que recibe las señales desensores y pulsadores.

– Tarea: Abrir y Cerrar la puerta a petición del usuario.





26/02/2009



y

Ejemplo de un automatismo (IV)

• Diagrama de bloques del sistema:



I n



y

• Esquema eléctrico*:

– Motor (M).

– Sistema de inversión de giro:

• dos relés (K1 y K2).

Ejemplo de un automatismo (V)

g e n i e r í a d e S i s t e m a s – Dos pulsadores accionados por llave (P1 y P2).

– Dos finales de carrera (FC1 y FC2).




entradas

usuariocontrol

salidas





26/02/2009



y

Ejemplo de un automatismo (VI)

• Autómata finito: – Entradas (E):

• Una entrada P que agrupa los dos pulsadores con llave (P1 y P2).

• El final de carrera de apertura (FCA =A) y el final de carrera de cierre

=


• Alfabeto de entrada (E):

– Conjunto de 8 símbolos resultante de combinar estas 3 señales binarias de

entrada.

– Salidas (S):

• Accionar el relé de apertura K1 para abrir (señal a) y accionar el relé de cierre

K2 para cerrar (señal c).

• Alfabeto de salida (S):


I n



– Conjunto de 4 símbolos resultante de combinar estas 2 señales binarias de salida.

– Estados (Q):

• “Puerta parada” (0)

• “Puerta abriendo” (1)

• “Puerta cerrando” (2)

y

Ejemplo de un automatismo (VII)

• Autómata finito:

– Función de transición (ley de control) (δ):

• Si la puerta está parada (0) y se acciona la llave (P):

– Se abre si está cerrada (C)

g e n i e r í a d e S i s t e m a s –

• Si la puerta se está abriendo (1):

– Se detendrá (0) cuando se abra completamente (A).

• Si la puerta se está cerrando (2): – Se detendrá (0) cuando se cierre completamente (C).

– Función de salida (λ):

• Si la puerta está parada (0):

– Nin una señal de salida activada.




• Si la puerta se está abriendo (1):

– Señal de apertura (a) activada.

• Si la puerta se está cerrando (2):

– Señal de cierre (c) activada.





26/02/2009



y

Ejemplo de un automatismo (y VIII)

• Representación: – Mediante tabla de estados:


• Implantación:

– Mediante biestables* :


I n



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