AUTOMATISMOS Y CONTROLRamiro Diez Zaera

1.  Introducción a la regulación automática

1.1.  La pirámide de la automatización1.2.  Controladores industriales1.3.  Sistemas de supervisión1.4.  Redes de campo

Conceptos

• automatismo: (RAE)

– 1. m. Desarrollo de un proceso o funcionamiento de un mecanismo por sí solo.

– 2. m. Cualidad de lo que es automático.

• control: (RAE)

– 5. m. Regulación, manual o automática, sobre un sistema.

– 7. m.Mec.Mando o dispositivo de regulación.

Conceptos

• automático, ca (RAE)

– 1. adj. Perteneciente o relativo al autómata.

– 2. adj. Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en parte por sí solo. U. t. c. s.

– 6. f. Ciencia que trata de sustituir en un proceso el operador humano por dispositivos mecánicos o electrónicos.

Conceptos

• regulación (RAE)– 1. f. Acción y efecto de regular.

• regular1 (RAE)– 1. tr. Medir, ajustar o computar algo por comparación o deducción.

– 2. tr. Ajustar, reglar o poner en orden algo. 

– 3. tr. Ajustar el funcionamiento de un sistema a determinados fines.

– 4. tr. Determinar las reglas o normas a que debe ajustarse alguien o algo.

Conceptos

• sistema (RAE)– 2. m. Conjunto de cosas que relacionadas entre sí ordenadamente contribuyen a determinado objeto.

• planta (RAE)– 10. f. Fábrica central de energía, instalación industrial.

• proceso (RAE)– 3. m. Conjunto de las fases sucesivas de un fenómeno natural o de una operación artificial.

1.  Introducción a la regulación automática

• Regulación Automática: es una rama de la ingeniería que estudia el control de un proceso para que funcione de una manera determinada:

– temperatura de un horno

– rumbo de un avión 

– velocidad de un automóvil

– velocidad de un tren de laminación

1. Representación de un sistema de control

• Componentes de un sistema de control

Sistema a controlar

ActuadorRegulador

Sensor

Referencia Control AcciónVariablecontrolada

Medida

Error

Perturbaciones

+

‐

Parte operativaParte de mando

1. Esquema de un sistema de control

– Control de la temperatura de un fluido

Tmáx 0

Referencia

120

Controlador

075º

Resistencia

Equipo de medida

Sensor

Actuador

Depósito

uref ‡‡‡

u

iac

Sistemas Electrónicos de Control

1. Sistemas automáticos de control

– Control de grupo generador con caldera de combustión

1.1.  La pirámide de la automatización

Estaciones de trabajo,PCs

Estaciones de trabajo,PCs

PCs, PLCs

PCs, PLCs, CNCs,Robots, etc.

Sensores,actuadores

Nivel corporativo

Nivel sistema

Nivel área y célula

Nivel campo

Nivel dispositivo

1.2.  Controladores industriales

• Controladores mecánicos

• Controladores electrónicos (basados en amplificadores operacionales)

• Basados en microprocesador:– PIDs industriales

– PLCs (autómatas programables)

– PCs industriales

1.2 Controladores mecánicos

– Regulador centrífugo de Watt

1.2 Controladores mecánicos

– Regulador centrífugo de Watt

1.2 Controladores electrónicos

• PID basado en amplificadores operacionales

+

-

+

-R3

R4

C2C1

R1

R2

e1e2

1.2 Basados en microprocesador

• Reguladores PID (Proporcional Integral Derivativo)

1.2 Basados en microprocesador

• Autómatas programables (PLC)

1.2 Basados en microprocesador

• PC industrial

1.3.  Sistemas de supervisión

• Las instalaciones modernas cuentan con complejos dispositivos de supervisión del funcionamiento del sistema:– Muestran una visión de conjunto

– Permiten una rápida adquisición de gran cantidad de datos relativos al funcionamiento de los diferentes elementos que componen la instalación.

• Estos sistemas pueden realizar diferentes labores de control

• Esta centralización de la información resulta ideal para su utilización el mantenimiento

• En las instalaciones industriales es necesario manejar un elevado volumen de información, por lo que los sistemas de supervisión de plantas suelen adoptar la forma de paquetes informáticos específicos: sistemas SCADA.

1.3. SCADA

• Supervisory Control And Data Acquisition

• Un SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software con acceso a planta, mediante comunicación digital con los instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel con el usuario.

INTERFAZDE USUARIO

UNIDAD DE CONTROL DISPOSITIVO DE CAMPO

1.3. SCADA: Esquema básico

Servidor de datosHMI

1.3. SCADA: interfaz gráfica animada

1.3. Características de un sistema SCADA

• Adquisición y almacenado de datos: comunicación con equipos de campo.

• Representación gráfica y animada de variables de proceso: generación de históricos e informes.

• Sistema de supervisión: – Trabajo en tiempo real.

– Gestión de alarmas.

– Control: modificación de parámetros y consignas de PLCs o reguladores.

• Interfaz gráfica animada configurable entre el operador y el proceso.

1.3. Funciones de un sistema SCADA

• Recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y fiable, correspondiente a la señalización de campo: estados de dispositivos, mediciones, alarmas, etc. 

• Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador: abrir o cerrar válvulas, arrancar o parar bombas, etc. 

• Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis. 

• Aplicaciones en general basadas en la información obtenida por el sistema: elaboración de informes, gráficos de tendencia, historiales de variables, cálculos, predicciones, detección de fugas, etc.

1.4.  Redes de campo

• Las redes de comunicación industriales o los buses de campo se utilizan para comunicar equipos de automatización: controladores, sensores y actuadores.

• Un bus de campo es un sistema de comunicaciones digital, bidireccional y multipunto, montado sobre un bus serie, destinado a los instrumentos y a otros equipos de automatización de plantas

1.4.  Redes de campo

Estaciones de trabajo,PCs

Estaciones de trabajo,PCs

PCs, PLCs

PCs, PLCs, CNCs,Robots, etc.

Sensores,actuadores

Nivel corporativo

Nivel sistema

Nivel área y célula

Nivel campo

Nivel dispositivo

BUS ACTUADOR/SENSOR

BUS DE CAMPO:CÉLULA

RED CORPORATIVARED DE CONTROL/FÁBRICA

BUS DE CAMPO:DISPOSITIVO

1.4. Requerimientos de comunicación

Nivel corporativoy sistema

Nivel área y célula

Nivel campo

Nivel dispositivo

Cantidad Tiempo de Frecuencia de de datos respuesta transmisiones

Mbytes segundos/ horas/díasminutos

Kbytes 100ms - 1s segundos/minutos

Bytes 10ms - 100ms segundos/milisegundos

Bit milisegundos milisegundos

1.4.  Redes de campo

Serie

Red

Salidas

Entradas

Alimentación

E/S

PLC

• Conexión punto a punto

1.4. Redes de campo

Serie

Red

Salidas

Alimentación

E/S

PLC

Entradas

Bus de campo

• Conexión en bus

1.4. Ventajas de los buses de campo

• Ahorro de costes– Minimización del cableado– Facilidad de instalación– Reducción del tiempo de mantenimiento

• Simplificación de la arquitectura• Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes 

procedencias• Añadir o quitar elementos en operación• Distancias operativas superiores al cableado tradicional• Ingeniería a distancia• Puesta en servicio más sencilla• Interfaces normalizadas

1.4. Inconvenientes de los buses de campo

• Son más complejos. Necesidad de personal más cualificado.

• Precios más altos.

• Equipos de mantenimiento más sofisticados (accesorios de diagnóstico).

• Tiempos de respuesta ligeramente superiores.

• Gran número de estándares incompatibles entre sí.

• No se sabe qué estándar prevalecerá. Ciertas inversiones pueden llegar a ser obsoletas con el tiempo.

1.4. Características de los buses de campo

• Medio físico– Cable coaxial, par trenzado o cable específico (4 hilos con blindaje, ...), 

fibra óptica, infrarrojos, radio, etc.• Topología

– BUS, estrella, anillo, malla, árbol

• Método de acceso al medio– Controlado por un equipo único, Maestro/ Esclavo o centralizado– Condicionado por un derecho: Paso de «testigo»– Aleatorio o descentralizado: protocolos CSMA/CD: Carrier Sense

Multiple Access / Collision Detection• Velocidad de transferencia• Tiempo máximo de respuesta• Distancias medias• Número de equipos de proceso conectables

Maestro

Esclavos. . . .

Maestro

Esclavos. . . .

1.4. Método de acceso al medio

Difusión

Pregunta/Respuesta

1.4. Comparativa de buses de campo

Topología Medio de transmisión

Nodos por segmento

Distancia segmento

Velocidad Método de acceso

PROFIBUS Lineal, anillo, árbol

Par trenzado, Fibra óptica, Infrarrojos

127 1200m 9,6 Kbit/s12 Mbit/s

Maestro/esclavo-Paso testigo

INTERBUS anillo Par trenzado, fibra óptica

256 400m 500 Kbit/S Maestro/esclavo

CAN Bus lineal Par trenzado 127 40-1000m

50 Kbit/s1 Mbit/s

CSMA/CD

AS-I Bus, árbol, estrella

Cable 2 hilos 31 100m 167.5 Kbit/s

Maestro/esclavo

WorldFIP Bus lineal Par trenzado, Fibra óptica

32 1900m 31,5 Kbit/s5 Mbit/s

Centralizado

Devicenet Bus lineal Par trenzado, radio

64 500m 125,250, 500 Kbit/s

CSMA/CD

Industrial Ethernet

Bus, estrella Par trenzado, fibra óptica

1024 100m 10, 100 Mbit/s

CSMA/CD