Diseo y Automatizacin Industrial

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    DISEO Y AUTOMATIZACIN

    INDUSTRIAL

    Pere PonsaAntoni Granollers

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    Diseo Industrial. Pere Ponsa, Toni Granollers. Diseo y automatizacin industrial

    2 Diseo y automatizacin industrial 2.1 Objetivos 2.2 Sistemas de automatizacin 2.3 Fases para la puesta en marcha de un proyecto de automatizacin 2.4 Clasificacin de interfaces persona-mquina 2.5 Diseo de panel de mando para automatismos y mquinas industriales 2.6 Creacin de prototipos 2.7 Referencias 2.1 Objetivos 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. 2.2 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.

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    Diseo deproductos

    Diseo deplantas

    Diseo deprocesos

    Diseo deprogramas

    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

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    resolver en este tipo de industria es la planificacin y gestin de la produccin: asignacin de tareas a mquinas, diseo del layout de la planta, sistemas flexibles que fabriquen diversos productos, polticas de planificacin cercanas a la optimizacin, etc. En cuanto a la industria de procesos (continuous manufacturing), existen fbricas de productos de naturaleza ms o menos continua, como la industria petroqumica, cementera, de la alimentacin, farmacutica, etc. Dentro del proceso de fabricacin de estas industrias, se investiga en nuevas tecnologas, para la obtencin de nuevos catalizadores, bioprocesos, membranas para la separacin de productos, microrreactores, etc. En este tipo de industria, destacan la aplicacin de algoritmos de control avanzado, - como, por ejemplo, el control predictivo -, o la formacin experta de operarios de salas de control mediante simuladores. Respecto a las necesidades de automatizacin, la industria de procesos tiene un nivel consolidado en cuanto a salas de control con sistemas de control distribuido (DCS), y el uso de autmatas programables para tareas secuenciales o para configurar sistemas redundantes seguros ante fallos, entre otros elementos. No hay que olvidar que las industrias -tanto la manufacturera como la de procesos- realizan grandes esfuerzos en la optimizacin del proceso. Algunas de ellas se centran en el aspecto de la calidad, mientras que otras se centran en el aspecto de los costes. Estos factores -mejora de la calidad del producto y disminucin de costes en la produccin- son los condicionantes fundamentales en estas industrias, y en este sentido la automatizacin industrial contribuye decisivamente desde que a finales de la dcada de los aos setenta apareci el microprocesador, ncleo de los controladores comerciales presentes en el mercado como los autmatas programables, los controles numricos y los armarios de control de robots manipuladores industriales. En cuanto a la expresin control de procesos industriales, sta abarca, desde un punto de vista acadmico, la teora de control bsica de realimentacin y accin PID, la instrumentacin de control (sensores, actuadores, dispositivos electrnicos, etc.), la aplicacin a procesos industriales (como, por ejemplo, la mezcla de componentes en un reactor qumico), las diversas arquitecturas de control (centralizado, distribuido), las estructuras de control (feedback, feedforward, cascada, etc.) y la teora de control avanzada (control predictivo, control multivariable, etc.), por citar algunos de los aspectos ms relevantes. Cindonos a los algoritmos de control presentes en las industrias citadas, cabe destacar el control secuencial y la regulacin continua. El control secuencial propone estados (operaciones a realizar para la transformacin de la materia prima en producto) y transiciones (informacin relativa a sensores o elementos lgicos como temporizadores o contadores) en una secuencia ordenada que identifica la evolucin dinmica del proceso controlado. En la regulacin continua, mediante la estructura de control clsica feedback, se aborda la accin de control proporcional, la accin de control derivativo o la accin de control integral, respecto al error (diferencia entre la consigna y la medida de la variable de salida del proceso) para conseguir as una regulacin adecuada de la variable (temperatura, caudal, nivel, etc.). Respecto a instrumentacin de control, los tres elementos bsicos capaces de llevar a cabo el control secuencial o la regulacin continua dentro del control de procesos industriales son el llamado autmata programable PLC, el ordenador industrial y los

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    reguladores industriales (tanto en versin analgica como digital). Estos tres elementos comparten protagonismo y es frecuente encontrar artculos de opinin donde se comenta el futuro de la utilizacin de los PLC ante las continuas mejoras del control realizado mediante ordenador. Disputas aparte, cada uno de estos elementos halla su aplicacin en la industria actual, y es por ello que la tendencia en los prximos aos sea la de continuar utilizando estos elementos. Durante los casi ya treinta aos de utilizacin de autmatas programables en la industria, conviene destacar su labor eficaz en el control secuencial de procesos. Una de las aplicaciones de mayor xito es la combinacin de autmata programable con la tecnologa electroneumtica. Esta combinacin ha permitido ofrecer soluciones de automatizacin basadas en el posicionamiento, la orientacin y el transporte de material dentro de la planta, y es de gran ayuda en las tareas realizadas por otros elementos, como por ejemplo el robot manipulador industrial. Los reguladores industriales son dispositivos generados de forma clara para la regulacin continua de variables. Durante aos, el regulador analgico tradicional ha sido el elemento capaz de controlar procesos en los que se requiere el control de temperatura, el control de caudal, o el control de presin, todos ellos ejemplos tpicos de la ingeniera qumica. Con los avances en la electrnica digital y la informtica industrial, los reguladores han pasado a ser controladores digitales autnomos, polivalentes desde el punto de vista de que se adaptan a un rango de tensiones y corrientes habituales en la automatizacin industrial, por lo que un mismo controlador est condicionado para la regulacin de diversas variables. Adems, hoy en da disponen de bloques lgicos de programacin de forma que tambin pueden hacer frente al manejo de sistemas secuenciales. Una arquitectura abierta de estos controladores facilita la implementacin de estructuras de control tipo cascada, o arquitectura de control distribuida mediante un bus de campo orientado al control de procesos, como por ejemplo el bus MODBUS. El ordenador aparece en el control de procesos industriales a mediados de la dcada de los aos cincuenta en la forma de control centralizado, una arquitectura en desuso hoy en da. Ya entonces el ordenador dispona de unas funciones, que siguen estando muy presentes en las industrias actuales: monitorizacin, vigilancia, control y supervisin. El ordenador es tan polivalente que puede utilizarse por s mismo como elemento regulador de procesos sencillos, como por ejemplo mediante tarjeta de adquisicin de datos AD/DA, y con el software adecuado, se pueden regular la temperatura y el nivel de un tanque en el que fluye un cierto caudal de agua entrante y saliente. Por otra parte, mediante la utilizacin del puerto de comunicaciones RS-232C, el ordenador puede conectarse fsicamente al autmata programable, al controlador digital autnomo, o al armario de control de un robot manipulador industrial, y as ampliar las posibilidades de interaccin entre estos elementos. Finalmente, y gracias al desarrollo de las comunicaciones industriales, el ordenador puede formar parte de redes de ordenadores jerarquizados mediante la utilizacin de un bus de bajo nivel (bus AS-i), un bus de campo (PROFIBUS, CAN, por ejemplo) o una red de rea local (Ethernet industrial). 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

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    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. 2.3 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

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    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.

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

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    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.

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    Representacin grfica de la gua GEMMA

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    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 del automatismo. - Traduccin de GRAFCET a lenguaje de programacin. 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.

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    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.

    Centrando el tema de nuevo en la gua GEMMA, es conveniente no perder de vista las fases de supervisin e interaccin, ya que en este libro se considera que la fase de automatizacin ya est realizada previamente, mientras que las fases de implementacin y pruebas pertenecen al dominio prctico del puesto de trabajo. As, el operario encargado de llevar a cabo la puesta a punto de la gua GEMMA tiene una tarea interna ms restrictiva. Si hace frente a un problema complejo, lo dividir y afrontar de forma modular, y de forma iterativa ir completando el anlisis hasta obtener una gua adaptada al problema en cuestin. Para mostrar en detalle las tareas de este operario la siguiente figura se acerca a los diagramas caractersticos que aparecen en las referencias bibliogrficas sobre supervisin. El operario vigila el proceso controlado y puede decidir intervenir en el momento oportuno mediante la actividad sobre el panel de mando; la tarea del operario se complementa con su acceso al proceso para resolver in situ problemas de la produccin.

    OperarioSupervisin

    Interaccin

    PANEL DEMANDO

    Automatizacin

    AUTOMATISMO

    PROCESO

    Informacin

    Transicin

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    2.4 Clasificacin de interfaces persona-mquina Las HMI human-machine interfaces destinadas a la automatizacin industrial se pueden clasificar en dos grupos: de supervisin de procesos (basadas en SCADA Supervisory Control and Data Acquisition) y las de manejo y visualizacin a nivel de mquina (basadas en paneles). A su vez las HMI de manejo y visualizacin a nivel de maquina se subdividen en dos grupos: paneles mviles y estacionarios.

    Teach pendant para robot industrial El teach pendant en robtica industrial es un tipo de interfaz HMI diseada para la programacin y verificacin de los programas a ejecutar por parte del robot industrial.

    Supe

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    Sistema SCADA

    Paneles mviles Paneles estacionarios

    Paneles Touch Button

    Micro paneles Multi paneles Panel PCs

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    De los diseos anteriores basados en un display que solo mostraba una linea de instrucciones, se ha pasado a displays que muestran mens desplegables. Esta interfaz acoge la tarea del operario en robtica que debe programar el robot en la tarea industrial programada, por lo que la interaccin entre el operario, el robot y diversos elementos de automatizacin lleva consigo la mejora de la interfaz en cuanto a manejo. Aqu se mezcla la aplicacin de normativas de seguridad en mquinas junto al diseo ergonmico eficaz.

    Una de las ltimas funcionalidades aadidas a los teach pendant de robots industriales es la posibilidad de considerar la situacin de pnico. Habitualmente el operario disponia de la palanca dead man, palanca que deba mantenerse presionada en el teach pendant mientras se haca mover cada uno de los ejes del robot. Al dejar de presionar dicha palanca, el robot dejaba de moverse para prevenir una posible colisin entre operario programador y el robot. Considerando que en una situacin de emergencia, la tendencia del operario en situacin de pnico es apretar con ms fuerza dicha palanca, se descubri experimentalmente que seguan producindose accidentes, por lo que a las dos posiciones anteriores se aade un tercer estado, el de pnico, de forma que cuando el operario apreta desmesuradamente la palanca, el sistema interpreta que hay una inminente situacin de accidente, por lo que se bloquea tambin los movimientos del robot industrial. Tablet PC Las Tablet PCs son equipos porttiles conectados al equipo principal mediante un sistema Wireless, y que permite que el operario, movindose libremente en planta, pueda acceder a la informacin, adquirirla, tratarla y compartirla o enviarla a la aplicacin grfica que se encuentra en la sala de control principal.

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    El dispositivo como puede observarse en la siguiente figura, se trata bsicamente de un panel de dimensiones ms que aceptables (unas 14, es decir, las mismas dimensiones que las antiguas pantallas de ordenadores de sobremesa) y suficientemente robustos para soportar entornos industriales. Su principal handicap es su ergonoma, pero no tanto por lo que se refiere a su interfaz, porque de hecho funciona como un ordenador de sobremesa con una edicin especial de Windows XP y por lo tanto dispone del mismo entorno grfico que cualquier dispositivo SCADA de la aplicacin, sino por el hecho de no disponer de teclado. Por eso, las soluciones que propone el fabricante se encaminan a asemejar al mximo la Tablet PC a un cuaderno, en el que se puedan tomar anotaciones mediante los clsicos bolgrafos de agenda electrnica.

    Por lo tanto, lo que el fabricante destaca como caractersticas tcnica diferenciadora de estos dispositivos es su facilidad para introducir informacin en la Tablet PC, con la finalidad de cambiar parmetros del sistema y que sean reconocidos y para que en una tarea de supervisin, se puedan tomar anotaciones y que stas puedan ser analizadas a posteriori. Para la introduccin de parmetros, la Tablet PC permite introducir informacin mediante el bolgrafo o bien mediante la propia escritura del operador y que esta informacin sea interpretada. Por ejemplo, en la figura siguiente se puede observar como el dispositivo permite cambiar el valor de algn parmetro del sistema introduciendo el nmero 60 y que debe ser reconocido automticamente por la aplicacin de la Tablet :

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    Si esta interpretacin de la escritura del operario no funcionara correctamente, tambin existe la posibilidad de utilizar el bolgrafo para mecanografiar la informacin a travs de un teclado en pantalla. Si lo que se desea es realizar una anotacin para ser enviada o para tenerse en cuenta posteriormente, pero que en definitiva no requiere que sea interpretada por el sistema, tambin se permite capturar pantallas y realizar anotaciones para ser guardadas como imagen (formato gif o jpeg). La figura siguiente permite observar esta funcionalidad:

    Esta imagen puede guardarse o bien enviarla utilizando la red inalmbrica a una impresora o como archivo adjunto de un mail. En lo que se refiere a la red inalmbrica cabe destacar la utilizacin de la tecnologa Wi-Fi tan extendida en la actualidad en mltiples aplicaciones tanto profesionales como de gran consumo. La Tablet PC dispone de otras caractersticas ergonmicas como el cambio de orientacin de la informacin en pantalla, es decir, permite pasar de formato vertical a formato apaisado. Esto puede ser til porque puede ser ms cmodo utilizar la Tablet

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    en modo vertical cuando el operador se desplaza y en modo horizontal cuando se instala en su soporte (ver figura siguiente):

    Especificaciones del Tablet PC Wonderware

    Display Type Active Matrix Display; Transmissive (indoor), All-

    Vis(indoor/outdoor), Hi-Vis (high resolution) Size/Resolution 10.4-inch 800 x 600 SVGA active matrix color display

    800x600 or 1024x768 Bezel Options Black Aluminum Only PC-Data Pre-Installed Software 3000-tag

    Wonderware InTouch HMI software, Version 9.x

    Operating System Microsoft Windows XP Tablet PC Edition Processor 933 MHz Mobile Intel Pentium III Processor-M

    with Enhanced Intel Speedstep technology Memory N/A Hard Disk Drive 20 GB shock-mounted rotating hard disk Network 802.11 a/b/g Wireless Ethernet External Interfaces 1 PCMCIA (type III), 1 USB, Docking Station Expansion Slots Via Docking Station: Up to 3 serial ports (2 partial),1

    USB , 1 EPP parallel port, 1 SVGA video, 1 AC power connection, 1 keyboard, PS/2

    System Diagnostics Battery status LEDs, HDD activity LED, External Power LED

    Overall Dimensions 270x210x40 (mm) Panel de mando en autobus

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    El panel de mando de la figura ilustra una situacin especialmente diseada. Dentro de los autobuses metropolitanos, en concreto el ejemplo pertenece a los autobuses de la ciudad de Roma, Italia, el propio usuario que se desplaza mediante silla de ruedas puede solicitar la parada del autobs, y accionar el despliegue de la rampa que le permita bajar con la silla de ruedas del autobs a la calle.

    En otras flotas de autobuses metropolitanos, es el conductor del vehculo el que dispone del panel apropiado para facilitar la entrada o salida del vehculo a usuarios con sillas de rueda, pero el problema reside en la falta de visibilidad de la situacin, de manera que el conductor tiene dudas de si realmente el usuario ha finalizado la accin. Panel de mando en ascensor El panel de mando en el interior de un ascensor es un buen ejemplo en el que se ve de forma clara la dificultad de proponer especificaciones de diseo. En primer lugar es importante el contexto (ascensor en establecimiento pblico, ascensor en vivienda, etc.), tipo de usuario (en un hospital se mezcla un gran nmero de usuarios distintos como personal medico, personal de mantenimiento, familiares, el propio usuario, etc.), definir qu funcionalidades debe disponer el panel (botones, displays, interfono, etc.). Como vemos hay una gran cantidad de factores a considerar y muchos ejemplos de paneles en el mercado con caractersticas diferentes. Ello lleva a considerar la necesidad de regular mediante normativa de seguridad, cmo debera disearse un panel de ascensor. A esta idea conviene aplicar conceptos de diseo universal para facilitar el acceso y el uso del panel de mando del ascensor para todos los usuarios.

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    Una metodologa parecida debera contemplarse para la mejora de la accesibilidad y usabilidad de los cajeros automticos. Estos aspectos se escapan de los objetivos del presente libro. La siguiente seccin focaliza el inters en los paneles de mando industriales y de cmo establecer pautas para el diseo ergonmico de los mismos. 2.4 Diseo de panel de mando para automatismos y mquinas industriales Los sistemas persona-mquina estn sujetos a los avances tecnolgicos, de ah que de forma peridica se producen avancen en robtica, controladores lgicos, mquinas industriales, equipos de seguridad, equipos de supervisin, etc. Este escenario dinmico inacabado tambin es aplicable en el caso del panel de mando, y un problema abierto es la creacin de especificaciones genricas para el diseo y la utilizacin de paneles de mando. El panel de mando forma parte del conjunto de dispositivos HMI, interfaces persona-mquina presentes en sistemas de automatizacin industrial (terminales programables, monitor con pantalla tctil, botonera de programacin, terminal mvil en supervisin de plantas industriales). La diversidad de dispositivos se extiende tambin a otros mbitos como por ejemplo en nuestra sociedad y en la aplicacin de tecnologas de ayuda para personas con discapacidad, o en el mbito de la automatizacin de viviendas mediantes equipos domticos. En esta seccin se presenta la integracin de diversas reas como la ergonoma, la ingeniera de la usabilidad y la normativa de seguridad en mquinas, para el diseo de un panel de mando en el que el operario pueda llevar a cabo la fase de intervencin presente en la gua GEMMA. Sirva de ejemplo de cmo a nivel industrial es posible incluir el diseo ergonmico. Especificaciones Actualmente, hay una gran diversidad de paneles, tanto en el mbito acadmico como en el industrial. En el mbito acadmico, algunos fabricantes de sistemas automatizados didcticos ofrecen un panel de mando simplificado basado exclusivamente en funciones bsicas de marcha/paro y parada de emergencia (ver el panel de mando de la figura).

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    Este tipo de panel permite implementar algunos casos de la gua GEMMA pero presenta la limitacin de no ofrecer un panel completo con dispositivos informativos visuales, y, en determinadas situaciones experimentales, algunos controladores son utilizados con finalidades distintas, segn sea la situacin que hay que tratar, ya que se puede reprogramar el algoritmo. As por ejemplo, algunos de nuestros estudiantes de ingeniera han utilizado el botn de Reset en algunas ocasiones como botn de Paro convencional.

    Panel de mando acadmico nicamente formado por controladores sin la presencia de dispositivos informativos visuales DIV

    En el mbito industrial, se encuentran paneles bsicos a pie de mquina o mediante soporte a la altura de los ojos del operario. Si la mquina incorpora diversos componentes perifricos, es fcil encontrar diversos paneles que incorporan pulsadores y selectores a lo largo de la mquina, como por ejemplo para poner en marcha una cinta transportadora, para accionar una subestacin de montaje o para dirigir las actividades de una mquina-herramienta de CNC, por ejemplo. Los paneles con soporte vertical situados en el campo visual del operario incluyen ms elementos, como por ejemplo pulsadores con LED indicador incorporado, selectores de modo de funcionamiento, o bien diversos LEDS indicadores informativos del estado de funcionamiento de componentes de la mquina. En algunos casos, el panel se complementa con balizas de sealizacin representadas por columnas de LEDS en forma de semforo (luz fija, intermitente, flash) y con incorporacin de seales acsticas (zumbador, sirena). Estos componentes cumplen con diversas especificaciones de seguridad en mquinas, como por ejemplo el grado de proteccin IP 54 o IP 65. Por una parte, el dispositivo debe cumplir ciertas especificaciones para la utilizacin para la que ha sido diseado; por otra parte, estos dispositivos forman parte de mquinas complejas, en que se ampla el sentido de seguridad del dispositivo a la seguridad intrnseca de la mquina que todo fabricante debe prever antes de ofrecerla al mercado. Uno de los aspectos recogidos en estas normas es la asociacin del dispositivo con un color concreto y una finalidad fijada. As, un pulsador de marcha se representa mediante el color verde. El pulsador de paro convencional se representa mediante el color negro. Un pulsador de rearme (Reset), es decir, cuando se suprimen las condiciones anormales y se reestablece el ciclo automtico interrumpido, se representa mediante el color amarillo o el azul. La parada de emergencia se representa con un dispositivo que se llama paro de emergencia y consta de una seta de color rojo dentro de un crculo

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    amarillo, y es de un tamao netamente mayor al resto de pulsadores. El selector de posiciones se representa mediante el color negro, con una pestaa de color blanco. Los dispositivos informativos visuales suelen construirse sobre un chasis plastificado exterior en el mismo color que el que emerge del componente electrnico interior, normalmente un diodo emisor de luz, o led. En este texto, a estos dispositivos indicadores visuales los llamaremos a partir de estas lineas como LEDS para simplificar la notacin. En cuanto a los LEDS indicadores si se dispone de un LED con luz blanca se asocia a una informacin general de servicio, como por ejemplo la presencia de tensin en la mquina. Un LED amarillo (mbar) indica precaucin. Estamos ante una alarma que puede conducir a una situacin peligrosa, como por ejemplo que se indique que la presin est fuera de los lmites habituales de funcionamiento. El LED verde indica que la mquina est preparada para entrar en funcionamiento. El LED rojo indica una situacin de fallo que requiere de la intervencin inmediata del operario. Recientemente han aparecido dispositivos que integran la funcin de controlador e indicador de informacin. Un mismo dispositivo presenta un pulsador con LED incorporado, de manera que cuando se procede a pulsar el dispositivo, se activa el LED correspondiente; cuando el operario deja de presionar el dispositivo, ste retorna a la posicin original y se desactiva el LED. Para obtener ms informacin relacionada con rganos de servicio, color recomendado y aplicacin en el diseo de paneles de mando de mquinas, puede consultarse la nota tcnica de prevencin NTP n. 53 (v. Referencias). Diseo Llegados a este punto, se observa que las normativas correspondientes a la seguridad en mquinas informan de especificaciones sobre los dispositivos, considerados de forma individual. La gua GEMMA, por su parte, indica en la fase de intervencin el panel de mando bsico que necesita el operario para poder ejercer la supervisin. A estos dos factores hay que aadir la aplicacin de la ergonoma al diseo del panel de mando. En las lneas siguientes se presentan una serie de indicaciones que se pueden tener en cuenta para el diseo de paneles de control. En este sentido, los autores consideran que es necesario mostrar pautas que conduzcan a la creacin de paneles de mando sin ambigedades ya que un panel de mando con los dispositivos desordenados puede provocar la duda o la mala interpretacin del procesamiento de informacin que hace el operario e inducir a algn error en la ejecucin de acciones sobre los controladores.1 En primer lugar, una primera distincin: funcionalidades del panel de mando distribuidas horizontalmente y verticalmente (vase la siguiente figura). A nivel horizontal, los dispositivos de informacin visual DIV se sitan en la parte superior del panel y los dispositivos controladores se sitan en la parte inferior del panel. En este sentido, es importante mantener la coherencia. Respecto los LEDS indicadores, se considera que presentan dos estados posibles bsicos (activo, inactivo). En este 1 Para una informacin ms detallada sobre el proceso de informacin del sistema persona-mquina puede consultarse la nota tcnica de prevencin n. 241 indicada en las referencias

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    contexto, se entiende por dispositivos controladores aquellos sobre los que el operario puede ejercer una accin que se transmite al comportamiento del automatismo y del proceso. A nivel vertical, y atendiendo a la representacin grfica de la gua GEMMA, se dispone tres niveles. A la izquierda, se representa la situacin de servicio, en correspondencia con el primer rectngulo de la izquierda que se dibuja en la gua GEMMA (vase la Figura de la gua GEMMA).

    Divisin horizontal del panel de mando

    Divisin vertical del panel de mando

    En el centro, los dispositivos asociados a los modos de marcha y paro convencional. Finalmente, a la derecha, se disponen los dispositivos asociados a la seguridad. Se prefiere no situar el paro de emergencia en medio del resto de dispositivos y se ha situado abajo a la derecha para facilitar la accesibilidad sin ambigedades. Esta agrupacin vertical de controladores y DIV segn una funcionalidad especfica sigue los principios de agrupacin elaborados por los expertos en factores humanos (Caas, 2004). La idea bsica es que la agrupacin de dispositivos DIV y controladores que comparten la misma funcionalidad en un mismo bloque vertical facilitarn el reconocimiento de la situacin por parte del usuario. En este panel, cuando se active el LED de fallo, se est recomendando al operario que active el Paro De Emergencia, de ah que se agrupen estos elementos. La descripcin operativa de funcionamiento normal

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    o anormal ante una emergencia escapan a las pretensiones de este libro ya que conviene abordar la gua GEMMA con mucho ms detalle (Ponsa y Vilanova, 2005). La figura muestra la divisin vertical. En la parte de servicio se dispone un selector (0, 1), de manera que es el propio operario el que procede a poner en servicio la mquina o proceso; el LED blanco indica esta accin. En la parte de modos de marcha/paro el operario dispone de un selector de cuatro posiciones (MAN, 0, CaC, AUT). La ordenacin de modos en el selector de marcha/paro no es aleatoria. El modo 0 separa el lado izquierdo, en el que se selecciona el control manual humano, de los modos a la derecha de 0, que servirn para seleccionar diversos modos de control automtico. En la programacin y puesta en marcha de artefactos (robots, mquinas, automatismos) realizada por un operario es importante llevar a cabo un procedimiento tpico que difiere de aquellas situaciones en las que el operario es experto y acumula centenares de horas de experiencia con el sistema automatizado. La ingeniera de la usabilidad nos ayuda en este sentido. En primer lugar, el operario realiza algunos pasos o etapas en modo manual. Cuando est seguro de los pasos, realiza el programa o ciclo completo. Es el ejemplo tpico de la programacin de un nuevo programa en un robot industrial: el operario valida cada movimiento del robot mediante una accin sobre la botonera de control; cuando finaliza la ejecucin paso a paso, el operario decide que el robot ya puede realizar el programa completo a velocidad moderada. En la figura el modo CaC permite que el operario pueda observar el ciclo completo llevado a cabo por el automatismo sobre el proceso y detenerlo al final para proceder a revisiones y cambios. Una vez el operario est seguro del desarrollo del ciclo, puede escoger el modo automtico AUT del selector. De ah que, de izquierda a derecha se haya ordenado los modos en el selector como MAN, CaC y AUT.2 El modo 0 permite al operario detener la mquina en un instante concreto, sin perjuicio del funcionamiento de la misma. La seleccin de O implicar que se desea parar la mquina al cabo de un instante, en contraste con CaC que significa el paro de la mquina al finalizar el presente ciclo. Las opciones MAN/AUT permiten el paso de control semiautomtico a automtico, y viceversa. El selector se complementa con un pulsador, de forma que realmente el operario primero selecciona y luego valida su decisin presionando el pulsador, y as evita situaciones accidentales que se podran dar de manera fortuita. El LED indicador de color verde informa del funcionamiento. En la parte de seguridad se dispone del paro de emergencia y del pulsador de rearme para el reestablecimiento del ciclo. Los LEDS indicadores mostrados informan de un posible fallo de un dispositivo (en este caso, de un sensor o de un actuador) y de una situacin de alarma (en la que hay que estar precavidos ante un posible agotamiento de materia prima, por ejemplo). Ntese que los LEDS quedan ordenados de izquierda a derecha como en un semforo, verde, mbar, rojo, lo cual facilita que el operario asemeje este escenario a su representacin mental, basada en el sentido comn, y sea coherente con otras representaciones presentes en la sociedad.

    2 Los estereotipos de conducta para interruptores inciden en considerar AUT arriba y MAN abajo, pero en el panel de mando aqu diseado se ha optado por adaptar los tems ARRIBA, ABAJO por IZQUIERDA y DERECHA de forma genrica. Para ms informacin, consltese la nota tcnica de prevencin NTP n. 226.

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    La integracin de las funcionalidades expresadas en forma de niveles verticales y horizontales, junto a las especificaciones de seguridad en mquinas y las situaciones expresadas en la gua GEMMA, permite el prototipo final del panel de mando. Si el proceso de aplicacin de la gua GEMMA es iterativo ello implica que el diseo del panel de mando tambin puede completarse con algn dispositivo ms, tal como se ilustra en el apartado siguiente. Utilizacin Una vez el panel de mando est definido, se puede hacer una asociacin de ideas entre las situaciones presentadas en la gua GEMMA y la intervencin del operario sobre el panel de mando. As, por ejemplo, se va a considerar el panel de mando acadmico del principio de esta seccin. Se quiere llevar a cabo una situacin tpica en la gua GEMMA, que se denomina la marcha por ciclos y paro a fin de ciclo. Sobre el panel didctico el operario dispone el selector MAN/AUT del panel en modo automtico y la validacin se lleva a cabo sobre el pulsador de marcha MARCHA. Ello permite la transicin del estado A1 (estado inicial en reposo) a F1 (estado de funcionamiento normal) en la representacin grfica de la gua GEMMA (ver la figura de la gua GEMMA). Para concretar el paro solicitado a fin de ciclo, se observa que el panel de mando no presenta en el selector la opcin CaC. Una posibilidad de llevar a cabo este paro sera utilizar el pulsador RESET para este fin. Para no crear ambigedades en el uso de este panel de mando se propone una propuesta de mejora con la posibilidad de incluir un pulsador con la finalidad de paro a fin de ciclo CaC. Cabe destacar que el panel de mando comentado puede ser un panel ya diseado por la casa comercial, y as se suministra al cliente, pero cualquier ingeniero tcnico puede adquirir los componentes (caja, etiquetas, pulsadores, selectores, etc.) y generar l mismo un panel de mando a medida.

    Uso del panel de mando acadmico

    En la situacin de la gua GEMMA denominada marcha de verificacin con orden, es habitual que el operario cambie de modo automtico a manual y proceda a la verificacin de acciones paso a paso. Este caso se ilustra mediante la siguiente figura. En el paso 1-2 el operario pasa de modo automtico AUT a manual MAN. En este caso, el pulsador de marcha del panel de mando MARCHA es usado como pulsador de verificacin de las etapas del control secuencial, y esta accin del operario es imprescindible para pasar a la etapa siguiente. Obsrvese que en este panel acadmico el pulsador de marcha ha cambiado de funcionalidad en funcin de la situacin. Este

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    detalle se ha evitado en el panel propuesto ya que puede inducir a una mala interpretacin de la situacin. Para evitar esta duplicidad de finalidades asociadas a un mismo controlador, se propone, por ejemplo, aadir un subpanel opcional.

    Secuencia de uso en el panel de mando acadmico

    En primer lugar, partiendo del panel de control ergonmico de la Figura ZX el operario selecciona el modo manual y valida su decisin sobre el pulsador. A continuacin el operario fija su atencin en el subpanel opcional. El operario selecciona la verificacin en orden/desorden. Obsrvese que el operario debe girar a la izquierda los selectores, el primero para el modo MAN y el segundo para escoger Orden o Desorden, y finalmente validar mediante el pulsador. En la situacin de verificacin en orden, el operario inspecciona visualmente la situacin y dispone de un pulsador para verificar cada una de las etapas del ciclo. En la situacin de verificacin en desorden, el operario puede accionar cualquier dispositivo en el orden que quiera. Por ejemplo, en la figura se representan las acciones sobre dos cilindros neumticos de doble efecto A (A+ avance, A- retroceso) y B (B+ avance, B- retroceso), junto con sus correspondientes sensores finales de carrera (leds a0, a1, bo, b1 respectivamente). El operario puede accionar cualquiera de ellos de forma autnoma, y recibir informacin de la posicin de los cilindros mediante la informacin del activado de los LEDS. El problema subyacente en la situacin de verificacin recogida en la gua GEMMA es que, si la cantidad de dispositivos a accionar por el operario es elevada, entonces el subpanel puede ser complicado de disear. Es recomendable analizar, de todo el proceso/mquina, qu actuadores en concreto nos interesan para proceder al modo de verificacin.

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    Subpanel de verificacin (subpanel adicional)

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    Integracin de subpaneles para la obtencin de panel de mando integrado. Una vez seleccionados algunos actuadores y sensores, se puede generar el subpanel y ubicar los indicadores y controladores. Ntese que, en la propuesta conjunta del panel ergonmico junto con el subpanel opcional, los controladores presentan una sola y clara funcin y no existe el solapamiento presente en el panel acadmico. Se ha optado por representar el panel en forma vertical respetando la funcionalidad de cada uno de los paneles.

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    Intervencin del operario en la situacin de parada de emergencia y posterior solucin

    del problema Otra situacin relevante es el procedimiento a seguir en caso de fallo y/o defecto, en el que en muchas ocasiones, se recurre a la parada de emergencia. Mediante el panel acadmico, esta situacin se ilustra con la secuencia de fotografas de la figura. El operario aprecia un riesgo elevado de dao sobre otros operarios o sobre mquinas y decide intervenir al apretar el paro de emergencia. A continuacin, procede a desenclavar el paro, al tratarse de un componente electromecnico que hay que restituir a la situacin original de forma manual con un giro a la izquierda del dispositivo. A continuacin, el operario pasa el selector de modo automtico a manual. En esta fase, el operario realiza tareas de solucin de problemas, como atender al operario herido, reponer los dispositivos rotos ante un accidente, o cambiar los dispositivos en fallo. Una vez finalizado el problema, el operario debe llevar a cabo una serie de actividades para la reanudacin del ciclo, empezando por utilizar el pulsador de RESET como rearme del sistema. Vuelve a poner el sistema en modo automtico y reinicia la marcha al apretar el pulsador de marcha. Las limitaciones del panel acadmico son evidentes, ya que al existir nicamente dispositivos controladores se carece de informacin bsica que permita ofrecer al operario informacin clara; el operario debe combinar sus acciones sobre el panel con la visualizacin directa de los cambios en la mquina/proceso. En este sentido, el panel de mando de la figura del panel ergo es ms detallado. Si se activa el LED indicador de alarma, el propio operario puede juzgar si la situacin es tan grave como para detener todo el sistema mediante el paro de emergencia, o dejar seguir el ciclo pese a la anomala. Anteponer un LED de precaucin permite al operario estar alerta y dejarle un margen para que elabore su decisin siguiente sin una presin temporal excesiva. En este sentido, este nivel vertical de seguridad del panel podra enriquecerse con un LED que funcionase de modo intermitente o aadiendo un dispositivo de informacin acstico. El LED indicador de fallo aporta informacin sobre el mal funcionamiento de sensores y actuadores claves en el desarrollo del ciclo o su interrupcin.

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    2.5 Creacin de prototipos Una vez se han aplicado criterios de ergonoma, seguridad en mquinas en el diseo del panel de mando, es importante crear prototipos reales para evaluar la usabilidad. Es decir, el fabricante nos ofrece un panel acadmico, como diseadores hemos aportado un nuevo panel de mando ergonmico, deberamos hacer test de uso y satisfaccin del usuario para valorar la calidad de las prestaciones de cada panel, y concluir, o no, que el panel de mando diseado ergonmicamente mejora el panel acadmico, y el operario lo utiliza satisfactoriamente. Crear un prototipo requiere adquirir cada uno de los dispositivos DIV y controladores, y adecuarlos en una caja. En estos momentos, se dispone de una versin beta de panel de mando, tal como se ilustra en la fotografa, y que est perfectamente operativo ya que se integra con el automatismo (PLC).

    Mediante el registro de la actividad del usuario, podemos analizar el uso que hace el usuario del panel diseado y recoger mediante encuesta de satisfaccin la valoracin del uso del panel que hace el usuario. Ello conlleva iterar diversas veces hasta conseguir un prototipo de cierta calidad que permita al usuario llevar a cabo las tareas con eficiencia. 2.6 Referencias CHAVARRIA, R. (2005). Equipo elctrico de mquinas herramienta. rganos de servicio. Colores. Nota tcnica de Prevencin NTP n. 53. . NOGAREDA, C. (2005). Mandos: ergonoma de diseo y accesibilidad. Nota tcnica de Prevencin NTP n. 226. . ONCINS, M. (2005). Mandos y seales: ergonoma de percepciones. Nota tcnica de Prevencin NTP n. 241. .

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    Tompkins, J.A., White, J.A., Bozer, Y.A. y Tanchoco, J.M.A. Planeacin de instalaciones. Editorial Thomson, Tercera Edicin, 2006. Velasco, J. Organizacin de la produccin. Ediciones Pirmide, Madrid, 2007.

    Especificaciones del Tablet PC Wonderware

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