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Sistemas de Automatización, Tema 1: Introducción a los Automatismos
26/02/2009
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emas Tema 1: Introducción a los
automatismosSistemas de Automatización
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Temario
1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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emas • 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.
2 Autómatas programables (AP)
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2. Autómatas programables (AP).3. Métodos clásicos de diseño de automatismos.4. GRAFCET. Diseño e implantación en autómatas.5. Introducción a la robótica*.
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Contenido
1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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Sist
emas • 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.
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Definiciones básicas (I)
• Automátic@:– Que obra o se regula por si mismo.
• Automatismo:
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emas – 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.
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Definiciones básicas (II)
• Automática:– Ciencia que estudia la automatización y sus aplicaciones.– Trata de regular, con la mínima intervención humana, el
comportamiento dinámico de un sistema mediante órdenes de mando.
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• 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:
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– Conjunto de equipos que permiten que un sistema funcione de forma automática.
– Ejemplos:
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Definiciones básicas (II)
• Llenado de un deposito:
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Definiciones básicas (II)
• Sistema de calefacción “manual”: :-)
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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.
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• Variables de estado:
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– 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.
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Definiciones básicas (y IV)
• Planta:– El equipo físico que se desea controlar (motor, horno, reactor, etc.)
• Proceso:Conjunto de operaciones que se desean controlar
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emas – Conjunto de operaciones que se desean controlar.
• 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
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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.
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Contenido
1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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emas • 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.
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Evolución histórica (I)
• Griegos y árabes:– [250 a.C.] Lámpara de aceite de nivel constante.– [270 a.C.] Reloj de agua (flotador).
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Evolución histórica (II)
• Revolución industrial:– [1769] Máquina de vapor con regulador automático de velocidad.
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Máquina de vapor (J. Watt, 1769)
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Evolución histórica (y III)
• Revolución “electrónica”:– [1952] El primer amplificador operacional.– [1971] El microprocesador “4004” de Intel.
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Contenido
1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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Sist
emas • 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.
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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.
• Ejemplos:
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• Ejemplos:– 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.
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Tipos de control (II)
• Control en bucle (o lazo) abierto:
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– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el efecto deseado en la variable de salida y(t)
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efecto deseado en la variable de salida y(t).• El regulador no comprueba el valor que toma la salida.• Muy sensible a las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
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Tipos de control (II)
• Control en bucle (o lazo) abierto:
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– La señal de entrada (o referencia) u(t) actúa directamente sobre el controlador (o regulador), para producir, por medio del actuador, el efecto deseado en la variable de salida y(t)
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efecto deseado en la variable de salida y(t).• El regulador no comprueba el valor que toma la salida.• Muy sensible a las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
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Tipos de control (III)
• Ejemplos de control en lazo abierto: Cruce con semáforos
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Lavadora
Agua (dureza?, presión?, temp.?,…)
Detergente (cantidad? )
Tráfico (cantidad?, origen?, destino?,…)
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(cantidad?,…)
Ropa (cantidad?, grado de suciedad ?, color?, …)
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Tipos de control (IV)
• Control en bucle (o lazo) cerrado:
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– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se compara con el valor de referencia u(t).
• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las
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• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
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Tipos de control (IV)
• Control en bucle (o lazo) cerrado:
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– La salida del sistema y(t) se mide por medio de un sensor, y se compara con el valor de referencia u(t).
• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las
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• El regulador podría responder de manera más adecuada ante las perturbaciones que se produzcan sobre la planta.
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Tipos de control (y V)
• Ejemplos de control en lazo cerrado:
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1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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emas • 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.
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Componentes (I)
• Máquinas.
• Sistemas de– manipulación y/o
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emas – transporte de materiales.
• Sistemas de control.
• Recursos humanos.
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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
control
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control.
– 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.
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Componentes (III)
• Tipos de sistemas de manipulación de material:– Carga:
• Mueven la unidad de trabajo hasta las máquinas de producción o equipamiento de proceso.
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– 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.
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Componentes (IV)
• Sistemas de control por computador. Funciones:– Comunicar instrucciones a los operarios.– Control y/o coordinación de los sistemas de
• Manipulación y
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emas • Transporte de material
– Planificación de la producción de la planta.– Diagnóstico de averías.– Control de calidad.– Supervisión de seguridad en los procesos.– …
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Componentes (y V)
• Recursos humanos. Funciones:– Operarios:
• Realizan el trabajo manual o semiautomático.• Controlar el proceso automático.
O d i f á i / d
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emas – Operadores informáticos y/o programadores.
– Personal de mantenimiento.– Otras tareas indirectas.
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1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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emas • 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.
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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
extremo terminadas
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extremo terminadas.• 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.
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– 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.
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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.
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• Sistemas de control para procesos continuos (reguladores):– Analógicos.– Digitales (requieren conversores A/D y D/A).
• Ejemplos:– Químicos, farmacéuticos, metales básicos, petróleo, comida, bebidas,
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generación de energía eléctrica, etc.Químicos Generación de
energía eléctrica
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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.
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emas • Sistemas de control para procesos discretos:
– Lógicos.
• Ejemplos:– Automóviles, aviones, ordenadores, maquinaria y en general, otros
componentes con los cuales estos productos son ensamblados.
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Ensamblaje de piezas
Manutención industrial
Dosificación y embalaje
Transporte del producto
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1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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emas • 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.
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Control en planta de fabricación (I)
• Planta típica de fabricación:
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Zonas Sistemas de control
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Control en planta de fabricación (y II)
• Control todo/nada:– Lógica de control cableada.– Elementos: relés, termopares, …
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emas • Control analógico:
– Circuitos electrónicos analógicos. PID.– Existencia de derivas.
• Control digital con datos muestreados:– Uso de tecnología digital (microprocesadores).– Mayor flexibilidad en el control Sistemas DCS
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Mayor flexibilidad en el control. Sistemas DCS.
• Control de eventos discretos:– Respuesta ante eventos (señales binarias)– Teoría de estados. Sistemas PLC.
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1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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Sist
emas • 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.
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• Según su tecnología de implantación:– Cableado.– Programado o programable.
Clasificación de los automatismos (I)
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emas • Según su capacidad de memoria:
– Estático o Combinacional.– Dinámico o Secuencial.
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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.
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emas • Unidad de control:
– Dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos o electrónicos.
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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.
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emas • Unidad de control:
– Microcontroladores, ordenadores y autómatas programables industriales (APIs), …
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• Según su tecnología de implantación:– Cableado.– Programado o programable.
Clasificación de los automatismos (IV)ng
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as • Según su capacidad de memoria:– Estático o Combinacional.– Dinámico o Secuencial.
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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)
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emas • Características:
– No necesitan memoria.
– Formas de representación:• Tablas de la verdad.• Funciones lógicas.• Diagramas lógicos.• Mapas de Karnaugh
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• Mapas de Karnaugh.
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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).
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emas • Características:
– Necesitan memoria.
– Los estados anteriores se memorizan mediante variables de estado internas:
• Implementadas típicamente mediante biestables (o flip-flops).
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– Formas de representación:• Autómatas finitos.
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1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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Sist
emas • 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.
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Autómata finito (I)
• Definición:– Máquina matemática que permite establecer una relación indirecta
(basada en el concepto de estado) entre las entradas y las salidas.
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emas • 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.
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– Q0: estado inicial
• Función de transición (δ:QxE Q): determina el estado próximo a partir del estado y la entrada actual a medida que evoluciona en el tiempo.
• Función de lectura (λ:QxE S): 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.
• La entrada evoluciona hasta que alcanza un estado estable (estado
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• La entrada evoluciona hasta que alcanza un estado estable (estado presente y futuro son iguales).
– Controlada (síncrona):• Los cambios del estado interno se producen sólo en determinados instantes
de tiempo (señal de reloj).
• Formas de representación:– Tablas de estados o fases.
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– Diagramas de contactos.– Grafos reducidos.– Redes de Petri.– Diagramas de Ladder.– GRAFCET.
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Autómata finito (III)
• Ejemplo:– Centrifugado de una lavadora:
• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.
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Tabla de variablesTambor de la lavadora
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Autómata finito (III)
• Ejemplo:– Centrifugado de una lavadora:
• El tambor de la lavadora gira de forma alternativa de izquierda a derecha.– Representación mediante GRAFCET:
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1. Introducción a los automatismos:– Definiciones básicas.– Introducción a los sistemas de fabricación:
• Evolución histórica.
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emas • 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.
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Ejemplo de un automatismo (I)
• Puerta de acceso al aparcamiento de una comunidad de vecinos.
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debe memorizar el estado del sistema para determinar la acción de control.
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NOTA: La puerta no se puede abrir sin que esté completamente cerrada (y viceversa).
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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, …
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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.
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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, …
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Ejemplo de un automatismo (III)
• Elementos del sistema:– Planta: La puerta metálica.
– Consignas: Abrir y Cerrar puerta. Los usuarios dispondrán de una llave
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Sist
emas para accionar los pulsadores.
– Actuador: Motor (con inversión de giro) conectado mecánicamente a la puerta.
– Sensores: Final de carrera para detectar que la puerta está abierta o cerrada.
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– Automatismo: Sistema electrónico de control que recibe las señales de sensores y pulsadores.
– Tarea: Abrir y Cerrar la puerta a petición del usuario.
Sistemas de Automatización, Tema 1: Introducción a los Automatismos
26/02/2009
Vicente Arévalo, Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática 26
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Ejemplo de un automatismo (IV)
• Diagrama de bloques del sistema:
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• Esquema eléctrico*:– Motor (M).– Sistema de inversión de giro:
• dos relés (K1 y K2).
Ejemplo de un automatismo (V)
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emas – Dos pulsadores accionados por llave (P1 y P2).
– Dos finales de carrera (FC1 y FC2).
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entradasusuariocontrol
salidas
Sistemas de Automatización, Tema 1: Introducción a los Automatismos
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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
(FCC=C)
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(FCC=C)• 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):
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( )– Conjunto de 4 símbolos resultante de combinar estas 2 señales binarias de salida.
– Estados (Q):• “Puerta parada” (0)• “Puerta abriendo” (1)• “Puerta cerrando” (2)
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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)
Se cierra si está abierta (A)
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– Se cierra si está abierta (A)• 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):
– Ninguna señal de salida activada.
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Ninguna 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.
Sistemas de Automatización, Tema 1: Introducción a los Automatismos
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Ejemplo de un automatismo (y VIII)
• Representación:– Mediante tabla de estados:
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• Implantación:– Mediante biestables*:
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