INTEGRACION DE SISTEMAS AUTOMATIZADOS Ing. LUIS CARLOS MALDONADO La Academia al servicio de la Vida

¿EN QUE CONSISTE LA AUTOMATIZACIÓN? La AUTOMATIZACIÓN consiste en la creación o inserción de sistemas que operan con mínima o sin intervención del ser humano.

ALCANCE DEL CONTROL Y LA AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS Va más allá de la simple mecanización de los procesos: Provee al ser humano mecanismos de ayuda para la realización de los esfuerzos físicos del trabajo. Reduce ampliamente la necesidad sensorial (con sensores) y mental (con computadores o circuitos) del ser humano. Proporciona mayores márgenes de seguridad. Brinda la posibilidad de garantizar la trazabilidad en un proceso para la obtención de un producto determinado.

CAMPOS DE ACCION DE LA AUTOMATIZACION INDUSTRIA ECONOMIA HOGAR CONSTRUCCION TRANSPORTE INFORMACION EXPLORACION MEDICINA OCIO

ENTONCES… ¿EN QUE CONSISTE AUTOMATIZACION INDUSTRIAL? Tecnología que utiliza sistemas o elementos eléctricos-mecánicos basados en computación en la realización de procesos industriales de forma automática y segura sustituyendo a operadores humanos parcial o totalmente Video 1

CRONOLOGIA DEL DESARROLLO COMPONENTES PARA LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL 230 AC 1900 DC 1940 1950 1970 ACTUALIDAD COMPONENTES DE COMUNICACIÓN COMPONENTES INFORMÁTICOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y DE CÓMPUTO COMPONENTES MECÁNICOS

COMPONENTES: TECNOLOGIAS MECANICA Campo que implica el uso de los principios físicos para el análisis, diseño, fabricación y mantenimiento de sistemas mecánicos. En la Ingeniería, mediante la aplicación de los principios físicos, ha permitido la creación de dispositivos útiles, como utensilios y máquinas. Los ingenieros mecánicos usan principios como el calor, la fuerza y la conservación de la masa y la energía para analizar sistemas físicos estáticos y dinámicos, contribuyendo a diseñar objetos

COMPONENTES: TECNOLOGIAS NEUMATICA Tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devolverá la energía acumulada cuando se le permita expandirse, según la ley de los gases ideales.

COMPONENTES: TECNOLOGIAS HIDRAULICA Rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos (agua o aceites) empleándolos como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Todo esto depende de la fuerzas que se interponen con la masa y empuje de la misma

COMPONENTES: TECNOLOGIAS ELECTRONICA Rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos como por ejemplo los semiconductores.

COMPONENTES: TECNOLOGIAS MICROPROCESADORES COMPUTADORES Y OTROS DLP. Máquinas electrónicas que reciben y procesan datos para convertirlos en información útil. Son una colección de circuitos integrados y otros componentes relacionados que pueden ejecutar con exactitud, rapidez las instrucciones indicadas por una persona.

COMPONENTES: TECNOLOGIAS ROBOTICA La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa de su diseño, manufactura y aplicaciones. Un Robot puede ser un objeto virtual o un sistema electromecánico que realiza actividades como las haría un ser humano. La robótica combina diversas disciplinas como: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control.

COMPONENTES: TECNOLOGIAS DESARROLLO DE SOFTWARE Tecnología que se basa en el equipamiento lógico o soporte lógico intangible de una computadora digital. Hace posible la realización de tareas específicas (dirigiendo en algunos casos componentes físicos) por medio de instrucciones y datos a través de diferentes tipos de programas.

Teorías de Control y Sistemas COMPONENTES: TEORIAS Teorías de Control y Sistemas Un campo interdisciplinario de la ingeniería y las matemáticas, que trata con el comportamiento de sistemas dinámicos (sistemas que presentan un cambio o evolución de su estado en un tiempo)

COMPONENTES: TEORIAS Teorías de Señales Teorías que se basan en los medios que cuantifican y describen las características de las señales y su diferencia con el ruido. Señal: la variación de una magnitud física (corriente, voltaje, presión) que se utiliza para transmitir información.

– Sistemas de eventos discretos – Máquinas de estado – Redes de Petri COMPONENTES: TEORIAS ADEMAS DE: – Sistemas de eventos discretos – Máquinas de estado – Redes de Petri – Gráficos etapa-transición (grafcet) – ……

FASES DE LA AUTOMATIZACION DE UN PROCESO INDUSTRIAL PRODUCTIVO El éxito de la Automatización se apoya en tener un enfoque “global” de los problemas. Algunas fases a tener en cuenta son: El proceso a automatizar (las operaciones-los equipos-la planta) Las operaciones y sus variables La medición los sensores los actuadores y el control las comunicaciones seguridad

EL PROCESO PRODUCTIVO Un proceso productivo es una serie de operaciones que se realizan sobre materias primas (o productos más elementales) para obtener un producto terminado, listo para su utilización.

EL PROCESO PRODUCTIVO El proceso productivo se compone internamente de diferentes subprocesos mas simples conectados entre si, cada uno de los cuales se puede considerar también como un sistema dinámico de control o proceso. Estos procesos productivos están catalogados como sistemas complejos en la Teoría de Sistemas, por ejemplo. Video 2 Video 3

EL PROCESO La estructura física de la planta, es una parte intrínseca de la necesidad o problema a solucionar. Por lo tanto, los expertos en automatización deben estar familiarizados con los aspectos físico-químicos del proceso bajo estudio. Esto incluye conocimientos básicos de balances de energía, balances de masas, flujo de materiales en el sistema...

OPERACIONES BASICAS DE FABRICACION Procesado de elemento 1 Materia Prima Montaje Procesado de elemento 2 Almacenamiento Procesado de elemento … Inspección y Control

OPERACIONES BASICAS DE FABRICACION Materia Prima 1 Procesado de elemento 1 Montaje Materia Prima 2 Procesado de elemento 2 Almacenamiento Materia Prima n Procesado de elemento n Inspección y Control

OPERACIONES BASICAS DE FABRICACION Materia Prima Procesado 1 Procesado 2 Almacenamiento Inspección y Control

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MATERIA PRIMA Y PREPARACIÓN DE PASTA 25

TIPOS DE PROCESO PRODUCTIVO Job Shops: Los productos suelen ser conjuntos de componentes, posiblemente complicados o de alta tecnología, y son ensamblados. Se utiliza para la fabricación de ciertas maquinas herramientas, robots, aviones y algunos prototipos. Producto por lotes: Está orientada a la fabricación de lotes de tamaño medio de un determinado producto. Ej: industrias de calzado, muebles, electrodomésticos. Líneas de Producción: El producto se desplaza puesto en cintas trasportadoras, en carros o en otros elementos de transporte y va pasando por estaciones de trabajo en cada una de las cuales se le aplica un determinado proceso. Ej: Industria automotriz. Producción continua: Es el tipo indicado cuando se desea producir pocos productos, de naturaleza simple (no compuestos de muchas piezas) y en grandes cantidades. Ej: industrias químicas, textiles.

LOS OBJETIVOS Identificar las necesidades de automatización y su objetivo (reducción de energía, aumento en producción, disminución de la contaminación, etc.) para determinar la priorización en la medición y control. Conocer y apropiar cada una de las Operaciones Unitarias involucradas en el proceso cerámico. Identificar las variables que intervienen en cada operación y que son susceptibles de medición (indicando su precisión, velocidad, etc.). Conocer los diferentes sistemas y equipos de medición, de acuerdo con las variables manipuladas e identificar las variables de control.

ESTRUCTURAS DE AUTOMATIZACION ¿Qué es lo que vamos a automatizar? ¿un proceso, dos? ¿ y a largo plazo? ¿Dónde va ubicado y como se realiza el control de cada proceso? ¿Cómo se conectan unos controles con otros? ¿Se pueden controlar y/o supervisar procesos desde la gestión de la empresa?

ESTRUCTURAS DE AUTOMATIZACION Automatización fija Se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto y, por tanto, se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento alto y tasas de producción elevadas. Industria Textil

ESTRUCTURAS DE AUTOMATIZACION Automatización programable Se emplea cuando la producción es baja y hay una diversidad de productos a obtener. En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse a la variaciones de configuración del producto y esta adaptación se realiza por medio de Software. Industria de Tornillos

ESTRUCTURAS DE AUTOMATIZACION Automatización flexible Es mas adecuada para un rango de producción medio. Los sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la automatización programable. Constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre si por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora. Industria Automotriz Moderna

ESTRUCTURAS DE AUTOMATIZACION Automatización total El escalón final de la automatización de la producción, en la que la fabricación se realizaría sin intervención humana. ¿Podríamos automatizar el proceso productivo de determinados productos cerámico ? Video 4

EJERCICIO Ver Figura Suponga que una empresa fabrica un solo tipo de producto de los mostrados en la figura. Seleccione un producto del proceso productivo cerámico y determine cada una de las etapas (subprocesos, procesos u operaciones) que son necesarias para su elaboración. Determine a que tipo de proceso productivo pertenece el proceso de la fabricación del producto seleccionado. Teniendo en cuenta el tipo de proceso productivo determinado, recomiende el tipo de Estructura de Automatización que se necesitaría para automatizar dicho proceso en la empresa. Si fuese el caso en que la empresa fabricara todos los productos mostrados en la figura, que tipo de proceso productivo tendría la empresa y que estructura de automatización recomendaría?

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL Para poder llevar a cabo una automatización que cumpla con unas necesidades determinadas es necesario utilizar herramientas que nos permitan al menos: medir, controlar y actuar sobre el/los proceso/s. Estas herramientas se llaman instrumentos.

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL Definición: Todo sistema de instrumentos y dispositivos asociados, utilizados para detectar, realizar, observar, medir, controlar o comunicar atributos de un objeto físico o proceso. La instrumentación abarca desde las funciones de medición de las variables de un proceso en campo, hasta las funciones de control, supervisión y optimización, pasando por todas las funciones restantes de soporte como lo son procesamiento, comunicación e integración.

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL En los procesos industriales, se hace necesario la instrumentación por: 1. Monitoreo de variables 2. Control de variables 2.1. Control de especificaciones intermedias de un proceso de manufactura y/o servicio. 2.2.Control de la calidad de las especificaciones finales de un proceso de manufactura y/o servicio. 3. Ahorro de material 4. Optimización de recursos 4.1.Material 4.2.Recurso Humano 4.3.Energía 4.4.Tiempo

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL En los procesos industriales, se hace necesario la instrumentación por: 5. Cómputo de costos 6. Detección y diagnóstico de fallas en equipos y procesos. 7. Coordinación en línea 8. Control de la gestión operacional 9. Control de la gestión de mantenimiento 10.Seguridad 10.1. Sistemas de protección 10.2. Sistemas de emergencia

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL Clasificación de los instrumentos según su función: Instrumentos de medición: Sensores (elementos primarios) Instrumentos de Actuación: Elementos finales de control Elementos finales de acción de seguridad Instrumentos de Control y seguridad: Controladores (P, PI, PID, on/off) Solver lógicos. Instrumentos de Comunicación: Transmisores (elementos secundarios) Enrutadores

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL el tipo de proceso: Líquidos Sólidos Gases Pulpas Interfases (líquido-gaseosa) su principio de funcionamiento (fenomenología) Visual Densidad Presión hidrostática Ultrasonido Conductividad Resistividad Efecto termoeléctrico (termopar) entre otras…….

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL Ejemplo: Lazo de Control de un intercambiador de calor. Un lazo de control es una asociación de instrumentos que permite el registro, indicación y control de una variable de proceso en forma automática. Intercambiador T

INSTRUMENTACION INDUSTRIAL Operaciones básicas en la automatización Medición La combinación de sensor y transmisor. Decisión Con base a la medición, definidos los valores y rangos de operación deseados, se mantiene la variable dentro de los parámetros deseados Acción Como resultado de la decisión se efectúa una acción en el sistema.

SISTEMAS DE MEDICION Para conocer mas fondo el proceso y ejecutar acciones que me permitan llevarlo al lugar que se deseado (costo, rapidez, estado, punto de operación) es necesario identificar el proceso Por ejemplo: IDENTIFICACION DE LAS OPERACIONES MODELO MATEMATICO Algo que suele decirse en control es: Si se puede medir, se puede controlar.

SISTEMAS DE MEDICION Los sensores son los ojos del sistema que permiten ver qué está pasando. Detectan (sensan) magnitudes físicas que luego son transferidas a la parte de mando, para así conocer el estado del sistema.

SISTEMAS DE MEDICION TIPOS DE TECNOLOGIA Inductivos – Capacitivos - Ópticos - Magnéticos – Ultrasónicos VARIABLES DE MEDICION Presencia - Nivel - Presión – Temperatura – Flujo - PH - %H - Voltaje

SISTEMAS DE CONTROL Los actuadores Una vez ubicados los sensores para informar el estado de un proceso, sigue determinar la forma de actuar sobre el sistema para hacerlo ir del estado actual al estado deseado. Un problema de control industrial involucrará distintos tipos de actuadores.

SISTEMAS DE CONTROL Los controladores/autómatas En los sistemas de control modernos la interconexión de sensores y actuadores se hace a través de una computadora de algún tipo. Por lo tanto, los aspectos computacionales son necesariamente una parte del diseño general. Los controladores se encargan de tomar decisiones que permiten, que en conjunto con el actuador, modifique el sistema para alcanzar los niveles deseados. Los sistemas de control actuales usan una gama de dispositivos de cómputo, que incluyen DCS (sistemas de control distribuido), PLC (controladores lógicos programables), PC (computadoras personales), microcontroladores, DSP’s (procesador digital de señales)...

SISTEMAS DE COMUNCIACION Las comunicaciones Una planta típica va a tener miles de señales diferentes que deberán ser transmitidas largas distancias. Así, el diseño de sistemas de comunicación y sus protocolos asociados son un aspecto cada vez más importante de la automatización.

LOS OBJETIVOS Identificar las necesidades de automatización y su objetivo (reducción de energía, aumento en producción, disminución de la contaminación, etc.) para determinar la priorización en la medición y control. Conocer y apropiar cada una de las Operaciones Unitarias involucradas en el proceso cerámico. Identificar las variables que intervienen en cada operación y que son susceptibles de medición (indicando su precisión, velocidad, etc.). Conocer los diferentes sistemas y equipos de medición, de acuerdo con las variables manipuladas e identificar las variables de control.

PIRAMIDE DE LA AUTOMATIZACION Cuando se habla de automatización y la representación de los distintos niveles de automatización que nos podemos encontrar en la industria, se recurre frecuentemente a la figura de la pirámide.

NIVEL DE ACCION / SENSADO NIVEL DE CELULA

NIVEL DE ACCION / SENSADO NIVEL DE CELULA Es el nivel de instrumentación. Está formado por los elementos de medida (sensores) y mando (actuadores) distribuidos en una línea de producción. Son los elementos directamente relacionados con el proceso productivo ya que los actuadores son los encargados de ejecutar las órdenes de los elementos de control para modificar el proceso productivo (por ejemplo, un motor de mezcla de materias primas) y los sensores miden variables en el proceso de producción (por ejemplo, temperatura de cocción).

NIVEL DE CONTROL, NIVEL DE CAMPO

NIVEL DE CONTROL, NIVEL DE CAMPO En este nivel se sitúan los autómatas programables que gestionan los actuadores y sensores del nivel anterior. En este nivel los actuadores y sensores funcionan de forma conjuntas siendo capaces de llevar a cabo el proceso industrial de forma automática… “Va más allá de la simple mecanización de los procesos”. Se utilizan buses de campo para leer el estado de los sensores, proporcionar señales de control a los actuadores y conectar los autómatas para compartir información acerca de la marcha del proceso completo.

NIVEL DE SUPERVISIÓN, NIVEL DE PLANTA

NIVEL DE SUPERVISIÓN, NIVEL DE PLANTA Se monitorizan los dispositivos de control siempre que exista un sistema de comunicación adecuado capaz de comunicarlos con otro tipo de dispositivos no dedicados al control sino a la gestión y la supervisión. Físicamente se constituyen de pantallas y computadores industriales. Trabaja con entornos tipos SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de DAtos) que permite obtener el “estado virtual” de la planta o proceso productivo.

NIVEL DE GESTION

NIVEL DE GESTION Se encuentra alejado de los procesos productivos. En el se puede observar el nivel acerca de las materias primas consumidas, la producción realizada, los tiempos de producción, niveles de almacenado de productos finales, etc. De allí se disponen de datos que permitan a los niveles directivos la toma de decisiones conducentes a una mejor optimización en el funcionamiento de la planta.

SISTEMAS SCADA Aplicación de software especialmente diseñado para funcionar sobre computadores. Se utiliza en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del computador y recorriendo grandes distancias (m/km/millas). También provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel (de la pirámide de automatización) como de otros usuarios supervisores dentro de toda la planta (supervisión, control calidad, control de producción, sistemas de seguridad y alarmas, almacenamiento de datos, etc.).

COMPONENTES DE SISTEMAS SCADAS HMI: Interfaz hombre máquina. Es el dispositivo que presenta los datos a un operador (humano) y a través del cual éste controla el proceso. UTR: Unidades de Terminal Remota. Estas leen los datos de estado del proceso productivo, como por ejemplo las medidas como presión, flujo, voltaje o corriente. Por las UTR es posible enviar señales para controlar el proceso: abrir, cerrar, intercambiar una válvula; configurar la velocidad de la bomba, ponerla en marcha, pararla. Estación maestra: son los servidores (computadores) y el software responsable para comunicarse con el equipo del campo (UTRs, PLCs, etc). Infraestructura y Métodos de Comunicación: las conexiones físicas o inalámbricas y los protocolos de comunicación

SISTEMAS SCADA Video 5 Video 6

EJERCICIO De acuerdo a los 3 videos de la elaboración de productos cerámicos, determine y explique ¿en que nivel de la pirámide de automatización se encuentran cada uno de los procesos productivos?

SISTEMAS NORMALIZADOS En la industria todos los procesos que se desarrollan están normados con el fin de lograr idiomas o medios de comunicación que sirvan de lenguaje común para las diferentes actividades profesionales de la ingeniería. De tal forma que la estandarización o normalización se basa en la redacción y aprobación de normas que se establecen para garantizar: la simplificación, la unificación y la especificación del lenguaje en distintas actividades científicas. Las estándares son creados y actualizados permanentemente por instituciones, sociedades, comunidades y otros organismos internacionales en distintas áreas de la ingeniería tales como: mecánica, electricidad y electrónica, instrumentación y comunicaciones…, que en nuestro caso, son áreas orientadas a la automatización industrial.

SISTEMAS NORMALIZADOS: Algunos Organismos Internacionales de normalización: ISO - Organización Internacional para la Estandarización IEC - International Electrotechnical Commission IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers ITU - Unión Internacional de Telecomunicaciones (engloba CCITT y CCIR) IATA - International Air Transport Association

SISTEMAS NORMALIZADOS: ALGUNOS ORGANISMOS Algunos Organismos Regionales de normalización: AMN - Asociación Mercosur de Normalización APEC - Asia-Pacific Economic Cooperation CAN - Red de Normalizacion Andina CARICOM - Caribbean Community Standardization CENELEC - Comité Européen de Normalisation Electrotechnique - Comité Europeo de Normalización Electrotécnica. CEN - Organismo de estandarización de la Comunidad Europea para normas EN. COPANT - Comisión Panamericana de Normas Técnicas

SISTEMAS NORMALIZADOS Algunas Organizaciones Privadas de Normalización ACI - American Concrete Institute. API - American Petroleum Institute. ASCE - American Society of Civil Engineering. ASME - American Society of Mechanical Engineers. ASTM - ASTM International. IAPMO - International Association of Plumbing and Mechanical Officials NEMA - National Electrical Manufacturers Association. NFPA - National Fire Protection Association NSF - NSF International. UL - Underwriters Laboratories Inc.

SISTEMAS NORMALIZADOS Prestaciones: Herramientas de diseño Estandarización de dispositivos Formalización conceptos, hechos, instrucciones y conocimientos Designación de bloques y diagramas funcionales

ISO/ANSI/ISA Normas ISA Instrument Society of America Las normas ISA establecen un medio uniforme de designación los instrumentos y los sistemas de la instrumentación usados para la medición y control. De tal forma que incluye los símbolos y presenta un código de identificación.

Normas ISA Las normas so aplicables a distintos tipos de industria: Industria química Industria Petrolera Generación Eléctrica Aire Acondicionado Refinadoras de Metales Industria Cerámica Entre otros campos con instrumentos muy especializados y diferentes a la industria convencional como: Astronomía Navegación Medicina

Normas ISA: Aplicaciones en los procesos. Esquemas diseño Ejemplos para enseñanza Fichas técnicas, literatura y discusiones Diagramas en sistemas de instrumentación, diagramas lógicos, diagramas de lazos en procesos Descripciones funcionales Diagramas de flujo en: Procesos, Sistemas, Elementos mecánicos, tuberías de procesos e instrumentación Dibujos de Construcción Especificaciones, ordenes de compra, manifiestos y otros listados Identificación (etiquetado o marcas) de instrumentos y funciones de control Instrucciones de mantención, Operación, Instalación, Dibujos e informes Normas ISA

NORMAS ISA: SISTEMA DE IDENTIFICACION Cada instrumento o función a ser identificado es designado por un código alfanumérico o un número de etiqueta. En un lazo las partes se identifican con una etiqueta generalmente común a todos los instrumentos o funciones pertenecientes al lazo. Se puede agregar un subfijo o un prefijo para complementar la identificación. Los Símbolos gráficos para proceso se pueden ver en la norma ISA 5.5, por ejemplo. Tabla 1

EJERCICIO Identificar las etiquetas del siguiente diagrama de proceso

IMPLICACIONES DE LA AUTOMATIZACION Reducción de costos De mantenimiento. De los productos terminados. Racionalización Reducción de los costos de las Materias. Reducción de costos de personal. Seguridad Confiabilidad Reducción de accidentes laborales Reducción de Enfermedades Profesionales

IMPLICACIONES DE LA AUTOMATIZACION Mano de Obra Incremento de tiempo libre. Concentración en tareas especializadas. Desplazamiento a sectores no automatizados. Formación académica. Empleos en fabricación y mantenimiento de los equipos. Humanización: Supervisión, control y planeamiento.