DISEO Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL

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    08-Jan-2016

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El Captulo se centra en los aspectos de diseo de los sistemas de automatizacin. Es decir, desde el planteamiento de metodologas que permiten la aplicacin de tecnologas en al mbito de la produccin industrial, hasta las recomendaciones en forma de diseo ergonmico de interfaces persona-mquina.

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DISEO Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL

2.1 Objetivo

El Captulo se centra en los aspectos de diseo de los sistemas de automatizacin. Es decir, desde el planteamiento de metodologas que permiten la aplicacin de tecnologas en al mbito de la produccin industrial, hasta las recomendaciones en forma de diseo ergonmico de interfaces persona-mquina.

En algunas ocasiones se adopta el punto de vista de diseo centrado en el usuario ya que finalmente es el operario el encargado de realizar tareas de supervisin o control manual, pese a la incesante presencia de automatismos que facilitan la tarea.

Sistemas de automatizacin

La Real Academia de las Ciencias Fsicas y Exactas define la automtica como el conjunto de mtodos y procedimientos para la substitucin del operario en tareas fsicas y mentales previamente programadas. De esta definicin original se desprende la definicin de la automatizacin como la aplicacin de la automtica al control de procesos industriales.

Por proceso, se entiende aquella parte del sistema en que, a partir de la entrada de material, energa e informacin, se genera una transformacin sujeta a perturbaciones del entorno, que da lugar a la salida de material en forma de producto. Los procesos industriales se conocen como procesos continuos, procesos discretos y procesos batch. Los procesos continuos se caracterizan por la salida del proceso en forma de flujo continuo de material, como por ejemplo la purificacin de agua o la generacin de electricidad. Los procesos discretos contemplan la salida del proceso en forma de unidades o nmero finito de piezas, siendo el ejemplo ms relevante la fabricacin de automviles. Finalmente, los procesos batch son aquellos en los que la salida del proceso se lleva a cabo en forma de cantidades o lotes de material, como por ejemplo la fabricacin de productos farmacuticos o la produccin de cerveza.

Diseo de programas

El concepto de proceso est claramente relacionado con los conceptos de productos, programas, as como con la planificacin de plantas, tal como muestra la figura. La estructura organizativa de la empresa debe contar con una clara relacin entre estos conceptos, y para ello el ciclo de diseo est basado en la idea de ingeniera concurrente en la que diversos equipos desarrollan de forma coordinada cada uno de los diseos En concreto es relevante centrarse en qu se va a producir, como y cuando se fabricarn los productos, qu cantidad de producto debe fabricarse, as como especificar el tiempo empleado y el lugar en que se llevarn a cabo dichas operaciones. Estas cuestiones sobrepasan los lmites del presente libro (Tompkins et. al., 2006), (Velasco, 2007).

En este punto es necesario hacer un breve inciso sobre los tipos de industria existentes y los problemas de control que se plantean en cada tipo de industria. Las industrias relacionadas con la automatizacin son bsicamente la industria manufacturera y la industria de procesos. La industria manufacturera (discrete parts manufacturing) se caracteriza por la presencia de mquinas herramienta de control numrico por ordenador como ncleo de sistemas de fabricacin flexible. En esta industria, destaca el uso de estaciones robotizadas en tareas de soldadura al arco o por puntos, pintura, montaje, etc., de forma que en la actualidad la necesidad de automatizacin es elevada si se desea ofrecer productos de calidad en un entorno competitivo. Uno de los temas principales a

Para finalizar este apartado, conviene destacar que la automatizacin contribuye al control automtico del proceso y a relevar de esta tarea al operario, si consideramos que lo que interesa es la substitucin de la persona por un ente automtico. En los complejos

procesos industriales, se ha puesto de manifiesto la necesidad de cambiar del control automtico al control manual por necesidades de reajustes en el algoritmo de control o ante anomalas en el proceso, de forma que la automatizacin est contribuyendo, en un sistema de control abierto, a la intervencin del operario, por lo que en estos casos no se trata tanto de sustitucin sino de cooperacin entre el operario y el controlador.

2.2 Fases para la puesta en marcha de un proyecto de automatizacin

Existen complejos procesos de automatizacin que requieren de la colaboracin entre los diversos departamentos de una empresa (gestin, logstica, automatizacin, distribucin, etc.). En esta seccin se enfoca el problema en concreto en la parte de automatizacin, desde el punto de vista del trabajo que debe realizar el ingeniero/ingeniera tcnica. El marco metodolgico consta de las fases siguientes, que el operario debe realizar: Automatizacin Supervisin Interaccin Implementacin Pruebas

En el caso de llevar a la prctica un proyecto de automatizacin, es necesario seguir las fases de la metodologa presentada, as como indicar el tipo de operario o grupo de ellos encargados de llevar a cabo las fases por separado o el conjunto de ellas.

La figura ilustra la secuencia ordenada de fases. Es decir, si la metodologa quiere llevarse a la prctica hay que seguir paso a paso el mtodo de forma secuencial. Cabe destacar el rol del operario en este esquema. El operario lleva a cabo cada una de las fases; hace la transicin entre una fase y la siguiente, y, finalmente, se encarga de proceder a una iteracin para rehacer el primer ciclo para introducir mejoras.

Las fases que aparecen en el marco metodolgico no son conceptos puntuales; cada uno de ellas puede tratarse en profundidad. A continuacin, se presenta tan slo un breve resumen de cada una de las fases, ya que lo que se quiere constatar es la relacin entre las fases y los aspectos dinmicos intrnsecos de cada fase.

Automatizacin

En esta fase elemental hay que desarrollar los pasos siguientes relacionados con el GRAFCET (Grafo de Estados y transiciones) y la puesta en marcha de automatismos: Observacin del proceso a controlar y generacin del GRAFCET de primer nivel en su descripcin funcional. Seleccin del automatismo (autmata programable, regulador digital autnomo). Seleccin y cableado fsico de sensores y actuadores, con las secciones de entradas y salidas del automatismo. Generacin del GRAFCET de segundo nivel en su descripcin tecnolgica.

En estas lneas, la fase de automatizacin coincide con todas las propuestas que hacen las referencias bibliogrficas bsicas de automatizacin y autmatas programables. En la fase de automatizacin aparecen diversas tecnologas, entre ellas la sensrica y la neumtica, supeditadas a su conexin fsica con el automatismo (autmata programable, por ejemplo). La representacin del control secuencial sobre el proceso se representa mediante GRAFCET. A partir de estas lneas, el GRAFCET generado pasa a denominarse GRAFCET de produccin, en asociacin con el mdulo de produccin.

Una vez la fase de automatizacin ya est consolidada, hay que establecer la fase de supervisin.

Supervision

A continuacin, en esta segunda fase, hay que desarrollar los pasos siguientes:

Hay que reunir el mximo de especificaciones a priori sobre los estados posibles en las que se puede encontrar una mquina o un proceso, segn la experiencia del agente encargado de la automatizacin o segn las peticiones del cliente. Hay que definir los mdulos a utilizar segn la complejidad del problema (seguridad, modos de marcha, produccin) y representar grficamente el caso de estudio mediante los estados y las transiciones de la gua GEMMA (Gua de Estudios de modos de marcha y paro). Para cada mdulo, hay que generar un GRAFCET parcial. Cabe destacar que en el caso de produccin, el GRAFCET de produccin ya se ha generado en la fase de automatizacin, de manera que lo que hay que establecer aqu es la relacin con el resto de mdulos. En el caso del mdulo de modos de marcha el GRAFCET de conduccin promueve la activacin y desactivacin del mdulo de produccin, que normalmente presenta un desarrollo secuencial cclico. Finalmente, mediante el mdulo de seguridad, el GRAFCET de seguridad pertinente vigila los dos mdulos anteriores ante la posible aparicin de fallos o situaciones de emergencia en el sistema automatizado. Los GRAFCET parciales se integran de forma modular y estructurada en un solo GRAFCET general que contemple todos los mdulos enunciados en funcin de la complejidad del problema, mediante las reglas de forzado y las reglas de evolucin. El operario procede a la supervisin cuando est vigilando la evolucin del proceso controlado automticamente, y est atento a la presencia de posibles imprevistos que merezcan activar el mdulo de seguridad e intervenir directamente en el mismo.

Conviene indicar que GRAFCET muestra el control secuencial a modo de etapas de funcionamiento de la mquina/proceso, mientras que la gua GEMMA muestra la

presencia de las acciones del operario humano en forma de estados de parada, funcionamiento y fallo.

Una vez la fase de supervisin ya est consolidada, hay que establecer la fase de interaccin.

Interaccin

En la interaccin entre la supervisin humana llevada a cabo por el operario y el proceso controlado por parte del automatismo, hay que concretar la intervencin del operario mediante el diseo del panel de mando en funcin de las acciones fsicas sobre dispositivos y la recepcin de seales informativas visuales o acsticas.

Los dispositivos concretos a utilizar dependen de los mdulos definidos en la fase denominada supervisin. En concreto, presentamos una disposicin bsica de dispositivos en la siguiente seccin. Para el diseo del panel de mando se utilizan conceptos que aparecen en la normativa de seguridad en mquinas, as como especificaciones ergonmicas y el conjunto de situaciones a tratar mediante la gua GEMMA. La siguiente seccin muestra en detalle esta integracin. En funcin de la complejidad del problema, el operario debe conocer qu dispositivos necesita y si el panel es el adecuado o conviene hacer mejoras.

En automatizacin industrial, existe una gran diversidad de dispositivos, que se engloban en lo que se conoce como interfaz persona-mquina (HMI human-machine interface). La siguiente seccin muestra una posible clasificacin de interfaces persona- mquina en el mbito industrial, mientras que la seccin 2.4 aborda en detalle el diseo de una interfaz para su uso con la gua GEMMA. La comprensin de la fase de interaccin es vital para que el usuario pueda clasificar las diversas situaciones que se dan en el sistema automatizado y procesar la informacin e intervenir con coherencia.

Representacin grfica de la gua GEMMA

Una vez realizadas las fases de automatizacin, supervisin e interaccin, y antes de seguir con el resto de fases, el operario puede rehacer convenientemente cada una de ellas a medida que aumenta el conocimiento experto del funcionamiento del sistema. A continuacin, se procede a las fases de implementacin y pruebas.

Implementacin

Sin duda, sta es la parte ms prctica del mtodo y escapa a las pretensiones de este libro. Son sus pasos ms significativos:

Seleccin del lenguaje de programacin delautomatismo. Traduccin de GRAFCET a lenguaje deprogramacin.

Esta fase requiere las habilidades prcticas del operario en la programacin de automatismos. Respecto a la traduccin de GRAFCET a lenguaje de programacin de autmatas como, por ejemplo, el esquema de contactos-, algunos usuarios utilizan el GRAFCET de tercer nivel en su descripcin operativa. Otros usuarios prefieren pasar directamente el GRAFCET de segundo nivel, en su descripcin tecnolgica, al formato de esquema de contactos. Existe otra posibilidad, que es la formulacin de las etapas y transiciones del GRAFCET en la forma de biestables S/R (S set, R reset). Cabe destacar que el usuario debe respetar las singularidades observadas, ya que cada casa comercial genera su lenguaje de programacin conforme a unas normas propias de diseo, de manera que lo nico que queremos recalcar aqu de forma genrica es que la representacin formal de la gua GEMMA ha de implementarse adecuadamente en el autmata programable correspondiente.

Una vez la fase de implementacin est consolidada, hay que establecer la fase de pruebas.

Pruebas

Una vez implementado el algoritmo general sobre el automatismo, el operario puede verificar dicho algoritmo por partes; vigilar la evolucin del proceso o interactuar con el proceso controlado mediante el panel de mando, e incluso puede emular situaciones de emergencia para analizar cmo responde el sistema automatizado ante la implantacin de la gua GEMMA. Frente a situaciones problemticas, el operario puede depurar los algoritmos parciales, o aadir ms estados que inicialmente no se haban tomado en consideracin y rehacer el algoritmo general.

Evidentemente, para afrontar problemas complejos se recomienda dividir el problema en mdulos funcionales bsicos, y as poder rehacer el algoritmo de forma metdica slo en las partes a rehacer. Conviene tener muy clara la identificacin del aspecto a resolver y clasificar, si es posible, a qu fase corresponde.

La comprensin del mtodo genrico que se acaba de exponer pasa por la amplia experiencia en el sector industrial de la automatizacin y claramente por la puesta en prctica de las ideas aqu expuestas.

La figura anterior muestra las diversas fases secuenciales e iterativas y constituyen un ejemplo de cmo estructurar un proyecto de automatizacin coherente atendiendo a las tecnologas necesarias para su desarrollo. Al incluir una fase de interaccin, debe quedar claro que el operario forma parte del sistema persona-mquina diseado, de ah que una nueva figura puede clarificar el rol de la tarea del operario.

Supervisin

Operario

Informacin

Transicin

PANEL DE MANDO

Interaccin

AUTOMATISMO

PROCESO

Automatizacin

RETROALIMENTACION

La realimentacin tambin referida de forma comn como retroalimentacin3 es un mecanismo por el cual una cierta proporcin de la salida de un sistema se redirige a la entrada, con objeto de controlar su comportamiento.1 La realimentacin se produce cuando las salidas del sistema o la influencia de las salidas del sistemas en el contexto, vuelven a ingresar al sistema como recursos o informacin. La realimentacin permite el control de un sistema y que el mismo tome medidas de correccin con base en la informacin realimentada

Lazo abierto y cerrado

Existen dos tipos de sistemas principalmente. Los no realimentados o de lazo abierto y los realimentados o de lazo cerrado. El lazo cerrado funciona de tal manera que hace que el sistema se realimente, es decir que la salida vuelve al principio para que analice la diferencia y en una segunda opcin ajuste ms, as hasta que el error es 0. Cualquier concepto bsico que tenga como naturaleza una cantidad controlada como por ejemplo temperatura, velocidad, presin, caudal, fuerza, posicin, cuplas, etc. son parmetros de control de lazo cerrado. Los sistemas de lazo abierto no se comparan a la variable controlada con una entrada de referencia. Cada ajuste de entrada determina una posicin de funcionamiento fijo en los elementos de control.

Visin general

La realimentacin es un mecanismo, un proceso donde una seal se propaga dentro de un sistema, desde su salida hacia su entrada, formando un bucle. Este bucle se llama "bucle de realimentacin". En un sistema de control, ste tiene entradas y salidas del sistema; cuando parte de la seal de salida reingresa de nuevo, se le llama realimentacin". La realimentacin y la autorregulacin estn ntimamente relacionadas. La realimentacin negativa, que es la ms comn, ayuda a mantener la estabilidad en un sistema a pesar de los cambios externos. Se relaciona con la homeostasis. La realimentacin positiva amplifica las posibilidades creativas (evolucin, cambio de metas); es la condicin necesaria para incrementar los cambios, la evolucin, o el crecimiento. Da al sistema la capacidad de tener acceso a nuevos puntos del equilibrio. Por ejemplo, en un organismo vivo, la ms potente realimentacin positiva, es la proporcionada por la autoexcitacin rpida de elementos del sistema endocrino y nervioso (particularmente, como respuesta a condiciones de estrs) y desempea un papel dominante en la regulacin de la morfognesis, del crecimiento, y del desarrollo de los rganos. Todos estos procesos son con el fin de salir rpidamente del estado inicial. La homeostasis es especialmente visible en los sistemas nerviosos y endocrinos cuando se considera esto a un nivel orgnico.

Realimentacin positiva y realimentacin negativaLa realimentacin negativa caracteriza la homeostasis y desempea un papel importante en conseguir y mantener la estabilidad de las relaciones. La realimentacin positiva conduce al cambio, es decir, la prdida de estabilidad o equilibrio.

Sistemas abiertos y sistemas cerradosEn ambos casos, parte de la salida, cualquier sistema de salida de informacin de un ordenador, del sistema se vuelve a introducir en el sistema como informacin sobre la salida. La diferencia es que en el caso de realimentacin negativa, la informacin se utiliza para reducir la variacin en cuanto a una norma preestablecida (por eso se le llama negativa) mientras que en el caso de realimentacin positiva, la misma informacin opera como medida para ampliar. La variacin en la salida es, por tanto, positiva en cuanto a la tendencia existente hacia la inmovilidad o turbacin.

Las relaciones humanas pueden considerarse como "bucles de realimentacin". La realimentacin negativa y positiva es ms compleja en los sistemas abiertos que en los sistemas cerrados en los que la homeostasis (ms que cambio o crecimiento) es la norma. En los sistemas abiertos, la realimentacin puede utilizarse para consolidar el sistema (mediante realimentacin positiva, que confirma que el feedforward del sistema es correcto) o para cambiar el sistema (mediante realimentacin negativa que confirma que el feedforward del sistema es incorrecto). La realimentacin positiva produce el mantenimiento o incremento del sistema existente mientras que la realimentacin negativa produce cambio en el sistema. En los sistemas cerrados los cambios se producen en las relaciones internas (un cambio a nivel eI segn el modelo de Bateson). Sin embargo, en los sistemas abiertos hay la posibilidad aadida de un cambio en el sistema en s (un cambio a nivel II). La realimentacin ha sido descrita como el secreto de la actividad natural de los sistemas que se autorregulan (sistemas con realimentacin) requieren de una filosofa propia en la que los conceptos de patrn e informacin son tan esenciales como fueron los de materia y energa al comienzo del siglo.6

Tipos de realimentacin

1. Realimentacin positiva: cuando sale del sistema. La cual tiende a aumentar la seal de salida, o actividad. Ej.: jugando al truco, uno mezcla y luego otro corta, sabe lo que tienen que hacer, si no lo hace, est saliendo del sistema, lo est cortando. Es cuando la norma se muestra ineficaz y hay que cambiarla.

2. Realimentacin negativa: es la que mantiene el sistema funcionando. Devuelve al emisor toda la informacin que necesita para corregir la pauta de entrada. Mantiene el sistema estable y que siga funcionando.

3. Realimentacin bipolar: La cual puede aumentar o disminuir la seal o actividad de salida. La realimentacin bipolar est presente en muchos sistemas naturales y humanos. De hecho generalmente la realimentacin es bipolar, es decir, positiva y negativa segn las condiciones medioambientales, que, por su diversidad, producen respuestas sinrgicas y antagnicas como respuesta adaptativa de cualquier sistema.7

Realimentacin negativaEs la ms utilizada en sistemas de control Se dice que un sistema est realimentado negativamente cuando tiende a estabilizarse, es decir cuando nos vamos acercando a la orden de consigna hasta llegar a ella. Por ejemplos, son casos de realimentacin negativa:

Un automvil conducido por una persona en principio es un sistema realimentado negativamente; ya que si la velocidad excede la deseada, como por ejemplo en una bajada, se reduce la presin sobre el pedal, y si es inferior a ella, como por ejemplo en una subida, aumenta la presin, aumentando por lo tanto la velocidad del automvil.Un sistema de calefaccin est realimentado negativamente, ya que si la temperatura excede la deseada la calefaccin se apagar o bajar de potencia, mientras que si no la alcanza aumentar de fuerza o seguir funcionando. Realimentacin positiva

Es un mecanismo de realimentacin por el cual una variacin en la salida produce un efecto dentro del sistema, que refuerza esa tasa de cambio. Por lo general esto hace que el sistema no llegue a un punto de equilibrio sino ms bien a uno de saturacin. Es un estmulo constante. Por ejemplos, son casos de realimentacin positiva:

En un sistema electrnico. Los dispositivos semiconductores conducen mejor la corriente cuanto mayor sea su temperatura. Si stos se calientan en exceso, conducirn mejor, por lo que la corriente que los atraviese ser mayor porque se seguirn calentando hasta su destruccin si no se evita con algn otro dispositivo que lmite o impida el paso de corriente.Si intercambiamos conectndose una caldera de calefaccin a un sistema preparado para aire acondicionado (fro), cuando la temperatura suba, el sistema intentar bajarla (se activar) a fin de llegar a la temperatura de consigna, que es ms baja, pero encender la caldera en lugar del aire acondicionado, por lo que la temperatura subir an ms en vez de estabilizarse, lo que volver a provocar que la caldera siga funcionando cada vez con ms fuerza

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