Automatizació1 2222
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Este documento describe la automatización industrial, incluyendo su historia, conceptos clave, técnicas de control y sistemas involucrados. Explica cómo la automatización ha evolucionado desde máquinas simples accionadas por humanos hasta sistemas digitales complejos que controlan procesos industriales. También discute los diferentes tipos de procesos, como procesos continuos, discretos y por lotes, y técnicas de control como regulación automática y control secuencial.
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- 1. Automatización» redirige aquí. Para otras acepciones, véase Wiktionary:es:automatización. Automatización Industrial (automatización; del griego antiguo auto: guiado por uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales. La automatización como una disciplina de la ingeniería que es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores, los transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar, controlar las operaciones de plantas o procesos industriales. Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua por energía humana. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controlados por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC. En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil. La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Por ejemplo, Japón ha tenido necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando encontraron que eran incapaces de adaptarse a los cambios dramáticos de los requerimientos de producción y no eran capaces de justificar sus altos costos iniciales. Para mediados del siglo XX, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llegó a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de cómputo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de 1960s. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales eran exclusivamente computadoras analógicas y computadoras híbridas. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la
- 2. producción e inspección de alimentos. Como un famoso dicho anónimo dice, "para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil remplazar al ser humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento." Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. El más inútil de los seres humanos puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización. Existen un concepto fundamental y muy actual en torno a la Automatización Industrial y es el de DCS (Sistemas de Control Distribuido). Un Sistema de Control Distribuido está formado por varios niveles de automatización que van desde un mínimo de 3 hasta 5. Los mismos de denominan: nivel de campo (donde se encuentran los sensores y actuadores), nivel de control (donde se encuentran los PLCs o las Estaciones de Automatización), nivel de supervisión (donde se encuentran las Estaciones de Operación y los Servidores de Proceso), nivel MES (donde se encuentran PCs con softwares especializados para la distribución de toda la información de planta así como la generación de reportes)y el nivel ERP (donde se encuentran igualmente PCs con softwares especializados para la planificación y administración de la producción de toda la industria o empresa). Computadoras especializadas y tarjetas de entradas y salidas tanto analógicas como digitales, son utilizadas para leer entradas de campo a través de sensores y en base a su programa, generar salidas hacia el campo a través de actuadores. Esto conduce para controlar acciones precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial. (Se temía que estos dispositivos fueran vulnerables al error del año 2000, con consecuencias catastróficas, ya que son tan comunes dentro del mundo de la industria). Las interfaces Hombre-Máquina (HMI) o interfaces Hombre-Computadora (CHI), formalmente conocidas como interfaces Hombre-Máquina, son comúnmente empleadas para comunicarse con los PLCs y otras computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio que monitorea y controla estas interfaces son conocidos como ingenieros de estación y el personal que opera directamente en la HMI o SCADA (Sistema de Control y Adquisición de Datos )es conocido como personal de operación. Otra forma de automatización que involucra computadoras es la prueba de automatización, donde las computadoras controlan un equipo de prueba automático que es programado para simular seres humanos que prueban manualmente una aplicación. Esto es acompañado por lo general de herramientas automáticas para generar instrucciones especiales (escritas como programas de computadora) que direccionan al equipo automático en prueba en la dirección exacta para terminar las pruebas.
- 3. Véase también Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 1 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva 1.- INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 1.1. CONCEPTOS. 1.2. TÉCNICAS DE CONTROL Y MANDO. 1.3. SISTEMAS PARA LA AUTOMATIZACIÓN. 1.4. SISTEMAS P.L.C. 1.1.- CONCEPTOS Automatismo: Sistema que permite ejecutar una o varias acciones sin intervención manual. Automatización: Aplicación de sistemas automáticos en la realización de un proceso.Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 2 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Elementos de un sistema automático PROCESO FUENTE DE ENERGÍA INTERFASE USUARIO ÓRGANOS ÓRGANOS DE
- 4. MANDO/CONTROL ÓRGANOS DE TRABAJO SENSORIALES ACCIONES DESEADAS ACCIONESAutomatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 3 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Acciones Actuación sobre el medio o proceso, con frecuencia son operaciones que se pueden repetir indefinidamente. Suelen ser acciones humanas susceptibles de ser sustituidas por acciones mecánica realizadas por los órganos de trabajo. Fuentes de Energía Las operaciones y movimientos de los sistemas automáticos suponen un gasto energético que ha de ser aportado por un medio externo. Suele denominarse fuente de potencia a aquélla que suministra energía a los órganos de trabajo que actúan sobre el proceso. Las funciones propias del sistema automático también necesitan de un soporteenergético.Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 4 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Órganos de Mando/Control Representa el sistema que decide cuando realizar las acciones, que acciones realizar, y en su caso, el valor que han de tener algunos de los parámetros que definen una acción o tarea.
- 5. Órganos Sensoriales Son sistemas cuya misión consiste en captar o medir determinados valores o magnitudes durante la realización del proceso. Estos órganos proporcionan información a los órganos de mando para que estos puedan dividir consecuentemente. Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 5 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva 1.2.- TÉCNICAS DE CONTROL Y MANDO. Procesos Continuos Las magnitudes que determinan la evolución del proceso cambian de forma continua en el tiempo. Existe una similitud entre los procesos continuos y los sistemas electrónicos analógicos. Ejemplo.- Sistema de llenado de una caldera industrial, se trata de mantener el nivel un líquido. La altura cambia de forma continua. Variable Continua Nivel del líquido Acción continuaAutomatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 6 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Procesos Discretos o Discontinuos Las magnitudes que determinan la evolución del proceso cambian de forma discreta o discontinua y suelen tomar solo determinados valores. El sistema evoluciona mediante eventos. Estos procesos son también conocidos como procesos de eventos discretos. En los procesos discretos se actúa sobre objetos concretos también llamados elementos discretos. Ejemplo- Una cinta transportadora S1 S2
- 6. M1 M2Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 7 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva La cinta se accionará hacia la derecha si S1 detecta la presencia de un objeto al comienzo de la misma, y se detendrá cuando S2 detecte el objeto. La cinta se accionará hacia la izquierda si S2 detecta la presencia de un objeto al comienzo de la misma, y se detendrá cuando S1 detecte el objeto. Las magnitudes que definan la evolución del proceso son: la detección del objeto al comienzo; la detección del objeto al final y la marcha o paro de los motores. Dichas magnitudes solo pueden tomar dos valores, detectado o no detectado, en marcha o parado. S1 S2 M1 M2Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 8 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Procesos por Lotes. Son procesos discretos en los que intervienen más de un elemento o pieza inicial para ser transformados en un solo producto. Regulación Automática. Mecanismos que permiten actuar durante un proceso continuo con el fin de que las magnitudes alcance un valor determinado.
- 7. Cuando este valor se mantiene constante en el tiempo se dice que se está ante un problema de regulación. Cuando este valor varia en el tiempo se dice que se está ante un problema deservomecanismo.Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 9 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Ejemplos.- Problema de regulación: Temperatura constante en una instalación. Problema de servomecanismo: Movimiento de una cámara al seguir un objeto. ºc Temperatura Continua Acción Continua Variable Transmisión calor M θ( )t + _ Sensor Controlador Amplificador Sensor visualAutomatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 10 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Mando de un sistema de Automatización, Control Secuencial El concepto de Automatización industrial suele aplicarse al control de
- 8. procesos discretos. Los órganos de mando reciben información discreta del proceso y proporcionan ordenes discretas sobre los órganos de trabajo. Los sistemas de mando adquieren una estructura secuencial: - El proceso se divide en una serie de estados o estadíos. - Cada estado se activa y desactiva de forma secuencial. - Cada estado activo tiene asociada una serie de acciones.Automatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 11 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva En múltiples ocasiones, en el control de un proceso se ven involucradas magnitudes de naturaleza continua y magnitudes de naturaleza discreta. En estos casos es necesario aplicar estrategias tanto secunciales como de regulación. Es lo que se denomina control híbrido. Ejemplo: ºc Variable Continua Temperatura Continua Tiempo Acción Discreta Acción Continua Variable Nivel del líquido Transmisión calorAutomatización Industrial INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN 12 Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática Universidad de Huelva Control en Bucle Abierto
- 9. Los órganos de mando o control actúan sobre el proceso de acuerdo a unos objetivos previamente establecidos. No existe transmisión de información desde el proceso a los órganos de mando. Ejemplo - Calentar comida en el microondas. Mando Órganos Trabajo Proceso Acciones Calculadas