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UNIVERSIDAD POLI T ECN I CA DE VALENCIA
•
AUTOMATIZACIÓN DE P R O C t INDUSTRIALES
E m i l i o García M o r e n o
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Alfaomega
U N I V ERSI DAD POLI T ECN I CA DE V ALEN CI A
© Emilio García Moreno E d i c i ó n original publicada por
© Universidad Politécnica de Valencia
© 2001 A L F A O M E G A G R U P O E D I T O R , S. A. de C . V. P i t á g o r a s 1 139, C o l . Del Valle 03100, M é x i c o , D . F. M i e m b r o de la C á m a r a Nacional de la Industria E d i t o r i a l Mexicana
Registro No. 2317 http://www.aifaomega.com.mx Email:
[email protected] Internet:
ISBN 970-15-0658-8
Derechos reservados. Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de p u b l i c a c i ó n en lengua e s p a ñ o l a han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su r e p r o d u c c i ó n parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright.
Edición autorizada para su venta en el Continente Americano. Prohibida su venta en España.
Impreso en México - Print e d in México
CONTENIDO
1. Introducción a los Automatismos
3
1.1. Antecedentes históricos
5
1.2. Los fundamentos modernos de la Automática
7
1 .2 .1 . El a ut om a t ism o se c ue nc ia l 1.3. Modelo estructural de un Sistema Automatizado
9 10
1 .3 .1 . Pa rt e ope ra t iva : Sist e m a s de Fabricación 1 .3 .1 .1 . M ode lo de Ent ra da -Sa lida 1.3.1.2. Las de c isione s e n e l m undo de la fabricación
12 13 14
1.3.2. T ipos de Pla nt a s de Producción 1 .3 .2 .1 . Proc e sos de flujo c ont inuo 1.3.2.2. J ob Shop 1.3.2.3. La producción por lot e s 1.3.2.4. Líneas De dic a da s de a lt o volum e n de produc ción
15 16 17 17
1.3.3. T ipos de disposic ione s e n pla nt a 1 .3 .3 .1 . Disposición de posición fija 1 .3 .3 .2 . Disposición de proc e so 1 .3 .3 .3 . Disposición de flujo d e produc t o 1.3.3.4. Disposición por tecnología de grupo
19 19 19 20 21
1.4. Parte de Control
1 .4 .1 . Clasificación tecnológica 1 .4 .1 .1 . Lógica c a ble a da 1 .4 .1 .2 . Lógica progra m a da 1.5. Niveles de automatización 1 .5 .1 . Nivel e le m e nt a l
1.5.2. N ive l int e rm e dio 1 5 .3 . T e rc e r nive l 1 .5 .3 .1 . Cont rol c e nt ra liza do 1 5 .3 .2 . Cont rol m ult ic a pa 1 5.3.3. Cont rol jerárquico 1.5.3.4. Cont rol dist ribuido 1 5 . 4 . Cua rt o nive l..
18
21
22 22 23 24 24
25 25 26 26 27 27 29
1.6. Concepto CIM: La Automatización Integrada por Computador
1 .6 .1 . N ive lO
30 31
1.6.2. N ive l 1
31
1.6.3. Nivel 2
31
1.6.4. Nivel 3
32
1.6.5. Nivel 4
33 mediante
2. Análisis y Síntesis de los Automatismos
39
2.1. Introducción
41
2.2. Algebra booleana
41
2 .2 .1 . Conc e pt o de va ria ble boole a na
41
2.2.2. Conc e pt o de función boole a na
42
2.2.3. Ope ra dore s boole a nos
43
2.2.4. T e ore m a s de M ORGAN
47
2.2.5. Func ione s lógicas de riva da s
47
2.3. Análisis de Automatismos Combinacionales y Secuenciales
50 5 1
2.4. Automatismos Combinacionales
2 .4 .1 . Minimización de func ione s lógicas 2.4.2. Utilización de func ione s sum a de produc t os y productos de sum a s 2 4.3. Mapas de K a rna ugh 2 .4 .3 .1 . T a bla s de K a rna ugh de c ua t ro va ria ble s 2.4.4. Método de Karnaugh m e dia nt e e x pre sione s maxterm 2 .4 .4 .1 . "Términos No I m port a n" e n las t a bla s de Karnaugh 2.4.5. Ejemplos de a ut om a t ism os c om bina c iona le s 2.5. Automatismos Secuenciales 2 .5 .1 . Diseño de automatismos se c ue nc ia le s m e dia nt e la Tabla de Fases 2.6. Representación de los Automatismos 2 .6 .1 . Lógica de contactos 2 .6 .1 .1 . Elementos de Entrada XII
5 1
5 1
5 4
57 58 6 1
6 1 6 4
6 7 7 2
7 3
7 4
UPV-CFP
2.6.2. 2.6.3. 2.6.4. 2.6.5. 2.6.6. 2.6.7.
Elementos de Salida Asociación de elementos Función lógica O (+) Función lógica Y (•) Función O lógica de funciones Y Función Y lógica de funciones O
2.6.8. Códigos binarios 2.7. Dispositivos funcionales para la automatización
2 .7 .1 . Dispositivos multivibradores 2 .7 .1 .1 . Multivibrador biestable 2.7.1.2. Multivibrador monoestable 2.7.1.3. Multivibrador astable 2.7.2. Dispositivos de temporización 2.7.3. Dispositivos c ont a dore s 2.7.4. Dispositivos de de spla za m ie nt o 2.7.5. Dispositivos ge ne ra dore s de im pulso 2.7.6. Dispositivos c om pa ra dore s 2.7.7. De t e c t ore s de fla nc o
3 . Sensores
y Transductores
3.1. Introducción
3 .1 .1 . De finic ione s 3.2. Principios de transducción 3.3. Clasificación de los transductores
3 .3 .1 . Características de los t ra nsduc t ore s 3 .3 .1 .1 . Características estáticas 3 .3 .1 .2 . Características de fia bilida d w
3.4. Calibración estática de los transductores
3 .4 .1 . Linealización por punt o fina l 3.4.2. Linealización por línea inde pe ndie nt e 3.4.3. Linealización por mínimos c ua dra dos 3.5. Transductores específicos 3.6. Transductores de Temperatura 3 .6 .1 . T e rm ist ore s
UPV-CFP
Robótica y Automática
3.6.2. Detectores de t e m pe ra t ura re sist ivos (RT D)
112
3.6.3. Termopares 3 6 3 .1 . Circuitos int e gra dos c om o t ra nsduc t ore s de t e m pe ra t ura 3.6.4. LM 35: sensor de t e m pe ra t ura de precisión c a libra do en grados centígrados 3 .7 . Emisión a distancia de medidas de variables de un proceso industrial
112
3.8. El bus de campo (Fieldbus) 3 .8 .1 . Clasificación según extensión de la re d 3.8.2. Clasificación de los sist e m a s de comunicación 3 .8 .2 .1 . Cell bus 3.8.2.2. Field buses
118 119 119 120 120
113 114
123
3.10. Buses especializados
124
129
4.1. Codificadores numéricos (encoders) 4 .1 .1 . Codificadores increméntales 4.1.2. Codificadores absolutos 4 .1 .2 .1 . Características de los e nc ode rs 4.2. Captadores Binarios
131 131 136 138 139
4.2.2. Detectores de proximidad capacitivos 4 .2 .2 .1 . Características de los detectores de proximidad.... 4.2.3. Detectores fotoeléctricos 4.2.3.1. Detector fotoeléctrico de barrera 4.2.3.2. Detector fotoeléctrico tipo réflex 4.2.3.3. Detectores fotoeléctricos tipo autoréflex 4.2.4. Detectores de proximidad magnéticos 4.2.5. Detectores de posición electromecánicos 4.2.5.1. Características de los finales de carrera
XIV
5. A
125
4. Codificadores digitales y captadores binarios
4.2.1. Detectores de proximidad inductivos
4.
115
3 .9 . Buses Sensor-Actuador
3.10.1.Transductores I nt e lige nt e s
4
140 141 f 6
142 142 143 143 144 ¡ 145 j 146 ¡ 147
UPV-CFP
°" ° Q
4 / s l
mot
6.2. 6.3.
UPV-CFp
I
4.3. Preaccionadores eléctricos 4.3.1. El Relé 4.3.2. EIRelé de enclavamiento 4.3.3. El Contactor 4.4. Tecnología neumática 4 .4 .1 . Funciones lógicas neumáticas 4.4.2. El módulo secuenciador neumático 4.4.3. El distribuidor neumático
5. Autómatas Programables Industriales 5.1. Introducción 5 .1.1. Estructura de un Autómata Progra m a ble I ndust ria l 5.1.2. Arquitectura de un Autómata Progra m a ble 5 .1 .2 .1 . Organización de la m e m oria 5.1.2.2. Fases de operación e n m a rc ha y pa ra da ... 5.1.2.3. Estructura de un progra m a 5.1.3. Tipos de Ciclos de func iona m ie nt o 5 .1 .3 .1 . Parámetros de evaluación de las pre st a c ione s de un Autómata Progra m a ble
5.1.4. Tipos de le ngua je s de programación 5.1.5. Diagramas de func ione s lógicas 5.1.6. Módulos de comunicación c on e l e nt orno 5 .1. 6 .1. Módulos e spe c ia le s 5.1.6.2. Dire c c iona m ie nt o y codificación de las va ria ble s de E/S 5.1.7. Las a gre sione s de l e nt orno indust ria l
5. Sistemas de eventos discretos: modelado discretos
herramientas
de
a los sistemas dinámicos de eventos
6 2. Características de los Sistemas de Eventos Discretos - 2 . 1 . El concepto de e ve nt o 6
6.3. E j e p , típicos de sistemas de eventos discretos °¿. 1 . Sistemas de colas m
UPV-CFP
o s
6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5.
Sistemas de Sistemas de Sistemas de Sistemas de
computadores comunicación fabricación tráfico
6.4. Introducción a las redes de Petri 6 .4 .1 . Definiciones de las redes de Petri 6 .4 .1 .1 . Lugares de e nt ra da y sa lida 6.4.1.2. T ipos de Nodos de las RdP 6.4.1.3. Redes de Petri ordina ria s y ge ne ra liza da s 6.4.1.4. M a rc a do de una re d de Petri 6.4.1.5. Disparo de una transición 6.4.1.6. T ipos de Re de s de Pe t ri 6.4.2. Propiedades de las re de s de Pe t ri 6 .4 .2 .1 . El m a rc a do 6.4.3. Ecuación funda m e nt a l de las re de s de Pe t ri 6 .4 .3 .1 . V e c t or característico 6.4.3.2. Matriz de I nc ide nc ia 6.4.3.3. Red de Petri viva 6.4.3.4. Red de Petri lim it a da 6.4.3.5. Red de Petri c onform e
6.4.4. Arc os inhibidore s 6.4.5. Marcado inva ria nt e 6.4.6. Capacidad de las RdP e n la representación de las relaciones e nt re subproc e sos 6 .4 .6 .1 . Secuenciación de t a re a s 6.4.6.2. Selección de se c ue nc ia s 6.4.6.3. Sincronización 6.4.6.4. Conc urre nc ia 6.4.6.5. Compartición de re c ursos 6.4.6.6. Memorización 6.4.6.7. Ejecución e n a lt e rna nc ia 6.4.6.8. Lectura 6.4.6.9. Limitación de c a pa c ida d 6.4.7. Redes de Petri no-autónomas 6 .4 .7 .1 . Redes de Petri sinc roniza da s 6.4.7.2. Redes de Petri t e m poriza da s 6.5. Interpretación de las redes de Petri
1*
aoo
7 Introducción al Grafcet 7 1. El Grafcet: Gráfico de Mando etapa/transición
233 235
7 i 1 Definición de conceptos y elementos gráficos asociados • 204 • 2 04 • 2 06 • 2 06 • 2 07 • 2 08 • 209 209 210 210 211 211 211 213 213 214 215 215
216
7.1.1.1. Etapa 7.1.1.2. Acción asociada 7.1.1.3. Transición y receptividad 7.1.1.4. Arc o 7.1.1.5. Trazos paralelos 7.2. Reglas de Evolución 7.2.1. Condiciones evolutivas: las cinco reglas del Gra fc e t 7.3. Estructuras en el Grafcet 7.3.1. Estructuras básicas 7 .3 .1 .1 . Secuencia única 7.3.1.2. Se c ue nc ia s paralelas 7.3.2. Estructuras lógicas en el Gra fc e t 7 .3 .2 .1 . Divergencia en OR 7.3.2.2. Conve rge nc ia e n OR 7.3.2.3. Divergencia e n AN D 7.3.2.4. Conve rge nc ia e n AN D 7.3.2.5. Saltos Condic iona le s
2
3
6
238 241 243 244 245 246 247 247 247 248 248 249 249 250 250 251
7.4. Ejemplos de aplicación
252
7.5. Macro-representaciones
257
216
7 .5 .1 . El concepto de m a c ro-e t a pa : repetición de secuencias 7 .5 .1 .1 . Representación de la m a c ro-e t a pa
217 217 218 219
^
257 258
219
Implementación del automatismo a partir del Grafcet
261
220
8.1. Introducción
263
220
8.2. Módulo secuencial de etapa
263
• *
221 8
222 222 223
230
-3. Obtención de las funciones lógicas a partir del "• agrama Grafcet
8 3.1. Ecuación de activación/desactivación de e t a pa oo ~ c t c ua c ione s de activación de ope ra c ione s de m a ndo UPv-CFP
265
265 267
Robótica y Automática
8.4. Ecuaciones de activación/desactivación y estructuras lógicas 8 .4 .1 . Divergencia en OR
269 269
8.4.2. Convergencia en OR
270
8.4.3. Divergencia en AN D 8.4.4. Convergencia en AN D
271 272
8.4.5. Las etapas de inicialización
272
8.5. Normas especiales de representación Grafcet
8 .5 .1 . 8.5.2. 8.5.3. 8.5.4.
274
Evoluciones simultáneas Secuencias e x c lusiva s Secuencias con priorida d Acción m a nt e nida
275 276 276 277
8.6. Las temporizaciones y contadores en el Grafcet 8 .6 .1 . Utilización de los c ont a dore s e n el Grafcet
279 282
8.6.2. Transiciones por fla nc os
282
8.6.3. Efecto del tipo de pre a c c iona dor sobre los modelos Grafcet 8.6.4. Implementación sobre Autómatas Programables Industriales: t a bla de asignación de variables 8.7. Estrategia de diseño para sistemas de mayor complejidad
283 285 2 8 6
•
8 .7 .1 . Subproceso de t ra nsfe re nc ia e indexado
288
8.7.2. Subproceso de m a rc a do
2 9 0
8.7.3. Subproceso de t a la dra do
•
8.7.4. Subproceso de modelado 8.7.5. Estructuración de las se c ue nc ia s
. Diseño estructurado
2
9
2 9 2
2 9 4
•
2 9 9
9.1. Introducción
3 0 1
9.2. Modos de Marcha..
3 0 2
9 .2 .1 . Marchas automáticas 9.2.2. Marchas de intervención 9 .2 .2 .1 . Funcionamiento semiautomático: Marcha ciclo a ciclo - Ciclo único XVlli
1
3 Q 3
^ UPV-CFP
Contenido
9 .2 .2 .2 . Func iona m ie nt o Automático: m a rc ha ciclo automático- c ic los c ont inuos 9.2.3. M a rc ha s de a just e de l sist e m a
9.3. La Seguridad 9 .3 .1 . T ra t a m ie nt o de a la rm a s y e m e rge nc ia s 9 .3 .2 . Eje m plo de aplicación
9.4. Diseño estructurado de los sistemas de control automático 9 .4 .1 . Dia gra m a s je ra rquiza dos y forza do de sit ua c ione s 9.4.2. Orde n d e forza do 9 .4 .2 .1 . Re gla s d e forza do 9.4.3. Aplicación de l diseño estructurado
305 306
307 307 311
314 315 316 316 317
10. Guía de estudio de los modos de marcha y paro de los sistemas automatizados: GEMMA 321 10.1. Introducción 10.2. Principales conceptos 1 0 .2 .1 . Constitución de un GEM M A 10.2.2. Clasificación de los m odos de marcha y parada 1 0 .2 .2 .1 . Grupo F: proc e dim ie nt os de func iona m ie nt o 10.2.2.2. Grupo A: proc e dim ie nt os de parada 10.2.2.3. Grupo D: proc e dim ie nt os de fallos 10.3. Método general de utilización de GEMMA
1 0 .3 .1 . Identificación y definición de los e st a dos y de las unione s 10.4. Grupo 1 0 .4 .1 . 10.4.2. 10.4.3.
F: Procedimientos de funcionamiento F1 : Producción norm a l F2: M a rc ha s de preparación F3: M a rc ha s de c ie rre
10.4.4. Grupo F: m a rc ha s m a nua le s de prue ba s y de m a nt e nim ie nt o 1 0 .4 .4 .1 . F4: m a rc ha s de verificación e n el de sorde n 10.4.4.2. F5: m a rc ha s de verificación bajo orden 10.4.4.3. F6: m a rc ha s de test UPV-CFP
323 324 324 324
325 325 325 326
327 330 331 331 331
331 ^ 332
3 3
3
3
5
XIX
Rcéóticaj^tomátíca^
.
—
10.5. Grupo A: procedimientos de parada de la parte operativa 1 0 .5 .1 . A 1 : pa ra da en e l e st a do inic ia l 10.5.2. A2 : pa ra da solic it a da e n fin de c ic lo 10.5.3. A3 : pa ra da solic it a da e n un e st a do de t e rm ina do 10.5.4. A4 : pa ra da obt e nida 10.5.5. A5 : preparación pa ra la reposición e n m a rc ha después de un fa llo 10.5.6. A6 : pue st a de la pa rt e ope ra t iva e n e l e st a do inicial 10.5.7. A7 : pa ra da de urge nc ia ; pue st a d e la pa rt e ope ra t iva e n un e st a do de t e rm ina do 10.6. Grupo D: procedimientos de fallos de la parte operativa 1 0 .6 .1 . D1 : pa ra da de urge nc ia
3
3
333 334 335 335 335 336 336 337 337
10.6.2. D2: diagnóstico y/o t ra t a m ie nt o d e fa llos
337
10.6.3. D3: producción no obst a nt e
338
10.7. Estados de la parte de control: grupo de estados PZ
339
1 0 .7 .1 . PZ 1 : pue st a de la pa rt e d e c ont rol sin energía
340
10.7.2. PZ2: pue st a de la pa rt e de c ont rol e n e st a do d e marcha 10.7.3. PZ3: pue st a de la P.C. fue ra de l e st a do d e m a rc ha
340 341
GLOSARIO
3
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS....
4
3
17*
i
I
XX
3
PROLOGO
La automatización de los proc e sos industriales c onst it uye uno de los objetivos más im port a nt e s de las e m pre sa s e n la sie m pre inc e sa nt e tarea de la búsqueda de la c om pe t it ivida d e n un e nt orno c a m bia nt e y agresivo. La automatización de un proc e so indust ria l, (máquina, c onjunt o o equipo industrial) c onsist e e n la incorporación a l m ism o, de un c onjunt o de e le mentos y disposit ivos tecnológicos que a se gure n su c ont rol y bue n c om port a m ie nt o. Dic ho a ut om a t ism o, e n ge ne ra l ha de ser c a pa z de re a c c iona r frente a las sit ua c ione s pre vist a s de a nt e m a no y además fre nt e a im ponde rables, t e ne r c om o obje t ivo sit ua r al proc e so y a los re c ursos hum a nos que lo a sist e n e n la situación más fa vora ble . Históricamente, los obje t ivos de la automatización ha n sido el procurar la reducción de c ost e s de fabricación, una c a lida d c onst a nt e e n los medios de producción, y libe ra r a l se r hum a no de la s t a re a s t e diosa s, pe ligrosa s e insa lubre s. De sde los años 6 0 de bido a la a lt a c om pe t it ivida d e m pre sa ria l y a la internacionalización c re c ie nt e de los m e rc a dos, e st os obje t ivos ha n sido a m plia m e nt e inc re m e nt a dos. Téngase e n c ue nt a que c om o re sult a do de l e nt orno c om pe t it ivo, c ua lquie r e m pre sa se ve som e t ida a gra nde s y rápidos proc e sos de c a m bio e n búsqueda de su adecuación a las de m a nda s de m e rc a do, neutralización d e los a va nc e s de su c om pe t e nc ia , o sim ple mente c om o m a niobra d e c a m bio de e st ra t e gia a l ve rse a c ort a do e l ciclo de vida de a lguno de sus produc t os. Ello obliga a m a nt e ne r, m e dios de producción a de c ua dos que pose a n una gra n fle x ibilida d y pue da n modificar oport una m e nt e la e st ra t e gia d e producción. La aparición de la microelectrónica y e l c om put a dor, ha t e nido como c onse c ue nc ia e l q u e se a posible un m a yor nive l de integración e nt re e sist e m a produc t ivo y los c e nt ros de decisión de política e m pre sa ria La tecnología de la automatización se c e nt ra e n e l c onoc im ie nt o de los disposit ivos tecnológicos ut iliza dos e n la implementación de los a ut om a t ism os, t a le s c om o t ra nsduc t ore s, pre a c c iona dore s, disposit ivos func iona les de aplicación específica (t e m poriza dore s, c ont a dore s, módulos s e c ue nc ia dore s e t c .) y los disposit ivos lógicos de c ont rol (autómatas progra m a r e s indust ria le s) a c uyo e st udio de dic a m os una pa rt e de l c ont e nido de l pre se nt e t ra ba jo.
UPV-CFP
1
Robótica y Automática
Por otra parte e l diseñador y e l e quipo de m a nt e nim ie nt o de los proc e sos automatizados, de be n c ont a r c on una se rie de proc e dim ie nt os m e t odológicos que le pe rm it a n a borda r de una m a ne ra sist e m a t iza da y pot e nt e el estudio preliminar, diseño, análisis y m a nt e nim ie nt o de e st os sist e m a s automatizados. Por t a l motivo, una pa rt e de l t ra ba jo se ha de dic a do a l e s tudio de algunas de dic ha s he rra m ie nt a s, pa rt ie ndo de la s más sim ple s, tales como las tablas de K a rna ugh, t a bla s de fa se s, ha st a la s más pot e ntes, redes de Petri, GRAFCET , y GEM M A. En e l desarrollo de l pre se nt e t ra ba jo, se ha de a gra de c e r la ine st im a ble colaboración de Fra nc isc o Fernández Gue rra que ha lle va do a c a bo la realización de t a re a s de t ra t a m ie nt o de t e x t os y gráficos, y a la inic ia t iva promotora de l Centro de Formación Post gra do de la U nive rsida d Politécnica de Valencia.
El a ut or
2
U PV -CPF
CAPI T U LO INTRODUCCION A LOS AUTOMATISMOS
1. 1. Antecedentes
históricos................................—»
1.2. Los fundamentos modernos de ta Automática...................................................................... 1.3. Modelo estructural zado ...
de un Sistema
5 7
Automati-
1.4. Parte de Control
10 -
21
1.5. Niveles de automatización................................
24
1.6. Concepto CIM: La Automatización Integrada por Computador..................................................
30
1.7. Estructuras distribuidas mediante Redes de Area Local..........................................................
34
Introducción a los Automatismos
Obje t ivos: • Conoc e r a lgunos de los a nt e c e de nt e s históricos de la Automática • De sc ribir el m ode lo e st ruc t ura l de un Sist e m a Aut om a t iza do. Conoc e r los dist int os t ipos de tecnología para la implementación de los disposit ivos lógicos de c ont rol. Plantear los dist int os nive le s de automatización. • De sc ribir los t ipos de Sist e m a s de Fabricación y sus disposic ione s en pla nt a .
/. 1. Antecedentes
históricos
El término autómata se ha ve nido a plic a ndo de sde t ie m po muy antiguo a aquella clase de máquinas e n las que una fue nt e de energía accionaba un mecanismo inge niosa m e nt e c om bina do, pe rm it ie ndo imitar los m ovimientos de los se re s a nim a dos. Ateniéndonos a e st a prim e ra acepción, e nt re los prim e ros autómatas de los que se t ie ne not ic ia , se citan la s e st a t ua s a nim a da s que habrían sido c onst ruida s e n e l t e m plo de Dédalo. Los grie gos, y más t a rde los romanos, c onoc ie ron ya va rios t ipos de jugue t e s mecánicos. Al parecer algunos fa m osos autómatas fue ron c onst ruidos e n la e da d media por Sa n Alberto M a gno o Re giom ont a no (J ua n M ulle r). Mención e spe c ia l m e re c e V a uc a nson, el c ua l construyó en su juve nt ud «sublimes juguetes»: e nt re e llos e l Flautista, que re pre se nt a ba un fauno según modelo de la e st a t ua de Coyse vox , que e je c ut a ba una docena de aires valiéndose de m ovim ie nt os de la le ngua , labios y dedos; el Tamborilero; la Tañedora, que todavía pue de se r a dm ira da en el conservatorio de a rt e s y ofic ios de París; y un áspid, que se utilizó en las representaciones de la Cleopatra de M a rm ont e l. Sin e m ba rgo, la fama de Vaucanson se de be sobre t odo a su célebre Pato, e l cual e ra capaz de batir las alas, za m bullirse , nadar, t ra ga r gra no e incluso expeler un producto parecido a l e x c re m e nt o. Al pa re c e r una sola de sus alas se componía de unas 2000 piezas. No obst a nt e , e n t odos esos autómatas no se trataba de copiar la vida , sino únicamente de imitar algunos de sus actos aislados.
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Figura 1.1. El pato de Vaucanson (cortesía de
FESTO)
En t odos los autómatas c e le bre s de l s. X V I I I se re pit e e l proc e so de imitación, pudiéndose citar, e nt re e llos: la s Cabezas parlantes de l a ba t e Mical; el Androide escritor que Fre de ric de K na uss presentó e n V ie na , e n 1760; los autómatas e x pue st os e n Fra nc ia y e n Suiza por los he rm a nos Droz; la Panharmónica c onst ruida e n 1 8 0 8 por Le ona rd M a e lze l, de Ratisbona; los relojes de Lyon y Ca m bra i, y e l de Est ra sburgo, de bido a Schw ilgue (1 8 4 2 ), así c om o los num e rosos re loje s de péndola, a nim a dore s de autómatas, origina le s de a rt e sa nos rusos, q u e todavía hoy pue de n admirarse en las vit rina s de l K re m lin; de Robe rt H oudin m e re c e n e spe c ia l mención: el Escamoteador, e l Volatinero, e l Pájaro cantor, e l Escritor dibujante, el Pastelero, e t c . Durante m uc ho t ie m po existió un autómata q u e t uvo int riga da a la opinión: el Jugador de ajedrez, de K e m pe le n, q u e consistía e n una e spe c ie de caja con un t a ble ro e nc im a , a nt e e l c ua l un autómata movía la s pie za s frente a un c ont rinc a nt e hum a no. Ese juga dor ga na ba de m a ne ra c a si sistemática; resulta pue s se guro que un e x pe rt o juga dor se ha lla ba oc ult o dentro de la caja. El desarrollo de la e le c t ric ida d y de la electrónica permitió la aparición de una nueva generación de autómatas, c a pa c e s de im it a r re a lm e nt e algunas func ione s int e le c t ua le s y no sólo de re produc ir de t e rm ina dos comportamientos. Y a en 1912, el juga dor de a je dre z eléctrico de T orre s P < V a ^ y y t orre ). El jugador de N,m, constru.do e n 1951 e n la unive rsida o de M a nc he st e r, y H
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Introducción
a los Automatismos
citado re pe t ida s ve c e s, c onst it uye otro ejemplo de un autómata m uy elemental, da do que e x ist e un a lgorit m o que permite ga na r c on se gurida d en este jue go. Por a que lla m ism a época Strachey construyó e n E.E.U.U. juga dor de da m a s c a pa z de e nfre nt a rse c on un bue n juga dor; para ello la máquina de be a na liza r la s c onse c ue nc ia s de t oda s las juga da s posibles a partir de una situación da da , y e st o c on va ria s juga da s de antelación. Los adelantos de la microelectrónica propic ia ron la aparición e n e l mercado norteamericano, e n 1 9 7 7 , de un juga dor de a je dre z c a pa z de de sa rrolla r un juego de nivel m uy a c e pt a ble por un pre c io re la t iva m e nt e módico. u n
Resultaría pue s fa c t ible e n la a c t ua lida d c onst ruir un a ut e nt ic o juga dor de ajedrez a ndroide . La indust ria utiliza autómatas, de nom ina dos robots, capaces de lle va r a c a bo m a nipula c ione s así, c om o ope ra c ione s de montaje y de e nsa m bla je .
1.2. Los fundamentos
modernos
de la
Automática
La e ra m ode rna de la automatización c om ie nza c on la aparición, en 1775 de la máquina de va por de sim ple e fe c t o inve nt a da por J a m e s Watt. La máquina de doble e fe c t o de 1 7 8 4 e st a ba provist a de dos a ut om a t ism os: el dist ribuidor de va por y e l re gula dor de bola s, que mantenía constante la velocidad del^árbol de sa lida a pe sa r de la s fluc t ua c ione s de la carga. En e l c ont e x t o a c t ua l, la AUTOMÁTICA se de fine c om o la Ciencia y Técnica de la automatización, que a grupa e l c onjunt o de la s disciplinas teóricas y tecnológicas que int e rvie ne n e n la concepción, la construcción y el e m ple o de los sist e m a s automáticos. La automática constituye el aspecto teórico de la cibernética. Está e st re c ha m e nt e vinculada con las matemáticas, la estadística, la teoría de la información, la informática y técnicas de la ingeniería. Podría re a liza rse una distinción e nt re : la automática teórica, conjunto de los métodos matemáticos de análisis y de síntesis de los sistemas automáticos y de sus e le m e nt os; y la automática aplicada, que trata más específicamente de los proble m a s prácticos de automatización, que concierne a la teoría y a la tecnología de los c a pt a dore s, los accionadores y los orde na dore s. El func iona m ie nt o de t odo sist e m a automático se asienta en la confrontación de una información de mando, que describe el programa deseado, c on una información de estado, confrontación de la que se derivan la s órdenes de m a ndo que ha n de darse a los accionadores que UPV-CFP
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actúan sobre e l sist e m a , m odific a ndo así su e st a do. Esta sucesión de ope ra c ione s se suc e de n e n una e st ruc t ura de buc le c e rra do, donde un c e nt ro de ope ra c ione s de mando y de control, a se gura e l bue n c om port a m ie nt o de la instalación. Ba sa dos e n e l c onc e pt o matemático de autómata, e s decir, e l ente c onst it uido por un c onjunt o de re gla s que de fine n e st a dos y c ondic ione s de c a m bio de e st a do, e n los automatismos secuenciales, de los que e l a sc e nsor c onst it uye uno de los e je m plos clásicos, la información de e st a do viene proporc iona da ge ne ra lm e nt e por c a pt a dore s bina rios, y e l t ra t a m ie nt o de la información e s de na t ura le za lógica. El progra m a está c onstituido por una sucesión, o se c ue nc ia , de fa se s ope ra t oria s e nla za da s unas con otras según un c onjunt o de re gla s lógicas. Esos sist e m a s c onst it uye n la inm e nsa mayoría de los a ut om a t ism os indust ria le s, e spe c ia lm e nt e los de dic a dos a la automatización de la fabricación. Los orde na dore s, c onst it uye n sin duda una de las form a s más sofist ic a da s de los a ut om a t ism os se c ue nc ia le s. En los se rvosist e m a s, la información de e st a do a dopt a la form a de una o varias m a gnit ude s que c a ra c t e riza n e l e st a do de l sist e m a . La energía c om unic a da a los a c c iona dore s se dosific a según la s dife re nc ia s e nt re esas m a gnit ude s y los va lore s de se a dos, y e l buc le de c ont rol actúa e n tanto que un sist e m a de c e ro automático, t ie nde c onst a nt e m e nt e a a nula r la dife re nc ia e nt re e l va lor a c t ua l y e l e st a do de se a do. Est e princ ipio de e st a do de de pe nde nc ia t ie nde a re duc ir la influe nc ia de las pe rt urba c ione s e x t e riore s. En los re gula dore s de sost e nim ie nt o, una m a gnit ud re gula da está obliga da a c onse rva r lo m e jor posible un va lor a signa do a pe sa r de las o re gula dore s de pe rt urba c ione s, e n t a nt o que e n los servomecanismos c orre sponde nc ia , una m a gnit ud de sa lida de be a m olda rse lo m e jor posible a las e voluc ione s de una m a gnit ud de e nt ra da . Los sistemas adaptativos pose e n, además de la fa c ult a d de la autocorrección de las va ria c ione s de una se rie de parámetros, una fa c ult a d de autorregulación que les permite func iona r c orre c t a m e nt e e n c ondic ione s e x t e riore s m uy dive rsa s. La re sist e nc ia a la s pe rt urba c ione s y a las fluc t ua c ione s del entorno se ve así inc re m e nt a da . Ot ros son los denominados sist e m a s autodidácticos,, e n los que el programa de t ra t a m ie nt o de la información se e la bora y se pe rfe c c iona en curso de func iona m ie nt o por a ut oa pre ndiza je bajo la dirección de un supe rprogra m a . Este principio se aplica entre otros a la identificación automática de form a s y de los sonidos.
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Introducción
a los
Automatismos
En suma, los a ut om a t ism os a ba rc a n a los a ut om a t ism os se c ue nc ia le s, los se rvosist e m a s, los sist e m a s a da pt a t ivos y los sist e m a s c on a ut oa pre ndizaje., " '
1.2.1. El a ut om a t ism o se c ue nc ia l En e l c ont e x t o de l pre se nt e c urso, nos m e re c e e spe c ia l atención los Aut om a t ism os Se c ue nc ia le s. U n a ut om a t ism o secuencial, es un sist e m a cuyo func iona m ie nt o e m ple a una se c ue nc ia de fa se s c la ra m e nt e diferenciadas, según un c onjunt o de re gla s pre e st a ble c ida s. En e l caso más sencillo, e l fina l de c a da fa se de t e c t a do por un c a pt a dor a propia do, da paso al inicio de la fa se siguie nt e . La s c ondic ione s de transición entre fases a dopt a n la form a de c ondic ione s lógicas más o m e nos complejas provocando c a m bios de e st a do de l sist e m a c ont rola do. Los a ut om a t ism os secuenciales pue de n func iona r ya se a sobre la base de la lógica cableada, de forma específica m e dia nt e los de nom ina dos a rm a rios de relés, que ha sido en e l pe riodo histórico a nt e rior más re c ie nt e la implementación más usual de un gra n número de inst a la c ione s indust ria le s, ya se a sobre la base de un progra m a re gist ra do m e dia nt e orde na dore s, autómatas programables o sist e m a s ba sa dos e n m ic roproc e sa dor. El c onc e pt o de automatización lleva implícita la supresión total o parcial de la intervención hum a na e n la ejecución de dive rsa s tareas, industriales, agrícolas, domésticas, a dm inist ra t iva s o científicas. Se aplica a automatización t a nt o a las t a re a s más se nc illa s, t a le s c om o la regulación de la t e m pe ra t ura de un horno o e l m a ndo se c ue nc ia l de una máquina herramienta, c om o a la s más c om ple ja s, t a le s c om o la dirección mediante ordenador de una unida d química o la gestión a ut om a t iza da de un establecimiento ba nc a rio. Al confiar a órganos tecnológicos t oda s o parte de la s funciones intelectuales que int e rvie ne n e n la conducción de un proceso, la automatización se sitúa e n un nivel supe rior a l de la mera mecanización. En la a c t ua lida d los proble m a s de automatización industrial y administrativa se confían re spe c t iva m e nt e a los especialistas en automática e informática, a los que se une n los e spe c ia list a s de l proceso por automatizar, que c onst it uye n así un e quipo pluridisciplinar. La a ut omatización de un proceso se sitúa e n un m a rc o técnico-económico del que no constituye más que uno de sus a spe c t os. La automatización e n el contexto histórico más reciente, no solamente esta relacionada con e l proceso mismo, sino también con la distribución de U PV -CFP
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Robótica
y
Automática
los produc t os fa bric a dos o c on la prestación de se rvic ios. Form a pa rt e int e gra nt e de la concepción y de la gestión de los gra nde s c om ple jos indust ria le s, a dm inist ra t ivos y c om e rc ia le s. La automatización c onst it uye , pa rt ic ula rm e nt e , uno de los fa c t ore s de a um e nt o de la produc t ivida d y de m e jora de la c a lida d. Los princ ipa le s c om pone nt e s de la automatización / s o n los 't ra nsduc t ore s y los c a pt a dore s de información, los pre a c c iona dore s (relés, c ont a c t ore s e t c .) y a c c iona dore s (m ot ore s, órganos de spla za m ie nt o lineal e t c .), así c om o los órganos de t ra t a m ie nt o de la información, e n pa rt ic ula r los orde na dore s y e n ge ne ra l los sist e m a s ba sa dos e n e l m ic roproc e sa dor. Su na t ura le za de pe nde de la de l sist e m a c ont e m pla do, a ut om a t ism o se c ue nc ia l o se rvosist e m a . En un número c re c ie nt e de inst a la c ione s indust ria le s un orde na dor se e nc a rga de cálculos de ba la nc e s de energía o de m a t e ria s, de la vigila nc ia de la s m a gnit ude s que pue de n lle ga r a a dquirir va lore s pe ligrosos, de l c om port a m ie nt o se c ue nc ia l de l a rra nque y de la detención, de cálculos sobre la s m e dida s, e t c . El orde na dor pue de , a sim ism o, lle va r a cabo cálculos de autoadaptación y de autooptimización; la s c ondic ione s de func iona m ie nt o óptimo vie ne n im pue st a s a l proc e so, bie n indire c t a m e nt e por int e rm e dio de re gula dore s clásicos c ont rola dos por e l orde na dor, o bien dire c t a m e nt e e n el c a so de gobie rno y c ont rol dire c t o. En los sist e m a s de c ont rol je ra rquiza do, un orde na dor central de t e rm ina la s c onsigna s ge ne ra le s c om unic a da s a c ont rola dore s e spe c ia liza dos que c ont rola n los dive rsos e le m e nt os de la instalación. Se m e ja nt e e st ruc t ura de sc e nt ra liza da a prove c ha ple na m e nt e las inm e nsa s posibilida de s brinda da s por los m ic roproc e sa dore s. I nc luso e n el c a m po de las fa bric a c ione s mecánicas, e n el que la mayoría de los a ut om a t ism os son de t ipo se c ue nc ia l, e l orde na dor ha he c ho su aparición bajo la form a de los c ont rola dore s numéricos de máquinas he rra m ie nt a que pe rm it e n orde na r ía elección, e l c a m bio y e l re c orrido de la s he rra m ie nt a s m e rc e d a un progra m a re gist ra do e n la m e m oria del orde na dor.
1.3. Modelo estructural
de un Sistema
Automatizado
La e st ruc t ura de un Sistema Aut om a t iza do puede clasificarse e n dos partes c la ra m e nt e diferenciadas: por un lado lo que de nom ina re m os Parte Operativa, form a da por un conjunto de dispositivos, máquinas o subprocesos, diseñados para la realización de determinadas funciones de
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Introducción a los
Automatismos
fabricación; de form a específica pue de n t ra t a rse de máquinas herramienta para la realización de ope ra c ione s de mecanizado más o menos sofisticadas o bien de subproc e sos de dic a dos a t a re a s tales c om o destilación, fundición etc. Por ot ro lado t e ne m os la Parte de Control o Mando, que', independientemente de su implementación tecnológica electrónica, neumática, hidráulica e t c ., e s el disposit ivo e nc a rga do de realizar la coordinación de las dist int a s ope ra c ione s e nc a m ina da s a mantener a la Parte Operativa bajo control.^ El som e t im ie nt o de la Parte Ope ra t iva se logra mediante el m a ntenimiento c ont inuo de un int e rc a m bio de información entre la primera y la Parte de Cont rol o m a ndo. Dic ho int e rc a m bio se e st a ble c e a través de los captadores binarios, transductores analógicos y digitales y los dispositivos de preaccionamiento. A partir de los dos prim e ros se recoge informa-ción de los va lore s de la s m a gnit ude s físicas a c ont rola r, así c om o de sus cambios de e st a do, e nvia ndo dic ha información a la Parte de Control para su t ra t a m ie nt o. T ra s e l t ra t a m ie nt o de la información se en-vían acciones de m a ndo a través de los pre a c c iona dore s. Los pre a c -c iona dore s son dispositivos que pe rm it e n e l c ont rol de gra nde s pot e nc ia s mediante las señales de pequeña pot e nc ia que son e m it ida s por la Parte de Control.
PARTE DE CONTROL
PARTE OPERATIVA
Ordenes de Mando
pre a c c iona dore s
dispositivo lógico de control PROCESO (accionadores)
diálogo
Figura 1.2. Modelo estructural de un sistema
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automatizado
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Robótica y Automática
En sum a , la automatización de un proc e so indust ria l, (máquina, c onjunt o o e quipo indust ria l) c onsist e e n la incorporación a l m ism o de un c onjunt o de e le m e nt os y disposit ivos tecnológicos que a se gure n su c ont rol y bue n c om port a m ie nt o. Uno de los obje t ivos de se a ble s e s q u e e l a ut om a t ism o se a c a pa z de re a c c iona r fre nt e a la s sit ua c ione s pre vist a s de a nt e m a no y también que, fre nt e a im ponde ra ble s, t e nga c om o obje t ivo sit ua r a l proc e so y a los re c ursos hum a nos que lo a sist e n e n la situación más fa vora ble . En e l pe riodo histórico más re c ie nt e los obje t ivos de la automatización han sido e l proc ura r reducción de c ost e s de fabricación, una c a lida d c onst a nt e e n los m e dios de producción y libe ra r a l se r hum a no de las t a re a s t e diosa s, pe ligrosa s o insa lubre s. Sin e m ba rgo, de sde los años 6 0 , de bido a la a lt a c om pe t it ivida d e m pre sa ria l y a la internacionalización c re c ie nt e de los m e rc a dos, estos obje t ivos ha n sido a m plia m e nt e inc re m e nt a dos. Com o c onse c ue nc ia de un e nt orno c om pe t it ivo, c ua lquie r e m pre sa se ve som e t ida a la ne c e sida d de a c om e t e r gra nde s y rápidos proc e sos de c a m bio e n búsqueda de su adecuación a la s de m a nda s de m e rc a do, neutralización de los a va nc e s de su c om pe t e nc ia o sim ple m e nt e como m a niobra de c a m bio de e st ra t e gia a l ve rse a c ort a do e l c ic lo de vida de alguno de sus produc t os. Ello obliga a m a nt e ne r m e dios de producción a de c ua dos que pose a n una gra n fle x ibilida d y pue da n m odific a r oport una m e nt e la e st ra t e gia de producción. La aparición de la microelectrónica y e l c om put a dor ha t e nido como c onse c ue nc ia el que se a n posible s m a yore s nive le s de integración e nt re e sist e m a produc t ivo y los c e nt ros de decisión y política e m pre sa ria l, pe rm it ie ndo que la producción pue da se r c ont e m pla da c om o un flujo de material a través de l Sist e m a Produc t ivo que int e ra c c iona c on t oda s las áreas de la e m pre sa .
1 .3 .1 . Pa rt e ope ra t iva : Sist e m a s de Fabricación En e st a sección discutimos algunos c onc e pt os a soc ia dos c on la fabricación, e s decir, con la Parte Operativa. Estos son a plic a ble s a los sistemas de fabricación discreta y continua. 12
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Introducción a los
Automatismos
La fabricación es un proceso de transformación mediante el cual el material en bruto, el trabajo, la energía, y el equipamiento se reúnen para producir mercaderías de alta c a lida d.
Obvia m e nt e , la s mercaderías produc ida s de be n t e ne r un valor económico mayor que e l de los c om pone nt e s ut iliza dos y de be n ser vendibles e n un e nt orno c om pe t it ivo. El proc e so de transformación generalmente c onlle va una sucesión de pa sos lla m a dos operaciones de producción. Ca da operación de producción e s un proc e so de c a m bio de entradas en sa lida s m e dia nt e la aportación de un va lor añadido. Esparcidas e nt re las ope ra c ione s que añaden va lor están las que no añaden ningún va lor, t a le s c om o e l t ra nsport e , e l a lm a c e na m ie nt o e inspección. En ge ne ra l e s ne c e sa rio m inim iza r, si no eliminar, las ope ra c ione s que no añaden va lor.
1.3.1.1. Modelo de
Entrada-Salida
Un sist e m a de fabricación pue de se r re pre se nt a do por e l modelo de entrada-salida m ost ra do e n la Figura 1.3. En éste, la s e nt ra da s están c onstituidas por m a t e ria l, t ra ba jo, energía, y tecnología. El m a t e ria l e n bruto se convierte e n e l produc t o fina l de c a lida d. Son dive rsa s las ope ra c ione s de trabajo de sa rrolla da s por los de nom ina dos t ra ba ja dore s de c ue llo-a zul y de c ue llo-bla nc o ne c e sa ria s pa ra el diseño de l produc t o, pa ra ope ra r sobre el equipo, para la c a rga y de sc a rga de la s pie za s, la inspección etc. La tendencia reciente es a ut om a t iza r la mayoría de e st a s func ione s y elevar el papel del ope ra dor hum a no a l de m onit or y supe rvisor.
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Figura 1.3. Sistema de Fabricación: Modelo de entradas y salidas.
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Robótica y Automática
La tecnología de la fabricación re pre se nt a la sofisticación y fle x ibilida d de l e quipa m ie nt o, y e l obje t ivo de la integración de l flujo de m a t e ria l y la información e n e l sist e m a . U n sist e m a de fabricación pue de se r m a nua l o t ot a lm e nt e a ut om a t iza do, a lt a m e nt e de dic a do o t ot a lm e nt e fle x ible , un c onjunt o de máquinas-herramienta a isla da s o un sist e m a de producción t ot a lm e nt e int e gra do. Es e l nive l de tecnología lo que de t e rm ina si un sist e m a e s un sist e m a de fabricación e n se rie , un t a lle r de t ra ba jo (J ob Shop), un sist e m a de producción por lot e s, o un sist e m a t ot a lm e nt e fle x ible de fabricación. La tecnología también de t e rm ina si la s economías son de l t ipo de e sc a la o de l t ipo de a lc a nc e . La fabricación e n se rie de una e st re c ha ga m a de produc t os c onduc e a economías de e sc a la m ie nt ra s que un bajo volum e n de producción de una va rie da d a m plia de produc t os se a soc ia a economías de a lc a nc e . El proc e so de fabricación produc e t re s re ndim ie nt os: la pieza c om ple t a , con una c a lida d de produc t o que de be sa t isfa c e r la s e spe c ific a c ione s de ingeniería re que rida s; c ha t a rra y de spe rdic ios. La c ha t a rra e s inevitable debido a las ope ra c ione s de m e c a niza do de l m e t a l. El de spe rdic io e s de dos tipos: e l primer tipo de de spe rdic ios e s re pre se nt a do por la s he rra m ie nt a s gastadas, e l produc t o re c ha za do dura nt e la inspección, e t c .; y e l se gundo tipo de de spe rdic io e s ge ne ra do por e l uso de los re c ursos de l sist e m a en operaciones que no a gre ga n valor. Por supue st o, c ha t a rra s y de spe rdic ios son salidas del m ode lo inde se a ble s y que de be n m inim iza rse . Hay dos a port a c ione s más al sist e m a de fabricación que son importantes para su func iona m ie nt o. El prim e ro e s e l c onjunt o de decisiones que se realizan e n los dive rsos niveles de la jerarquía (de largo alcance, medio alcance, y corto alcance) c on re spe c t o a produc t os fabricados, equipos comprados, e sque m a s y disposic ione s de planta, secuenciación y programación de piezas, carga de piezas, etc. Estas decisiones son muy importantes y la meta principal de l planteamiento e s presentar herramientas actuales para evaluar por medios analíticos las diversas decisiones. El segundo tipo de entradas son las perturbaciones; e n éstas se incluyen las acciones de los gobiernos, fluctuaciones de mercado, la competitividad, las averías del equipamiento y los problemas laborales. 1.3.1.2. Las decisiones en el mundo de la fabricación
La toma de decisiones en un a m bie nt e de fabricación puede ser muy compleja a causa de las alternativas disponibles y la naturaleza seria e incierta de l resultado de la s decisiones. Hay tres niveles de decisión en un sistema de fabricación: estratégico, táctico, y operacional. Las decisiones 14
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S tar h e r r a j : i se inc w ,y
estratégicas son a largo plazo (típicamente años) y determinadas por la competitividad y supervivencia de la firma. En éstas se incluyen la introducción de nueva tecnología, mezclas y cambios de piezas (destinando un nuevo tipo de pieza para la producción), la expansión y modificación de sistema (agregando un nuevo centro de máquinas o cambiando el esquema del sistema de manipulación de material), etc. Las de segundo nivel, o las decisiones tácticas, t ie ne n un horizonte de semanas/días. En estas se incluyen la división del objetivo total de producción e n lotes, t om a r en cuenta la disponibilidad de los materiales e n bruto, herramientas, y fe c ha s vencidas. Aquí las cuestiones que se plantean son: (i) cuántos lotes y (ii) cuántas piezas en cada lote. El objetivo e s a um e nt a r al máximo la utilización de las máquinas, al t ie m po que se obtiene un balance de la carga de trabajo sobre el sistema, para que t oda s las máquinas t e rm ine n su trabajo para cada lote casi simultáneamente. El nivel ope ra c iona l o t e rc e r nivel de las decisiones se ocupa del control c ot idia no de las ope ra c ione s de fabricación. En éstas se incluyen: (i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi)
Qué t ipo de pie za s int roduc ir e n el sist e m a Cuántas pie za s de be n c oe x ist ir e n el sist e m a simultáneamente Qué pieza debería c a rga rse e n la máquina a continuación Cuántas he rra m ie nt a s de c a da t ipo Cómo re a c c iona r a la rot ura de la he rra m ie nt a Reprogramación e n e l c a so de fa llos de la s máquinas o de l sist e m a de m a ne jo de m a t e ria l.
La gestión e fe c t iva de la fabricación c onlle va la dirección simultánea de los t re s niveles de decisión. Los fa llos e n su realización reducirán la eficacia de gestión, c onduc ie ndo a c ost os más altos y reduciendo la competitividad. El propósito de finit ivo de la fabricación e s c e nt ra r los recursos de la organización, c a pa c ida de s, y energías hacia la consecución de ventajas sostenidas sobre sus c om pe t idore s. T a l ventaja pue de derivarse de costos inferiores, de una mayor c a lida d de producto, de productos más innovadores, o de un servicio superior.
1-3.2. T ipos de Pla nt a s de Producción V \* & V
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ó n es un término muy amplio e incluye muchos tipos de t o s y operaciones de producción claramente diferentes. Puede supof a b r i c a c i
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15
Rohótica y
Automática
ne r m uc ha s form a s tecnológicas y orgánicas. Sin e m ba rgo, e s posible re c onoc e r funda m e nt a lm e nt e las c ua t ro c onfigura c ione s siguie nt e s t e nie ndo e n c ue nt a el número de produc t os y volum e n: • Proc e sos de flujo c ont inuo, • J ob Shops • Producción por lot e s, y • Líneas de dic a da s de producción.
1.3.2.1. Procesos
de flujo continuo
En éstos se de sa rrolla una producción de dic a da c ont inua de grandes c a nt ida de s de produc t o. Aquí los t ipos de produc t o son poc os y los volúmenes son a lt os. El proc e so de fabricación m a nt ie ne un flujo continuo de m a t e ria le s e n brut o m e dia nt e una se rie de ope ra c ione s se c ue nc ia le s. Estas ope ra c ione s t ra nsform a n los m a t e ria le s e n brut o e n un produc t o final. Entre los e je m plos típicos de los proc e sos de flujo c ont inuo se incluyen plantas químicas, refinerías de petróleo, plástico, pla nc ha s y acero, e industrias textiles. Mientras que la c ont inuida d c om ple t a e s rara, sue le se r más frecuente un sist e m a de t ipo pipeline donde c a da sección de la pla nt a proc e sa una cierta c a nt ida d de m a t e ria le s y la pa sa a la próxima sección. Para aumentar al máximo el rendimiento total se utilizan técnicas de c ont rol realimentado de sección o de planta. La disponibilida d de se nsore s inteligentes, de tecnología ba sa da e n el c om put a dor relativamente barata, y un control por computador sofisticado ha tenido c om o c onse c ue nc ia fábricas totalmente automatizadas que func iona n virtualmente sin intervención humana.
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Figura 1.4. Proceso flujo continuo
16
U PV -CFP
Introducción
a los Automatismos
1.3.2.2. Job Shop
El trabajo e n los J ob Shop viene c a ra c t e riza do por unos volúmenes de producción bajos a m e dios y una a m plia ga m a de produc t os. Es m uy común e n indust ria s mecánicas de ingeniería. Este t ipo de fabricación se usa ge ne ra lm e nt e pa ra pe didos específicos de c lie nt e e n el que e x ist e una gran variedad de t ra ba jo a re a liza r e n la pla nt a . Por lo t a nt o, e l e quipo de producción de be se r de propósito ge ne ra l y fle x ible pa ra ha c e r posible esta variedad de t ra ba jo, y los t ra ba ja dore s de be n se r de gra n capacitación para desempeñar la ga m a de c om e t idos de t ra ba jo. Los e je m plos típicos de fabricación que se inc luye n son los vehículos e spa c ia le s, a e rona ve s, proyectiles, máquinas he rra m ie nt a , y prot ot ipos de fut uros produc t os. Los J ob Shops ge ne ra lm e nt e son poco e fic ie nt e s y t ie ne n grandes tiempos de preparación, gra nde s inve nt a rios de t ra ba jo e n curso, y costos altos. Las ra zone s que lo provoc a n son: • Una orde n pa ra un c om pone nt e o subm ont a je comúnmente involuc ra ope ra c ione s e n va ria s máquinas-herramienta dife re nt e s y c on m ovim ie nt os de una sola pie za . El m ovim ie nt o de m a t e ria l ge ne ra lm e nt e e s re a liza do por t ra ba ja dore s de c ue llo a zul que t ie ne n e n c onse c ue nc ia c ost os a lt os y gra nde s de m ora s.
¿
• El e quipo y he rra m ie nt a s e n un J ob Shop son de propósito ge ne ra l y pue de e st a ble c e rse pa ra c a si c ua lquie r pie za , pero e l t ie m po pa ra la estructuración de un t ra ba jo pa rt ic ula r sobre una máquina he rra m ie nt a de propósito ge ne ra l pue de re que rir horas o incluso días. " ^ ; " ¿S* • Est os produc t os t ie ne n unos de sa rrollos y t ie m pos de producción m uy gra nde s, a c a usa de la fue rt e c om pone nt e de trabajo de ingeniería, t ie m po de diseño y gra nde s t ie m pos de preparación pa ra la adquisición de m a t e ria le s y c om pone nt e s e spe c ia le s. También t ie ne n un c ost o a lt o a c a usa de l gra n c ont e nido de diseño e ingeniería por pe dido, que e s la fue rza de t ra ba jo más c ua lific a da y m e jor pa ga da , y c onsiguie nt e m e nt e de m e nor curva de a pre ndiza je de produc t ivida d.
í*3.2.3. La producción por lotes
d e v e
En e st a categoría se pla nt e a la fabricación de lotes de tamaño medio l mismo artículo o produc t o. Los lot e s sue le n se r produc idos una sola z o de be n produc irse a int e rva los re gula re s. Los tamaños de lotes y la
U PV -CFP
17
fre c ue nc ia de producción de un artículo único se fija n c on las políticas de c ont rol de inve nt a rio a dopt a da s en m a rk e t ing. Aquí nue va m e nt e e l e quipo de fabricación e s de propósito ge ne ra l, pe ro diseñado pa ra prom e dios de producción más a lt os. La s pla nt a s de producción por lot e s inc luye n los t a lle re s d e m e c a niza do, fundic ione s, fábricas de m olde a do plástico, y t a lle re s de t ra ba jos de pre nsa . Entre los artículos re a liza dos e n t a lle re s de fabricación por lot e s se e nc ue nt ra n m ue ble s, libros, y a pa ra t os domésticos. Se ha e st im a do que c om o m uc ho el 7 5 % de t oda la fabricación por lot e s está he c ha e n tamaños de lote de 50 piezas o m e nos. En la a c t ua lida d la fabricación por lot e s y la producción J ob Shop c onst it uye una pa rt e im port a nt e de la a c t ivida d t ot a l de fabricación. 1.3.2.4. Líneas Dedicadas
de alto volumen de
producción
Esta e s una fabricación e spe c ia liza da c ont inua de produc t os idénticos. Las líneas de producción de alto volum e n son c a ra c t e riza da s por una tasa de producción m uy alta y de e st re c ho a lc a nc e . El e quipo se de dic a a la fabricación de un tipo de produc t o único t a l c om o automóvil, bombillas, aparatos, etc. La planta e nt e ra se diseña y ope ra pa ra la fabricación de un tipo único de producto. •
Variedad de Producto
Producción Job Shop Producción por Lotes Producción en masa
Procesos de flujo continuo
Volumen de Producción Figura 1.5. Cuatro tipos de configuraciones
de planta
Pa ra los sist e m a s e inst a la c ione s e spe c ia liza da s de m onoproduc t o se requiere una inversión fija m uy a lt a , t a le s c om o líneas fija s de t ra nsport e , t ra nsport a dore s de dic a dos, a lm a c e ne s, e t c . Ca da pie za de l e quipo se pe rfe c c iona de sde el punt o de vist a de l c ost o y e l t ie m po pa ra la operación que desempeña y el m ovim ie nt o del m a t e ria l se a ut om a t iza 18
U PV -CFP
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Introducción a los
Jí
Automatismos
Los c ua t ro t ipos de la s c onfigura c ione s de planta pueden ser distinguidas por la va rie da d de l produc t o y e l volum e n de la producción Esta -• se- m ue st ra e n la Fig.1 .5 . H a y a lgunos sola pa m ie nt os en la clasificación, c om o indic a la figura . 1.3 .3 . T ipos de d i s p o s i c i o n e s e n pla nt a
El c onc e pt o de disposición de pla nt a vie ne referido a l tipo de re orde na m ie nt o de los disposit ivos físicos e inst a la c ione s de producción en planta. Proba ble m e nt e la m e jor disposición e n planta para un sistema de producción e n m a sa o de flujo c ont inuo no se a a de c ua da para un sistema tipo J ob Shop. Básicamente e x ist e n c ua t ro t ipos de disposic ione s e n planta a soc ia dos c on los sist e m a s t ra dic iona le s de producción. Estos son: Disposición de Posición Fija c t o s idénticos, Por una tas; ' dedica a . bombillas,
icación de u
Disposición de Proc e so Disposición de flujo de produc t o Disposición por tecnología de grupo 1.3.3.1. Disposición
de posición fija
En e st a disposición (Fig. 1.6a), e l c onc e pt o de "posición fija", viene referido a l produc t o. A c a usa de su pe so y tamaño, e l producto permanece en un sitio c onc re t o y e l e quipa m ie nt o pa ra su fabricación se lleva a ese punto. Eje m plos de e st e t ipo de disposición son la construcción de buques y la indust ria a e rona va l, a e rospa c ia l e t c . Ot ra disposición sim ila r a la a nt e rior e s la de disposición de proyecto. Esta se ut iliza e n la construcción de e dific ios, pue nt e s y pantanos. Al igua que e l t ipo de disposición fija , e l t ipo de produc t o e s m uy grande y e e quipa m ie nt o de be se r de spla za do ha st a e l punt o donde se ubica éste. Sin embargo, a l c ont ra rio que e l de disposición fija , c ua ndo el proyecto finaliza el e quipa m ie nt o también e s re t ira do de dic ho punt o.
>ces° flujo t¡nu°
s
1.3.3.2. Disposición de
proceso
En e st a configuración (Fig. 1.6b), as máquinas de producción se ordenan e n grupos de a c ue rdo c on el e l t ipo ge ne ra l de proceso de . las manufacturación. En ésta, los t ornos están e n un departamento, — - i - , , , g tl a a la i a dra u i a dora u u i a as están et>idii e u uro, u ,e e il m m uolde iuco u por inyección " ... máquinas e ini ot de • plásticos en otro dife re nt e , e t c . La ve nt a ja de e st a disposición radica e n la fle x ibi(
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19
Robótica y
Automática
lidad. Dife re nt e s pie za s, c on ne c e sida de s de m e c a niza do dist int a s, pue de n se r e nc a m ina da s a los dife re nt e s de pa rt a m e nt os d e m a ne ra a propia da m e dia nt e c a rre t illa s e le va dora s o m a nua le s. Est a disposición e s típica de los T a lle re s de T ra ba jo (J ob Shops) y de la fabricación por lot e s. 1.3.3.3. Disposición de flujo de
producto
Esta disposición (Fig. 1 .6 c ) e s c onve nie nt e pa ra la fabricación e spe c ia liza da de un m onoproduc t o, o de gra nde s volúmenes de un único produc t o. En e st e t ipo de fabricación c onvie ne orga niza r la reordenación de la s inst a la c ione s lo más e fic ie nt e m e nt e posible . Pa ra produc t os de e nsa m bla je c om ple jo o artículos c o n una la rga se c ue nc ia de pequeñas ope ra c ione s, ésta e s la disposición más c onve nie nt e . En e st e t ipo de disposición, la s inst a la c ione s de proc e sa m ie nt o y m ont a je se sitúan a lo largo de la línea de flujo de l produc t o. El t ra ba jo e n c urso se t ra sla da m e dia nt e c int a s t ra nsport a dora s o m e dios sim ila re s de sde una estación de t ra ba jo a la ot ra . En e st e t ipo de disposición, la ordenación de la s inst a la c ione s e s re la t iva m e nt e infle x ible y únicamente se m odific a c ua ndo las c a nt ida de s a produc ir just ific a n la s inve rsione s de dic a da s.
•
Materias pnm a s
Estaciones de trabajo
• Producto acabado
•
•
C) Figura 1.6. Tipos de disposición en planta
20
UPV-CFP
Introducción a los
1.3.3.4. Disposición
por tecnología
de
Automatismos
grupo
Este intenta c om bina r la eficacia de la disposición de flujo con la flexibilidad de la disposición de proceso. En esta filosofía se trata de identificar y a grupa r familias de piezas c on determinada similitud e n la fabricación y e l diseño. En una planta capaz de producir 1 0 .0 0 0 piezas diferentes, puede ser posible a grupa rla s e n grupos de 5 0 familias con las similitudes a nt e riorm e nt e re fe rida s, de t a l form a que el procesamiento de cada miembro de una m ism a fa m ilia puede se r similar, resultando una mayor e fic a c ia en la fabricación. Esta e fic a c ia puede obtenerse mediante la organización de l e quipa m ie nt o e n grupos de máquinas o células que faciliten e l flujo de t ra ba jo. En e l diseño de l producto existen también ventajas en la clasificación y e n la codificación de las piezas.
1.4. Parte de
Control
La Parte de Control o Mando e s e l disposit ivo e nc a rga do de realizar el c ont rol c oordina dor de la s dist int a s ope ra c ione s e nc a m ina da s a mantener a la Pa rt e Ope ra t iva bajo un de t e rm ina do func iona m ie nt o preestablecido de a nt e m a no e n las e spe c ific a c ione s de diseño. Con un m a yor gra do de e spe c ific ida d, las func ione s más comunes de la Parte de Cont rol son: • Gestión de las
entradas/salidas.
• Tratamiento de ecuaciones • Tratamiento de funciones
lógicas. de seguridad.
secuencial.
• Tratamiento • Funciones
de regulación.
• Funciones
de cálculo para la optimización.
• Gestión de
herramientas.
• Control de calidad. • Gestión de • Operaciones
mantenimiento. de Supervisión:
monitorización
y diagnóstico
de
• Seguimiento dé la producción.
UPV-CFP
21
Robótica y
Automática
1.4.1. Clasificación tecnológica El de sa rrollo de los c ont rola dore s, su c om ple jida d y e fic a c ia , ha ido a soc ia do a l de sa rrollo tecnológico e x pe rim e nt a do a lo la rgo de los t ie m pos. Básicamente se pue de e st a ble c e r la clasificación m ost ra da e n e l c ua dro siguie nt e , pa rt ie ndo de dos c onc e pt os princ ipa le s: lógica c a ble a da y lógica progra m a da .
CLASIFICACIÓN TECNOLÓGICA
LÓGICA CABLEADA
Hidráulica
Figura
1.7. Clasificación
tecnológica
1.4.1.1. Lógica cableada
Su denominación viene da da por el tipo de e le m e nt os que intervienen en su implementación. En el caso de la tecnología eléctrica, las uniones físicas se realizan mediante cables eléctricos, relés electromagnéticos, interruptores, pulsadores etc. En lo que respecta a la tecnología electrónica, las puertas lógicas son los elementos funda m e nt a le s mediante los cuales se realizan los controladores. En el caso de la tecnología fluídica, su implementación viene siendo efectuada por tuberías de acero, cobre, pvc ,etc. junt o c on elementos tales como válvulas, distribuidores, presostatos, manorreductores etc. 22
U PV -CFP
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C
Introducción
a los
Automatismos
La tecnología neumática ha sido, y e s aún fre c ue nt e m e nt e utilizada, en los a ut om a t ism os indust ria le s, a unque va que da ndo re le ga da a los accionamientos de cierta pot e nc ia c on a lgorit m os de c ont rol re la t iva m e nt e simples y también para a plic a c ione s de carácter e spe c ia l (para a m bie nt e s explosivos), ya que fre nt e a la lógica progra m a da pre se nt a los siguie nt e s inconvenientes: • I m posibilida d de realización de func ione s c om ple ja s de c ont rol. • Gra n volum e n y pe so. • Esc a sa fle x ibilida d fre nt e a m odific a c ione s. • Re pa ra c ione s c ost osa s. No obst a nt e , m uy a m e nudo, se sue le n a rt ic ula r soluc ione s m e dia nt e im ple m e nt a c ione s m ix t a s a prove c ha ndo la s m e jore s características de ambas tecnologías, la neumática y la de la lógica progra m a da mediante autómatas progra m a ble s indust ria le s c one c t a dos m e dia nt e disposit ivos de interfaz.
pesador
1.4.1.2. Lógica
programada
Se t ra t a de una tecnología de sa rrolla da a pa rt ir de la aparición de l microprocesador, y de los sist e m a s progra m a ble s ba sa dos e n éste, autómatas programables. computador, c ont rola dore s lógicos y Const a nt e m e nt e , de bido a los a lt os nive le s de integración a lc a nza dos en la microelectrónica, e l um bra l de re nt a bilida d de esta tecnología decrece y frente a la lógica c a ble a da pre se nt a : • Gra n fle x ibilida d, • Posibilida d de cálculo científico e • Implementación de a lgorit m os c om ple jos de c ont rol de procesos, • Arquit e c t ura s de c ont rol dist ribuido, • Com unic a c ione s y gestión.
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Como inconvenientes a corto y medio plazo, presenta la necesidad de formación en las e m pre sa s de personal adecuado para su programación y asistencia, al tratarse de ve rda de ra s herramientas informáticas, también su relativa vulnerabilidad fre nt e a las agresivas condiciones del medio indus-
vi n etc-
UPV-CFP
23
t ria !, si bie n, c on e l t ra nsc urso de l t ie m po, e l nive l de fia bilida d y disponibilida d de e st os sist e m a s se ha m e jora do not a ble m e nt e .
1.5. Niveles
de
automatización
El gra do de automatización de un proc e so vie ne de t e rm ina do funda m e nt a lm e nt e por fa c t ore s de t ipo económico y tecnológico, por ello pode m os e nc ont ra r una ga m a m uy a m plia y va ria da , de pe ndie ndo de los obje t ivos a a lc a nza r.
1 .5 .1 . N ive l e le m e nt a l Se c orre sponde c on e l a signa do a una máquina se nc illa o pa rt e de una máquina, asignándole t a re a s de vigila nc ia de t ie m pos m ue rt os, posic iona m ie nt o de pie za s y func ione s de Se gurida d. En el nivel e le m e nt a l, se dist ingue n t re s gra dos de automatización: V igila nc ia . Guía ope ra dor M a ndo.
Figura 1.8. Nivel de automatización elemental, bucle abierto 24
U PV -CFP
Introducción a los Automatismos
e
El modo operación de Vigilancia se realiza en bucle abierto y consiste en la toma por parte del dispositivo automático de medidas a una serie de variables, procesando dicha información y emitiendo partes diarios de servicio y balances.
H e cj
V t e n, % ¡ j j >0|(w H El modo operación Guía operador consiste en una variante de la ^ p ' °, K anterior de un mayor gra do de elaboración, con la inclusión de tareas de ^ asistencia m e dia nt e propue st a s al operador, según criterios prefijados. Se suele re a liza re n bucle a bie rt o.(Fig 1.8 .). Cr
9 c
e
y c
1
El modo operación de m a ndo consiste e n la t om a de información, procesamiento, t om a de de c isione s y ejecución sobre el proceso de acciones de c ont rol. Se c orre sponde c on una e st ruc t ura clásica de bucle e ric i|| cerrado (Fig. 1.9. donde la intervención hum a na que da excluida salvo para * Cíe tiemp ° las tareas de supervisión. n
a
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Figura
1.9. Nivel de automatización
elemental,
bucle
cerrado
1.5.2. N ive l int e rm e dio j
9
Se c orre sponde c on la explotación de un c onjunt o de maquinas elementales o bie n una máquina c om ple ja . Este ha sido el dominio clásico de la automatización indust ria l.
1.5.3. T e rc e r nive l Se c a ra c t e riza n por ser de un proc e so c om ple t o, e intervienen además del control e le m e nt a l del proc e so, ot ros a spe c t os tales como Supervisión, UPV-CFP
Rebotica y Automática
Optimización, Gestión de M a nt e nim ie nt o, Cont rol de Ca lida d, Se guim ie nt o de la Producción. Pa ra la consecución de e st os obje t ivos, se ha ido e voluc iona ndo de sde dist int a s e st ruc t ura s de automatización y c ont rol. V e a m os se guida m e nt e a lguna s de e st a s e st ruc t ura s.
1.5.3.1. Control
centralizado
El sist e m a está c onst it uido y una estación de ope ra dor. proc e sos de va ria ble c ont inua a un más, e st a a rquit e c t ura ha c on va ria ble s de t ipo c ont inuo y
por un c om put a dor, un int e rfa z de proc e so Est a e st ruc t ura se ha a plic a do t a nt o a c om o a proc e sos de carácter se c ue nc ia l, pe rm it ido re a liza r a plic a c ione s indust ria le s se c ue nc ia l de form a c om bina da .
La s ve nt a ja s y de sve nt a ja s de e st a a rquit e c t ura se de riva n pre c isa m e nt e de sus características e st ruc t ura le s. Por una pa rt e sus ve nt a ja s se c e nt ra n e n que su a rquit e c t ura fa c ilit a e l flujo de información y se ha c e posible que los obje t ivos de optimización globa l de l proc e so pue da n se r a lc a nza dos. Por ot ra pa rt e , sus de sve nt a ja s se c e nt ra n e n que la fia bilida d de un sist e m a c e nt ra liza do de pe nde de la fia bilida d de l c om put a dor, de form a que si e l c om put a dor fa lla , t odo e l sist e m a que da sin c ont rol.
Control Centralizado
Matena prl rna
N
A A
'A.
D
Figura
1.5.3.2. Control
1.10. Control
Rezas mecanizada?
centralizado
multicapa
Se pue de establecer un cierto c om prom iso entre la s ventajas y de sve nt a ja s de la arquitectura c om ple t a m e nt e c e nt ra liza da , conformando una va rie da d de control je ra rquiza do de dos niveles. 26
U PV -CFP
Introducción
a los
Automatismos
El nivel más bajo se c onst it uye m e dia nt e c ont rola dore s loc a le s para el control de lazos específicos o subproc e sos del sist e m a . Éstos se oc upa n de atender a las t a re a s de c ont rol c on re st ric c ione s t e m pora le s de carácter crítico. El nivel supe rior está c onst it uido por un c om put a dor c e nt ra l que supervisa y e st a ble c e órdenes de c onsigna a los c ont rola dore s locales. Además, a t ie nde a la s t a re a s de optimización de largo a lc a nc e , de procesamiento de información globa l y monitorización del sist e m a . En caso de que el c om put a dor c e nt ra l fa lle , e l c ont rol de las va ria ble s de l proc e so queda ga ra nt iza do.
Cont rol d e Supervisión
V
L J
m.
Dispceitivo de control
i Dispositivo d e control
M a t e ria prim a
i.
Dispositivo d e control
n
i
rie za s m e c a niza da s 1
Figura 1.11. Control
Dispceitivo cfc control
—
multicapa
1.5.3.3. Con tro! je rá rquico
Esta e st ruc t ura a pa re c e c om o c onse c ue nc ia de l de sa rrollo de l concepto de c ont rol m ult ic a pa y de la ampliación de las t a re a s de control a los c onc e pt os de planificación y gestión e m pre sa ria l y la correspondiente asignación a nive le s supe riore s e n la jerarquía de c ont rol.
1.5.3.4. Control
distribuido
A dife re nc ia de la e st ruc t ura de c ont rol jerárquico, donde diferentes tareas están a signa da s a dife re nt e s nive le s, e n e l c ont rol distribuido se asumen ot ra s c onside ra c ione s que son: • Ex ist e nc ia de va ria s unida de s de c ont rol y fabricación que llevan a c a bo las m ism a s t a re a s. • En c a so que oc urra una avería o una sobre c a rga de trabajo, será posible t ra nsfe rir t odo o pa rt e de las t a re a s a otras unidades.
U pv-c fp
27
Robotica y Automática
Est a e st ruc t ura int roduc e ve nt a ja s e inc onve nie nt e s. Por una parte la ide a de pode r ha c e r by-pa ss a las unida de s c on proble m a s pe rm it e evitar los bloque os inne c e sa rios de l sist e m a , pe ro por ot ra pa rt e e x ige que las dife re nt e s islas de producción pue da n t e ne r una asignación dinámica de las t a re a s y por lo t a nt o se les va a e x igir gra n c a pa c ida d de a c c e so a la comunicación y de t ra t a m ie nt o de la información. Además, e s ne c e sa ria la e x ist e nc ia de a lgorit m os int e lige nt e s de detección de fa llos y dia gnosis. Am ba s filosofías pose e n características m uy int e re sa nt e s y e s por ello que e n los sist e m a s a ut om a t iza dos de producción a c t ua le s existe t e nde nc ia a m e zc la r características de l c ont rol dist ribuido e n e st ruc t ura s de t ipo jerárquico, re sult a ndo soluc ione s de t ipo m ix t o. En sum a , la na t ura le za dist ribuida c ont ribuye a inc re m e nt a r la fia bilida d del sist e m a , a l igua l que su m a nt e nim ie nt o, ya que los c a m bios loc a le s de l proc e so o de sus inst a la c ione s sola m e nt e provoc a n efectos loc a le s a l sist e m a de c ont rol. Por ot ra pa rt e , e l proc e so c e nt ra liza do de da t os pe rm it e una optimización y supervisión globa l. Los interíaces hombre-máquina ba sa dos e n c om put a dor, c re a n e e nt orno a propia do pa ra la comunicación int e lige nt e e nt re el sist e m a de control y los ope ra dore s hum a nos. No obst a nt e , e st a e st ruc t ura , pe se a sus ve nt a ja s, no está e x e nt a de a lgunos inc onve nie nt e s. Éstos son: una disminución de la ve loc ida d de comunicación de bido a los re t a rdos, posible s de sborda m ie nt os en el proc e sa m ie nt o de da t os e n c a da nivel y fa lt a de flujo de información directa entre c ont rola dore s.
Cont rol d e Supervisión -•
M a t e ria prim a
A
I I
Otepcsíttvo / d e unidades de c ont rol \ dbíribuido Depce-'tw o d e \ c e nt ro i *
DfepaertVo de control
Disoositivo d e ¡ i
control
Sistema Flexible d e F a b r i c a d a s
CtopC&ifWO d e I
control
f
Piezas' m e c a niza da s
Figura 1.12. Control distribuido
28
UPV-CFP
Introducción a los
1
Automatismos
5.4. Cua rt o nive l
Se c orre sponde c on e l c onc e pt o de Fabricación Integrada por Computador, CI M (Com put e r I nt e gra t e d M a nufa c t uring), donde se contempla la inclusión de form a int e gra da a la Producción, c onc e pt os tales como la Gestión Em pre sa ria l, Planificación, Programación etc. A e st e re spe c t o la implantación de una e st ra t e gia productiva totalmente int e gra da no e s una t a re a se nc illa ni pue de se r a borda da a corto plazo. La planificación de una e st ra t e gia CI M , está siendo e l objetivo de multitud de artículos, c onfe re nc ia s y t e m a de num e rosa s inve st iga c iones. El e st udio de una se rie de pa sos básicos a m plia m e nt e a c e pt a dos puede re sponde r a la cuestión de cómo e m pe za r c ua ndo se aborda t a re a de tal m a gnit ud. Un a x iom a básico de a m plia aceptación e s e l siguie nt e : •
"El CIM ha de planificarse "top down" ("de arriba a abajo"), debe implantarse "bottom-up" ("de abajo hacia arriba").
pero
Esta e st ra t e gia se c onc re t a e n una metodología e la bora da al respecto que recibe e l nom bre de Metodología CI M de Booz Alie n & H a m ilt on. Esta metodología a plic a una e st ra t e gia progre siva de automatización, a va nza ndo según una se rie de e t a pa s: Células: Ra c iona liza r la pla nt a . Islas de automatización: Aplic a r automatización y sistemas de c ont rol a la s células. Integración de isla s e n FM S (Fle x ible M a nufa c t uring System). Integración de pla nt a : Coordinación de FM S, implantación de AM H (Aut om a t e d M a t e ria ls H a ndling). Unión de l CAD/CAM y la pla nt a . Integración de los M PCS.(M a nufa c t uring Syst e m s).
UPV-CFP
Planning
& Control
29
Robotica y
Automática
1.6. Concepto CIM: La Automatización Computador
Integrada
por
Este concepto es la base de la Automatización Integrada - CIM (Com puter Integrated Manufacturing) que tiene c om o obje t ivos: • • • • •
Reducir los niveles de stock y aumentar su rotación. Disminuir los costes dire c t os. Control de los niveles de stock en t ie m po re a l. Reducir los costes de m a t e ria l. Aumentar la disponibilidad de las máquinas m e dia nt e la reducción de los tiempos de preparación y pue st a a punt o. • Incrementar la produc t ivida d. • Mejorar el control de c a lida d. • Permitir la rápida introducción de nue vos produc t os. • Mejorar el nivel de servicio. Este concepto responde a una estructura piramidal je ra rquiza da , produciéndose en la cúspide las decisiones de política e m pre sa ria l. En el otro extremo, en la base, lo que se pretende e s que las de nom ina da s islas de automatización, mediante los autómatas progra m a ble s, máquinas de c ontrol numérico, robots etc., se integren en un sistema de control jerarquizado y distribuido que permita la conversión de decisiones de política empresarial en operaciones de control de bajo nivel.
Figura 1.13. Estructura piramidal del modelo
En este modelo de la National Bureau of Standards (N BS) encontramos los siguientes niveles de control/gestión de la información: 30
UPV-CFP
Introducción a los
Automatismos
1.6.1. N ive l O Com pre nde e l c onjunt o de disposit ivos, subproc e sos, maquinaria en general, con que se re a liza n las ope ra c ione s e le m e nt a le s de producción en la empresa. En e st e nivel también están situados los dispositivos captadores de señales analógicas y/o digit a le s, c a pt a dore s, sensores, transductores, e t c ., así c om o e l c onjunt o de disposit ivos que actúan como ¡nterfaz e nt re la pa rt e de c ont rol y la ope ra t iva , t ra nsm it ie ndo las señales de mando o c ont rol a los pre /a c c iona dore s, relés, a c c iona dore s de potencia, va ria dore s de ve loc ida d e t c . Es la información de menor rango e n la pirámide CI M .
1.6.2. N ive l 1 En e st e nive l se e nc ue nt ra n los Disposit ivos Lógicos de Cont rol, cuya implementación c onc re t a se ha ve nido re a liza ndo e n la actualidad mediante los Autómatas Progra m a ble s I ndust ria le s (API ), tarjetas basadas en m ic roproc e sa dor, m ic roc ont rola dor, y orde na dore s e spe c ia le s para el control indust ria l. En sum a c onst it uye n los e le m e nt os de m a ndo y control de la m a quina ria de l N ive l 0. Est e N ive l 1 proporc iona la información de actuación dire c t a de l N ive l 0 y de e st a do a l Nivel 2 . Se sue le denominar nivel de automatización (FA). 1.6.3. N ive l 2 Es e l nive l de supervisión y c ont rol. En e st e nive l, bien por medios humanos o bie n informáticos, se re a liza n las siguie nt e s t a re a s: • Adquisición y t ra t a m ie nt o de da t os. • Monitorización • Gestión de a la rm a s y a sist e nc ia s. • M a nt e nim ie nt o c orre c t ivo y pre ve nt ivo. • Programación a c ort o. • Cont rol de c a lida d. • Cont rol de obra e n c urso. • Sincronización de células. • Coordinación de t ra nsport e . • Aprovisiona m ie nto de líneas. • Se guim ie nt o de lot e s. • Se guim ie nt o de órdenes de t ra ba jo. UPV-CFP
31
Robótica y Automática
De pe ndie ndo de la filosofía de c ont rol de la e m pre sa , este nivel emite órdenes de ejecución a l Nivel 1 y re c ibe sit ua c ione s de e st a do de dicho nivel. Igualmente recibe los progra m a s de producción, c a lida d, m a nt e nimiento, etc. del Nivel 3 y re a lim e nt a dic ho nivel con las inc ide nc ia s (estado de órdenes de t ra ba jo, situación de máquinas, e st a do de la obra e n curso e t c . ) ocurridas en planta.
1.6.4. Nivel 3
Es el nivel de planificación. En e st e nivel se re a liza n la s siguientes tareas: • Programación de la producción. • Gestión de m a t e ria le s. • Gestión de c om pra s. • Análisis de c ost e s de fabricación. • Control de inve nt a rios. • Gestión de recursos de fabricación. • Gestión de c a lida d. • Gestión de m a nt e nim ie nt o. Las últimas tendencias apuntan a situar la gestión de distribución en este nivel. El Nivel 3 emite los progra m a s hacia el Nivel 2 y recibe de éste las incidencias de la planta. Del Nivel 4 recibe información consolidada sobre: • Pedidos en firme. • Previsiones de venta. • Información de ingeniería de producto y de proceso. Y envía información relativa a: • Cumplimiento de programas. • Costes de fabricación. • Costes de operación. • Cambios de ingeniería. 32
UPV-CFP
Introducción a los
°
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Automatismos
re a liza n la s siguie nt e s tareas:
Gestión comercial y de marketing Planificación estratégica. • Planificación financiera y administrativa. a n
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• Gestión de recursos humanos. • Ingeniería de producto. • Ingeniería de proceso. • Gestión de tecnología. • Gestión de sist e m a s de información (MIS) • Investigación y de sa rrollo. Este nivel e m it e al Nivel 3 información sobre la situación comercial (pedidos y pre visione s), información de ingeniería de producto y de proceso etc. Para poder ajustar la planificación globa l, este nivel recibe del Nivel 3 información a nt e riorm e nt e indicada sobre cumplimiento de programas, costes, etc.
i distribución v recibe de& *
Este e nfoque int e gra dor de la producción precisa para su desarrollo la integración de las "islas de automatización" y, por tanto, e l desarrollo de las comunicaciones, a l crearse una e norm e de m a nda de información que afecta a t oda s la s unidades func iona le s de la empresa. Por otra parte, debido a la optimización de l control y la diversificación de riesgos, se aconseja al diseñador o integrador de sistemas de control a la "distribución de inteligencia" e n las distintas fa se s o áreas de producción. Debido a la citada interdependencia entre las distintas áreas, e l equipo que ejerce el control de cada una de ellas precisa, e n un momento dado, información de los otros; de ahí la necesidad de comunicación entre los distintos equipos.
O.
En los niveles más bajos de la pirámide CIM, se establecen una serie de restricciones características de l entorno industrial. Por una parte los tiempos de respuesta de los dispositivos de control han de ser cortos y de carácter determinista. Por otra parte las perturbaciones clásicas del entorno industrial han de poder se r soportadas sin que ello afecte a la fiabilidad y disponibilidad de las instalaciones. Estas características se contemplan actualmente en las Redes de Área Local de carácter industrial. UPV-CFP
33
1.7. Estructuras Loca i
distribuidas
mediante
Redes
de
Area
En e l de sa rrollo inicial de la comunicación indust ria l, pa ra int e rc a m bia r información e nt re dos Autómatas se empleó la interconexión a través de l Sist e m a de Ent ra da s/Sa lida s, lle va ndo sa lida s de un e quipo a e nt ra da s del otro y vic e ve rsa . Pe ro c ua ndo e l nive l de información fue inc re m e nt a ndo sus re que rim ie nt os, c on la petición de da t os c om o número de piezas produc ida s/re c ha za da s, t ie m po de func iona m ie nt o/pa ra da , t ie m po de un ciclo c om ple t o de la máquina, e t c .; Est e método de int e rc a m bio se reveló inope ra nt e . Ent onc e s se incorporó la c a pa c ida d de comunicación e nt re U nida de s Ce nt ra le s, y post e riorm e nt e se de sa rrolla ron la s re de s de comunicación, m e dia nt e las c ua le s c on un c a ble e x t e ndido a lre de dor de la planta se e nla za ba n los autómatas e nt re sí y c on un orde na dor. La evolución t ra jo c onsigo la Re d de Área Loc a l (LAN ) de carácter industrial, que está c onst it uida básicamente por un m e dio físico de transmisión (pa r t re nza do, c a ble c oa x ia l, fibra óptica), t ra nsduc t ore s, pre a c c iona dore s, un número dive rso 6e e st a c ione s de re d, t a le lT c om o unidades de proc e sa m ie nt o y adquisición de da t os, c ont rola dore s PI D, autómatas progra m a ble s, c ont rola dore s e spe c ia liza dos (pa ra robots, máquinas de c ont rol numérico), c om put a dore s pa ra e l proc e sa do de datos de carácter ge ne ra l, disposit ivos de a lm a c e na m ie nt o, e st a c ione s de operador m onit oriza da s y periféricos pa ra la comunicación. En e l de sa rrollo inicial de la s Re de s de Área Loc a l, la s dist int a s características de los e quipos inc orpora dos e n e l c onjunt o de "islas", c on distinta proc e de nc ia de fabricación y la s ne c e sida de s específicas de automatización, provocó que se e nc ont ra ra n re de s de comunicación de carácter inc om pa t ible , im pidie ndo el de sa rrollo del c onc e pt o CI M . También una c irc unst a nc ia im port a nt e que ayudó a m a nt e ne r e st a situación, fue debida a las distintas ne c e sida de s de t ra t a m ie nt o de la información de las dive rsa s áreas func iona le s de la e m pre sa que de m a nda n pre st a c ione s distintas a la red de c om unic a c ione s de que se servían. En la s unidades funcionales de administración (ofic ina s), la inform a ción que se transfiere de un punto a otro está constituida por paquetes medianos y pequeños, pero hay gra n cantidad de t e rm ina le s pidiendo y enviando información. Algo similar puede e nc ont ra rse e n los de pa rt a mentos técnicos, aunque aquí tienen lugar t ra nsfe re nc ia s de grandes paquetes de información (gráficos CAD). En estos casos el t ie m po de res34
U PV -CFP
P a r
puesta no e s un fa c t or crítico y re de s c om o la Ethernet (I EEE 802 3) se adaptan pe rfe c t a m e nt e a e st e t ra ba jo.
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El t ipo de re d que se pre c isa e s e l de a c c e so determinístico, es decir, con t ie m pos de re spue st a ba jos y pre c isa ble s. U na re d que responde a estas características e s la que pose a un m e dio de a c c e so al medio por paso de t e st igo (t ok e n ring: I EEE 8 0 2 .4 ) e n sus form a s topológicas de "bus" o de a nillo. Est a situación produjo un e fe c t o de "T orre de Babel" bajo e l que parecía im posible de sa rrolla r e l c onc e pt o de l CI M . De sde fina le s de los ^ 70 t ra ba ja do e n m ode los de re d que pe rm it a n una estandarización: I SA (I nst rum e nt Soc ie t y of Am e ric a ) trabajó en el proyecto PROWAY de normalización pa ra una Re d de Datos Industria' y de Proceso, m ie nt ra s que I EEE (I nst it ut e of Ele c t ric a l a nd Electronic Engine e rs) de sa rrolla ba e l proye c t o 8 0 2 pa ra la nomalización de Redes en Área Loc a l.
a r
o s
s e
n a
También e l prot oc olo M AP (M a nufa c t uring Aut om a t ion Protocol), persigue la normalización de una Re d Loc a l a la que puedan ser c one c t a dos t odos los sist e m a s de c ont rol que se ha lla n e n una planta. La especificación M AP se ba sa e n e l m ode lo de re fe re nc ia OSI (Open System I nt e rc onne c t ion) que se e st ruc t ura e n sie t e nive le s. Pa ra cada uno de los niveles se de fine una norm a o se e m ple a una ya e x ist e nt e .
las a i' á •o d e "islas, ' específi^
1
Cua ndo nos a c e rc a m os a l nivel de los t a lle re s de producción, los re que rim ie nt os son de t ra nsfe re nc ia oc a siona l de gra nde s paquetes (progra m a s de aplicación de e quipos de c ont rol) y mucho más fre c ue nt e de paquetes pequeños c on información de l e st a do de l sist e m a y evolución de los parámetros de c ont rol. Aquí los t ie m pos de re spue st a son importantes y a dquie re n e l carácter crítico c ua ndo de sc e nde m os al nivel de l control en tiempo re a l, e n donde también e s crítico e l fa c t or de fia bilida d de transmisión.
En la a c t ua lida d la distinción e nt re la Automatización de Procesos y la Automatización de la Fabricación, e n lo que c onc ie rne a la implementación de la parte de c ont rol, está dism inuye ndo. La prim e ra se suele clasificar entre los proc e sos de na t ura le za c ont inua de dic a dos a la producción a gran escala, t a le s c om o pla nt a s petroquímicas, c e m e nt e ra s, siderúrgicas, les distribuidoras de energía eléctrica, e t c . . A esta clase de procesos caracteriza los gra nde s flujos de m a t e ria l y los requerimientos y restricciones e spe c ia le s de se gurida d. Por otra parte la Automatización de la Fabricación está más re la c iona da c on la fabricación de carácter discreto,
fl
s
fl v i
UPV-CFP
35
la c ua l m ic ia lm e nt e e st uvo ba sa da e n la producción re a liza da de form a inde pe ndie nt e de de t e rm ina da s islas c uyo obje t ivo e ra la obtención de índices a de c ua dos de fabricación. Al pla nt e a rse la conexión de las dist int a s islas m e dia nt e re de s de c om unic a c ione s de área loc a l se ha c e posible la reducción de los t ie m pos de c a m bios de he rra m ie nt a y de l tamaño de los inventarios. Si bien la Automatización de Proc e sos y la Automatización de la Fabricación se habían m a nt e nido c om o a c t ivida de s se pa ra da s, e n la actualidad utilizan m e dios tecnológicos c om une s pa ra e l c ont rol de buc le s, dispositivos de int e rfa ze hombre-máquina (visualización y soft w a re ) y para la conexión e n re d. Esta c onve rge nc ia se ha pue st o e n énfasis a través del estándar IEC Fie ldbus e n la que se c ont e m pla n las dos a plic a c ione s.
Figura 1.14. Estructura distribuida mediante red de área local (LAN)
36
UPV-CFP
Introducción
Un Sist e m a a ut om a t iza do está c om pue st o por la Parte Operativa conjunto de máquinas y/o subproc e sos que desarrollan diversas tareas de producción, y la Pa rt e de Cont rol, c om pue st a por los dispositivos de control utilizados pa ra som e t e r a un bue n c om port a m ie nt o a la primera.
ati> as ntr | de 0
asís C a c
Automatismos
Re sum e n:
h
D
a los
Los nive le s de automatización de not a n el grado de complejidad de los sistemas a ut om a t iza dos.
a
ion
e s
El m ode lo de la pirámide de la National Standard of Technology, establece una relación int e gra da , de m a ne ra je ra rquiza da y distribuida de los dist int os a spe c t os de diseño, planificación y fabricación que se generan en t oda a c t ivida d e m pre sa ria l. Las re de s de c om unic a c ione s de carácter industrial constituyen la piedra a ngula r de los m ode rnos sist e m a s a ut om a t iza dos de producción. TRATAMIENTO >É ALARMAS CON
OGICA CABLEAD*
Referencias bibliográficas:
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Integrada
por Ordenador.
Editorial Marcombo,
Bouteille, D., Bout e ille , N., Cha nt re uil, S., Collot, R., Frachet, J.P., Le Gra s, H., M e rla ud, C , Se losse J . , Sfar A. Los Automatismos Programables. Edit ions Citef, 1 9 9 1 . Gra n Enc ic lope dia La rousse . T om o III. Editorial Planeta, 1987 Groove r, Manufacturing.
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UPV-CFP
&
Wiley John
Editorial Marcombo,
Modeling of Automated
37
CAPÍ T U LO ANÁLISIS Y SÍNTESIS DE LOS AUTOMATISMOS
2.1. Introducción.......................................................
41
2.2. Algebra
41
booleana...............................................
2.3. Análisis de Automatismos Combinacionales y Secuenciales.............................................
50
2.4. Automatismos
Combinacionales.......................
51
2.5. Automatismos
Secuenciales.............................
64
2.6. Representación
de los Automatismos..............
2.7. Dispositivos funcionales para la automatización. .............i..................................................
72 80
Análisis y síntesis de los Automatismos
Objetivos: • Conoc e r la metodología de análisis y síntesis de l o s a ut om a t ismos se nc illos. • Conoc e r los c onc e pt os de va ria ble , ope ra dor y función boole a na . • M ost ra r l o s métodos de simplificación de f u n c i o n e s boole a na s, ut iliza dos pa ra la simplificación de l o s pequeños a ut om a t ism os c om bina c iona le s y se c ue nc ia le s. • De sc ribir la s d i s t i n t a s norm a s de representación de l o s a ut om a t ism os.
2. 1.
Introducción
El método de análisis y modelado de los a ut om a t ism os se establece a partir de la naturaleza de las va ria ble s que intervienen e n éstos. Los sist e mas de producción a ut om a t iza dos t ie ne n muy a menudo carácter se c ue ncial, es decir, su form a de operar pue de ser c ont e m pla da como la c onc a t e nación de distintas fa se s de bida m e nt e se c ue nc ia da s e n el tiempo. El c onjunto de las variables de estos sist e m a s, de entrada, salida y estado, poseen únicamente dos e st a dos c la ra m e nt e dife re nc ia dos "ON", "OFF", por lo que su naturaleza es disc re t a y binaria. Este c om port a m ie nt o que da reflejado e n los dispositivos de entrada y salida que suelen utilizarse e n este t ipo de sistemas tales como interruptores, pulsadores, fina le s de c a rre ra , de t e c t ore s inductivos, células fotoeléctricas, relés, c ont a c t ore s, e t c . . Por este motivo, para e st a ble c e r las relaciones funcionales entre las variables intervinientes se utiliza e l Álgebra Booleana, herramienta matemática que permite la definición de func ione s lógicas capaces de relacionar un conjunto de variables discretas binarias.
2.2. Álgebra
booleana
2.2.1. Concepto de variable booleana
d
Una variable booleana e s aquella que posee una naturaleza binaria, e tal forma que únicamente posee los valores binarios " 1 " ó "0", o los
UPV-CFP
41
e quiva le nt e s "V ERDADERO" o "FALSO". Muy a m e nudo e st e c onc e pt o se asocia en la electrónica digital a que el disposit ivo lógico que re pre se nt a la variable dispone de dos niveles de tensión dife re nc ia dos: 5 volt, y 0 volt.; o en dispositivos eléctricos: 24 volt, y 0 volt.
2.2.2. Conc e pt o de función boole a na |
En general una función boole a na e s t oda a que lla expresión e n la que un conjunto de va ria ble s boole a na s se ve n re la c iona da s por los ope ra dores booleanos de sc rit os a nt e riorm e nt e . Pa ra su representación se utilizan las expresiones de sum a de produc t os (m int e rm ) o produc t o de sumas (maxterm), pudiéndose e nc ont ra r func ione s e quiva le nt e s realizadas m e diante los dos proc e dim ie nt os.
Ejemplo: y = a + b En un circuito, eléctrónico o eléctrico, las va ria ble s "a " "b" re pre se nt a rían las entradas de dicho circuito. La va ria ble "y" representaría la salida de dicho circuito. El resultado de una función booleana, al igual que la variable binaria, sólo puede tomar valores binarios.
+
41
FUNCIÓN
1
Y
c om ple m e nt o 1
O É
P
1 1 1
Nemónlcos Representación a ige ora ic a
AN D
1
NOT
OR
I
1•
• i i
v
I
•
A
1 •
1 •
i
1 1
Representación Booleana
• •
I
# 1
+ F 1
F •
Figura. 2.1. Tipos de representación
42
a
de operadores
1 •
booleanos
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los
c o n c e Pt Pre se nK ^ « • yo v |, .
Automatismos
0
re
0
2 2 3. Ope ra dore s boole a nos
a
Los ope ra dore s boole a nos e st a ble c e n las re la c ione s a e fe c t ua r sobre las distintas va ria ble s boole a na s. Estos son el ope ra dor OR (sum a ), el ope rador AN D (produc t o)y el ope ra dor NOT (c om ple m e nt o).
Función OR la operado. e utilizan sumas za da s men
e
n
q u e
) s
1 s
d
' de ' "la"form a E n
e
c a s o
d e
u n
ope ra dor OR re la c iona ndo a dos va ria ble s binarias
e
y = a + b
debe int e rpre t a rse e n e l se nt ido de que la función tomará valor "1 " cuando cualquiera de las va ria ble s o a m ba s t om e n va lor "1 ". Una descripción int uitiva de carácter eléctrico pue de ve rse e n la Fig. 2 .2 .
spresenta\ sa lida de
Los dist int os va lore s que pue de a dopt a r la función de pe ndie ndo de l valor de las va ria ble s se obse rva e n la de nom ina da t a bla de ve rda d de la función. Esta t a bla m ue st ra e l va lor de la función para cada combinación de valores de las va ria ble s de e nt ra da .
le binaria
»nto
a
b
y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Tabla 2.1. Tabla de verdad para la función OR
Propiedades de la Función OR
UPV-CFP
a + a
a
a + 0
a
a +a =
1 43
Robótica y Automática
En e l gráfico de la Fig. 2.2., pue de c om proba rse la validez de las propie da de s a nt e riore s. a o
a o
a o
o o
a o
a o
,
1
o
a
a O
a o
a o
a Figura. 2.2. Propiedades función OR
Función AND
El operador AND relacionando de la misma forma a dos variables de la forma y-ab deberá interpretarse de manera que la función únicamente tomará valor " 1 " si y sólo si ambas variables toman e l valor " 1 " . En la Fig. 2 .3 . se muestra el circuito eléctrico y su tabla de verdad es la siguiente: a
b
y
0 0 1 1
0 1 0 1
0 0 0 1
Tabla 2.2 Tabla de verdad para la función AND
44
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
Las propiedades del ope ra dor AN D son: a •a = a a •1= a a
a =0
a
0=0
Figura. 2.3. Propiedades función AND
Función NOT
El ope ra dor NOT, a fe c t a ndo a una función de una va ria ble de la forma y-a, de be e nt e nde rse e n e l se nt ido de que la función tomará valor "1 " cuando la va ria ble va lga "0", y c ua ndo va lga "1 " tomará el va lor "0".
a
y
0
1
1
0
Tabla 2.3. Tabla de verdad para la función NOT
UPV-CFP
45
Robótfca y Automática
Otras propiedades: Conmutativa a
+ b = b + a
a •b = b • a
b
a o
a
b
o
b
b
O
O
Figura. 2.4. Propiedad conmutativa
Asociativa: a + (b + c) = (a + b) + c a - (b - c) = (a • b) • c
Figura. 2.5. Propiedad
Distributiva: a(b
+ c) = a b + a c
a + b • c = (a + b)
46
(a + c)
asociativa
Análisis y síntesis de los
Figura. 2.6 . Propiedad
2.2.4.
Automatismos
distributiva
Teoremas de MORGAN
Teorema 1: El complemento de un producto lógico es igual a la suma lógica de los complementos de cada término de ese producto. a • b • c - a + b +c
Teorema 2: El c om ple m e nt o de una suma lógica es igual al producto lógico de los complementos de cada término de esa suma. a + b+c = a
-b•c
2.2.5. Funciones lógicas derivadas
A partir de las funciones lógicas fundamentales del álgebra booleana descritas anteriormente, pueden formarse otras funciones lógicas de gran utilidad en los sistemas de electrónica digital y en consecuencia en los a utomatismos implementados mediante esta tecnología. Estas funciones son la función NAND, ÑOR, OR EXCLUSIVA. Función ÑOR
La función ÑOR, resulta de aplicar el operador NOT a una función OR. Su expresión es y -a
UPV-CFP
+ b
47
se m ue st ra n e n la Su tabla de verdad y el circuito lógico equivalente
Tabla 2.4. y Fig. 2.7. a
b
~ y~ ]
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
Tabla 2.4. Tabla de verdad para la función ÑOR
1
Figura. 2.7. Circuito lógico equivalente de la función ÑOR
Función NAND
La función NAND, resulta de aplicar e l ope ra dor N OT a una función AND. Su expresión resultante es y -
a-b
y su tabla de verdad: a
b
y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
Tabla 2.5. Tabla de verdad para la función NAND 48
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
Función OR EXCLUSIVA La función OR e x c lusiva , también de nom ina da X OR actúa de forma que la función va le "1" c ua ndo una y sólo una de las variables mantiene dicho valor. Obsérvese la dife re nc ia c on la función OR e n la cual la salida "1" c ua ndo a m ba s va ria ble s t om a n va lor "1". Esta función t ie ne a s i guíente notación: e s
y = a®b
= a• b+a
•b
y su tabla de ve rda d e s: a
b
y
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 0
Tabla 2.6. Tabla de verdad para la función XOR
Función COINCIDENCIA
Esta función, de nom ina da también ÑOR EXCLUSIVA, e s la función complementaria de la anterior, de form a que la función toma valor "1" si los valores de a m ba s va ria ble s c oinc ide n. Su expresión y su tabla de verdad son: y = a -b + a •b
a
b
y
0 0 1 1
0 1 0 1
1 0 0 1
Tabla 2.7. Tabla de verdad para la función
UPV-CFP
49
Robótica y Automática
2.3. Análisis de Automatismos cuenciales
Combinacionales
y Se-
Con frecuencia algunos sistemas re quie re n la memorización de las secuencias de variables de e nt ra da en form a de e st a do interno, de manera que se puedan t om a r de c isione s lógicas e n un instante determinado, en función de secuencias de los va lore s de las va ria ble s de e nt ra da en el pa sado. Por ello dispone m os de una serie de va ria ble s, prove nie nt e s de c onsignas de mando, lecturas e fe c t ua da s por los c a pt a dore s o bien variables de estado. Dichas func ione s lógicas pue de n se r re pre se nt a da s por un conjunto de ecuaciones boole a na s de la form a : S
T
- f (E
T, QT)
Q (T+AT) = f(E ,
QT)
T
Siendo E el conjunto de va ria ble s de e nt ra da al circuito en e l instante T
T, S el conjunto de salidas y Q e l c onjunt o de va ria ble s int e rna s. T
La primera ecuación S
T
T
re pre se nt a las sa lida s del circuito como c om -
binación de las variables de e nt ra da e int e rna s, y Q
T + A T
re pre se nt a la a c -
tualización del estado interno. En general, un controlador lógico progra m a ble e je c ut a unas acciones de control basándose en un c onjunt o de func ione s lógicas, que resultan de la observación y posterior t ra t a m ie nt o de un c onjunt o de va ria ble s. El programa que implementa e l a lgorit m o de c ont rol e n un Autómata Programable Industrial e s un c onjunt o de directivas de usuario, establecidas a través de uno de los posibles lenguajes de programación existentes en los API , y que son e n definitiva un c onjunt o de bida m e nt e ordenado de ecuaciones lógicas de estado y de salida del sistema bajo una estructura DO WHILE. El ordenamiento y por t a nt o la escritura de dichas ecuaciones viene condicionado por el tipo de ciclo de func iona m ie nt o. w
El tipo de ciclo de funcionamiento, a su vez, viene condicionado por la forma y la frecuencia que se adquieren las variables de entrada y de control (salida) del sistema. En definitiva, los sistemas basados en automatismos pueden ser modelados según el caso, bien como sistemas combinacionales, bien como sistemas secuenciales. 50
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los
2.4. Automatismos ción d e i * l£t ^a ne TOinado ^ d
e
ia e n e í ' ^
Automatismos
Combinacionales
Si e l sist e m a e n cuestión no re quie re de va ria ble s de e st a do, el análti # • i # . . . . a ut om a t ism o pue de se r t ra t a do según la lógica de c irc uit os c o ~ i b i na c iona le s, por lo c ua l e l c onjunt o de e c u a c io n e s boole a na s a nt e riore s que da re duc ido a la ecuación:
s i s
d e l
d e con' variabS
t e s
|
P°
r
ür
S
j
=
^
p t a nt o, la sa lida de un a ut om a t ism o de lógica c om bina c iona l. de pe nde única y e x c lu siva m e n t e de la combinación de la s va ria ble s de e nt ra da E T o r
2.4.1.
Minimización de funciones lógicas
instante
t a la ac-
Bie n por m ot ivos económicos, bie n por c rit e rios de sim plic ida d de es sist e m a s a im ple m e nt a r. los inge nie ros y técnicos e n ge ne ra l de be n p r o c u rar que los sist e m a s re sult a nt e s d e t o d o p ro c e so de diseño, c um plie ndo las e spe c ific a c ione s de f u n c i o n a m i e n t o , p o s e a n e l m e nor número posible de disposit ivos tecnológicos.
a c c ione s ult a n de
Para la aplicación de e st e c rit e rio e n los a ut om a t ism os de carácter combinación ut iliza n una se rie de métodos de sim plific a ción que pa sa m os a de t a lla r e n los a pa rt a dos siguie nt e s.
>mo c om -
utómata t a ble c iist e nt e s ra do de t ruc t ura a c ione s
> p o r la le con-
er m ocóme
Utilización de funciones suma de productos y productos de sumas form a diseño de cuaírm quier a ut om a t ism o de carácter c om bina c iona l c om ie nza por , ción de su t a bla de ve rda d c orre spondie nt e ; e s decir, m e dia nt e el e st a ble cimiento de los va lore s que deberá a dopt a r la sa lida para cada c om bina ción de sus e nt ra da s. Post e riorm e nt e e x ist e n dos posibilida de s e n cuanto la implementación de l a ut om a t ism o re sult a nt e . m
*
a
a) Se le c c iona r de sde la t a bla de ve rda d la s filas donde exista un M" lógico y c onst ruir una función lógica donde e n cada término intervendrán la s dist int a s c om bina c ione s de entradas e n forma de sum a de produc t os. Esta expresión re c ibe e l nombre de función m int e rm . UPV-CFP
51
Robótica y Automática • • •
b) Se le c c iona r de sde la t a bla de ve rda d la s fila s donde e x ist a un "0", se proc e de a inve rt ir la s va ria ble s y después se e x pre sa n e n form a de produc t os de sum a s. Est a expresión re c ibe e l nom bre de m a x t e rm . Cua lquie ra de los dos proc e dim ie nt os da c om o re sult a do una e x pre sión lógica e quiva le nt e . La única dife re nc ia se e nc ue nt ra e n e l número de disposit ivos lógicos a ut iliza r pa ra re a liza r su implementación. Obvia m e nt e e l obje t ivo de l diseñador será e nc ont ra r la expresión m inim iza da de la función lógica.
Eje m plo: Considérese la t a bla de ve rda d de la T a bla 2 Aplic a ndo e l prim e r proc e dim ie nt o e n la form a m int e rm , se le c c iona re m os las fila s n°2 y n°8 donde e x ist e un " 1 " lógico a la sa lida .
Ent ra da s c
b
o j o 0
I
I1 I1 I0
¡ 1 1 l 0
I
1 I 1
I
i a 0
0
o o
Sa lida y |
0
1
1
0
0
1
I I
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
I
1
i
I
Tabla 2.8.
La expresión queda con dos términos suma de produc t os de la forma y - a •b
52
•
c +a • b * c
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los
Automatismos
Su implementación m e dia nt e e sque m a eléctrico se m ue st ra e n la Figura 2.8.
a
b
o a
e
*Pr
U
n
n u
mero7
c
o-
e
a
c
b
o
<
a
d
e
'a h Figura 2.8. Circuito lógico equivalente del ejemplo de la Tabla 2..
Considérese a hora , la T a bla 2 .9 ., donde se obse rva que únicamente existen dos fila s n° 5 y 8 c on "0" lógico e n la sa lida .
eccionareEnt ra da s
Sa lida
c
b
a
y
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
Tabla 2.9.
forma
Puede observarse que en este caso la expresión en forma de minterm dispone de muchos términos. En este caso parece más conveniente realizar la función lógica a partir de su expresión en forma sion resultante quedaría y = (a + 6 + c ) • (a + b
+c)
El esquema lógico resultante se m ue st ra e n la Fig. 2 .9
Figura 2.9. Circuito lógico equivalente del ejemplo de la Tabla 2.9
2.4.3. Mapas de K a rna ugh Los de nom ina dos M a pa s de K a rna ugh e s uno de los proc e dim ie nt os más usuales para la simplificación de c irc uit os lógicos. Su utilización re sulta adecuada para sist e m a s de 3, 4 y 5 va ria ble s. Cua ndo e l número de estas excede e st os va lore s, su resolución c om ie nza a se r e ngorrosa y de ben buscarse ot ros métodos ba sa dos e n cálculos por orde na dor. Sin e m bargo su utilidad re sult a a de c ua da pa ra la implementación de a ut om a t ismos y circuitos lógicos re la t iva m e nt e se nc illos. Para la descripción de e st e método ut iliza re m os la T a bla 2 .1 0 .. El procedimiento de simplificación de be se guir los siguie nt e s pa sos: • 1 En primer luga r se proc e de a l de sa rrollo de los m int e rm de la expresión boole a na a pa rt ir de la t a bla de ve rda d re a liza da . • 2 El segundo pa so c onsist e e n c oloc a r un " 1 " e n la c a silla de l mapa de K a rna ugh c oinc idie ndo c on la s m ism a s c om bina c iones de las va ria ble s de e nt ra da obse rva da s e n la t a bla de ve rda d. o
o
• 3 El tercer paso c onsist e e n a grupa r las c a silla s a dya c e nt e s que contengan un "1 ", e n grupos pot e nc ia s de 2 , e s de c ir grupos de 1 , 2, 4, 8, ... Las c a silla s a dya c e nt e s son a que lla s e n las que, de una a la otra, sola m e nt e una va ria ble c a m bia de valor. o
• 4 En el cuarto paso se proc e de a e lim ina r las va ria ble s. La forma de eliminarlas e s c oloc a r t odos los grupos de va ria ble s pe rt e necientes a un grupo e n form a de c olum na . Después se e lim inarán de dicha columna la s va ria ble s que c a m bie n de valor. Las variables que pe rm a ne zc a n ina lt e ra da s pasarán a formar un término de una expresión minterm m inim iza da . o
54
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
Eje m plo pa ra 3 va ria ble s Ent ra da s
3
Tabl9 2.9
Sa lida
a
b
c
y
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1
0 1 0 1 0 1 0
0 1 1 1 0 1 0
1
!
1
1
1
s procedimier Su utilización Tabla 2.10. i d o el número r engorrosa Si obt e ne m os dire c t a m e nt e la función lógica de sum a de produc t os, a denador. Sin e ón de autora P ^ ' de ' ^ ^ ' de ve rda d t e ne m os: ar
r
a
a
a
y
a • b - c + a •b - c + a •b •c + a - b •c + a •b • c
jbla 2.10.. Elf La expresión así obt e nida pose e c inc o términos.
sos:
minterm di Proc e die ndo a su simplificación m e dia nt e e l método de Karnaugh, os d realizó formamos la c orre spondie nt e t a bla de 3 va ria ble s. Obsérvese e l modo de disposición de la s va ria ble s e n e l c ont orno de la t a bla , de m a ne ra que de la ca en una casilla a la siguie nt e únicamente de be ha be r un c a m bio e n una de las comt*f variables. mas rje' tabla >n la a
8,
;,
1
decir í y
1
1 1 1
Ta6/a Z f f . 7a£>/a de Karnaugh, paso 2 UPV-CFP
.i
55
Robótica y
Automática
Agrupa ndo e n grupos de pot e nc ia s de 2 . c
1
a •b a •b
c
1
1
a •b
1
a •b
1
Tabla 2.12. Tabla de Karnaugh, paso 3
Ahora proc e de m os a c oloc a r e n c olum na t odos los términos de cada a grupa m ie nt o. El de c ua t ro: a -b
•
c
a •b • c a
•
b •c
a
•
b •c
Com o pue de obse rva rse , únicamente pe rm a ne c e sin c a m bia r de valor la variable c, por lo t a nt o e st a va ria ble pa sa c om o término a la función sim plificada, eliminándose la s ot ra s dos va ria ble s . Ahora el grupo de dos: a •b • c a •b • c
En este grupo pe rm a ne c e n sin c a m bios a.b, por lo t a nt o se elimina la variable que c a m bia (c), fina lm e nt e pa sa n a form a r parte de la función sim plificada de sum a de produc t os, dic ha función e s: y=c+a• b
Puede observarse la notable simplificación si se c om pa ra c on la fun ción directamente obtenida de la tabla de ve rda d origina l. 56
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
2.4.3.1. Tablas de Karnaugh de cuatro variables
Consideremos ahora una tabla de verdad de cuatro variables. Para operar sobre dicha tabla, tomaremos como ejemplo la Tabla 2.13. La función lógica correspondiente sin minimizar es: y-a-b-cd + ab
+ ab-cd
c-d + ab
+ a-bcd
+ a-bcd
+ abcd
+
c d + a bc d + a bc d
Tabla 2.13.
UPV-CFP
57
Robotica y Automática
La t a bla de K a rna ugh c orre spondie nt e : c.d
c.d
a •b
1
1
a •b
1
1
a •b
1
1
a •b
1
1
c.d
Tabla
c.d
1
2.14.
La función re sult a nt e m inim iza da e s y =d+a
-be
Al proc e de r a la agrupación de las c a silla s a dya c e nt e s de "unos", debe obse rva rse c uida dosa m e nt e la na t ura le za a dya c e nt e de las c a silla s sit ua da s e n los e x t re m os supe rior, infe rior y los dos la t e ra le s. A este respecto ha de c onside ra rse que la t a bla se c ie rra de form a c ilindric a por los extremos, de t a l m a ne ra que sus c a silla s supe rior e infe rior, y la t e ra l de re c ha e izquie rda son a dya c e nt e s re spe c t iva m e nt e . En la Fig. 2 .1 0 . se m ue st ra n a lgunos a grupa m ie nt os de c a silla s apare nt e m e nt e dist a nc ia da s en la t a bla , pe ro de carácter a dya c e nt e . l
I I
i
— *
i
1
r 1
i
1
\
V
1
1
1
1 K)
l -
V
I \
Figura 2.10. Agrupamientos
de carácter
adyacente
2.4.4. Método de K a rna ugh m e dia nt e e x pre sione s m a x t e rm El procedimiento de simplificación mediante expresiones maxterm, c a m bia ligeramente del visto anteriormente en la utilización de expresiones minterm. 58
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
El procedimiento es como sigue: • 1 Se escribe la expresión maxterm a partir de la tabla de verda d correspondiente. Recuérdese de invertir las variables en la expresión respecto de las que aparecen e n las filas con cero a la salida de la tabla de verdad. o
• 2 Coloc a r un "1 " e n la tabla de Karnaugh e n cada casilla c orre spondie nt e a un término m a x t e rm , es decir a cada grupo de va ria ble s unidas por el operador OR. Obsérvese que c a da fila de la t a bla de ve rda d c on un "0" a la salida se corresponde c on una casilla de la t a bla de Karnaugh con un "1 ". o
o
• 3 Rode a r gráficamente los grupos de casillas adyacentes de 1 de la m ism a m a ne ra que e n e l procedimiento minterm, es de c ir grupos de 1 ,2 ,4,8 ,... W
W
o
• 4 Re pre se nt a r c a da grupo y e lim ina r de éstos las variables que a pa re c e n e lla m ism a y su complementaria. Es decir, las va ria ble s que c a m bia n e n la s c olum na s de grupo. o
• 5 Unir los términos re sult a nt e s sim plific a dos mediante operadore s AN D.
Ejemplo: Pa rt ie ndo de la T a bla 2 .1 5 , obténgase la expresión maxterm de la misma. Salida
Ent ra da s
I
a 0 0 0 0 1 1 1 1
b
c
0 I 0 1 1 0 0 1 I 1
0 1 0 1 0 1 0 1
I I
l
y
0 1 1 1 0 1 0 1
•
(a + b + c)
•
(a+b
+ c)
(á + b
+c)
Tabla 2.15. Obtención de las expresiones maxterm
UPV-CFP
59
La expresión de la función maxterm sin simplificar e s: y-(a+b
+ c).(a
+b + c).(a + b + c)
i
c
i
c
a + b a + b a+b
1
a+b
i Tabla 2.16. Grupos
adyacentes
Obsérvese la disposición de la s va ria ble s e n los la t e ra le s izquie rdo y superior de la t a bla de K a rna ugh pa ra la simplificación m a x t e rm . Los grupos de c a silla s a dya c e nt e s que se form a n son: El primer grupo: a + b + c a+b
+ c
Elim ina m os la va ria ble a . El se gundo grupo: a+b+c a+b
+ c
Elim ina m os la b, que e s la que se pre se nt a c on su c om ple m e nt o. La expresión sim plific a da re sult a nt e después de proc e de r a la e lim ina ción de va ria ble s y unir los términos m e dia nt e e l ope ra dor AN D e s: y = (b + c)-(a 60
+ c)
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los
Automatismos
El lector puede comparar el re sult a do con el obtenido a nt e riorm e nt e al misma t a bla de ve rda d m e dia nt e el método de expresión ¡mplificar la si minterm. En general, al proceder al diseño de un a ut om a t ism o se nc illo, c onvie ne comprobar la simplificación m e dia nt e los dos métodos y aplicar aquel cuya implementación resulte más económica. 2.4.4.1. "Términos
No Importan"
en las tablas
de
Karnaugh
Se denominan "términos no im port a n" a a que llos que se de riva n de combinaciones de las va ria ble s de e nt ra da que no va n a produc irse nunca o que el sistema c om bina c iona l no es re c e pt ivo a dic ha combinación. Los "términos no im port a n", se escribirán e n la c a silla c orre spondie nt e mediante una X, y pue de n form a r un grupo de términos c on algún " 1 " o grupo de estos, de tal form a que , e n a ra s de la simplificación, el valor de la X se tomará como "0" ó " 1 " a c onve nie nc ia . c.d
c.d
c.d
a •b
1
a •b
X
a •b
1
a •b
1
Tabla 2.17. Agrupación
c.d
1
de términos
2.4.5. Ejemplos de automatismos combinacionales £
Ejercicio n 1 Cuatro responsables de una Soc ie da d (A,B,C y D) disponen de acceso a una caja fuerte. Ca da uno de e llos, dispone de una llave diferente (a,b,c y d) y está acordado que: - A no puede abrir la caja fue rt e a menos que uno de los responsable B o C esté presente. B, C y D, no pueden abrir la caja fuerte a menos que dos de los otros responsables estén pre se nt e s. UPV-CFP
61
Obtener la función lógica minimizada de a pe rt ura de la caja fuerte La tabla de verdad correspondiente es: a
Entradas c b
Sa lida d
y
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
Tabla 2.18.
La t a bla de Karnaugh re sult a nt e e s:
Tabla 2.19
La función minterm minimizada e s: y -a-b
62
+ a- c + b- c-d
= a- (b + c) + b-
c-d
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
Se deja al lector que obt e nga la expresión m a x t e rm de l a nt e rior ejercí
ció f\arc¡clO n °2
En una c a de na de e nva sa do se dispone de dos c ilindros neumáticos CN1 y CN 2 pa ra e l desvío de la s bot e lla s de fe c t uosa s a las c int a s t ra nsportadoras a de c ua da s pa ra , según e l c a so, su posible reutilización o envío a desecho. Los de fe c t os que ha n de de t e c t a rse son: fa lt a de lle na do L, fa lt a de taponado T, fa lt a de pre c int a do P y fa lt a de e t ique t a do E. La detección se realiza m e dia nt e una batería de células fotoeléctricas (Fig. 2 .1 2 .) de form a que cuando e l ha z re spe c t ivo de l e m isor inc ida sobre e l re c e pt or se c oloc a rá a uno lógico, indic a ndo fa lt a de lle na do, t a pona do, pre c int a do o e t ique tado re spe c t iva m e nt e . El c ilindro neumático CN 1 deberá a c t iva rse e n una prim e ra selección, cuando c ua lquie ra de los de fe c t os pue da a pa re c e r. El c ilindro neumático C N 2 deberá a c t iva rse , c ua ndo la bot e lla de svia da pre via m e nt e por CN 1 se a e n bue na lógica, re c upe ra ble , sie ndo re int roducida al c irc uit o de e nva sa do (C3 ). Obténganse las func ione s lógicas de activación de los c ilindros, e utilícese si fue re ne c e sa rio algún c a pt a dor a dic iona l pa ra la m e jora de l func ionamiento de l sist e m a . Suministro d e bot e lla s
co
CF2 C4
Cl
• CF1 L1,S1D í TI ,S2 • P1JÉ1.S3 •
C í
Puesto de llenado
A reposición
Puesto de taponado Puesto de precintado y etiquetado
C3 CN1
cz:
C2
A de se c ho • CF3
•
L2.T2.P2.E2.S4
L3,T3,P3,E3.S5 CN2
A embalaje Figura 2.11. Esquema del proceso de embotellamiento UPV-CFP
63
Rebotica y Automática Fot ore c e pt ore s
Fot oe m isore s
C N 1 /C N 2
Figura 2.12. Baterías de células fotoeléctricas
2.5. Automatismos
Secuenciales
Si la sa lida de l a ut om a t ism o, e n un inst a nt e de t e rm ina do, de pe nde de la se c ue nc ia de va lore s de las va ria ble s de e nt ra da de inst a nt e s a nt e riore s, e nt onc e s e st a m os e n e l c a so ge ne ra l de sc rit o por la s dos e c ua c ione s lógic a s de actualización de la s sa lida s y de l e st a do int e rno de sc rit a s a nt e riorm e nt e . En e st e c a so, e l sist e m a deberá se r a na liza do según la lógica se c ue nc ia l. Los sist e m a s de e st a na t ura le za ha n de dispone r de la c a pa c ida d de m e m oriza r y a lm a c e na r la se c ue nc ia de e nt ra da s e n form a de e st a do int e rno. Un sist e m a se c ue nc ia l, re a c c iona a nt e se c ue nc ia s de e st a dos de e nt ra da de una m a ne ra de t e rm ina da , a un sist e m a de e st e t ipo se le de nom ina Autómata Finito, ya que pose e un número finit o de e st a dos int e rnos. Un sist e m a se c ue nc ia l, pose e : •
U n c onjunt o finito E de 2 e st a dos de e nt ra da , donde la variable n re pre se nt a e l número de va ria ble s de e nt ra da a l sist e m a , d , e, i ©nn
2
Un c onjunt o finito Q de 2 e st a dos int e rnos sie ndo m e l número de e st a dos internos q q , ,q . m
1 t
2
m
Un c onjunt o finito S de 2 e st a dos de sa lida , sie ndo k el número de va ria ble s de salida s s , s . k
1 (
2
k
Análisis y síntesis de los Automatismos
Teniendo e n cuenta la form a de obtención de las va ria ble s de salida estos sistemas re c ibe n dist int a s de nom ina c ione s: a) Autómata de Mealy:
Las salidas se obt ie ne n m e dia nt e la combinación de las va ria ble s de entrada y las va ria ble s int e rna s.
/
SISTEMA COMBINAOONAL
N SISTEMA COMBNACÍONAL SISTEMA DE MEMORIZACIÓN
-fAT
Figura 2.13. Autómata de Mealy
b) Autómata de Moore:
Las sa lida s se obt ie ne n dire c t a m e nt e de la s va ria ble s de e st a do inter no, o e n c ua lquie r c a so de pe nde n únicamente de éstas.
\
\
Sr
SISTEMA MEMORIZACIÓN
Q T+AT
Figura 2.14. Autómata de Moore
UPV-CFP
65
Robótica y Automática
Por ot ra pa rt e los c irc uit os se c ue nc ia le s se c la sific a n e n Asinc ronos Síncronos. Los c irc uit os se c ue nc ia le s a sinc ronos son a que llos e n los q u e la s v a riables de e nt ra da actúan sobre e l e st a do int e rno de l sist e m a e n e l m ism o instante e n que pa sa n a un de t e rm ina do e st a do, o c a m bia n de e st a do. Para sist e m a s de c ont rol de re la t iva se nc ille z e st os c irc uit os pue de n se r a de c ua dos, no así c ua ndo e x ist a n proble m a s de fenómenos a le a t orios, difícilmente c ont rola ble s c ua ndo c a m bia de e st a do más de una va ria ble de e nt ra da o de e st a do int e rno simultáneamente.
Sr
\
MEMORIA ASINCRONA
Q T+AT m Figura
2.15.
Circuito secuencial
En este último c a so re sult a n c onve nie nt e s los c irc uit os se c ue nc ia le s síncronos, e n los que e l nivel lógico o c a m bio de nive l lógico de la s va ria bles de entrada actúa sobre su e st a do sola m e nt e c ua ndo se produc e un flanco de una señal de reloj. La implementación síncrona e s c onve nie nt e ut iliza rla , c ua ndo por ejemplo el dispositivo lógico de c ont rol va a se r im ple m e nt a do mediante una tarjeta c onsola dora , donde la e x ist e nc ia de c irc uit os int e gra dos de diversas características tecnológicas ha c e n pre ve e r la aparición de prowTc ? !
6
s
n
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J
66
S , S t 6 m a
3
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v e l o c i d a
U PV -CFP
Análisis y síntesis de los
K 1/
Automatismos
K l/
SISTEMA
COMBÍNACJONA1 Circuito g e n e r a d o r d e I m p ú t e o s d e reloj
3 K
i
+AT
Figura
2.16. Circuito secuencial
síncrono
2.5.1. Diseño de automatismos secuenciales mediante la Tabla de Fases Se guida m e nt e va m os a int roduc ir e l método de la T a bla de Fa se s para el diseño de un sist e m a automático se c ue nc ia l. Para e llo, y con objeto de ofrecer la c la rida d que proporc iona una aplicación práctica, lo haremos a través de un e je m plo de t e rm ina do. El sist e m a e n cuestión se t ra t a de disposit ivo de a rra nque y parada de un motor. Las e spe c ific a c ione s de diseño que se de se a n son las siguie nt e s: a) El m ot or de be a c c iona rse m e dia nt e la activación de un pulsador A. b) El m ot or de be pa ra rse m e dia nt e la activación de un pulsador B. c) La pulsación re it e ra da de A o B e n la situación de marcha o paro re spe c t iva m e nt e , no deberá va ria r para nada e l func iona m ie nt o de l sist e m a . d) Se considerará que no e x ist e posibilida d de activación simultánea de a m bos pulsa dore s.
llQperación de diseño: Construcción de la t a bla de fa se s, la c ua l de be pose e r 2 columnas, 'e ndo n el número t ot a l de e nt ra da s al sist e m a , además una columna por °ada una de las sa lida s de que disponga el sist e m a . n
s
UPV-CFP
67
Robótica y Automática
Para nuestro caso: Entradas : A y B -» n = 2 Salidas : L
Colum na s a dic iona le s = n° d e salidas
2" columnas n = n° d e e nt ra da s I 00
01
n
10
M
•
Tabla 2.20. Tabla de fases
a
2 Fase de diseño:
Se establecen los e st a dos necesarios que se requieren e n e l sistema, teniendo e n cuenta que éstos vie ne n constituidos por combinaciones de entradas que tienen como c onse c ue nc ia la activación de un valor diferente de la salida. Los diferentes estados e nc ont ra dos se va n colocando y numerando en la casilla correspondiente a la combinación de entradas que se considera, y colocando e l respectivo valor de la variable de salida e n la columna correspondiente. El número de l estado se anotará rodeándolo de un círculo, con objeto de resaltar dicho carácter.
68
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
AB
00
01
n
10
L 0
fT)= A
r
1 f •
\\
i)
0 i
1
Tabla 2.21. Tabla de fases, con los estados
a
3 Fase de diseño:
Se colocarán las transiciones entre estados y su ubicación será en el cruce de la fila de l estado origen con la columna de l estado destino; y la numeración a colocar será idéntica a la del estado destino.
Tabla 2.22. Tabla de fases, con estados y transiciones 4
UPV-CFP
69
Robóttca y
Automática
Además, se colocará un guión e n a que lla s t ra nsic ione s que bie n por im posibilida d física de que oc urra n o por e spe c ific a c ione s de diseño no va ya n a produc irse . Se procederá a la operación de fusiona r la s fila s dos a dos, siguie ndo el criterio de re a liza rlo c on a que lla s que se a n fusiona ble s; e st o e s: a) Bien porque t e nga n t odos los e st a dos y t ra nsic ione s idénticos. b) Bien por que c ont e nga n guione s que actuarán, e n a use nc ia de igua lda d e st ric t a , c om o e le m e nt os "no im port a ". Para hallar e l número mínimo ne c e sa rio de va ria ble s int e rna s se procede a reducir la t a bla de fa se s, de m odo que c a da línea de la nue va t a bla c orre sponda a una combinación dife re nt e de la s va ria ble s int e rna s.
Reglas de reducción:
Dos líneas de la t a bla de fa se s son re duc ible s si e n a m ba s líneas, y e n las mismas c olum na s, a pa re c e n los m ism os números, indic a ndo q u e las transiciones va n a da r luga r un m ism o e st a do a pa rt ir de c ua lquie ra de las dos líneas; o bien si e n a lguna de la s d o s líneas, o e n la s dos, a pa re c e n guiones. La reducción de la t a bla de fa se s pe rm it e de t e rm ina r e l número mínimo de va ria ble s int e rna s ne c e sa ria s . El número mínimo de va ria ble s int e rna s e s n t a l que :
Tabla 2.23. Tabla de fases reducida 70
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
es fe
di k n
e
* t
s
ic |
0
4 ^h
é nt i
En nuestro e je m plo, N 2 n 1 , e n c onse c ue nc ia sola m e nt e una variable interna se ha c e ne c e sa ria pa ra la síntesis de nue st ro pequeño automatismo. Esta va ria ble int e rna se añade a la t a bla de fusión según la Tabla 2 .2 3 . 4 - Fa se de diseño:
en
En e st a fa se se proc e de a de t e rm ina r los va lore s de la c olum na de actualización de e st a do Q J + A T , a partir de la t a bla de fa se s de t e rm ina da en la fase a nt e rior.
nternas.
1
La c olum na de actualización de e st a do se formará, c oloc a ndo los mismos va lore s que e n Q e n la s fila s de los e st a dos, y c a m bia do e n las filas de las t ra nsic ione s. T
i b a s líneas,)
dicando que; cualquiera de ; s dos, aparee?
e l números
Tabla 2.24. Fase de diseño
Fina lm e nt e , se proc e de por K a rna ugh a la obtención de las func ione s lógicas de la sa lida S y de actualización de l e st a do int e rno Q J A T P tivamente. r e s
T
e c _
+
q
I a •b
0
a •b
0 0
a •b
X
b
1
a
•
X
Tabla 2.25. Tabla de Karnaugh para
UPV-CFP
Q
T+AT
71
De forma que Q
T+AT
= a + q.b
La expresión de la sa lida ST se obt ie ne :
S =q T
q
q a •b
0
1
a •b
0
X
a •b
X
X
a •b
X
1
Tabla 2.26. Tabla de Karnaugh para S
2.6. Representación
de los
T
Automatismos
Distintos orga nism os de estandarización ha n de dic a do sus e sfue rzos a establecer norm a s de representación de los sist e m a s eléctricos y electrónicos y por ello los a ut om a t ism os im ple m e nt a dos m e dia nt e e st a t e c nología. Algunos de éstos, I EC (I nt e rna t iona l Ele c t rot e c hnic a l Com ission), N EMA (N a t iona l Ele c t ric a l M a nufa c t ure s Assoc ia t ion) e n los EE.U U ., DIN (Deutsche Institut für N orm un) e n Ale m a nia , ha n e st a ble c ido norm a s que c ubre n los a spe c t os norm a t ivos de representación tecnológica de los a ut om a t ism os. La I EC (Comisión Electrotécnica I nt e rna c iona l: CEI ) e s, junt o con la ISO (I nt e rna t iona l St a nda rds Orga niza t ion), e l sist e m a de estandarización no gube rna m e nt a l más im port a nt e a e sc a la m undia l y que se oc upa e spe cíficamente de las áreas de electrónica y e le c t ric ida d. N o obst a nt e , pese a los e sfue rzos de normalización, a un pe rsist e n norm a s específicas de re presentación de países por su carácter pione ro e n la introducción de la tecnología. Un ejemplo de e st os, son las norm a s de representación NEMA, que pe rsist e n en las norm a s de representación de los a ut om a t ism os en los m ode rnos Autómatas Progra m a ble s I ndust ria le s. T oda función lógica pue de ser re pre se nt a da gráfica y simbólicamente de pe ndie ndo de la tecnología utilizada e n su implementación. Dejando
72
UPV-CFP
para un tema posterior la representación simbólica nemotécnica propia de la lógica progra m a ble , la representación gráfica de la lógica cableada puede hacerse bien a través de los dia gra m a s de contactos, si lo que se utiliza es tecnología eléctrica, o bien la representación puede hacerse a través de dia gra m a s de func ione s lógicas, si lo que se utiliza es la t e c nología electrónica, de pue rt a s lógicas.
FUNCION
complemento 1
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1 Representación 1 Normalizada CEI
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Representación 1I DIN 40713-16
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F P
Figura 2.17. Representación de funciones lógicas
2.6.1. Lógica de contactos
Se trata de la representación gráfica de esquemas de automatismos eléctricos, e n los c ua le s e l elemento fundamental e s el interruptor electromagnético de nom ina do relé, junt o con pulsadores, interruptores y contactores cuya representación normalizada se muestra en la Fig. 2.18. Este método de representación ha tenido profusa difusión entre los automaticistas eléctricos en la época inmediata anterior, donde los dispositivos de control automático han estado basados en armarios de relés. Este tipo de representación gráfica se sigue manteniendo ampliamente Por los fabricantes de dispositivos basados e n lógica programada, procurando de esta manera salvar el inconveniente de tener que formar a persoUPV-CFP
73
bobática y Automática
nal no e x pre sa m e nt e informático e n le ngua je s e voluc iona dos de alto nivel Por ello pasamos a m ost ra r los e le m e nt os funda m e nt a le s de la lógica de contactos y la representación m e dia nt e e l c ua dro de la Fig. 2 .1 9 .
FUNCIÓN L ICA
FUNCIONES LÓGICAS ESPECIALES
i
Representación de la puerta Or Exclusiva de dos e nt ra da s, la salida vale " 1 " si únicamente una va ria ble de la s dos va le " 1 " .
J Función lógica igua lda d, t oda s las e nt ra da s de be n c oinc idir en el mismo estado para que la función lógica este a "1".
Función lógica donde sólo m e nt ra da s de be n estar a "1" para que la salida de la función esté a "1".
m : .
r
* •
•
r - M w .1--
-•
>rV2
•*
Función lógica donde la mayoría de la s e nt ra da s (más de la m it a d) deben estar a "1" para que la salida de la función esté a "1".
í
-I
Función lógica um bra l: donde un mínimo m de la s e nt ra da s deben estar a "1" para que la salida de la función esté a "1". ...<
Función lógica donde un número pa r de la s e nt ra da s de be n estar a "1" para que la salida de la función esté a "1".
• ' ' l l l t É I•
Función lógica donde un número im pa r de la s e nt ra da s deben estar a "1" para que la salida de la función esté a "V.
Figura 2.18. Elementos especiales de funciones lógicas 2.6.1.1. Elementos de Entrada
Los elementos de entrada pue de n se r pulsa dore s, int e rrupt ore s, c a ptadores tales como finales de carrera, de t e c t ore s de prox im ida d, e t c . . Son los dispositivos físicos mediante los c ua le s, e l a ut om a t ism o re a liza la observación de las variables de entrada. Por t a nt o, se de be a soc ia r a dichos elementos las variables de entrada de cuya combinación resultará una función lógica que activará o no la salida c orre spondie nt e 74
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
Las va ria ble s de e nt ra da pue de n ser c la sific a da s como: • V a ria ble de e nt ra da dire c t a . • V a ria ble de e nt ra da inve rsa . La va ria ble de e nt ra da dire c t a , da un 1 lógico c ua ndo e s activada. La variable de e nt ra da inve rsa da un "0" lógico c ua ndo e s a c t iva da . Se re pre sentará pue s c om o una va ria ble ne ga da . Según donde se re a lic e la observación e n e l a ut om a t ism o, las va ria bles de e nt ra da pue de n c la sific a rse c om o: • V a ria ble de e nt ra da pura . • V a ria ble de sa lida re a lim e nt a da . La va ria ble de e nt ra da pura provie ne de a c c ione s de m a ndo de l ope rador, o bie n de la le c t ura de los e le m e nt os de e nt ra da . La va ria ble de sa lida re a lim e nt a da provie ne de la realimentación de una va ria ble de salida y posterior consideración c om o va ria ble de e nt ra da . Esto pue de t e ne r lugar en a ut om a t ism os que de ba n se r t ra t a dos según la lógica se c ue nc ia l, síncrona o a sinc rona .
Figura 2.19. Variables de entrada y de salida UPV-CFP
75
2.6.2. Elementos de Salida
Los elementos de salida deberán ser asociados a las variables de sa lida de las funciones lógicas. Casi siempre vendrán im ple m e nt a dos físicamente por el circuito de mando de un relé o de un contactor. 2.6.3. Asociación de elementos
Los diversos elementos, bien se a norm a lm e nt e a bie rt os o normalmente cerrados, pueden conectarse de form a a soc ia da form a ndo diversas funciones lógicas bien conocidas de la electrónica digital.
2.6.4. Función lógica O (+)
Se trata de la conexión e n paralelo de dive rsos e le m e nt os de entrada (Fig. 2.20.) a
Y=a+b+c b
c
Figura 2.20. Conexión en paralelo
2.6.5. Función lógica Y (•)
conexión e n serie de dive rsos e le m e nt os de entrada.
a b
c
Y =a bc
IHhK Figura 2.21. Conexión
en
serie
76
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
as
Plert, ctor
les
9d
2.6.6. Función O lógica de func ione s Y
0
Corre sponde a la conexión e n paralelo de dos o más ramas e n serie (Fig. z.¿¿.) Q Y=(abc)+(def)
iert form
a b
0
so
O
f
al.
Figura 2.22. Conexión en paralelo de varias ramas en serie
n e n t o s de ^
enír
2
"
6 , 7 ,
F
u
n
c
i
o
n
Y
lógica de funciones O
Corre sponde a la conexión e n se rie de c onjunt os de dos o más ramas en paralelo. (Fig. 2 .2 3 .) o
Y=(a+b)(c+d)
b
d
O
Figura 2.23. Conexión en serie de varias ramas en paralelo
A partir de la s func ione s básicas e num e ra da s, se pue de n establecer combinaciones e nt re e lla s de dive rsa c om ple jida d. de le nt os
2.6.8. Códigos binarios Los códigos bina rios son sist e m a s de numeración que únicamente utilizan dos símbolos {0 , 1} y por ello re c ibe n la denominación de sistemas de números e n base 2 . Este sist e m a se ha visto eficaz desde e l momento que los m e c a nism os de su implementación real se basaban en los estados de saturación o a pa ga do de un c onjunt o de transistores, que constituyen la base de func iona m ie nt o de la electrónica digital y por ello de los sistemas basados e n microprocesador, t a l c om o e l Autómata Programable Industrial. UPV-CFP
77
Robótica y Automática
_____
Otros sistemas que se utilizan a unque e n m e nor gra do son e l sistema octal, base ocho y el sist e m a he x a de c im a l, ba se 16. La forma de contar e n binario se m ue st ra e n la T a bla 2 .2 7 ., donde a la derecha se muestra e l número bina rio y e n la c olum na de la izquie rda se muestra e l número de c im a l e quiva le nt e . Obsérvese que , si lim it a m os el valor del número binario al de su c olum na c orre spondie nt e , su va lor c oinc ide con los sucesivos va lore s re sult a nt e s de los va lore s c onse c ut ivos de las potencias de 2. De ahí su denominación de sist e m a de ba se 2 .
Tabla 2.27.
V e a m os un e je m plo de cómo c onve rt ir un número bina rio fra c c iona rio 1 1 1 0 .1 0 1 a su de c im a l e quiva le nt e :
Tabla 2.27.
La sum a de la fila de c im a l resulta e n e l número de c im a l e quiva le nt e 14.625
78
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
o son el
2 7 ., d o n q
e
si l i m i t a ^ * su va lor e c u t i v o ""' 2 la
Con posterioridad al sistema binario natural a pa re c ie ron otros códigos binarios e spe c ia le s, para realizar func ione s específicas e n e quipos digitales. En los sist e m a s digit a le s se utilizan los circuitos c odific a dore s y de c odificadores para pasar de un código a otro.
5
C|
S
de
5
A p o r t a n t e s e s el de c im a l c odific a do e n bina rio, BCD (bina ry-c ode d-de c im a l), se t ra t a de un sist e m a numérico de c im a l, pero cada una de sus c ifra s pe rt e ne c ie nt e s a las unida de s, de c e na s, etc., están re pre se nt a da s por grupos de c ua t ro bits e n binario. Por ejemplo e l número de c im a l 3 5 2 , re pre se nt a do e n BCD sería: U
n o
d e
, 0 S
c ó d i g o s
m
á
s
I De c im a l
3
5
2
[BCD
0011
0101
0010
I
Tabla 2.29.
Otro código ut iliza do e s e l código Gra y. El código Gra y no e s un código tipo BCD. En e st e código, c a da a um e nt o e n la c ue nt a vie ne acompañado por un solo c a m bio e n e l e st a do de l bit. Véase la T a bla 2.30. De c im a l 0 1 2 3 4 5 6
fraccionario
Bina rio 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110
Código Gra y 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101
0.125
equiva
|ent«
Tabla 2.30
UPV-CFP
79
Robotica y Automática
2.7. Dispositivos
funcionales
para la
automatización
Existe t odo un conjunto de disposit ivos tecnológicos, electrónicos, eléctricos neumáticos a disposición de los diseñadores de automatismos que realizan una serie de ope ra c ione s a las que se re c urre muy fre c ue ntemente en el func iona m ie nt o de los a ut om a t ism os. Estas func ione s son la temporización, ope ra c ione s de c ue nt a , emisión de pulsos de inicialización y parada, registros de de spla za m ie nt o, memorización bina ria , e t c . Todos estos dispositivos sue le n t e ne r su e quiva le nt e e n las dist int a s tecnologías utilizadas e n la automatización, c on lo c ua l pode m os por e je m plo, implementar operaciones de temporización m e dia nt e disposit ivos electrónicos, eléctricos, neumáticos, hidráulicos, e t c . .
2.7.1. Dispositivos multivibradores. Existen dist int a s c la se s, c on las siguie nt e s de nom ina c ione s: 2.7.1.1.
Multivibradorbiestable.
Este e s un disposit ivo c uya sa lida pue de pe rm a ne c e r e n dos estados claramente dife re nc ia dos de form a e st a ble . Est e t ipo de disposit ivos reciben num e rosa s de nom ina c ione s, básculas, m e m oria s bina ria s, flip-flops. Poseen dos e nt ra da s de nom ina da s Se t y Re se t : de activación y de sa c t iva ción re spe c t iva m e nt e . La sa lida Q adoptará un va lor de t e rm ina do siguie ndo la tabla de ve rda d que se m ue st ra e n la Fig. 2 .2 4 ., Fig. 2 .2 5 . y Fig. 2.26. s S
U
R
Q
11 *
Ü i• F
paso
S
R
Q
Q
1
H L L L H
L L H L H
H H L L L
L L H H L
2
3 4 5
R
!
•:: 1 Q
Figura
80
2.24. Multivibrador RS (H) con puertas ÑOR
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los
\
Automatismos
g 1
8c Q .
• «te f
paso S
R
Q
. - b- - -
Q
• i i •
i 2 3
L H H H L
4 5
L L H L H
L L H H H
H H L L H
8C
Q
Figura
2.25. Multivibrador
RS (L)
dos estad; Q
positivos rec is, flip-flop y desactiva
R
ado sigti y Fig. 21
paso S
R
Q
Q
iL 2 !H 3 H
H H L H L
L L H H H
H H L L H
1
4
5
H L
Q
Figura 2.26. Multivibrador
2.7.1.2. Multivibrador
RS (L) con puertas
NAND
monoestable.
La salida de e st e disposit ivo, t ra s se r dispa ra do permanece durante ^ un periodo de t ie m po de t e rm ina do e n una posición r^om a noc . a de ésta a su posición e st a ble . De esta m a ne ra este dispositivo K Aliza r para la emisión de pulsos de e st a do lógico alto o bajo, de determinada. 81
UPV-CFP
Figura 2.27. Multivibradores monoestables
2.7.1.3. Multivibrador
estable.
También re c ibe n la denominación de osc ila dore s pue st o que su salida no permanece e st a ble e n ningún e st a do, e m it ie ndo t re ne s de impulsos cuando están a c t iva dos. Sue le n ut iliza rse c om o e x c it a dore s de e nt ra da s de reloj, para el c ont rol de m ot ore s pa so a pa so, c ont a dore s digit a le s, e t c . mmmmmmmmmmmmmmmmmm
U U L
I I
I I
Figura 2.28. Generador de arranque automático.
i
:I II <
-
Figura 2.29.. Generador start /stop
2.7.2. Dispositivos de temporización. N um e rosa s ope ra c ione s de la s inst a la c ione s indust ria le s están c ondic iona da s por la duración de un de t e rm ina do pe riodo de t ie m po. Pa ra la 82
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
generación de e st os int e rva los de t ie m po se utilizan los t e m p o r i z a d o s Funda m e nt a lm e nt e e x ist e n los t e m poriza dore s al retardo y al inicio (o arranque) m ost ra dos e n Fig. 2.30 y Fig. 2 .3 1 . El dispositivo e n cuestión posee una señal de inic io donde e s aplicada un flanco de subida de una variable boole a na . I gua lm e nt e pose e una señal de salida cuyo estado lógico se sitúa de la siguie nt e m a ne ra : Si e l t e m poriza dor e s a l re t a rdo, después de emitida la señal de inicio y t ra nsc urrido e l pe riodo de t ie m po de t e rm ina do, la señal de salida se coloca en e st a do lógico a lt o. Por e l c ont ra rio si el temporizador e s al inicio, la salida pe rm a ne c e e n e st a do lógico alto durante e l periodo de t e m poriza ción a just a do. u H Entrada L ti
H Salida L I--
'
•t
Q Figura 2.30. Elemento temporizador variable L/H
u A
H Ent ra da L H Sa lida L
+
2
•
• t
Q Figura 2.31. Elemento temporizador variable H/L
2.7.3. Dispositivos contadores.
^
i
^ ^ ^ Z ^ B ^
Son disposit ivos que se utilizan para de tipo a sc e nde nt e , de sc e nde nt e o incluso ascenaen
El 83
UPV-CFP
valor de la c ue nt a se a c t ua liza c a da ve z que un fla nc o de subida se aplica e n una de t e rm ina da e nt ra da de re loj (CLK ). La sa lida de l disposit ivo se sitúa e n e st a do lógico alto c ua ndo se a lc a nza e l va lor de c ue nt a pre de finido.
Figura 2.32. Dispositivo contador
Figura 2.33. Contador
ascendente
2.7A. Dispositivos de desplazamiento.
Su implementación tecnológica sue le re a liza rse m e dia nt e la conexión en cascada de diversos disposit ivos bie st a ble s (Fig. 2 .3 5 .) También denominados registros de de spla za m ie nt o, func iona n de spla za ndo un de te rminado valor lógico a derecha o izquie rda de la c a de na . Ent re a lguna de sus aplicaciones, suelen utilizarse para indic a r e l pa so de una determinada pieza por e l conjunto de una se rie de e st a c ione s de t ra ba jo dispue st a s en serie. 84
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
A
B
T Figura 2.34. Método de transferencia de un registro de desplazamiento B1
B2
-
•
co
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j
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•
i
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I
c
• t.
B3
LLI
• •
• re "O
CO
A « * * * • k# » • V r * » V
kPk»« * + • * i • - • • - M * * i
Figura 2.35. Registro de desplazamiento con 3 biestables
2.7.5. Dispositivos generadores de impulso.
Estos disposit ivos ge ne ra n una señal de salida impulso directo o inverso, cuando se les aplica una señal mantenida a su entrada. Un impulso es una acción de corta duración causada por el cambio de estado de una variable binaria. Las figura s Fig 2.36. y Fig. 2.37. describen los conceptos de impulso directo e impulso inverso respectivamente.
a
*
"n i d
13
6
a
í
V
Figura 2.36. Generador de impulsos directos
UPV-CFP
85
Robótica y Automática
Figura 2.37. Generador de impulsos inversos
Cua ndo se ne c e sit a e m it ir un im pulso c on un de t e rm ina do re t a rdo respecto de la señal de e nt ra da que lo ha de ge ne ra r se utilizará e l disposit ivo de impulsión re t a rda da , c uya representación gráfica y notación vie ne dada por la Fig. 2.38.
Figura 2.38. Generador de impulsos retardado
2.7.6. Dispositivos comparadores. Son dispositivos que e m it e n una señal de e st a do lógico a lt o a su salida, cuando se cumple la condición e st a ble c ida e nt re dos va ria ble s a fe c t a das por los distintos ope ra dore s relaciónales < >, =, >, <
Figura 2.39. Elemento comparador con condición "mayor que" 86
UPV-CFP
Análisis y síntesis de los Automatismos
2.7.7. De t e c t ore s de fla nc o. Los de t e c t ore s de fla nc o son disposit ivos cuya salida cambia de e st a do cuando a su e nt ra da se de t e c t a un fla nc o de subida o de bajada de una variable boole a na . El de t e c t or ED fig.1 -4 0 (a ), de t e c t a fla nc os de 0 -> 1 y de 1 -> 0. El detector EDN fig. 1 -4 0 (b), de t e c t a fla nc os ne ga t ivos de 1 -» 0 y el EDP fig. 1-40(c) de t e c t a fla nc os posit ivos de 0 -> 1 .
Figura 2.40. Detectores de flanco
Re sum e n: El álgebra boole a na e s la he rra m ie nt a a de c ua da para e l análisis y síntesis de los a ut om a t ism os se nc illos de carácter c om bina c iona l y se cuencial. La t a bla de ve rda d de un a ut om a t ism o e s e l prim e r pa so e n e l diseño de un a ut om a t ism o c om bina c iona l. La t a bla de K a rna ugh, pe rm it e la simplificación de las func ione s lógicas boole a na s, lo c ua l pe rm it e una reducción c onside ra ble de los costes de los a ut om a t ism os im ple m e nt a dos m e dia nt e lógica c a ble a da , y una optimización e n e l uso de los re c ursos disponible s e n los a ut om a t ism os im plementados m e dia nt e lógica progra m a da . La t a bla de fa se s se utiliza para e l diseño de sist e m a s automatizados de carácter se c ue nc ia l, pero su ut ilida d para sist e m a s complejos es más que cuestionable.
UPV-CFP
87
CAPÍ T U LO SENSORES TRANSDUCTORES
3 Y
\
wm
3.1. Introducción....................................................
91
3.2. Principios
92
de transducción.................................
3.3. Clasificación
de los transductores.....................
98
3.4. Calibración estática de los transductores......... 3.5. Transductores específicos.................................
105 108
3.6. Transductores
110
de Temperatura........................
3.7. Emisión a distancia de medidas de variables de un proceso industrial...........................
115
3.8. El bus de campo (FieldbusJ....................»»»»»»-110 3.9. Buses Sensor-Actuador...............................»»»» 123 3.10. Buses especializados .......................»»»»»»»»• " 1
24
Sensores
y Transductores
Obje t ivos: • Describir los conceptos precisos de sensor y transductor. • Describir los parámetros propios de los transductores, que permitan una comparación y selección adecuada. • Conocer el método de calibración de un transductor. • Conocer distintos tipos de transductores. • Describir el concepto de transmisión a distancia. • Conocer los conceptos de buses de campo. - Describir las características de los transductores inteligentes.
3.1.
Introducción
Los t ra nsduc t ore s son uno de los e le m e nt os más im port a nt e s del b u cle de c ont rol, pue st o que su c om e t ido e s la medición de las va ria ble s que int e rvie ne n e n e l proc e so. Los e sfue rzos de dic a dos a l análisis y diseño de los sist e m a s de c ontrol c on obje t o de c onse guir las m e jore s pre st a c ione s e n c ua nt o a precisión resultarán baldíos, si pa ra le la m e nt e no se ut iliza n pa ra la medición de las variables a c ont rola r t ra nsduc t ore s de bue na c a lida d, ya que e l sistema de control nunc a será m e jor que los sist e m a s de percepción utilizados para la medición de las va ria ble s de éstos. Dos son los a spe c t os a t ra t a r por e l inge nie ro de c ont rol e n su análisis: por una pa rt e sus características estáticas, e spe c ia lm e nt e la precisión con que las va ria ble s de l proc e so son m e dida s; por ot ra pa rt e sus características dinámicas e n c ua nt o a l t ie m po que pa sa a nt e s de que el valor final de la va ria ble m e dida pue da c onside ra rse e st a c iona rio; y también de qué tipo es el tránsito a e sa situación fina l. Por t a nt o, c om o re sult a obvio, e l t ra nsductor va a t e ne r influe nc ia e n e l orde n de l m ode lo fina l de l sist e m a .
3.1.1. Definiciones Un se nsor e s un disposit ivo que re sponde a a lguna s propie da de s de tipo eléctrico, mecánico, térmico, magnético, químico e t c ., ge ne ra ndo una UPV-CFP
91
Robotica y Automática
señal eléctrica que pue de se r susc e pt ible de medición. N orm a m e nt e , las señales obt e nida s a partir de un se nsor son de pequeña m a gnit ud y ne c e sitan se r t ra t a da s c onve nie nt e m e nt e e n los a spe c t os de amplificación y filtrado princ ipa lm e nt e . Si a un e le m e nt o se nsor se le a djunt a un disposit ivo de a c ondic iona miento de la señal, e nt onc e s se le de nom ina t ra nsduc t or. Mención aparte m e re c e n los de nom ina dos c a pt a dore s bina rios. Éstos no obtienen a su salida un va lor proporc iona l de la señal d e sa lida . Los captadores binarios provoc a n un c a m bio de e st a do lógico d e s u sa lida , cuando el valor de la e nt ra da sobre pa sa un de t e rm ina do va lor um bra l. Este tipo de disposit ivos ha n ve nido re c ibie ndo dist int a s de nom ina c iones a partir del área tecnológica c onc re t a de aplicación d e los m ism os, de tal forma que comúnmente ha n re c ibido dist int a s de nom ina c ione s tales como: T ra nsm isor Detector Célula Galga Captador Sonda
3.2. Principios
de
transduccion
Los principios de t ra nsduc c ion son e l funda m e nt o físico sobre e l cual V e r S Í Ó n deuna nr^f 9 u d física e n ot ra dist int a . Ex ist e una eS S ° u < * > r e s pa ra de t e c t a r una m ism a va ria ble f i ^ a n n f h P « Pios de t ra nsduc c ion dife re nt e s. S e o ^ Seguidamente se t ra t a n a lgunos de e st os princ ipios
!S^T
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Elementos de t ra nsduc c ion c a pa c it iva
92
UPV-CFP
Figura 3.1. Principios de transduccion capacitiva
•
Elementos de t ra nsduc c ion inductiva.
Los e le m e nt os de t ra nsduc c ion inductiva convierten un cambio de la magnitud e n un c a m bio de la a ut oinduc t a nc ia de un devanado único, provocado por el m ovim ie nt o de un núcleo ferromagnético.
' ATATATATáTáTAT
W7w AL
bre el o* Exist e
varissma diferentes
Figura 3.2. Principio de transduccion inductiva
•
Elementos de t ra nsduc c ion reluctiva.
de la Los e le m e nt os de t ra nsduc c ion reluctiva convierten un cambio en la magnitud a medir e n un c a m bio de tensión c a . , debido al cambio reluctancia de l c a m ino magnético entre dos o más devanados. UPV-CFP
93
t i
Figura 3.3. Principio de transduccion reluctiva
a
Elementos de transduccion electromagnética.
Los elementos de transduccion electromagnética c onvie rt e n un cambio de la magnitud a medir en una fue rza e le c t rom ot riz (tensión de salida) inducida en un conductor, debido a un c a m bio e n e l flujo magnético e n ausencia de excitación.
Figura 3.4. Principio de transduccion electromagnética
•
Elementos de transduccion piezoeléctrica.
Los elementos de transduccion piezoeléctrica c onvie rt e n un cambio en la magnitud a medir en un cambio en la carga electrostática (Q) o tensión (E) generadas por ciertos materiales cuando se e nc ue nt ra n som e t idos a un esfuerzo mecánico.
UPV-CFP
Sensores y Transductores
AQ
o AE
Figura 3.5. Principios de transducción piezoeléctrica
•
t e n un i de salida gnético en i
Ele m e nt os de transducción re sist iva .
Los e le m e nt os d e transducción re sist iva c onvie rt e n un c a m bio e n la m a gnit ud a m e dir e n un c a m bio e n la re sist e nc ia de bido a dive rsos m e dios, tales c om o c a le nt a m ie nt o, e nfria m ie nt o, e sfue rzo mecánico, humidificación de sa le s electrolíticas, m ovim ie nt os e n e l bra zo de la e sc obilla de un re ostato.
AR
AR
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*
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LAAÁAAt F/gura 3.6. Principios de transducción resistiva -
UPV-CFP
95
•
Elementos de transducción por galgas extensométricas.
Los elementos de transducción por ga lga s extensométricas convierten un cambio e n la magnitud a medir e n un c a m bio de re sist e nc ia debido a
Figura 3.7. Puente de Wheatstone mediante galgas extensométricas
•
Elementos de transducción fotovoltáica.
c a m bio magnitud a medir en un cambio en la tensión ge ne ra da c ua ndo la iluminación incidente sobre una unión entre ciertos m a t e ria le s c a m bia .
Luz
AE
Figura 3.8. Principio de transducción fotovoltáica 96
UPV-CFP
Sensores
é
y Transductores
Elementos de transducción termoeléctrica.
Los e le m e nt os de transducción termoeléctrica convierten un cambio en la magnitud a m e dir e n un c a m bio e n la fue rza e le c t rom ot riz (fem) ge nerada por la dife re nc ia de t e m pe ra t ura s e x ist e nt e entre la s uniones de dos materiales dist int os (e fe c t o Se e be c k ).
T1
Figura 3.9. Principio de transducción termoeléctrica
•
Elementos de transducción por ionización.
Los e le m e nt os de transducción por ionización convierten un cambio en la magnitud a m e dir e n un c a m bio e n la corriente de ionización, ejercida sobre un gas e nt re dos e le c t rodos.
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Ex Figura 3.10. Principio de transducción por ionización
En sum a , los principios de transducción, son los principios básicos de funcionamiento de una gra n diversidad de transductores diferentes. Para la
UPV-CFP
97
lobótica y Automática
detección de una misma variable física pueden utilizarse transductores basados en principios de transducción diferentes. En la Figura 3 .11, puede observarse la utilización de principios de transducción distintos para la detección de la presión. PUENTE DE WHEAT5TONE
MUELLE DE REFERENCIA
AMPLIFICADOR
MUELLE DL REFERE'IO«
BOBINA (CORTE)
POTENCIOMETRO LINEAL
NUCLEO
CAMARA DEFUELLE
CAMARA DEFUELLE
J
PATÍN
í
FLUIDO A PRESION
FLUIDO A PRESION
,:4
AMPLIFICADOR
77
-
CRISTAL DE CUARZO v
DIAFRAGMA
má
¡^ M L , . , . , . . . . , . , v
Sv5v-v.' .v.
FLUIDOA PRESION
Figura 3.11. Transductores de presión
3.3. Clasificación
de los
transductores
Los t ra nsduc t ore s pue de n c la sific a rse t e nie ndo e n c ue nt a va rios crite nos: • Según la señal de sa lida • Analógicos. • Digit a le s. • Según su relación e nt ra da /sa lida (FDT ): • Orde n c e ro. • Orde n uno. • Orde n dos
98
UPV-CFP
Sensores y Transductores
• Según el a port e de energía. • M odula dore s o a c t ivos. • Ge ne ra dore s o pa sivos + Según el m odo de func iona m ie nt o: • Deflexión. • Comparación.
3.3.1. Características de los transductores • Características eléctricas de diseño. • Características mecánicas de diseño. • Características de actuación. • Características estáticas. • Precisión (Ac c ura c y) • No line a lida d • Histéresis • Re pe t ibilida d • De riva térmica de c e ro. • De riva térmica a fondo e sc a la • Ra ngo • Resolución • Características dinámicas. • T ra nsduc t or de orde n c e ro. • T ra nsduc t or de orde n uno. • T ra nsduc t or de orde n dos.
3.3.11 Características
estáticas
De sc ribe n la actuación e n una s c ondic ione s a m bie nt a le s, con cambios muy lentos de la m a gnit ud a m e dir y e n a use nc ia de golpe s, vibraciones o aceleraciones.
•
Precisión:
Es un e rror c om bina do e x pre sa do e n % fondo escala, que puede cluir dife re nt e s términos según catálogos de dife re nt e s fa bric a nt e s. UPV-CFP
99
Robótica y Automática
La representación de la e x a c t it ud de un t ra nsduc t or pue de re a liza rse e n va lore s porc e nt ua le s re spe c t o de l fondo e sc a la (FSO) o re spe c t o de l va lor e x a c t o (re a ding). El cálculo pue de re a liza rse m e dia nt e la construcción de una t a bla c on el re gist ro de calibración donde se situarán re spe c t iva m e nt e los va lore s e x a c t os (Ve), real (Vr), la dife re nc ia V e -V r, % F S O y % re a ding donde :
La precisión(%FSO)¡ = 100.(Ve¡-Vn) / f e o La precisión(%reading) = 100.(Ve Vr¡) A/e¡ r
En oc a sione s también se e x pre sa c om o e l va lor m e dio cuadrático de los e rrore s de : •
No line a lida d.
•
Histéresis.
•
Re pe t ibilida d
•
De riva térmica de c e ro.
•
De riva térmica de fondo e sc a la . •
•
No linealidad:
Es la máxima desviación de la c urva característica e n su t ra m o a sc e ndente o de sc e nde nt e , re spe c t o de la línea re c t a que une los punt os "cero" y "fondo escala", e x pre sa do e n % de l va lor a fondo e sc a la , sie m pre que e l "cero" se haya he c ho c oinc idir c on e l orige n de c oorde na da s.
MAGNITUD FISICA
Figura 3.12. Característica de linealidad 100
UPV-CFP
Sensores y Transductores
'
r e a l i
ía. •
3
ta bj
05
«¿i
Histéresis:
Es la máxima dife re nc ia e nt re las sa lida s de señal c orre spondie nt e s a un punto de las m a gnit ude s c re c ie nt e s y de c re c ie nt e s e nt re "cero" y "fondo escala" e x pre sa da e n % de l va lor fondo e sc a la . Fondo d e Escala
O r á t i c o de Ra ngo d e M e d i d a MAGNITUD FISICA
Figura 3.13. Característica de histéresis
•
n o aseent o s "cero" Dre que el
Repetibilidad:
Es la c ua lida d de un t ra nsduc t or de reproducir las mismas lecturas de salida cuando un m ism o valor a medir es aplicado consecutivamente, bajo las mismas c ondic ione s y e n la misma dirección. Se expresa en valor c ua drático medio de la diferencia entre lecturas, o como e l doble del valor cuadrático medio de la s desviaciones de lectura respecto al valor de las mismas. F o n d o d e Esc a la
5 REPETIBILIDAD LU <
a
MAGNITUD FISICA
Figura 3.14. Característica de repetibilidad
UPV-CFP
101
)Ótica y Automática •
Deriva térmica de c e ro:
El error de "deriva de cero" será la m a yor sa lida que se obt e nga a lo largo de todo el rango de operación.
6
O LLI LU
á
oC TEMPERATURA
Figura 3.15. Característica de deriva térmica de cero
•
De riva térmica a f o n d o e sc a la :
Es un e rror análogo a l de de riva de c e ro, pe ro c ua ndo e s a plic a do el máximo va lor de c a rga e spe c ific a do c on ra ngo fondo de e sc a la .
oC TEMPERATURA
Figura 3.16. Característica de deriva térmica a fondo escala
102
UPV-CFP
Sensores y Transductores
+ Resolución: $ e de nom ina resolución a l c a m bio más pequeño a la e nt ra da de l transductor que provocará un c a m bio a la salida del mismo. Se expresa en valores porc e nt ua le s de l fondo e sc a la . Esta característica e s conveniente conocerla e n a que llos t ra nsduc t ore s e n los que la magnitud varía c ont inuamente de nt ro de l ra ngo pe ro c uya salida no aparece perfectamente lisa, sino c on pequeños e sc a lone s. Este fenómeno e s característico de los transductores potenciométricos bobina dos, e n los que la salida aparece escalonada de bido a l de spla za m ie nt o de la e sc obilla e nt re e spira s c onse cutivas. Cua ndo los e sc a lone s no son m e dible s e n la salida del transductorse dice que dispone de resolución c ont inua . También su c onoc im ie nt o re sulta c onve nie nt e e n los t ra nsduc t ore s c on sa lida digit a l, e n los que la re solución vie ne da da por e l número de bits de la pa la bra de da t os. En e l caso de los t ra nsduc t ore s increméntales de sa lida digital viene da da por el número de indic a c ione s de nive l a lt o obt e nido por unida d de longit ud o ángulo de revolución.
• Cont a dor
Figura 3.17. Transductor incremental
•
Ra ngo:
El rango de un t ra nsduc t or se de fine c om o los límites superior e ii rior de 'los va lore s de la m a gnit ud física c orre spondie nt e , susc e pt ible medición. UPV-CFP
103
Robóttca y Automática
El rango puede ser: •
Unidireccional: de 0 a 50 cm.
•
Bidireccional: • Simétrico: ±90° • Asimétrico:-10 a 50 gr.
I
•
•
Desplazado: 4 0 0 a 8 0 0 rad./s
Am plit ud de medición
Se denomina amplitud de medición de un t ra nsduc t or, a la diferencia algebraica de los límites del rango. Por e je m plo: la a m plit ud de medición de un transductor de ±90° es de 180°
•
Sobre ra ngo:
También denominado medida máxima, e s la máxima m a gnit ud de la medida que se puede aplicar provocándole un c a m bio e n sus prestaciones dentro de unas de t e rm ina da s t ole ra nc ia s. En e st e c a so se e spe c ific a un tiempo de recuperación de t e rm ina do.
3.3.1.2. Características de fiabilidad
Bajo este concepto se c onside ra n las características re la c iona da s con la vida útil de un transductor, así c om o las características que pue de n ocasionar efectos adversos e n el sist e m a e n que el t ra nsduc t or está instalado cuando éste falla de una manera específica. La vida operativa del t ra nsduc t or, pue de e x pre sa rse de dos maneras: •
Vida Operativa: Se e nt ie nde como e l mínimo la pso e spe c ific a do e n e l que el t ra nsduc t or operará, c ont inua m e nt e o sobre un número de ciclos e spe c ific a do, sin c a m bios e n sus características de nt ro de unas t ole ra nc ia s e spe c ific a da s.
104
UPV-CFP
Sensores y Transductores
V ida de Cic lo: Se e nt ie nde c om o e l número mínimo especificado de e x c ursiones de ra ngo c om ple t o o parcial especificado, sobre la s que el t ra nsduc t or operará sin c a m bios e n sus prestaciones dentro de una s t ole ra nc ia s e spe c ific a da s.
3,4. Calibración
estática
de los
transductores
La calibración estática e s un test durante e l cual se aplica una magnitud de valor c onoc ido al t ra nsduc t or y se registra la salida correspondiente. Esta operación se de be realizar de forma reiterada e n todo el rango de actuación de l t ra nsduc t or, t om a ndo valores equidistantes de su entrada y mediante la utilización de un e le m e nt o de medida de mayor precisión que el propio t ra nsduc t or, realizar el registro del conjunto de salidas correspondientes a las e nt ra da s se le c c iona da s. Dicho registro recibe el nombre de: Registro de Calibración: Es la t a bla re sult a nt e de pares de va lore s de la realización del test Por ot ra pa rt e re c ibe el nom bre de : Curva de Calibración: La representación gráfica xy de l resultado del test. En sus catálogos, los fa bric a nt e s sue le n ofrecer datos sobre las características de sus produc t os. En éstos se incluyen generalmente características estáticas y dinámicas de los t ra nsduc t ore s. No obstante, con mayor fre c ue nc ia de la de se a da se intenta presentar mejores características de las que se pue de n e nc ont ra r realmente. Por tanto, para evitar inc onve nie nt e s de riva dos de la fa lt a de conocimiento de l comportamiento real de un de t e rm ina do t ra nsduc t or, e s aconsejable abordar la calibración específica de l disposit ivo que se vaya a utilizar. A partir de la c urva de calibración e l objetivo será obtener un modelo l i neal a prox im a do de la re spue st a de l transductor. El procedimiento c onsiste e n a just a r una recta e nt re las curvas del registro de calibración. La precisión de la re spue st a linealizada del t ra nsduc t or dependerá del gra do de a just e de la linea teórica a las curvas de registro. Para llevar a c a bo el a just e se pue de n utilizar diferentes métodos: UPV-CFP
105
tobótica y Automática
3 .4 .1 . Linealización por punt o fina l Se realiza t ra za ndo una línea re c t a que pa se por los punt os inicial y I I*I * fina l de la curva de calibración. 9
Fondo de e sc a la
M a gnit ud^c re c ie nt e
• Ra ngo de m e dida M AGN I T U D FI SI CA
Figura 3.18. Linealización por punto final
3.4.2. Linealización por línea independiente Se re a liza t ra za ndo e n prim e r luga r dos re c t a s pa ra le la s que c ont e nga n a la c urva de calibración y t ra za ndo post e riorm e nt e una nue va recta just o a m e dia dist a nc ia e nt re los dos prim e ra s. Fondo d e e sc a la
< o oUJ LU < <
Ra ngo de m e dida M AGN I T U D FÍSICA
Figura 3.19. Linealización por linea independiente
106
UPV-CFP
Sensores
y Transductores
3 4.3. Linealización por mínimos cuadrados La linealidad por mínimos c ua dra dos asegura que e n la línea recta obtenida las dist a nc ia s de error son menores o mínimas. Fondo de escala
Ra ngo de m e dida
MAGNITUD FÍSICA
Figura 3.20. Linealización por mínimos cuadrados
Siendo la ecuación de la recta: y = b + mx
donde:
x = valores de la entrada y = valores de la salida m = pendiente de la recta 6 = valor de intercepción de n = número de puntos Los parámetros b y m se calculan mediante las siguientes expresiones:
m
*I> )-(2» 2
n
UPV-CFP
2
n
107
Robótica y Automática
3.5. Transductores
específicos
Los t ra nsduc t ore s pue de n c la sific a rse a t e ndie ndo a c rit e rios de su función de transferencia (FDT ). De sde e l punt o de vist a de c ont rol interesa su FDT; y cómo contribuirá ésta a la FDT t ot a l de l sist e m a . En e st e sentido una clasificación vie ne da da por lo que se de nom ina tipo de transductor. Un t ra nsduc t or se dic e que e s de t ipo 0, si su FDT es de la form a : y(t) = kx(t)
t Figura 3.21. Respuesta de un transductor de tipo 0
Un t ra nsduc t or se dic e que e s de t ipo 1 , si su FDT e s de la form a :
ai
dy(f)
u(s)
108
+ a y(t) 0
=
bu(t)
dt
k TS + 1
UPV-CFP
Sensores
y
Transductores
Donde la representación gráfica es
v 100°/
63%
t
Figura 3.22. Respuesta
de un transductor
de tipo 1
Donde los parámetros a t e ne r en c ue nt a son Const a nt e de t ie m po T ie m po de re t a rdo T ie m po de e st a ble c im ie nt o Un t ra nsduc t or se dic e que e s de t ipo 2 si su sa lida está relacionada con su e nt ra da m e dia nt e una ecuación de l t ipo:
d
a
y
dt
(r) +
d
a
y {t) + a
0
y (t) = b
0
u
(f)
dt
y(s) U(S)
UPV-CFP
S
2
+ 2 ¿;
W
n
S
+w
n
109
' Robótica y Automática
Figura 3.23. Respuesta de un transductor de tipo 2
3.6. Transductores
de
Temperatura
Una de la s va ria ble s susc e pt ible de medición más c om une s en los proc e sos indust ria le s e s la t e m pe ra t ura . A t a l e fe c t o se ut iliza n los termistores, de t e c t ore s de t e m pe ra t ura re sist ivos, t e rm opa re s y c irc uit os integrados específicos.
3.6.1. Termistores. El t e rm ist or e s un se nsor que c a m bia su re sist e nc ia c on la temperatura. Su fabricación se re a liza ut iliza ndo c om o m a t e ria l de ba se una mezcla cerámica. También se fa bric a n c on óxidos de m a t e ria le s semiconductores incluso de óxidos de hie rro, c obre , m a nga ne so níquel y otros. Su forma e x t e rna de disc o, got a , ba rra , c hip, e t c ., se a da pt a a las diferentes y posibles a plic a c ione s. Su característica más im port a nt e e s su c oe fic ie nt e de temperatura (T C), e l c ua l e x pre sa e l c a m bio e n la re sist e nc ia de l t e rm ist or dado un rango de t e m pe ra t ura de t e rm ina do. El c oe fic ie nt e de t e m pe ra t ura es negativo y su expresión matemática e s: TC
^AR/R AT
110
UPV-CFP
Sensores y Transductores AR/R se e x pre sa ge ne ra lm e nt e c om o un porcentaje, o e n pa rt e s por millón (ppm ).
La c orrie nt e ut iliza da e n la m e dida de la re sist e nc ia de be se r lo suficientemente pequeña pa ra que no c a use una disipación de pot e nc ia significante, lo c ua l generaría e rrore s e n la m e dida . En oc a sione s los fa bric a nt e s e spe c ific a n un va lor de una c onst a nt e de l material /?, la c ua l está re la c iona da c on la c urva de t e m pe ra t ura de la r e sistencia m ost ra da e n la Fig. 3 .2 4 . de form a que , si e l va lor de dic ha c onstante e s c onoc ido, e l va lor fina l de la re sist e nc ia R2 , a c ua lquie r t e m pe ra t ura T2, pue de c a lc ula rse m e dia nt e la expresión: R2
/?[(l/7'l)-(l/7'2) e
R1 100 f=
30 =
es en los i termistontegrados
10 ÍN
a: 03 O a>
O
per# m ezcl a ia duc t or n forfl Su y P° ' es
3.0
1.0
0 .3
a:
m
0.1
12
0.03
si
80
100
120 140
T e m pe ra t ura , T (°C) •
Figura 3.24. Curva de temperatura de la resistencia D K 1
B fa bric a nt e ge ne ra lm e nt e e spe c ific a e n la hoja de da t os e l valor de a la t e m pe ra t ura de re fe re nc ia T 1 , norm a lm e nt e 2 b u
UPV-CFP
111
Robótica y Automática
Cua ndo se utiliza e l t e rm ist or para la detección de t e m pe ra t ura , es necesario c onve rt ir e l c a m bio de su re sist e nc ia e n una variación de la caída de tensión que e n éste se produc e . Pa ra e st e c om e t ido sue le utilizarse un puente de Whe a t st one junt o c on un a m plific a dor ope ra c iona l.
3.6.2. Detectores de temperatura resistivos (RTD). El principio de func iona m ie nt o de los RT D se ba sa e n que t odos los metales m a nifie st a n un c a m bio posit ivo e n su re sist e nc ia de bido a un c a m bio positivo de la t e m pe ra t ura . El platino se utiliza pa ra su construcción de bido a l bue n c om port a miento y e st a bilida d que m a nifie st a a a lt a s t e m pe ra t ura s. Est e m e t a l se ha demostrado c om o e l más a de c ua do c om o e le m e nt o prim a rio e n la construcción de termómetros de a lt a precisión de carácter re sist ivo. El cobre también se utiliza oc a siona lm e nt e c om o e le m e nt o RT D de bido a su bajo coste y su c om port a m ie nt o line a l, pe ro de bido a su ba ja re sist ivida d obliga a la construcción de sonda s de m a yor longit ud que los ba sa dos e n platino. Los de t e c t ore s de t e m pe ra t ura más c om une s se c onst ruye n de platino y níquel.
3.6.3. Termopares. En contraste c on los se nsore s de t e m pe ra t ura re sist ivos, e l termopar es un sensor que c onvie rt e dire c t a m e nt e un c a m bio de t e m pe ra t ura en un cambio de tensión. El t e rm opa r básicamente está c onst it uido por la unión de dos materiales dife re nt e s. Este t ipo de se nsor m ue st ra bue n comportamiento en un amplio rango de t e m pe ra t ura s. Los t ie m pos de respuesta del termopar son del orden de m ilise gundos, lo c ua l e s una ve nt a ja desde el punto de vista de la aplicación. Asim ism o, su m ont a je pue de resultar relativamente sencillo. En lo que respecta a los diversos se nsore s y t ra nsduc t ore s de temperatura existentes, los termopares dispone n de una salida de muy baja señal con el inconveniente del carácter no lineal de la variación de su salida respecto de la temperatura. Es preciso la aplicación de técnicas adicionales de linealización si se requiere su uso para aplicaciones de control de procesos. 112
UPV-CFP
\
Sensores y Transductores %
I ' &
Los RT D ut iliza n la variación de la re sist e nc ia de c ie rt os m a t e ria le s cuando va na la t e m pe ra t ura . No obst a nt e dic ha variación es muy pequeña. Por otra pa rt e la sa lida de los t e rm ist ore s es ba st a nt e no line a l.
tod un caí
omporí ^etalse^ la cons. °- El cobre ) a su ba: 'idad obg ila en platino c
a
e n
Para c a da uno de los t ra nsduc t ore s m e nc iona dos, se ha c e ne c e sa rio dotarlos de circuitería a dic iona l pa ra c onse guir su re spue st a line a l, pero, con todo, su re spue st a no sie m pre se m a nt ie ne e n márgenes a c e pt a ble s de line a lida d. U na a lt e rna t iva ra zona ble c ua ndo se de se a line a lida d y a c ondic iona m ie nt o a de c ua do de la señal de sa lida , e s la utilización de c ircuitos int e gra dos de aplicación específica.
3.6.3.1. Circuitos integrados como transductores de temperatura
El LM 3 3 5 ofre c e una sa lida de 10 m V /K . El LM 3 4 sum inist ra 10 m V /F El AD5 9 2 ofre c e una sa lida de 1 uA/K . El LM 3 3 5 e s un diodo ze ne r se nsible a la t e m pe ra t ura . En la región de ruptura, su sa lida e s: Vz
i de pial:
\0mV
T
Recuérdese q u e e x ist e t ot a l c orre sponde nc ia e nt re gra dos Kelvin y centígrados, c on sólo m a nt e ne r un offse t de 273° de t a l form a que :
0°C = 273 K el termopf atura e» >or la *¡
i
Así la sa lida de l LM 3 3 5 e s: Vz = 2.73V +
\0mV
T
K °C
c o n i p 0
donde T se e x pre sa e n gra dos centígrados. sultar i *
iv
Los ra ngos disponible s de t e m pe ra t ura son los que se m ue st ra n e n la siguiente t a bla .
* LM 1 3 5 LM 2 3 5 LM 3 3 5
Ran -5 5 a +1 5 0 -4 0 a +1 2 5 -4 0 a +1 0 0
Uso Militar I ndust ria l Com e rc ia l i
3
(
UPV-CFP
113
Robótica y Automática
3 .6 .4. LM 3 5 : sensor de temperatura de precisión calibrado en grados centígrados. El C.I . LM 3 5 e s un c irc uit o int e gra do de precisión que actúa c om o un se nsor de t e m pe ra t ura c a libra do dire c t a m e nt e e n gra dos centígrados. Su tensión de sa lida e s line a l y proporc iona l a la e sc a la c e lsius de t e m pe ra t ura, por t a nt o e l LM 3 5 pose e la ve nt a ja , fre nt e a los C.i. int e gra dos calibrados e n gra dos K e lvin, de que no ne c e sit a sust ra e r una tensión constante e le va da de su sa lida pa ra a just a rse a una e sc a la centígrada. Com o ve nt a ja a dic iona l, e l LM 3 5 no re quie re de c irc uit os adicionales para su calibración e x t e rna c ua ndo se de se a obt e ne r una precisión del orde n de ±1/4 C° a t e m pe ra t ura a m bie nt e , y ±3/4 C° e n un ra ngo de temperatura de sde 5 5 a 150C°. La baja im pe da nc ia de sa lida , su sa lida line a l y su pre c isa calibración inhe re nt e ha c e posible una fácil instalación e n un c irc uit o de c ont rol. Pue de ut iliza rse bie n c on alimentación sim ple o m e dia nt e alimentación positiva y ne ga t iva . De bido a su ba ja c orrie nt e de alimentación (6 0 uA), se produc e un e fe c t o de a ut oc a le nt a m ie nt o re duc ido, m e nos de 0 ,1 °C en situación de a ire e st a c iona rio. El LM 3 5 e st a diseñado pa ra t ra ba ja r en un rango de t e m pe ra t ura de sde - 5 5 ha st a 1 5 0 °C.
Se nsor C
T e rm ore sist e nc ia
Generador Simple Robusto Barato Amplia variedad Amplio rango de temperatura
No es lineal Baja tensión Se requiere referencia El menos estable El menos sensible
El de mayor estabilidad El de mayor precisión lineal que el termopar
Gran amplitud de salida Rápido Medida resistiva por dos cables
Caro Se requiere fuente de corriente Variación de resistencia pequeña Baja resistencia absoluta Se sobrecalienta
E s no lineal Rango de temperatura limitado Frágil S e requiere una fuente de intensidad Se sobrecalienta
Figura 3.25. Tabla comparativa de los transductores 114
El de mayor linealidad El de mayor amplitud de salida El más barato
- T < 200°C - S e requiere una fuente de alimentación - Lento - S e sobrecalienta - Configuraciones limitadas
de
temperatura
UPV-CF
p
Sensores
3.7. Emisión proceso
a distancia industrial
de medidas
y Transductores
de variables
de un
En la década de 1940 la instrumentación de procesos contó con se ñales neumáticas de presión de 3-15 psi para su utilización e n los dispositivos de c ont rol. Post e riorm e nt e se int rodujo la señal analógica estándar de 4-20 mA para la instrumentación. A pesar de esta norma, aún se utilizaron varios nive le s de señales para e l func iona m ie nt o de muchos instrumentos que no se diseñaron bajo las e spe c ific a c ione s de las normas. Las técnicas de medición de las va ria ble s e n los procesos industriales tipo punto a punt o, o e n configuración e n e st re lla m e dia nt e e l bucle de corriente 4 -2 0 m A sobre c onduc t or de c obre de pa r t re nza do, datan de mitad de la década de 1950, si bie n su adopción como norma internacional (IEC 3 8 1 -1 ) se efectuó e n 1 9 7 1 . Módulo Emisor/Receptor Transductor
Figura
3.26. Estructura
del bucle de
comente
En num e rosa s oc a sione s, e n los proc e sos indust ria le s ba sa dos e n a ut om a t ism os o c ont rol c ont inuo, e l disposit ivo de c ont rol, bien sea un Autómata Progra m a ble o bie n se a un Re gula dor PI D, se e nc ue nt ra ubicado en zona s a le ja da s de l m ism o proc e so por que la s c ondic ione s de se guridad y bue n func iona m ie nt o de los últimos así lo re quie re n. Por otra parte, m uc hos de los t ra nsduc t ore s que se ut iliza n pa ra m e dir la s va ria ble s de l proceso dispone n de tensión a su sa lida . En e st a s c ondic ione s es c onve niente c onve rt ir la sa lida e n tensión a un buc le de c orrie nt e , ya que la c a racterística re sist iva de la línea y la caída de tensión c onside ra ble que puede produc irse e n e lla así lo a c onse ja . En la m e dida por c orrie nt e la m a gnit ud de e nt ra da se c onvie rt e en una corriente c ont inua proporc iona l. Esta c orrie nt e e s e nvia da por el hilo c onductor y su e fe c t o se m ide e n form a de caída de tensión produc ida e n una resistencia de va lor c onoc ido. Pa ra e vit a r dist orsione s de la señal, produc idas por a c opla m ie nt os induc t ivos, los c onduc t ore s de ida y retorno se disÜPV-CFP
115
pone n e n form a de pa r t re nza do uno sobre e l ot ro. Por ot ra pa rt e , este método se adoptó, e nt re ot ra s, por ra zone s de se gurida d, pue s un eventual cortocircuito de l bucle de transmisión no produciría a rc o eléctrico. El hecho de que e l buc le de 4 a 2 0 m A. disponga de un "cero" activo pe rm it e disc e rnir e nt re la actuación de l t ra nsduc t or a su mínimo va lor de e nt ra da y e nt re la posibilida d de interrupción física de la línea de t ra nsm isión por m ot ivo de avería. El c irc uit o int e gra do X T R1 1 0 K P e s un C.l. de precisión, que se utiliza para la conversión de una sa lida e n tensión e n buc le s de c orrie nt e de tipo indust ria l. +24 V t
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F/gura 3.27. Esquema del circuito integrado
XTR110KP
El inc onve nie nt e de la transmisión de señales y m e dida de variables m e dia nt e e l buc le de c orrie nt e 4 -2 0 m A, e s que su configuración e s punto a punt o y unidire c c iona l. Por se r punt o a punt o, c a da t ra nsduc t or requiere de su propio pa r de c onduc t ore s c on e l c onsiguie nt e c ost o a dic iona l en el c a ble a do. Por se r unidire c c iona l no e s posible int e rroga r a l t ra nsduc t or con obje t o de inc orpora r nue va s func ione s de a just e de parámetros y diagnóstico de fa llos. 116
UPV-CFP
Sensores y Transductores
U
P
, ^Z » ^ l ? ° P d a d de comunicación digital a los disposit ivos analógicos fue e l prot oc olo H ART (H ighw a y Addre ssa ble e m o t e T ra nsduoe r) de sa rrolla da por la empresa este prot oc olo e s posible t e ne r t oda la información sobre un disposit ivo e n el propio disposit ivo, fa bric a nt e , m ode lo, número de se rie , parámetros de calibración ra ngo de m e dida , e t c . . La disposición de la información re fe rida mejora los proc e sos de pue st a e n m a rc ha y m a nt e nim ie nt o post e rior de los proc e sos. El prot oc olo H ART de carácter digit a l pue de c oe x ist ir e n un mismo par t re nza do c on señales de t ipo analógico y pe rm it e la conexión de hasta 15 disposit ivos e n una conexión e n a nillo m e dia nt e e l uso de t ra nsmisores a de c ua dos. d
d
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d e
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a c ¡
R^lT^íl
R
Ac t ua lm e nt e e l de sa rrollo de la s re de s de c om unic a c ione s de área local de carácter indust ria l y, específicamente, e l de sa rrollo de l c onc e pt o de bus de c a m po, ha c e posible la conexión de los disposit ivos de t ra nsducción y actuación a un único c onduc t or c on el c onsiguie nt e a horro e n los costes de c a ble a do, ya que se e vit a n de e st a m a ne ra las c onfigura c ione s en estrella que obliga n a l uso de un c onduc t or pa ra c a da uno de los dispositivos a c one c t a r. Efe c t iva m e nt e los c ost e s de c a ble a do pue de n se r re duc idos de form a significativa si se e lim ina la ne c e sida d de e st a ble c e r un par de c onduc t ore s entre c a da c ont rola dor y sus t ra nsduc t ore s y pre a c c iona dore s a soc ia dos. En una inic ia t iva pione ra , la e m pre sa H one yw e ll propuso e n 1975 una e st ruc t ura dist ribuida e n su sist e m a T D C 2 0 0 0 que se m ue st ra e n la Fig. 3.28. Minicomputador supervisor
Consolas operador
Alarmas de lógica cableada
LAN
Controladores Autónomos Locales
Interfaz
I nterfaz
PLANTA
Figura 3.28. Estructura distribuida adoptada por Honeywell en 1975 Up
V -CFP
117
Robótica y
Automática
Posteriores iniciativas desarrolladas por otras e m pre sa s (Fig. 3.29.) siguieron reduciendo c onse c ue nt e m e nt e los ga st os de c a ble a do, al disponer la interconexión de dispositivos localizados e n c a m po. En la actualidad se ha visto confirmada la t e nde nc ia en la reducción de c ost e s de cableado en e l desarrollo producido durante los últimos años, e n e l desarrollo del equipamiento e instrumentación para la automatización y, sobre t odo, en la denominada instrumentación int e lige nt e de c a m po, int e rc one c t a dos mediante buses de campo (fieldbus). Estación de trabajo
Estación de trabajo
•
f i Computador i de control 1
1
\ • L
J_
•
•.
_L
_
_ ü . X BJ
_L A BJ
^ • * L BBW _ • M W .*. J
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Sistema Supervisor
1 É
•
• §
•
\ .
FB2
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:i<
•
i i i i i d . i i i
i*"*—*- *--
»"
r
1
•
a) Sensores y actuadores conectados en estrella mediante caja de unione s
b) Se nsore s y a c t ua dore s c one c t a dos por sistema fieldbus
Figura 3.29. Configuraciones con interconexión de dispositivos en campo
3.8. El bus de campo
(Fieldbus)
A partir de los años 6 0 -7 0 c om ie nza n a a pa re c e r los prim e ros sistemas que e m ple a n m e c a nism os sim ila re s a los que se c onoc e n como redes. En los años 8 0 se amplía e l uso de las re de s, int e rc one c t a ndo distintos e quipos para la implementación de sist e m a s dist ribuidos que cubren gra nde s dist a nc ia s. En los años 90 se m e jora n los m e dios de interconexión e nt re dist int os e quipos y la comunicación digit a l c obra gra n im port a nc ia . Una red de c om put a dora s e s un sist e m a de c om unic a c ione s que conecta sist e m a s t e rm ina le s, de nom ina dos host s. Est os host s pue de n ser, de sde pequeñas m ic roc om put a dora s ha st a las gra nde s supe rc om put a doras. Los hosts pue de n ser de propósito ge ne ra l o sist e m a s de dic a dos, según t e nga n o no c a pa c ida d de int e ra c t ua r c on el usua rio. 118
UPV-CFP
Sensores y Transductores
3.8.1. Clasificación según extensión de la red. Según la extensión geográfica la s re de s se pueden c la sific a r e n cuatro grupos:
" diío K m (
a l A
f
e
a
N e t W
°
r k )
C 0 n
u n a
d i s t
a n c i a máxima a prox im a da
M AN (M e t ropolit a n Are a N e t w ork ) c uya dist a nc ia llega a los 100 Km. W A N ( W i d e Are a N e t w ork ) c on dist a nc ia s supe riore s a los 100 Km. V LAN (V e ry La rge Are a N e t w ork ) donde la s c om unic a c ione s se re a liza n a través de satélite. Dentro de la s re de s de c om put a dora s son de e spe c ia l interés la s Re des de Área Loc a l ( L A N : Loc a l Are a N e t w ork ). U na re d de área loc a l c o necta sist e m a s q u e se e nc ue nt ra n próximos e nt re sí, norm a lm e nt e e n e l mismo e dific io y, a ve c e s, se pa ra dos unos kilómetros. Más c onc re t a m e nt e , se e nt ie nde por una LAN t odo sist e m a de t ra nsport e de información entre distintos punt os (e dific io, indust ria , unive rsida d,...) a través de un medio común de comunicación. La s tecnologías más popula re s e n e l ámbito de la LAN son Et he rne t y T ok e n Ring. La s LAN sue le n t ra ba ja r c on a lt a s ve loc idades de transmisión (a lre de dor de 1 0 M bps). N o obst a nt e , la s nue va s t e c nologías, c om o FDDI (Fibe r Dist ribut e d Da t a I nt e rfa c e s), pe rm it e n llegar a los 100 M bps. Ca da host de una LAN t ie ne algún t ipo de t a rje t a como i n terfaces c on e l q u e se c one c t a a la re d. WAN cuentran e n c iuda de s o países dist int os. La form a de t ra ba jo de estas re des suele ba sa rse e n una línea de teléfono a lquila da c on una velocidad que puede osc ila r e nt re los 9 6 0 0 bps y 2 M bps. LAN v y la i a s o vW v / A M iN w . « w ~w . na o M AN , que c ubre n c iuda de s e nt e ra s y ope ra n a ve loc ida de s de t ra nsLAN croondas. — - «vi w
3
i ~ / AI ^
-8.2. Clasificación de los sistemas de comunicación.
Salvo e l cell bus, e l bus de c a m po e s una clasificación para prácticamente t odos los buse s de la comunicación indust ria l. Entre los diferentes
U PV -CFP
119
Robótica y Automática
buses de c a m po ha y variaciones im port a nt e s e n sus características. L alemanes c om ie nza n su definición c on dos c la se s: • •
0 S
Buses de campo real (Fie ldbus) Buses de campo a bajo nivel (Se nsor-Ak t or-Bus), que aquí se e nt ie nde como un bus se nsor-a c c iona dor.
Los méritos de esta clasificación están e n de finir dos categorías principales, aunque hay una t e rc e ra , c on buse s de c a m po e spe c ia le s; éstos dedicados princ ipa lm e nt e a a plic a c ione s específicas.
3.8.2.1.
Cellbus. /
Éste es el punto princ ipa l de c ua lquie r clasificación de la comunicación industrial. De c ua lquie r m odo, Ce ll bus no e s un bus de c a m po, por lo que sólo se discutirán a lgunos punt os e se nc ia le s. Uno de los buse s más popula re s e n e st a c a pa jerárquica es M AP(M a nufa c t uring Aut om a t ion Prot oc ol). U t iliza Et he rne t c om o medio físico. Sus características más im port a nt e s son e l pa so de l m e nsa je al servidor de a plic a c ione s, y la definición de una máquina virt ua l pa ra emular cualquier género de máquinas y cómo se a c c e de a e lla ; así fa c ilit a la comunicación e nt re una máquina re a l y ot ra . 3.8.2.2. Fie Id buses.
Fieldbus e s un término genérico que de sc ribe una s nue va s comunicaciones digitales de re de s de c om put a dora s q u e se usará e n la industria re e m pla za ndo la señal estándar analógica 4 - 2 0 m A. La re d está ba sa da típicamente e n una comunicación digit a l, bidirecc iona l, bus se rie , que se ut iliza pa ra int e rc one c t a r disposit ivos de campo de instrumentación y de c ont rol, t a le s c om o c ont rola dore s, t ra nsduc t ore s, acc iona dore s. Ca da disposit ivo de l c a m po t ie ne un pode r de computación de bajo c ost e inst a la do e n él. Ca da disposit ivo podrá proc e sa r una s func ione s sim ple s, e nt re las que se inc luye n: func ione s de diagnóstico, de c ont rol, y func ione s de mantenim ie nt o c on c a pa c ida d de comunicación bidire c c iona l. Con e st os disposit ivos, no sólo e l inge nie ro pue de a c c e de r a los disposit ivos de c a m po, sino que éstos también serán c a pa c e s de comunicarse c on ot ros disposit ivos de c a m po. 120
UPV-CFP
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J.
En e se nc ia , fie ldbus reemola7p «i ¿ dist ribuido. Por e st a simple sustitución de, estándar
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PC
n a re d de
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costos y aumenta
lío de que la información qiS^'^ÍSS ? t ^ ^ d C ^
campo pue de se r re a iza da de form a digital. Esta transmisió^digS es mas e x a c t a que la transmisión analógica estándar 4-20mA* Cada dispositivo de c a m po pue de se r un e le m e nt o inteligente y puede llevar a cabo su propio c ont rol, m a nt e nim ie nt o y func ione s de diagnóstico. d e
m u c h 0
Como re sult a do de que se pue de inform a r si existe un fa llo del dispositivo, de que re quie re calibración m a nua l, e t c ., a um e nt a la eficacia de l sistema y se ve n re duc ida s las t a re a s de m a nt e nim ie nt o necesarias. Cada disposit ivo de l c a m po será más fle x ible c ua nt o más poder de computación t e nga . U n solo disposit ivo de l fie lbus se puede usar para re emplazar va rios disposit ivos que ut ilic e n comunicación analógica estándar, 4- 20mA. Otro a horro e n los c ost e s a l ut iliza r fie ldbus e s de bido a la instalación eléctrica e instalación ge ne ra l; la señal estándar de 4 - 2 0 m A requiere que cada disposit ivo t e nga fijo su propio c a ble a do y sus propia s c one x ione s. Fie ldbus e lim ina e st a ne c e sida d: c on fre c ue nc ia únicamente se re quie ren un sim ple pa r de c a ble s pa ra la instalación eléctrica. En e st a categoría se a grupa n a que llos buse s que pe rm it e n la t ra nsmisión de pa que t e s c on tamaños de e nt re una s doc e na s de bits, hasta 256 bytes. En e st a c a pa jerárquica, e l t ie m po de re spue st a ge ne ra lm e nt e va desde unos m ilise gundos, ha st a unos c e nt e na re s de m ilise gundos. Los buses de c a m po t ie ne n la t a re a de c one c t a r unida de s int e lige nt e s que c ooperan e n e l proc e so d e l t ra ba jo, y ha c e n posible re spue st a s e n tiempo más crítico que e n c a pa s más a lt a s de l m ode lo de la producción integrada. Debido a que los nodos t ra ba ja n a l m ism o t ie m po, e n la mayoría de casos un nodo c oordina y dist ribuye la s t a re a s. A m e nudo e n los fie ldbus se e stablece una jerarquía d e m a e st ro-e sc la vo: e l m a e st ro c ont rola las operaciones y comunicación por re gist ro cíclico de los e sc la vos que pueden comunicar sólo c ua ndo e l m a e st ro lo a ut oriza , e lim ina ndo de esta rorm cualquier confusión e n la re d, pue st o que e l prot oc olo solo a t W j q Es Ur a un único nodo t ra nsm it a información e n t odo m om e nt o. 0 d etie A t a n t e , también pue de lle ga r a t e ne r inc onve nie nt e s: s. el su func iona m ie nt o, t odo de ja de t ra ba ja r. Por e llo, e n los desarrollos
]f^J
.
d e
121 UPV-CFP
Robot lea y Automática
buses de campo más recientes, tal como al Profibus FMS y al nuevo Bitbus (IEEE-1118), se les ha dotado de la capacidad de cambiar el papel de maestro a otro nodo, si así se desea o si el maestro está inactivo.
TSX Pramiua*
TSX Premtum
Figura 3.30. Bus FIPWAY
(cortesía Groupe
Schneider)
Es posible también cubrir una porción de la c a pa inm e dia t a m e nt e superior con un bus de c a m po, a unque de una m a ne ra lim it a da . Esto requiere, de cualquier modo, de una estimación e x a c t a de la c a nt ida d global de datos que deben viajar en la re d, pa ra e vit a r c a rga rla e x c e siva m e nt e . Además, la mayoría de los buse s de c a m po pe rm it e n e l a c c e so a recursos de las capas más ba ja s, t a l c om o e nt ra da s/sa lida s PLC. En este caso también es im port a nt e a se gura r la sufic ie nc ia de la c a pa c ida d de comunicación del sist e m a : la c a rga de la re d de be se r t a n re duc ida como sea posible, para permitir una reacción rápida a los c a m bios de e st a do de la señal.
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Figura 3.31. Bus FIPWAY-FIPiO (cortesía Groupe Schneider)
122
UPV-CFP
Sensores y Transductores
j g, Buses
Sensor-Actuador
0
En este t ipo de buse s, se une n nodos c on lim it a da o ninguna int e lige ncia, mientras que ot ro nodo proc e sa los da t os e le m e nt a le s, t a le s c om o entrada y sa lida de los e st a dos de se nsore s y a c c iona dore s. U na a plic a ción clásica se re a liza c on PLCs c on descentralización de módulos l/O. E programador de PLC, e n t a l c a so, no t ie ne que estar inform a do de la c omunicación.
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41
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Figura 3.32. Bus ASI (cortesía Groupe Schneider)
Para e je c ut a r e st a t a re a , no e s ne c e sa ria una jerarquía de m a e st roesclavo (incluso e n a lgunos buse s ha de sa pa re c ido), pe ro el tamaño de datos enviado a la re d de be ser lim it a do a lo e st ric t a m e nt e ne c e sa rio; a unque posible m e nt e los t ie m pos de t ra nsfe re nc ia de da t os serán mayores, estos se pue de n c om pe nsa r de bido a que la s dist a nc ia s e n un Fieldbus son más c ort a s.
r
Las soluc ione s a dopt a da s pa ra c a da bus de esta c la se varía conside¬ ablemente, porque las características de c a da uno son ba st a nt e peculia¬ - Dependiendo de la aplicación, se adecúan unos mejor que otros.
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En ciertos c a sos es también posible usar estos buse s para propósitos capas más a lt a s. De cualquier modo, las e je c uc ione s están destinadas empeorar.
UPV-CFP
123
Robó tica y Automática
3.10. Buses
especializados •
Se puede subdividir esta categoría más allá en función de los c a m p de aplicación de los distintos buses. Los buse s e spe c ia liza dos no deben c onfundirse con buses de propietario (m a rc a s). 0s
Las aplicaciones para cada bus varían de sde : •
Control de movimiento, en particular control de posición de motores. • Iluminación de edificios, donde se reduce el flujo de la información a unos pocos bits, pero el coste por nodo es un factor crítico. • Automatización de vehículos, el campo de origen de CAN. •
Medida y técnicas de comprobación.
•
Armamento y fuerzas aéreas, que tienen requisitos de fiabilidad más severos.
Ciertos prove e dore s de c la ra n que "su" bus e s e l m e jor pa ra todas las aplicaciones y t odos los nive le s de la c a pa jerárquica. De m odo que, a causa de la gra n va rie da d de re quisit os, t a le s de c la ra c ione s son cuestionables. En c a m bio, e n lugar de de finir un nue vo bus pa ra un c a m po en particular, se m odific a un bus e x ist e nt e pa ra ot ro c a m po y se ut iliza para este particular, c orrie ndo el rie sgo de e je c uc ione s na da sa t isfa c t oria s.
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Figura 3.33. La solución integrada de Omron
124
U PV -CFP
Sensores 3.10.1.
y
Transductores
Transductores Inteligentes
La característica princ ipa l comúnmente a c e pt a da de lo que se e nt ie nde como un disposit ivo de c a m po int e lige nt e , t ra nsduc t ore s y/o a c t ua dore s están ba sa da s e n la incorporación a éstos, de m ic roproc e sa dore s / m ic rocontroladores, c on c a pa c ida d de proc e sa m ie nt o y comunicación de datos Ello debe ha c e r posible ot ra s func ione s características específicas, t a le s como: Calibración automática y establecimiento del rango de funcionamiento, con almacenamiento en la memoria local del dispositivo de campo. Autoconfiguración y verificación diante auto-chequeos internos.
de buen funcionamiento
me-
Corrección automática de offsets, derivas por temperatura o envejecimiento, y no-linealidades de su función de transferencia. Inclusión de algoritmos de auto-ajuste(self-tunning),y de técnicas basadas en lógica difusaffuzzy logic). Posibilidad de descarga (down-loading) al dispositivo de campo desde computador central o local, de programas de reconfiguración dinámica de funciones de control. Procesamiento digital de señales. Posibilidades de conexión a buses de campo. Posibilidades de monitorización para el diagnóstico de fallos. Soñware para el análisis de datos. Circuitos de comunicación para interfaz remota, mediante técnicas de comunicación ópticas, radio, inductiva. Posibilidad de realización de test, off-line/on-line. Bus seríe
Interfaz de comunicación
microprocesador y memoria
Interfaz analógico
DSP
salida digital ADC salida frecuencia
Monitorización para diagnóstico de fallos (sensores adicionales) autorango y corrección de desplazamiento
Sensor/Actúa do r
Transductor
Disposith/o de campo Inteligente
F
'9ura 3.34. Principales características de un dispositivo de campo inteligente
125
Robótica y Automática Bus serie
Interfaz de c omunicación Fuente de alimentación
Microcomputador
l/O
*
i Amplificador de pot e nc ia DAC
—
/
/
/
i Interfaz actuador
Acondicionamiento de señal
T y
/
/
Interfaz se nsor
Monitorización para diagnóstico de fallos
Ái
del sensor
Figura 3.35. Diagrama de bloques de los componentes de un transductor/actuador inteligente
Re sum e n: Los se nsore s y t ra nsduc t ore s s o n los disposit ivos ut iliza dos para la observación y medición de las dist int a s va ria ble s físicas que c onc urre n en los procesos indust ria le s a ut om a t iza dos. Los parámetros característicos de los t ra nsduc t ore s, pe rm it e n establecer criterios c om pa ra t ivos sobre la s pre st a c ione s de éstos. La princ ipa l a c t ivida d que e l diseñador pue de e st a ble c e r de carácter off-line sobre un t ra nsduc t or e s su calibración, c on obje t o d e pode r establecer c on t oda precisión la relación e nt re e l va lor d e e nt ra da m e dido y su va lor de salida c orre spondie nt e . El método de transmisión más ut iliza do ha sido e l buc le de corriente de 4 -2 0 m A. Los t ra nsduc t ore s int e lige nt e s pe rm it e n la realización on-line de opera c ione s de calibración, reasignación de func ione s y de diagnóstico. 126
UPV-CFP
Sensores y Transductores
Referencias bibliográficas • Catálogo Ge ne ra l OM RON , 1998. • Daura, F., Quílez, A., Arrim a da s, J.A. Adquisición de datos: del sensor al ordenador. Edit ic ione s Técnicas Re de S.A., 1988. . Ga ya k w a d, R., Sok oloff L. Analog and digital control systems. Pre nt ic e -H a ll I nt e rna t iona l Edit ions, 1988. N ort on, H., Sensores y analizadores. Edit oria l Gust a vo Gilí S.A., 1984.
' J a c ob, J . M . Industrial Control Electronics. Editions, 1989. Jordán, J .R. Serial Sons, 1995
Networked
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127
CAPÍ T U LO
4
CODIFICADORES DIGITALES CAPTADORES BINARIOS
4.1. Codificadores 4.2. Captadores
numéricos
Binarios..............................................
4.3. Preaccionadores 4.4. Tecnología
(encoders)....................
131 139
eléctricos..................................
148
neumática......................................*.»>
152
Codificadores
Digitales y Captadores
Binarios
Objetivos: #
Describir los principios de funcionamiento y utilización de los dificadores numéricos.
#
Clasificar y describir distintos tipos de captadores binarios.
#
Describir distintos tipos de preaccionadores.
4 , /. Codificadores
numéricos
(encoders)
Son disposit ivos electromecánicos c a pa c e s de t ra nsform a r un de spla zamiento a ngula r o line a l, bie n e n un t re n de im pulsos o e n una salida discreta c odific a da e n bina rio na t ura l, BCD, Gra y, e t c . Básicamente e l dispositivo c onst a de una pa rt e mecánica form a da por un disc o o c re m a lle ra perforados que va n a dosa dos a e je s u órganos móviles de máquinas. La parte electrónica está form a da por disposit ivos fot oe m isore s y fot ore c e pt ores entre los que se int e rpone n los disc os o c re m a lle ra s c odific a dora s. Las a plic a c ione s prácticas de los c odific a dore s numéricos son muy variadas, de sde la codificación de e je s pa ra e l c ont rol numérico de máquinas he rra m ie nt a s, im pre sora s, plot t e rs, disc os duros, se rvom e c a nism os, antenas de ra da r, e t c . En función de l t ipo de codificación se c la sific a n e n: • Codific a dore s increméntales • Codific a dore s a bsolut os.
4.1.1. Codificadores increméntales Produc e n un pulso a l pa so de c a da uno de los se c t ore s, debidamente espaciados de l disc o. Los pulsos se a plic a n a un c ont a dor con funciones de inc re m e nt o y de c re m e nt o. Los c odific a dore s increméntales e n miento se c la sific a n e n:
función de l t ipo de desplaza-
• Codific a dore s line a le s. • Codific a dore s a ngula re s UPV-CFP
131
Robótica y Automática
Según el tipo de detección se clasifican en: • Opticos • Contactos
Angular
Figura 4.1. Codificador angular y linear
Existen distintos tipos de c odific a dore s numéricos increméntales angulares: los de contacto, los magnéticos y los ópticos, a unque los últimos son los de mayor utilización e n la a c t ua lida d. Los codificadores numéricos d e tipo contacto están ba sa dos en la deposición de tiras de material c onduc t or e n la intersección de sectores y pistas. En la estructura de la Fig. 4 .2 ., las t ira s de m a t e ria l conductor se han depositado sobre la superficie de l disc o e n las pist a s A y B y con un índice cero e n la pista más e x t e rna . Las t ira s están c one c t a da s eléctricamente con la parte metálica posterior de l disc o la c ua l, e st a referenciada a masa. Como se observa, e x ist e n unos e le m e nt os de c ont a c t o que mantienen una pequeña presión sobre la supe rfic ie de l disc o, de bido a que poseen un muelle e n su interior. De e st a m a ne ra , e l disposit ivo de contacto se desplaza por toda la pista c onform e e l disc o gira solida rio c on un eje. Cuando el contacto se mantiene sobre una tira, se produc e un cortocircuito conectando a masa. Una de las formas de la salida de los c odific a dore s increméntales puede observarse e n la Fig. 4.4. Los t re ne s de onda ge ne ra dos por las pistas A y B están desfasadas 90°, y por otra parte el índice de c e ro genera un pulso e n cada revolución del disco, lo cual pue de ut iliza rse c on propósitos de sincronización del func iona m ie nt o. Si el disco posee n tiras, e n una de t e rm ina da pista, una revolución del disco producirá n pulsos, cuyo ciclo de t ra ba jo de = tJT. Si la velocidad 132
• UPV-CFP
angular de l disc o e n rpm e s w, la fre c ue nc ia de los pulsos de A y B puede deducirse de la siguie nt e expresión: y
f
=
—
-
_L _
¿
M
c
T~T
60 ~
resolución que representa la máxima rotación de l e je a nt e s de l próximo pulso de pe nde de n y puede m oniont n" * expresarse m e dia nt e : _ . ~ ^ < * r \ r o a
=^ 3
R
n
Por t a nt o, pa ra una resolución de 1 se ne c e sit a n 3 6 0 tiras por pist a . De esta form a d e u n a m a ne ra se nc illa , pa ra c a lc ula r e l de spla za m ie nt o angular de l e je únicamente se ne c e sit a c ont a r los pulsos produc idos. Obviamente la precisión de t a l m e dida de pe nde de la resolución a dopt a da . 2
Figura 4.2. Codificador numérico de tipo contacto
No obst a nt e , la t e nde nc ia a c t ua l e s de se c ha r la utilización de los c odificadores de t ipo mecánico, pue st o que pre se nt a n c on e l uso un desgaste de las pist a s de bido a l c onst a nt e roza m ie nt o de los c ont a c t os. M a nt e nie ndo e l princ ipio de func iona m ie nt o vist o anteriormente en cuanto a la codificación se re fie re , e n los disc os de los c o d i f i c a d o r e s ópticos las t ira s se sust it uye n por pe rfora c ione s e n e l disc o y los trenes de °ndas vie ne n ge ne ra dos por la excitación de re c e pt ore s fotoelectrónicos ( ot ot ra nsist ore s) por m e dio de le ds. Por construcción, e l disco incluye n Perforaciones re pa rt ida s e n int e rva los a ngula re s re gula re s por el borde del s c o . Conform e e l disc o gira , la luz de l fot oe m isor se ve interrumpida intermitentemente según va ya e nc ont ra ndo pe rfora c ione s o material solido. f
d¡
U PV -CFP
133
Robótica y Automática
El fot ore c e pt or ge ne ra un t re n de im pulsos cuya ciclo de trabajo depende de l tamaño y e spa c ia do de las pe rfora c ione s; y cuya frecuencia depende de la ve loc ida d de l m ot or w . Puesto que el disc o t ie ne n perforaciones, e l fot ore c e pt or ge ne ra n pulsos por cada revolución de l disco. Si | ve loc ida d del motor e s w rpm o w /6 0 rps, la fre c ue nc ia de los pulsos se expresará c om o: a
f =
™Hz 60
Igualmente, se pue de ut iliza r e l c odific a dor inc re m e nt a l para detectar la posición a ngula r de l eje de l motor. Si e l disc o a dosa do a l m ot or posee n perforaciones, e l intervalo a ngula r e nt re dos pe rfora c ione s será 3 6 0 /n grados, e n caso de dispone r 120 pe rfora c ione s, éstas estarán e spa c ia da s en intervalos de 3 . Conform e e l disc o se m ue ve , c a da perforación generará un pulso, de form a que se pue de e st a ble c e r una relación e nt re e l número de pulsos ge ne ra dos y e l de spla za m ie nt o a ngula r produc ido. De t a l forma que, si se obse rva n k pulsos produc idos, e l de spla za m ie nt o a ngula r del eje del motor pue de c a lc ula rse m e dia nt e la expresión: o
360A: v
m
=
n
Com o se m ue st ra e n la Fig. 4 .4 ., los pulsos ge ne ra dos por e l fotoreceptor del tándem B se a plic a n a un c ont a dor a sc e nde nt e /de sc e nde nt e binario de 8 bits; y la pa la bra e quiva le nt e al de spla za m ie nt o a ngula r producido se a plic a , a su vez, a un c onve rt idor analógico digit a l (CAD), produciéndose la tensión analógica proporc iona l. En a lguna s a plic a c ione s el eje del motor c a m bia re pe t ida s ve c e s de se nt ido de giro a nt e s de alcanzar su régimen e st a c iona rio. Esto se producirá e n los sist e m a s de carácter subamortiguado, donde se produc e n c ie rt a s sobre osc ila c ione s a nt e s de alcanzar la posición fina l. En e st e c a so, e l c ont a dor no discriminaría e l sentido de giro del motor, re c ibie ndo sim ple m e nt e pulsos a dic iona le s que conducirían a una lectura errónea de l de spla za m ie nt o a ngula r produc ido. Para evitar este inc onve nie nt e se ut iliza n dos c onjunt os fotoemisore s/re c e pt ore s, cuya disposición se obse rva e n la Fig. 4 .4 . La salida del fot ore c e pt or A se utiliza c om o e nt ra da de reloj c om ple m e nt a da de un bie st a ble t ipo D dispa ra do por fla nc o; y la sa lida de l fot ore c e pt or B se utiliza c om o e nt ra da del c ont a dor y también de l bie st a ble D. Los dos fotoemisore s, están a just a dos de form a que la sa lida de A está a de la nt a da a la de B e n a prox im a da m e nt e 90° , a plic a da s e n la e nt ra da de reloj de giro del disc o, y a la e nt ra da de reloj de l c ont a dor re spe c t iva m e nt e . 134
U PV -CFP
CodificadoresDigitales
Pe í' i
n
a
N
a
O
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T
a
O
R
déte,
d
«"conveniente que pose e n los c odific a dore s increméntales 'a información c om o resultado de un fallo de la alimentación eléctrica. Pue st o que lo que se suele realizar es conectar el generador de onda s a un c ont a dor bina rio, la pérdida de alimentación lleva aparejada la pe rdida de da t os e n el m ism o. Este proble m a no se presenta en los c odific a dore s a bsolut os. E l
POSP
P
e s e l d e l m
á 360/n Pa c ia da * ión genera
r s
Binarios
Cada vez que el bie st a ble es disparado, la transición 1 cuadrada de * l a e nt ra da del biesíabü ^ M o t e n S su s i I i d a l í para el g
CW de l eje del motor y un "0" para el giro CCW. Por lo tanto a salida del b.estable t.po D, se utiliza c om o un control para la entrada H p p / o w n de. c ont a dor, invinie ndo la dirección de la c u e n c a disco c a m bia de se nt ido de giro. Esta configuración se puede utilizar para sistemas de c ont rol de posición que necesiten la detección de ésta m e diante una pa la bra digit a l. U
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y Captadores
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Figura 4.3. Codificador
Convertidor Frecuencia-Tensión
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Disco
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Cont rol Preset
jue o.
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U/D Cont a dor binario de 8 bits de sc e nde nt e 7 4 LS1 9 1
Q
U |d 0
Circ uit o
alid3 a s i
ta da
or foto dos 9 la a ta da giro
de
8
V < 6
Figura 4.4. Codificador
UPV-CFP
DAC 0801
incremental
con detección de sentido de giro
135
Robótica y Automática
4.1.2. Codific a dore s a bsolut os Convierten una posición angular en un número c odific a do digitalmente, normalmente en Binario, BCD o Gray. Pose e n la ve nt a ja de que e n caso de fallo en la fuente de alimentación, re t ie ne n la información sobre su posición, ya que tras la reanudación del sum inist ro la le c t ura que se producirá en el disco permanecerá inalterada. Como se muestra en la Fig. 4 .5 ., e l disc o c odific a dor de 8 bits está dividido en ocho pistas y 2 = 256 se c t ore s. U n e nc ode r de n bits que utilizará el código binario necesitaría n pist a s y 2 se c t ore s. La s zona s oscurecidas sobre la superficie del disc o representarán un ' 1 ' bina rio y las zonas claras un '0'. El bit m e nos signific a t ivo, de pe so 2 se a signa a la pista más externa, mientras que el bit más signific a t ivo se a signa a la pista más interna. Consecuentemente, e l código de 8 bits a soc ia do c on un sector representa todas las posic ione s a ngula re s de l e je e n se c t ore s de 1.4°. Otros códigos que se sue le n utilizar c on e st e obje t ivo son, BCD, e l código 8421, el 2421 ponderado, e l código e x c e so 3, e l código Gra y y algunos otros. 8
n
o
Si se utiliza e l código BCD, e l número de décadas de t e rm ina la estructura de codificación de se c t or/pist a . Por e je m plo, si e l código BCD utiliza los pesos 8421 y se ne c e sit a n dos décadas, se necesitarán 8 pist a s, las cuatro más externas para re pre se nt a r los de c im a le s de 0 a 9 y las cuatro pistas más internas para re pre se nt a r los 1 0 , números de c im a le s. Con dos décadas los números de c im a le s de 0 a 9 9 se re pre se nt a n m e dia nt e 100 sectores, y cada sector mostrará un código BCD de 8 bits. La resolución en este caso será de 3 , obt e nida de dividir una revolución c om ple t a (360°) por 100. En este caso la resolución vie ne da da p o r 1
o
R
360° 10
m
^
U
Figura 4.5. Codificador absoluto de 8 bits 136 UPV-CFP
Gra dos 1 .4 -2 .8 1 2 .8 1 -4 .2 1 ¿6>
4 .2 1 -5 .6 2
3 5 5 .7 8 -2 5 7 .1 8 2 5 7 .1 8 -3 5 8 .5 9 3 5 8 .5 9 -3 6 0 f a b /a 4.3* /. Grados representados
de forma binaria con 8 bits o i9 0
tes deteriBi
5i e hesitarán S ptss de O a 9yiasd ; decimales. t| sentan bits. La i f t ción o
En el c a so de un disc o c odific a do e n bina rio na t ura l e s: R
360°
2" donde 2 re pre se nt a e l número de se c t ore s de l disc o. En su func iona miento la onda ge ne ra da por e l bit m e nos signific a t ivo tendrá la a pa rie nc ia de la onda A ó B de l c a so a nt e rior d e la Fig. 4 .4 ., c on un c ic lo de t ra ba jo (de) del 5 0 % , signific a ndo que la a nc hura de pulso t e s igua l a la m it a d de l .._ 1/(2 _ /Lse), donde f e s la fre c ue nc ia de pulsos periodo; e s de c ir, t 772 t e t a pista de pe so m e nos signific a t iva . Por t a nt o: n
w
w
LSB
x
J\segundos)
2"(sectores)
¿-{sectores)
rev
\(minutó) 60(segundos)
T2"
1
n
2
120 120fLSB k
minl rev
W
/
relaciona la ve loc ida d w e n rpm , e l número de se c t ore s 2 , y la fre c ue nc ia la pista de pe so m e nos signific a t ivo f . Esta ecuación se pue de expre¬ forma c om pa c t a c om o n
d e
LSB
S a r d e
2 w= n
U P
V -CFP
M0f
LSB
137
Robot¡ca y Automática
Si e l disc o ha sido c odific a do ut iliza ndo un código BCD y m décadas en la ecuación a nt e rior 2 se sustituirá por 1 0 . U na expresión de carácter ge ne ra l que incluye los códigos bina rio y BCD se e x pre sa : n
m
Xw = 120 f
LSB
donde X = 2 para un código bina rio y X = 10 pa ra un código BCD de m décadas. n
4.1.2.1. Características de los
encoders
• Alimentación. • Consum o. • Resolución. • T ipo de sa lida . • Frecuencia de re spue st a máxima. • Ca rga del eje. • Par de a rra nque . • Momento de ine rc ia . • V e loc ida d de rotación. • T e m pe ra t ura a m bie nt e de operación. • Gra do de protección. • Resistencia de a isla m ie nt o. • Rigidez dieléctrica. • V ibra c ione s.
Figura 4.6. Encoder (cortesía Omron Electronics) 138
UPV-CFP
CodificadoresDiaitales y Captadores Binarios
¿2. Captadores
Binarios
El captador bina rio e s un disposit ivo cuyo objeto e s advertir mediante cambio de e st a do de su sa lida , que a su entrada se ha alcanzado un determinado va lor um bra l de la m a gnit ud física aplicada a la misma u n
o BCD ti
La expresión de su sa lida e s y =
/(«)
Donde y
1
si
u>k
y
'0 '
SI
u
siendo k el va lor um bra l a de t e c t a r
Los captadores binarios pue de n clasificarse: •
Según su tecnología: • Ca pt a dore s eléctricos. • Ca pt a dore s electrónicos • Ca pt a dore s neumáticos.
•
Según la va ria ble física a detectar, adoptan denominaciones específicas: Final de c a rre ra (posición) Fotocélula (posición) T e rm ost a t o (t e m pe ra t ura ) Presostato (presión)
•
Según características funcionales: • Captadores sin contacto. • Detector de proximidad inductivo. • Detector de proximidad capacitivo • Detector fotoeléctrico.
UPV-CFP
139
Detector magnético. Detector de caída de presión. Captadores de control mecánico: Interruptor de posición. Captadores de control hum a no: Pulsador. Interruptor. En términos de fia bilida d los de t e c t ore s sin c ont a c t o, a l no estar sometidos a esfuerzos de tipo mecánico, a c e le ra c ione s, c hoque s, accionamientos etc suelen disponer de m e jore s pre st a c ione s que los de c ont a c t o; y que, por motivos obvios, la vida ope ra t iva de e st os últimos sue le ser más a
corta.
4.2.1. Detectores de prox im ida d i n d u c t i v o s El detector de prox im ida d induc t ivo e s un e le m e nt o de conmutación electrónica sin contacto y sin unión mecánica c on e l órgano que lo acciona. Consta fundamentalmente de un osc ila dor de a lt a fre c ue nc ia que genera un campo en la parte se nsible donde va a loja da una fe rrit a magnética abierta. Ésta se construye de form a que se ge ne re n fuga s magnéticas considerables. La presencia de una pieza metálica e n la zona de. detección, provoca la disminución de la a m plit ud de la oscilación. A pa rt ir de un determinado umbral dicha disminución se t ra duc e e n e l c a m bio de e st a do de la salida del detector. Cuando la pieza metálica a ba ndona la zona de detección, el campo magnético provoc a do por el osc ila dor origina lm e nt e se restituye. La frecuencia de trabajo e s un fa c t or de t e rm ina nt e a la hora de establecer las distancias de detección. Algunos de t e c t ore s induc t ivos disponen ae la posibilidad de regulación potenciométrica de la dist a nc ia de detecC-»lvJI 1 .
a
•
Figura 4.7. Detector de proximidad inductivo 140 UPV-CFP
Codificadores Digitales y Captadores Binarios
2
2. De t e c t ore s de prox im ida d c a pa c it ivos
4
Este tipo de de t e c t ore s de prox im ida d, aunque también detectan m a t e riales c onduc t ore s, están e spe c ia lm e nt e indicados para la detección de Rateriales a isla nt e s, t a le s c om o pa pe l, plástico, madera, etc., Esto se de be a que la c a be za de t e c t ora es c a pa c it iva , form a da por unos electrodos. Cua ndo un m a t e ria l aislante o conductor, que posee un nivel de pe rm it ivida d supe rior a la unida d se sitúa en el c a m po eléctrico, modifica el va lor de la c a pa c ida d a soc ia da y se provoca el cambio de e st a do de la salida a de c ua da a la detección de materiales aislantes o conductores.
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snmutaciór !o acciona.
3ue genera magnética magnéticas
a) Objeto a detectar aislante o metálic b) Ca m po eléctrico, e l Ca be za detectora. d) Electrodos sensibles, e) Soporte de detección.
Figura 4.8. Detector de proximidad capacitivo
>n, provoca eterm'madc j e la sa i etección. i stituye3
He e# dispon de a n
% Figura 4.9. Detectores inductivos (cortesía Omron Electronics) 141 U p
(í...
V -C F P
Robóttca y Automática 4.2.2.1.
Características de los detectores de proximidad
• Alimentación. • Consumo. • Tipo de objeto a detectar. • Distancia de detección. • Tipo de salida. • Variación debida a la fluctuación térmica. • Variación debida a la fluctuación de la alimentación. • Corriente de fuga . • Tensión residual. • Resistencia de a isla m ie nt o. • Rigidez dieléctrica. • Resistencia a las vibra c ione s. • Resistencia a los golpe s. • Grado de protección. • Temperatura a m bie nt e . • Humedad relativa.
4.2.3. De t e c t ore s fotoeléctricos Su utilización principal e s c om o de t e c t ore s de posición. El principio de funcionamiento está ba sa do e n la generación de un ha z lum inoso por parte de un fotoemisor, que se proye c t a bie n sobre un fot ore c e pt or, o bie n sobre un dispositivo reflectante. La interrupción o reflexión de l ha z por parte del objeto a detectar, provoca el c a m bio de e st a do de la sa lida de la fotocélula. Se clasifican según su sist e m a de detección: • Sistema de detección de "ba rre ra ". • Sistema de detección "réflex". • Sistema de detección "autoréflex".
Figura 4.10. Detectores fotoeléctricos (cortesía Omron Electronics) 142
UPV-CFP
4 2 3-1- Detector fotoeléctrico de barrera
Dispone de e m isor y re c e pt or de ha z luminoso dispue st os se pa ra da mente. Emisor Produc e una radiación visible ó invisible que se concentra m e dia nt e le nt illa . Receptor. Const it uido por m a t e ria l se m ic onduc t or fot ot ra nsist or.
norm a lm e nt e un
Disponen de la s m e jore s pre st a c ione s e n c ua nt o a dist a nc ia de de t e c ción, sin e m ba rgo sue le n se r más c a ros y volum inosos
El principio é loso por partí , o bien sobre por parte ¡ la fotocélula
o o Figura 4.11. Detector fotoeléctrico de barrera
4 -2 . 3 . 2 .
Detector fotoeléctrico
tipo réflex
Conc e nt ra e n un solo bloque e l e m isor y re c e pt or, sie ndo mas fa a l su la la c ión, a unque re quie re un disposit ivo re fle c t or. Pa ra e st e cometido _se juele e m ple a r un sist e m a catadióptrico, que t ie ne la propie da d del triedro r e c t a n g u l a r , e l c ua l re fle ja la luz e n la m ism a dirección e n que llega.
ra
Dispone de una m e nor dist a nc ia de detección que e l sist e m a de barre¬ - teniendo e n c ue nt a que e l t ra ye c t o que re c orre e l haz es doble .
nic íc$)
r0
J
UPV-CFP
143
•
Robóttca y Automática
AHÍ
Tip< aimentacion
T¡e'
Mal Gra
ampfffcodor Figura 4.12. Detector fotoeléctrico tipo reflex
J2.4. Detecte 4.2.3.3. Detectores fotoeléctricos tipo autoréflex En e st e sist e m a e s e l propio obje t o a de t e c t a r e l q u e f u n c io n a como e le m e nt o re fle c t or, lo c ua l sim plific a n o t a b le m e n t e s u instalación. Por e c ont ra rio su inc onve nie nt e e s que d i s p o n e de la m e n o r dist a nc ia de de t e c ción, c om pa ra da c on los dos t ipos a nt e riore s.
También : je vidrie áonamiento v Los contactos 2do por un j ejemplo de la ación de un da c ione s c
R
emisor E
cimentación amplificador Figura 4.13. Detector fotoeléctrico tipo autoréflex
Pi
4 .2 .3 .3 .1 . Características de las células fotoeléctricas • Alimentación. • 144
Consum o. UPV-CFP
Dist a nc ia de detección. T ipo de m a t e ria l a de t e c t a r. Ángulo dire c c iona l. M odo de func iona m ie nt o. T ipo de sa lida . T ie m po de re spue st a . M a t e ria l de e nc a psula do. Gra do de protección.
4.2.4. Detectores de proximidad magnéticos También se le s de nom ina c om o relés t ipo "reed". Const a n de una a m polla de vidrio e n c uyo int e rior se a loja un sist e m a de c ont a c t os cuyo a c cionamiento vendrá oc a siona do por la aparición de un c a m po magnético. Los c ont a c t os se cerrarán ba jo la influe nc ia de un c a m po magnético provocado por un disposit ivo im a nt a do a loja do e n e l obje t o a de t e c t a r. En el ejemplo de la Fig. 4 .1 4 ., e l c a m po magnético se ge ne ra m e dia nt e la c olocación de un imán e n e l c a be za l de l c ilindro. Éste, a l a t ra ve sa r por las inmediaciones de l relé, provocará el c ie rre de los c ont a c t os.
pistón
Figura 4.14. Detector de proximidad magnético
UP . V
CFP
145
Captadores electrónicos de efecto magnético
imán permanente para la detección de posición
Tomillo de regulación de amortiguación
vcjL-V V i i
* *
' *
%
•
I
ulata 1 rasera I cilindro
Perfil de aluminio
Culata delantera del cilindro
Figura 4.15. Esquema de funcionamiento de un cilindro (cortesía Groupe Schneider)
4.2.5. Detectores de posición electromecánicos Suelen denominarse fina le s de c a rre ra . Se ut iliza n pa ra e l control de posición de órganos móviles de las máquinas. Están constituidos por: La palanca: Actúa sobre el grupo de c ont a c t o/s, y pue de se r de t ipo de rodillo, de acodada, rodillo alargable, va rilla a la rga ble , va rilla elástica, e t c . . La cabeza: Aloja el soporte mecánico de la pa la nc a El cuerpo: Aloja a los contactos del interruptor 146
U PV -CFP
Codificadores
Digitales y Captadores Bínanos
4 2.5-1- Características de los finales de carrera
Características mecánicas. T ipo de a c t ua dor. Rolda na . Émbolo. Ac t ua dor fle x ible . V a rilla a just a ble . V e loc ida d de operación. Fre c ue nc ia de operación. Re sist e nc ia a vibra c ione s. Re sist e nc ia a golpe s. Características eléctricas: Tensión nom ina l. Corrie nt e nom ina l. Pot e nc ia . Re sist e nc ia de a isla m ie nt o. Re sist e nc ia de c ont a c t o. Rigide z dieléctrica.
Figura 4.16. Final de carrera (cortesía Groupe Schneider) UPV-CFP
147
Rebotica y Automática
Ot ro tipo de de t e c t ore s son los de a c c iona m ie nt o m a nua l para el diálogo hombre-máquina:
Figura 4.17. Pulsadores eléctricos y elementos de diálogo hombre-máquina (cortesía Groupe Schneider)
4.3. Preaccionadores
eléctricos
Los pre a c c iona dore s son disposit ivos c a pa c e s de sum inist ra r grandes potencias a los a c c iona dore s electromecánicos t a le s c om o máquinas, motores trifásicos, e t c . . Const it uye n e l int e rfa z e nt re la s señales de control provenientes de los disposit ivos de c ont rol c om o los Autómatas Programables, y el m ism o proc e so indust ria l. Lle va n a c a bo func ione s de conmutación de c ont a c t os por los que se sue le sum inist ra r va lore s elevados de intensidad de c orrie nt e de st ina dos a la alimentación de máquinas rotativas. Algunos de e st os pre a c c iona dore s, c om o e l c ont a c t or, están especialmente diseñados pa ra el c ont rol a dist a nc ia de e st e t ipo de alimentación. También están dot a dos, e n oc a sione s y c ua ndo la c a pa c ida d de ruptura de arco así lo requiere, de disposit ivos pa ra e st e m e ne st e r.
4 .3 .1 . El Relé Se trata de un disposit ivo de conmutación dot a do de una bobina y ^ grupo de c ont a c t os. Al aplicar una pequeña c orrie nt e eléctrica a la bobina , se produce un c a m po magnético que int e ra c c iona c on e l grupo de c ont a c t os provocando 148
UPV-CFP
• ^1
^gg^ggggígg_g^^s y Captadores Binarios su cierre o apertura, permitiendo en su c^n i oí , dispositivo conectado a los contactos^pnncJaL a
a
* C
'°
n d e
P
°
t e n C ¡ a
c ont a c t os
Figura 4.18. Relé
ees de s tales como
4
a de
)
F/gura 4.79. Relés (cortesía Omron Electronics)
cap la 4
-3.2. El Relé de enclavamlento Es un relé t ipo bie st a ble .
do
La bobina X 1 provoc a e l cierre de l c ont a c t o. Una ve z cerrado, cortando 'a c orrie nt e a X 1 e l c ont a c t o permanecerá cerrado debido a un pequeño campo magnético re m a ne nt e . U PV -CFP
149
Robótica y Automática
Si activamos X 2 creamos un campo magnético de signo contrario a remanente, con lo que este que da anulado y el contacto se abre. contacto
c irc uit o de e nc la va m ie nt o c irc uit o de d e s e n c l a v a m ie nt o
Figura 4.20. Relé de enclavamiento
Características de los Relés. • Características de la bobina: Tensión nom ina l. Corriente nom ina l. Resistencia de la bobina . Inductancia de la bobina . Tensión máxima de operación. Tensión máxima de reposición Tensión máxima pe rm isible . Consumo.
• Características de los c ont a c t os: • • • • • • 150
Número y tipo de polos. Carga nominal. Tensión de operación máxima Corriente de operación máxima Capacidad de conmutación máxima Duración mecánica de los contactos
Codificadores Ofr/hd..
y
Captadores Binarios
4.3.3. El Contactor
• „ Este dispositivo e s un interruptor controlarte h¡-, corrientes elevadas mediante una c o S e p ^ S T " a
t r o l a r
r~*+A
s^r\r\otit\
\irir\
r\r\*> i . ^ ^
_
^
^
,
Está constituido por uno o más contactos de carácter principa, y auxiliar.
c ont a c t os principales Figura 4.21. Contactor
I m I I # •
• w # r 1
+ r
si
fI
F/gi/ra 4.22. Contecfor fcortes/a CVnron Electronics) U
PV-CFP
151
Robótica y Automática
4.4. Tecnología
neumática
En algunos procesos industriales de t ra t a m ie nt o químico, de hidrocarburos, pinturas, disolve nt e s, pirotécnicos, e t c . , e s de sum a importancia la naturaleza tecnológica de los c om pone nt e s que va n a int e rve nir e n su implementación, da do que t a nt o la m a t e ria prim a que int e rvie ne , como el producto acabado son de na t ura le za infla m a ble . Esto c onst it uye sin duda un gran c ondic iona m ie nt o. Las alternativas posible s son: a) Implementación m e dia nt e m a t e ria le s eléctricos a nt ide fla gra nt e s. b) Implementación m e dia nt e tecnología neumática. Después de la tecnología eléctrica, la neumática e s de a m plia utilización en los a ut om a t ism os indust ria le s. Los a ut om a t ism os "todo neumático" pre se nt a n más ve nt a ja s respecto de los a ut om a t ism os "electroneumáticos" e n a m bie nt e s e x plosivos: •
En ge ne ra l pre se nt a n m a yor robust e z y se gurida d ha c ia e l operador, ya que la conmutación neumática a pe na s produc e desgaste de los e le m e nt os de bido a l a rc o eléctrico. Con la eliminación de e st e último se e vit a la posibilida d de ignición por dicho motivo.
•
En a m bie nt e s e x plosivos, los c a pt a dore s eléctricos antideflagra nt e s son volum inosos y e n ge ne ra l más c ost osos, mientras que los c a pt a dore s neumáticos estándar c onvie ne n e n los citados a m bie nt e s.
• Al revés que los c a pt a dore s eléctricos, los neumáticos funcionan sin proble m a s e n a m bie nt e húmedo. No obst a nt e , e l de se o de a prove c ha r las ve nt a ja s de los dispositivos lógicos progra m a ble s, e n c ua nt o a pot e nc ia lida d e n la implementación de a lgorit m os de c ont rol, c onduc e a la ne c e sa ria instalación de una "interfaz" e nt re a m ba s tecnologías. Ello c onduc e a la conclusión de la ne c e sida d de una zona se gura para la pa rt e de m a ndo (de c ont rol automático), y una "interfaz" electroneumáti-
152
UPV-CFP
9£dificadomsDig^
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Captadores Binarios
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4.4.1. Funciones lógicas neumáticas
m t ide fl a
9rant
5
Las pue rt a s y disposit ivos lógicos neumáticos son e l equivalente de la implementación tecnológica de a lguna s de la s func ione s booleanas de scritas e n e l capítulo c orre spondie nt e . Ex ist e n d e d o s t ipos dife re nt e s c onside ra ndo e l t ipo de instalación:
Je amp
Instalación libre . Instalación a soc ia da .
entajas respe: Dlosivos: a d hacia eU a s produce . C o n la
i inición por
ctricos stosos los : enen en an
s fun
nático
I
de
Un e nla c e e n "c a sc a da " ha c e c orre sponde r la salida de una célula con una e nt ra da d e la célula siguie nt e . U n e nla c e e n "común de entrada" t ra nsm it e una de la s e nt ra da s de una célula ha c ia una entrada de la célula siguie nt e . Los bloque s lógicos que se obt ie ne n se inst a la n sobre perfil tipo om e ga estándar, se c one c t a n por m e dio de c one x ione s instantáneas e incluyen el e sque m a int e rno e n e l front a l para facilitar su m a nt e nim ie nt o.
c
En la Fig. 4 .2 3 ., pue de n ve rse a lgunos de los t ipos existentes.
IOS
un
Las de instalación libre , pue de n e st a r re pa rt ida s a lo largo de l c a ble a do. La s d e instalación a soc ia ble pe rm it e n re a liza r bloques lógicos c om pactos. Además d e l sist e m a de asociación por c ha ve t a integrada, cada célula lógica inc luye un se le c t or de c irc uit o m e dia nt e e l cual, c on un simple giro, pe rm it e re a liza r e nla c e s e n "c a sc a da " o e n "común de entrada".
* 3
153
UPV-CFP
Robótica y Automática
SÍMBOLO LÓGICO
FUNCION LÓGICA
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ESQU EM A
CÉLULA L O G I C A NEUMÁTICA
ELÉCTRICO
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MEMORIA
sn mamona teta h ápa'icíón o* la señal b bu& g* a Oí
F/gt/ra 4.23. Puertas lógicas neumáticas
4.4.2. El módulo se c ue nc ia dor neumático El módulo se c ue nc ia dor neumático e s e l disposit ivo f u n d a m e n t a l para la implementación de a ut om a t ism os neumáticos de carácter se c ue nc ia l y 154
UPV-CFP
?2^doresD^
ao
c om port a m ie nt o cíclico. Básirampnto
y
Captadores Binarios
.
El a ut om a t ism o se c ue nc ia l se implementa interconectando vanos módulos se c ue nc .a dore s e n c a sc a da , además de los disposit.vos extremos de principio y fina l de dic ha conexión, que permiten la conexión del común de presión, de la pue st a a c e ro y de los bucles de enlace entre el último y primer módulo. De m a ne ra opc iona l pue de n incluirse módulos de tipo derivación en e l c a so de que e l a ut om a t ism o necesite la activación de ramas concurrentes o e x c luye nt e s. El se c ue nc ia dor neumático facilita e l diálogo de puesta a punto de la máquina y el diálogo de utilización m e dia nt e la inclusión de: Un pilot o de e t a pa que a dvie rt e la e t a pa que está activa. U na re fe re nc ia de e t a pa . M a ndos m a nua le s de activación y desactivación del módulo. Punt os de comprobación que pe rm it e n saber el estado de la en t ra da y la sa lida de c a da móduld.
Figura 4.24. Secuenciador neumático 155 UPV-CFP
Figura 4.25. Esquema
secuenciador
neumático
Ca pt a dore s neumáticos Los fina le s de c a rre ra neumáticos ut iliza n la s m ism a s cabezas de mando y los m ism os disposit ivos de a t a que que sus e quiva le nt e eléctricos, ofre c ie ndo la s m ism a s posibilida de s de e m ple o, pe ro c on la s correspondie nt e s ve nt a ja s e n a m bie nt e s húmedos.
Figura 4.26. Finales de carrera neumáticos
156
(cortesía Groupe
Schneider)
U PV -CFP
Codificadores
Digitales y Captadores
Binarios
Los c a pt a dore s de fuga , de tamaño re duc ido, son ide a le s pa ra de t e c tar pequeños de spla za m ie nt os o pequeños e sfue rzos N e c e sit a n e i c on t a c t o c on e l móvil. Ca da c a pt a dor de fuga va unido a su relé c orre snon die nt e que le a lim e nt a y a l q u e c onm ut a c on su im pulso. La fuqa e s nrá rt i c a m e nt e ina udible y e l c onsum o de a ire e s pequeño H >^ U -
captad*» ce
k l
captaoor W4I
tico
F/g¿vra 4.27. Captadores
de fuga
neumáticos
s m a s cabezas
ivalente eíéctiw :on las corres^: i
' i i
•
• *>
Figura 4.28. Tipos de captadores
Se
h/0
de fuga
•3 UPV-CFP
157
\0
Robótica y Automática
5
u r-n„«« H
nm yim ida d son a de c ua dos pa ra cuando Los ^ ^ ^ ^ j S T ^ e t í B r . obje t os de lic a dos, blan c onvie ne e vit a r e l , ~ ^ X * de spla za m ie nt o. La señal a m uy baja dos, o c on una g W l ve o c ' d a d d e P |¡f i c a d a por m e dio de u presión sum inist ra da por e l a e i e c i o i , u c u ü
n
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relé amplificador.
a a t o . * .
1
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mstanaa detector-r$tf?
F/gura 4.29. Detector fluídico de proximidad R » ' 8 4.31
Los captadores de umbral de presión sobre c ilindros ut iliza n la caída de la contrapresión para emitir una señal que indic a e l fina l de c a rre ra del cilindro. Son sencillos de instalar e inc luso pue de n ut iliza rse pa ra regular la velocidad de desplazamiento de los c ilindros.
0
A
La velocidad del cilindro se regula c ont rola ndo e l c a uda l de e sc a pe por medio del regulador de ve loc ida d. I gua lm e nt e , se ut iliza n pa ra de t e c t a r las 158
UPV-CFP
tipo di: P
Pa ra 'ca > . 3 bk na l or b ) S
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paradas a lo largo del recorrido de cilindros que actúan «nh , . ^ ' u a n sobre topes varia-
1
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10
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captado? do CÍO proí-íC^
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cilindró A
Figura 4.30. Captador de umbral de presión 0
hacia et níSífíGuirtof
Captaacr c;e umurgí i
•
4
0
?* 'Si;: Í4< RffitK*
F/gura 4.31. Curva de funcionamiento
a ida
z a n la c d e e c a rre ra la ira r e g ^ r
del captador de umbral de presión
Otro tipo disponible de c a pt a dore s neumáticos son los de accionamiento m a nua l pa ra el diálogo hombre-máquina. Estos pulsadores neuma°s utilizan la ga m a de c a be za le s de mando normalizadas y comunes Pulsadores eléctricos. lc
l 0 s
OÍ
159
válvula 3 & cíe corlo do circuito
válvula 3/2 m ostebtecimtonto circuito (KC)
g válvula* neumáticas de o aso 0 1,5
efe w o 0 3 m?n F/gura 4.32. Pulsadores
neumáticos
iécl Heos •u * O 5
(cortesía
Groupe
Schneider)
2 $ &pa$tei£im$ fijas <* o» vuoit&si centro
o
E
E, . l J J
1
^
j
*
.
Figura 4.33. Varios tipos de pulsadores
(cortesía Groupe
Schneider)
c
4.4.3. El d i s t r i b u i d o r neumático Los dist ribuidore s s o n los disposit ivos pre a c c iona dore s a soc ia dos a los c ilindros que de t e rm ina n la s vías de circulación de l a ire c om prim ido Su talla y su t ipo están e n función de l c ilindro a utilizar: Si e l c ilindro e s d e sim ple e fe c t o y únicamente t ie ne un orific io de a limentación, se ut iliza un dist ribuidor q u e sólo t e nga un orific io de salida; distribuidor 3 /2 de t re s orific ios (presión, sa lida , e sc a pe ) y dos posic ione s. ' Si el c ilindro e s d e doble e fe c t o y t ie ne dos orific ios sobre los c ua le s es necesario a lt e rna r los e st a dos de presión y de e sc a pe , se utiliza un dist ribuidor que t e nga dos orific ios de sa lida . Ex ist e n va ria s posibilida de s, dist ribuidore s 4 /2 de c ua t ro orific ios (pre sión, sa lida 1 , sa lida 2 , e sc a pe ) y dos posic ione s. Dist ribuidore s 5 /2 de cinco orific ios (presión, sa lida 1 , sa lida 2 , e sc a pe 1 , e sc a pe 2 ) y dos posiciones. En a lgunos c a sos pa rt ic ula re s c ua ndo se ne c e sit a inmovilizar o cortar la energía a l c ilindro de doble e fe c t o, se utiliza un dist ribuidor 5 /3 (cinco orific ios, t re s posic ione s) de c e nt ro c e rra do o a bie rt o. Según e l t ipo d e pilot a je los dist ribuidore s se c la sific a n e n: •
M onoe st a ble s: si e l dist ribuidor vue lve a su posición de origen c ua ndo de sa pa re c e la señal de pilot a je (c ont rol), bien por un re sort e , bie n por una presión pe rm a ne nt e (re t orno dife re nc ia l). Bie st a ble s: e l dist ribuidor m a nt ie ne su posición aun e n ausencia de la señal d e pilot a je (función m e m oria ). _
•
*
Tipo Blestabte
Tipo Monoestabte
71
1
Figura 4
0
.34. Distribuidor neumático monoestable y biestable
161 UPV-CFP
Rebotica y Automática
Se c odific a n m e dia nt e dos números no/np, donde no = número de orific ios, np = número de posic ione s. Se c la sific a n según se a n de Cont rol Cont rol Cont rol Cont rol
m a nua l. mecánico. eléctrico. neumático
hacia el cilindro h a c a e l ciíiodro :
común de e sc a pe pe sia n \1 vi \ ¡ *ícl'f
vano
mando neumático m a ndo eléctrico -
controles rriarruaíes
r. I V
i X
bie st a ble
4
XA
9
r m onoe st fibie
• Pataje neumático
Figura 4.35. Esquema 162
a sie nt o cerámico
de funcionamiento
* pa'»n
del distribuidor
neumático
pe sum e n: Los c o d if ic a d o re s numéricos s o n los t ra nsduc t ore s digit a le s más ut ilizados pa ra e l c ont rol d e v e l o c i d a d y posición d e e je s y máquinas he rra mienta. Los c a p t a d o r e s s i n c o n t a c t o d i s p o n e n d e m e jore s pre st a c ione s re specto de los d e c o n t a c t o , e n c u a n t o a fia bilida d se re fie re , pa ra la im ple mentación d e a u t o m a t i s m o s más robust os y se guros. Los p r e -a c c i o n a d o r e s c o n s t i t u y e n un int e rfa z e nt re la s señales de p e queña p o t e n c i a d e s a l i d a d e los d i s p o s i t i v o s de c ont rol, y la s señales de a c c iona m ie nt o d e la s máquinas d e p o t e n c i a . La tecnología neumática está e s p e c i a l m e n t e indic a da pa ra su uso e n a m bie nt e s e x p l o s i v o s .
Re fe re nc ia s bibliográficas: - Catálogo Ge ne ra l O M R O N , 1 9 9 8 . • Com pone nt e s neumáticos. Pa rk e r Pne um a t ic (1 9 9 6 ). • Daura, F., Quílez, A., Arrim a da s, J .A. Adquisición de datos: del sensor al ordenador. Edit ic ione s Técnicas Re de S.A., 1988. • De goula nge , F., Le m a it re , R., Pe rrin, D. Automatismes:Fonctions ques-
Grafcet
-Gemma
- Séqueceurs
- Automates
LogiProgrammables.
Dunod, 1 9 8 3 . • De goula nge , F., Le m a it re , R., Pe rrin, D. Automatismes.: posants - Fonctions Logiques- Schémas. Dunod, 1983. • Diálogo hombre-máquina.
Grafcet - Com-
Groupe Sc hne ide r, 1996.
• Ga ya k w a d, R., Sok oloff L. Analog and digital control systems. PrenticeHall I nt e rna t iona l Edit ions, 1 9 8 8 . '
Manual de los automatismos
de mando neumático.
Groupe Schneider,
1992. " Pinot, M ., Jégoux, R., M a illa rd, J .P. Du Grafcet aux Automates grammables. Les Éditions Foucher, 1 9 9 1 .
Pro-
' Roldan, J . Neumática, Hidráulica y Ele c t ric ida d Aplicada. Editorial Paraninfo, 1 9 8 9 . UPV-CFP
163
CAPÍ T U LO AUTÓMATAS
PROGRAMABLES IND US TRIA L ES
5.1. introducción...................................................... Estructura de un Autómata Programable Industrial. ..... .... 5.3. Arquitectura de un Autómata Programable...... 5'4. Tipos de Ciclos de funcionamiento.................. £ 5 Tipos de lenguajes de programación.—........... 5>6. Módulos de comunicación con el entorno........ Las agresiones del entorno industrial..............
167 169 171 175 177 179 185
Autómatas Programables
Industriales
Objetivos:
" SKS^íSSff " foTruSar^
y
C a r a c t e
^ i c a s de un Autómata
05
-racterísticos de c o m p a r a o s de
.
Mostrar los distintos tipos de lenguajes para la programa¬ cion del Autómata Programable Industrial
.
Describir las funciones y tipos de los módulos de entradas v salidas. *
• Clasificar los distintos tipos de perturbaciones del entorno industrial que afectan el funcionamiento de los Autómatas Programables Industriales.
5.1.
Introducción p
El c onc e pt o de Autómata Progra m a ble Industrial (API) surge en la década de los 6 0 , a raíz de l proye c t o propue st o por la compañía norteamericana Ge ne ra l M ot ors, c on obje t o de soluc iona r los problemas de falta de flexibilidad y adaptación de l proc e so produc t ivo a los nuevos modelos de automóviles que se pretendía int roduc ir e n la c a de na de producción. Asimismo, otro fa c t or de t e rm ina nt e pa ra su de sa rrollo, fueron los altos costos en las re pa ra c ione s y c onse c ue nc ia s de la s paradas por averías de los automatismos ba sa dos e n a rm a rios de relés. Al mismo t ie m po, y de form a c a sua l, e n la e m pre sa Bedford Associat e s Inc., R.E. M ore le y e st a ba de sa rrolla ndo un prototipo cuyas especificaciones de diseño coincidían c on las de Ge ne ra l Motors para el desarrollo del citado proye c t o. Estas e spe c ific a c ione s e ra n: • Carácter re ut iliza ble . • Adaptación al a gre sivo entorno indust ria l. •
Le ngua je de programación asequible a los técnicos automaticis-
tas eléctricos. • Fácil m a nt e nim ie nt o. • Implementación mediante electrónica estática. uPV - p CF
167
Robótica y A utomática
Los prim e ros autómatas progra m a ble s disponían de memoria, basad en núcleos de ferrita de t ipo c a ble a do, y su diseño se establecía m e dia n* un c om put a dor. e
Los prim e ros autómatas pa ra e quipa m ie nt o a pa re c e n e n 1968, con m e m oria c a ble a da y una unida d c e nt ra l c onst it uida por c irc uit os integrados Este e quipa m ie nt o se de dic a a su utilización pa ra el c ont rol de procesos de carácter se c ue nc ia l, e spe c ia lm e nt e a la s c a de na s de m ont a je , de transport e , de distribución a lm a c e na m ie nt o, e t c ., e n sum a t oda c la se de operac ione s que e n e l pe riodo a nt e rior más re c ie nt e , e ra n c om pe t e nc ia de los sist e m a s ba sa dos en a rm a rios de relés. La evolución e x pe rim e nt a da a princ ipios de los 7 0 , c on la incorporación del m ic roproc e sa dor, ha c e posible un inc re m e nt o de las prestaciones orginales de l Autómata Progra m a ble , dotándole de unos elementos de comunicación hombre-máquina más m ode rnos, manipulación de datos, posibilidad de realizar cálculos matemáticos, func ione s de comunicación con orde na dore s, etc. Durante la se gunda m it a d de los 7 0 se produc e un inc re m e nt o de la c a pa c ida d de m e m oria , posibilida d de e nt ra da s/sa lida s re m ot a s, analógicas y numéricas, func ione s de c ont rol de posic iona m ie nt o, aparición de lenguajes con mayor número de inst ruc c ione s más pot e nt e s y, sobre todo, desarrollo de las c om unic a c ione s c on periféricos y orde na dore s. En este c ont e x t o su aplicación se e x t ie nde a l c ont rol de procesos de carácter c ont inuo, ya que se ha c e posible la comunicación de l Autómata c on equipos e instrumentación al e fe c t o. A partir de la década de los 8 0 la m e jora de la s pre st a c ione s han venido referidas a la nue va ve loc ida d d e re spue st a , reducción de las dimensione s, mayor concentración de número de e nt ra da s/sa lida s e n los módulos re spe c t ivos, de sa rrollo de módulos de c ont rol c ont inuo, PI D, servocontrola dore s, y c ont rol int e lige nt e , FU Z Z Y : También m a yor c a pa c ida d de diagnóstico e n e l func iona m ie nt o e inc re m e nt o e n los t ipos de lenguajes de programación: de sde los le ngua je s de c ont a c t os, le ngua je s de funciones len lógicas, lista de inst ruc c ione s ba sa dos e n nemotécnicos, flujogramas, '~ ' gua je s informáticos, Gra fc e t , e t c . . n
De bido a la a lt a integración e n los c irc uit os int e gra dos, en la actualidad e x ist e n va rie da de s de nanoautómatas, de dim e nsione s muy reducidas P ha hecho posible su utilización ha st a e n a plic a c ione s domésticas, apertur y c ie rre de pue rt a s, c ont rol de iluminación, c ont rol de riego de jardine . etc.. u
168
Existen básicamente dos critprinc r ^ - - , i , . as progra m a ble s indust ria le s- por una n J * s autóma^ ^ ^ ^ e ^ ^ ^ íanMativos, que t ie ne n e n o pacidad de m e m oria ; por otra los f a c t o r e Tcualitti^l ! " " matas progra m a ble s de una qama E S í f !i '° S r o l de va ria ble s d i s c r e t a U u m é r i c S a S K " J el carácter e le m e nt a l. ""m e ne a s, aritméticas y de comunicación de C a s , , i c a c i ó n
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Los autómatas progra m a ble s indust ria le s de la qama media a l t a ponen además de los re fe rida s a nt e riorm e nt e , c a ^ < £ £ £ & £ ¡ de gran c a nt ida d d e da t os, posibilida d de cálculo matemático c o m S e nt ra da s/sa lida s int e lige nt e s, va rios m ic roproc e sa dore s de operación e s' pecífica, t ra t a m ie nt o de señal, c om unic a c ione s, e t c . . P
<
a
f
5.2. Estructura
de un Autómata
Programable
Industrial
Básicamente un API se divide e n dos sist e m a s funcionales principales, la unidad c e nt ra l y e l sist e m a de e nt ra da s/sa lida s. La e st ruc t ura de los API pue de c la sific a rse , básicamente, atendiendo a los c onc e pt os de : •
Est ruc t ura m odula r
•
Est ruc t ura c om pa c t a
La e st ruc t ura m odula r divide e n dist int os módulos dedicados las e structuras func iona le s a nt e riorm e nt e re fe rida s, de t a l form a que físicamente existen módulos t a nt o pa ra la CPU , c om o pa ra los distintos tipos de módulos de e nt ra da /sa lida . La princ ipa l ve nt a ja de e st a disposición ra dic a en la posibilidad de adecuar la a rquit e c t ura de l sist e m a a las ne c e sida de s estrictas de diseño y funcionamiento. También pe rm it e e l func iona m ie nt o parcial de l sistema en caso de avería a l t ie m po que ha c e posible la reducción de los tiempos de reparación de form a not a ble , c on la sola sustitución de l modulo avenaao c luso e n ple no func iona m ie nt o. ,n
La e st ruc t ura c om pa c t a re sult a a de c ua da pa ra pequeñas ^ ^ o ^ °n un número pre fija do de e nt ra da s/sa lida s. Los ^ ^ T e s t a l M "« a s. que son API de m uy re duc ida s dim e nsione s, ^ " J f j f ^ o También, y da do e l carácter e st a nc o de la carcasa, perm.te su empie ambientes indust ria le s e spe c ia lm e nt e a gre sivos.
c
e n
169 U P V -C F P
y Automática
Figura 5.1. Autómata TSX37
(cortesía Groupe Schneider)
UPV-CFP
Autómatas Programables Industria
5.3. Arquitectura
de un Autómata
Programable
Las dos unida de s func iona le s básicas de un API están c onst it uida s por la unidad c e nt ra l y por el sist e m a de e nt ra da s/sa lida s. El bloque de las e ntradas está c onst it uido por e l c onjunt o de señales que provie ne n de los transductores analógicos, digit a le s y/o bina rios que re c oge n la información del proceso. El API además, de m a ne ra opc iona l, dispone de una serie de dispositivos periféricos t a le s c om o: unida de s o c onsola s de programación dispositivos de monitorización y unida de s de dia logo. La unida d c e nt ra l, a su ve z, está c onst it uida por e l proc e sa dor y memoria. El proc e sa dor se e nc a rga de la interpretación de la s inst ruc c ione s de usuario y además se e nc a rga de las t a re a s de coordinación int e rna s y e x ternas.
PROCESO
CAPTADORES
p
i9ura 5.3. Esquema general de la arquitectura de un autómata programable
En su a rquit e c t ura int e rna , el API , sie ndo un sistema basado> er> micro pe sa dor, está c om pue st o por una se rie de unidades funcionales n e d o n a d a s por un c onjunt o de buse s de datos, direcciones y de control.
n r
upv- C F P
171
Robot ¡ca y Automática
5 .3 .1 . Organización de la m e m oria La memoria del API está organizada en áreas de trabajo perfectamente delimitadas, dedicadas cada una de ellas a cometidos específicos y por ello con denominaciones distintas en función de las operaciones q se realizan en éstas. La zona de memoria que se utiliza para el almacenamiento de las instrucciones de programa recibe el nombre de zona de memoria de usuario; la zona de almacenamiento de los e st a dos de las entradas y salidas, de los estados internos y de los da t os de carácter general específicos del tratamiento numérico, aritméticos o de ope ra c ione s de las comunicaciones, recibe el nombre de t a bla de da t os. U e
En la denominada memoria del sist e m a se a lm a c e na el programa monitor, y la zona denominada sc ra t c h-pa d, que e s una zona utilizada por este último para el a lm a c e na m ie nt o de va lore s int e rm e dios y temporales. •
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Figura 5.4. Organización de la memoria de un autómata programable
La implementación física de la m e m oria , ROM , RAM , EPROM, PROM , de pe nde de la fina lida d de utilización. En la s memorias de tipo
172
UPV-CFP
uiuiiiaias programables Industriales
ROM se a lm a c e na ra por el fa bric a nt e e l progra m a monitor el c ua l es ina lt e , ina c c e sible pa ra el usua rio, de dic a do a la interpretación de las ins¬ i o n e s pre se nt e s e n e l progra m a de éste. En la m e m oria de tipo RAM almacenara, e n e l pe riodo de diseño y depuración de programas e¡ m a de usua rio; y e llo de bido a que e n e st a fa se , e s muy S b f e pr e a ne c e sa rio m odific a r c ont inua m e nt e e st e progra m a . Una memoria que \M a lim e nia a a c on batería permitirá borra r ,M aumentada c on batería permitirá b o ^ r r £ S ™ i T o = S RAM ^cot e n i d o , c on solo de sc one c t a r la alimentación de la batería. Al S |a fase de depuración c ua ndo e l progra m a esté dispue st o pa ra la m os periodos> de func iona m ie nt o, convendrá su a lm a c e na m ie nt o e n m e 2 a s tipo EPROM . que soport a n, sin ningún e fe c t o sobre e l programa a lm a cenado, los fa llos de sum inist ro e n la alimentación. b
e e
truCC
s e
n r o g r a i e
S
d e
d e
La m e m oria está orga niza da e n grupos de 1 , 8 , 16 3 2 bits, de pe ndie ndo del t ipo de va ria ble s que se ut ilic e . y
MEMORIA C E N T R A L
PROCESADOR
Variables de entrada Un
Contador de Programa
Variables intermedias X n
Puntero de pila
Variables de salida Y n
U N I D A D C E N T R A L
1
Monitor
Reg. de instrucción y d Registro Índice Reg. de aso general
Programa ALL
i
BUS DATOS D I R E C C I O N E S / C O N T R O L
1
v v
i
A A A A A A A A
\
\
V
v
V
Módulos Salidas
Módulos Entradas
Figura 5.5. Arquitectura de un autómata programable
UPV-CFP
173
Robótica y Automática
5.3.2. Fa se s de operación e n m a rc ha y pa ra da Bajo la denominación a nt e rior nos re fe rim os a la s ope ra c ione s que re a liza e l API de form a sistemática e n c a da operación de inicio en la alimentación, ejecución de progra m a y pa ra da de l sist e m a . Estas son: a) Puesta en Alimentación: Comprobación de m e m oria y c om pone nt e s Comprobación de progra m a usua rio. Comprobación de módulos e nt ra da /sa lida Comprobación de las c om unic a c ione s. Desactivación de las sa lida s.
b) Fase de ejecución de progra m a : Adquisición de las e nt ra da s. Proc e sa m ie nt o de las e c ua c ione s lógicas Actualización de las sa lida s. Diagnóstico int e rno. Func ione s de comunicación.
c) Parada del Sist e m a : Ce se de ejecución de progra m a Desactivación de la s sa lida s E
5.3.3. Est ruc t ura de un progra m a Un progra m a de autómata progra m a ble , ge ne ra lm e nt e está compue st o por un c onjunt o de dire c t iva s de usua rio, que serán interpretadas por el progra m a monitor, int roduc ido por e l fa bric a nt e en una zona de mem oria no a c c e sible pa ra el usua rio. La form a de ejecución de un progra m a e s norm a lm e nt e cíclica. L ° c ic los se re pit e n c ont inua m e nt e m ie nt ra s se m a nt e nga n unas determinas
174
UPV-CFP
Has c ondic ione s de inic io, m e dia nt e la form a H P .. K , N
g w H I L E , de la m a ne ra que se m
u ^ ^ S ^
I * > l tipo
DO Instrucción n 1 Instrucción n-2 2
Instrucción n - m .
WH I LE CONDICIÓN DE S T A R T
5.4. Tipos de Ciclos
de
funcionamiento
Como se h a m ost ra do a nt e riorm e nt e , la ejecución de programa de un API, se produc e e n f o r m a d e c ic los re pe t it ivos de l mismo conjunto de n instrucciones a l m a c e n a d a s e n m e m oria . Ca da ve z que se ejecutan las n instrucciones s e de fine que s e ha e je c ut a do un c ic lo de programa. Bajo la denominación d e t ipo c ic lo d e func iona m ie nt o, se refieren conceptos acerca de cómo, cuándo y e n qué fre c ue nc ia de nt ro de un mismo ciclo, se realizan las a dquisic ione s d e e nt ra da s y se proc e de a l envío de las salidas, cuando se re a liza la evaluación d e inst ruc c ione s y ecuaciones lógicas en el tramo c om pre ndido e nt re la prim e ra y última instrucción de programa. El t ipo de c ic lo más e le m e nt a l e s a que l e n que la adquisición de las entradas se re a liza a l princ ipio d e c ic lo por una sola vez, prosiguiendo una fase de t ra t a m ie nt o y evaluación d e la s e c ua c ione s lógicas programadas; considerando los va lore s d e la s va ria ble s a dquirida s inicialmente, para Pasar fina lm e nt e a re a liza r e l c ont rol de las sa lida s por una sola vez. Véase tipo A de la Figura 5 .. e l
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En el se gundo t ipo de c ic lo que c onside ra m os, t ipo B, la adquisición de entradas se re a liza igua lm e nt e e n e l inicio de ciclo por una sola vez P a pasar se guida m e nt e a re a liza r la evaluación de las ecuaciones una a int e rc a la ndo e n c a da evaluación e l c ont rol de la sa lida implicada co¬ Pondie nt e . l a s
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En el t ipo C, se c ont e m pla una nue va lectura de las entradas en Ínter. o s pre de t e rm ina dos de nt ro de l m ism o c ic lo de funcionamiento. Se pro
U PV -c pp
175
Robótica y Automática
ducen distintas interrupciones e n e l t ra t a m ie nt o de la s e c ua c ione s lógicas para pasar a realizar la adquisición de e nt ra da s. Teniendo e n c ue nt a que el e st a do de las e nt ra da s se t om a e n c onside ración e n intervalos más cortos de t ie m po, re sult a e l t ra t a m ie nt o más c onveniente en el caso de que se e st im e la aparición de sit ua c ione s aleatorias cuya respuesta pue da ser de carácter crítico e n e l t ie m po. El lector ha de c onside ra r que e l t ipo de c ic lo d e func iona m ie nt o de terminará el orde na m ie nt o de l c onjunt o de e c ua c ione s de e st a do y salida en el programa, siendo éste un proble m a na da t rivia l y que condicionará el buen funcionamiento del a lgorit m o de c ont rol. Por e je m plo, e n e l c a so de la mayoría de los API de ga m a m e dia -ba ja , dispone n d e un t ipo de ciclo de funcionamiento re pre se nt a do por e l t ipo A de la Figura 5 .. Ello obliga a que las ecuaciones lógicas de e st a do que de n e sc rit a s e n progra m a a l principio del mismo, y las e c ua c ione s c orre spondie nt e s a la s sa lida s ha n de quedar obligatoriamente e sc rit a s e n la pa rt e fina l de l progra m a .
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UPV-CFP
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Autómatas Programables Industríales
5 4.1. Parámetros d e evaluación de la s pre st a c ione s de u n Autómata Progra m a ble Algunos de los parámetros más c om une s int roduc idos e n los catálogos de los fa bric a nt e s pa ra la evaluación de la s pre st a c ione s de los API son: #
Potencia de la unida d c e nt ra l:
Este parámetro e s función de la ve loc ida d de ejecución de las inst ruc ciones. •
Tiempo de ejecución: Se a n T im e :
Este parámetro de t e rm ina e l t ie m po que ut iliza e l autómata e n la e je cución de 1 0 2 4 inst ruc c ione s.(t /1 k ) •
Duración d e ejecución d e c ic lo:
Este parámetro e s función de l número e nt ra da s y sa lida s a leer, de l número de inst ruc c ione s e n e l progra m a , y de la ve loc ida d de ejecución de cada instrucción.
5 .5 . Tipos de lenguajes
de
programación
En una prim e ra clasificación los le ngua je s pue de n c la sific a rse en INFORMÁTICOS: Ba jo nive l: List a d e inst ruc c ione s (Nemónicos) Alt o nive l: Ba sic , Pa sc a l, C GRÁFI COS Dia gra m a s d e e sc a le ra (La dde r Dia gra m s) Flujogra m a s Dia gra m a s d e func ione s lógicas Gra fc e t Los t ipos d e le ngua je s de que dispone n los API son di ve De for * a casi om nipre se nt e se dispone de l le ngua je de contactos o g r a m a s e sc a le ra , c uya introducción formó pa rt e de las especif.cac.ones oe
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177
fíol\'tica y Automática
seño origina le s c on objeto de que e l pe rsona l de m a nt e nim ie nt o de | antiguos armarios de relés pudie se ope ra r c on éstos sin e x c e siva dificultad Este lenguaje es una simulación gráfica de los c irc uit os eléctricos ba sados en e le m e nt os norm a lm e nt e a bie rt os, c e rra dos y bobina s de accionamiento. Su forma y disposición se a pre c ia e n la Figura 5 .7 a . 0 s
Otra forma de lenguajes de programación, t a le s c om o los diagramas de funciones lógicas está influe nc ia da y ba sa da por la s técnicas de electrónica digital. En éstos pode m os e nc ont ra r bloque s progra m a ble s de puertas lógicas, t e m poriza dore s, c ont a dore s , bie st a ble s, c om pa ra dore s, e t c . . disponibles en librerías de obje t os prediseñados. Ot ro t ipo de lenguajes son de carácter e m ine nt e m e nt e informático. Est os están c onst it uidos por lenguajes de inst ruc c ione s, ba sa dos e n nemotécnicos, Ba sic, C, flujogramas, e t c . . En la a c t ua lida d se están inc orpora ndo le ngua je s de rivados de gratos ba sa dos e n e st a dos y e ve nt os t a le s c om o e l Gra fc e t , cuyo estudio merecerá nue st ra atención e n un próximo capítulo.
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UPV-CFP
Autómatas Programables
Industriales
se gunda m oda lida d suele utilizarse para la programación en planta, cuando por aplicación de las t a re a s de mantenimiento softw are se llevan a o modificaciones de l progra m a inicialmente implantado. Estas m odificaciones se sue le n re a liza r incluso sin detener el funcionamiento del prooio I , mediante terminales específicos de programación de pequeño tamaño adaptados al e fe c t o. L a
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A P
5.5.1. Dia gra m a s d e f u n c i o n e s lógicas Bajo e st a denominación, se e ngloba n una serie de dispositivos lógicos preprogramados dispue st os e n librerías pa ra utilización de l usuario en la implementación de los a lgorit m os de c ont rol. El usuario se e vit a , de e st a form a , t e ne r que programar cada vez dispositivos a m e nudo re que ridos pa ra las dist int a s tareas de control, limitándose a la asignación de la s dist int a s va ria ble s y programación de parámetros tales c om o: pe riodos de temporización, va lore s de c ue nt a , e t c . . Estos dispositivos son: •
Pue rt a s lógicas boole a na s.
•
Bie st a ble s de t ipo Se t y Re se t priorit a rio.
•
Cont a dore s a sc e nde nt e s, de sc e nde nt e s y ascendentes / de sc e nde nt e s. • T e m poriza dore s a l a rra nque , re t a rdo y variaciones de los a nt e riore s. • Com pa ra dore s de dist int o signo. •
De t e c t ore s de fla nc o
5.6. Módulos de comunicación
con el entorno
El sist e m a de e nt ra da s/sa lida s c um ple una función determinante para 'a comunicación de l API c on e l e nt orno. Este sist e m a , en una arquitectura modular, está c onst it uido por un c onjunt o de módulos independientes que se conectan sobre una ple t ina de c one c t ore s, que conectan los módulos on los dist int os buse s de l sist e m a . Ca da módulo dispone de un sistema e abrochamiento m e dia nt e re gle t a que permite la conexión física ae ios distintos c onduc t ore s prove nie nt e s del c onjunt o de transductores y preacona dore s. c
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La activación de la s dist int a s e nt ra da s/sa lida s puede ser visualizada mediante la de bida comprobación del led correspondiente.
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V -CFP
179
En la arquitectura c om pa c t a , la regleta de c one x ione s va integrada e la carcasa del autómata.
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TT con unos niveles de tensión de alimentación re duc idos de 5 a 1 8 Volts, A este respecto los módulos de e nt ra da s/sa lida s c um ple n func ione s adicionales que se relacionan se guida m e nt e : •
a) Comunicación con el proc e so a c ont rola r. b) Adaptación de la tensión de t ra ba jo de los disposit ivos de campo a la de los e le m e nt os electrónicos de la U.C. y viceversa. c) Proporcionar una a de c ua da separación eléctrica e nt re los circuitos lógicos y los c irc uit os de pot e nc ia . Existen distintos t ipos e n función de la na t ura le za de la s señales de entrada/salida del autómata; y también de l t ipo específico de operación a realizar: • Módulos de e nt ra da s/sa lida s digit a le s. Características técnicas: Número de e nt ra da s: 4 ,8 , 1 6 ,3 2 Niveles de tensión: T T L, 2 4 , 4 8 , 1 1 0 V c a /V C C , 2 2 0 V e a . Módulos de sa lida s: Características técnicas: Número de sa lida s: 4 ,8 , 1 6 ,3 2
Tipo de e t a pa de sa lida : T ra nsist or ha st a 6 0 V c c , T ria c 2 4 , 48, 220 Vea, T T L,c ont a c t o de relé. Módulos de e nt ra da s/sa lida s analógicas Características técnicas: Número de e nt ra da s: 4 , 8 , 1 6 . Número de Sa lida s: 4 .
Ra ngos de t ra ba jo: 0 a 5 Vcc 0 a 10 V c c . -1 0 a + 1 0 V c c 4 a 2 0 mA. 180
UPV-CFP
^T^sProgramables
Industriales
Se estas func ione s se inc luye n la d S S t ó n HÍ t V Protección. S o , c irc uit o c ort oc irc uit o n T e d i a n t e t í t o y í e S ^ % 3 ^ HO En los c irc uit os de sa lida a ba se dp t ria r l , ¡ £ ¿ n de t ra nsit orios (va rist ore s re de s R¿) ' ' ' " S
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181
Hobótica y Automática
5.6.1.1. Módulos
especiales
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Tarjetas de comunicación:
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Se ut iliza n, e nt re ot ros usos, pa ra comunicación c on terminales nr gra m a ble s, re gula dore s d e t e m pe ra t ura , le c t ore s de códigos de barras- °" e n ge ne ra l, soport a n comunicación via RS-2 3 2 C, RS-4 2 2 o RS-4 8 5
no I unida P ° des
El p o s i c i d
Unidades de temporizadores analógicos:
resolver, y g e
Son unida de s q u e dispone n de t e m poriza dore s analógicos ajustables e x t e rna m e nt e m e dia nt e potenciómetro.
pechado
Unidades A S Unidades de interrupción:
Se utilizar
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Est a s son unida de s c on disposición de e nt ra da s e x t e rna s con capacida d de interrupción de l progra m a princ ipa l pa ra la ejecución de subrutinas.
API.
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Unidades de control PID:
utilizan
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Son unida de s que pe rm it e n la implementación de buc le s de control del t ipo Proporc iona l, I nt e gra l, De riva da .
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Unidades de servocontrol: «al ?!
Pe rm it e n e l c ont rol de posición de e je s.
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Unidades de control de motores paso a paso: Pe rm it e n la generación de t re ne s de im pulsos pa ra e l control de moto « soa a so. re s pa so ac pa so.
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Son módulos específicos con c a pa c ida d de conexión de vanas da s de t e rm opa r y PT100.
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Autómatas
Unidades de contador de alta velocidad: te
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Estas unida de s se ut iliza n pa ra la c ue nt a de señales procedentes de codificadores increméntales, y e n ge ne ra l, de disposit ivos de entrada rápida.
Unidades posicionadoras de levas: óa l
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El posic iona dor de le va s de t e c t a ángulos de rotación, por medio de un resolver, y ge ne ra sa lida s de t ipo bina rio c ua ndo se a lc a nza el ángulo e specificado.
Unidades ASCII:
con cap* -ion de subrut «ternas
Se ut iliza n pa ra visua liza r o im prim ir da t os en t ie m po real procedentes del API .
Unidades de voz: Se ut iliza n pa ra la generación de m e nsa je s, a visos, e t c . . por audio previamente re gist ra da s e n soport e disque t e o m e m oria de a lm a c e na miento.
ucle s de coi*
E/S de comunicación remota: Se ut iliza n pa ra la conexión de re de s de área local de carácter industrial, con obje t o de fa c ilit a r el int e rc a m bio de gra nde s cantidades de datos, e incrementar la ve loc ida d y fia bilida d de l sist e m a . E/S de códigos numéricos.
Módulos FUZZY:
d e ^ ' otro'
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Permiten la implementación de técnicas de int e lige nc ia artifical basada n la lógica difusa .
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5
-6.2. Direccionamiento y codificación de las variables de E/S Algunos m ode los de autómatas re a liza n la codificación de las distintas tradas/sal¡das, a t e ndie ndo a la posición relativa del módulo c orre spon-
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de U P V -C F P
183
Robótica y Automática
die nt e e n la ple t ina de c one c t ore s, de t a l m a ne ra que su form a t o tiene | siguie nt e form a : CÓDIGO VARIABLE
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Donde e l CÓDIGO DE VARIABLE pue de c orre sponde rse a variables de e nt ra da , de sa lida o va ria ble s int e rna s. Pa ra e st a s últimas sue le n utiliza rse las letras l , Q y M re spe c t iva m e nt e . La n de not a la posición del módulo e n e l c onjunt o; e s de c ir, e l orde na m ie nt o re la t ivo d e los módulos t om a dos de izquie rda a de re c ha y m de not a la posición re la t iva de la variable de nt ro de l m ism o módulo. Pa ra un e je m plo de u n a va ria ble de entrada, bajo este form a t o, quedaría: 11.1
Sería una va ria ble de e nt ra da sit ua da e n la prim e ra posición después de la CPU , y en la prim e ra posición re la t iva de nt ro de l módulo.
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Figura 5.9. Direccionamiento de variables de los módulos de E/S
Ot ro t ipo de autómatas (OM RON ) orga niza e l dire c c iona m ie nt o media nt e c a na le s de 16 bits, también orga niza dos de izquie rda a derecha, re se rva ndo dist int a s dire c c ione s e n función de que se t ra t e de va ria ble s de e nt ra da , sa lida o int e rna s. Por e je m plo: A partir de l c a na l 0 0 0 .0 0 , 0 0 1 .0 0
pa ra las e nt ra da s.
A partir de l c a na l 100.00, 1 0 1 .0 0
pa ra las sa lida s.
A partir de l c a na l 0 1 2 .0 0 , 0 1 3 .0 0 ,
184
, pa ra las va ria ble s internas.
U PV -CFP
g ? Las agresiones m
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del entorno
industrial
Las a gre sione s a q u e se v e n som e t idos los disposit ivos lógicos de control son de na t ura le za eléctrica, química y mecánica. En lo que re spe c t a a la s ra dia c ione s electromagnéticas, m uc ha s son las fue nt e s sum inist ra dora s de e st a s pe rt urba c ione s, t a le s c om o: e quipos de solda dura , t ra nsform a dore s, m ot ore s eléctricos, que comúnmente pue den a lc a nza r sobra da m e nt e los 1 0 0 u J . El q u e m uc hos d e los c irc uit os integrados ut iliza dos e n la implementación d e los API se a n d e tecnología TTL, c on una alimentación d e 5 volt , y un c o n s u m o d e 2 m A y e l que la energía ne c e sa ria pa ra provoc a r e l c a m bio d e e st a do d e una d e sus pue rtas ^ e a de 10" u J , signific a que e l orde n d e m a gnit ud d e la energía ne c e saria pa ra la conmutación d e una pue rt a lógica d e t a l na t ura le za e s un m i "ó ' ^ pequeña q u e la sum inist ra da norm a lm e nt e por una fuente de perturbación. De ahí la im port a nc ia d e l a protección fre nt e a e st e tipo de pe rt urba c ione s. A e st e re spe c t o la e fic a c ia d e e st ruc t ura s d e t ipo metálico e n func ione s d e disposit ivo d e a pa nt a lla m ie nt o s e h a vist o proba da pa ra t a l m e ne st e r. Ot ro t ipo específico d e pe rt urba c ione s eléctricas c a paces de ge ne ra r inc luso fenómenos de corrosión s o n ; 4
fieraPosiciónii* el módulo.
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F.E.M termoeléctricas, ba sa da s e n e l e fe c t o Pe lt ie r. Pot e nc ia le s volt a ic os d e unión ge ne ra dos e n e l c ont a c t o de m e t a le s dife re nt e s. Parásitos d e na t ura le za electrostática. le fe*
Las a gre sione s d e na t ura le za química vie ne n provoc a da s por una s e rie de ga se s c orrosivos pre se nt e s e n e st e t ipo d e proc e sos, t a le s c om o e l cloro, y ácidos y óxidos de l c loro (CL , H S , S 0 ) . También los va pore s de hidroc a rburos, y los polvos d e m e t a le s y c e m e nt o provoc a n corrosión e n los c ont a c t os metálicos y los c irc uit os int e gra dos. La s m e dida s pre ve nt iva s frente a e st e t ipo d e a gre sione s s e c e nt ra n e n e l ba rniza do d e la s pla c a s de c irc uit os, los filt ros pa ra e l polvo inst a la dos e n los a rm a rios metálicos y • as c a rc a sa s e st a nc a s de los A P I . 2
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Las a gre sione s d e t ipo a m bie nt a l y mecánico son: la t e m pe ra t ura , la humedad, los c hoque s y la s vibra c ione s.
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a c e le ra c ione s fetiga a los disposit ivos que c onst it uye n los c irc uit os de l API . Por ot ra pa rUPV-CFP
185
Robótica
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Automática
en-' t e , t a sa s de hum e da d e le va da , por e nc im a de l 8 0 % , provoc a n conden c ione s que a c e le ra n e l proc e so de corrosión. También t a sa s por debajo cN 3 5 % produc e n pot e nc ia le s electrostáticos que fa vore c e n la aparición d fa llos por c a m bios de e st a do de los c irc uit os lógicos. Los va lore s extrem de la t e m pe ra t ura pue de n ha c e r dism inuir drásticamente los va lore s de la t ole ra nc ia s a dm it ida s de los c om pone nt e s. La instalación de ventilacicforza da e n los a rm a rios metálicos c ont ribuye a m a nt e ne r va lore s adecuados de la t e m pe ra t ura .
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ARMARIO ME TALIC O
Referencias
Bouteille, Gras, H ., mables.
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Clements1996. ' Catálogo(
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Figura 5.10. Esquema de instalación de un autómata
programable
UPV 186
Resumen: Los Autómatas Progra m a ble s I ndust ria le s son sistemas basados e n microprocesador c on a rquit e c t ura e spe c ia lm e nt e a da pt a da al medio industrial. Por se r he rra m ie nt a s ve rda de ra m e nt e informáticas, pe rm it e n la i m plementación de a lgorit m os de c ont rol re a lm e nt e c om ple jos, así como el almacenamiento de da t os y gra n c a pa c ida d de comunicación.' Los módulos de e nt ra da /sa lida , además de cubrir los obje t ivos de c omunicación c on e l e nt orno, a gre ga n func ione s de protección y aislamiento eléctrico de la circuitería int e rna de l Autómata Programable.
Re fe re nc ia s bibliográficas: •
Bout e ille , D., Bout e ille , N ., Cha nt re uil, S., Collot , R., Frachet, J .P., Le Gra s, H ., M e rla ud, C , Se losse J . , St a r A. Los Automatismos Programables. Edit ions Cit e f, 1 9 9 1 .
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•
187 UPV-CFP
a
CAPITULO SISTEMAS DE EVENTOS DISCRETOS: HERRAMIENTAS DE MODELADO
6.1. Introducción a los sistemas dinámicos de eventos discretos. ................................................
191
6.2. Características de los Sistemas Discretos.......................................^
de
192
6.3. Ejemplos
de
típicos
discretos. 6
'4. Introducción
6
-5. Interpretación
de sistemas
Eventos eventos
.......................................^
196
a las redes de Petri.................—'»»
204
de las redes de Petri.....—.....—-
230
Sistemas de Eventos Discretos: Herramientas de Modelado
Objetivos: Definir el concepto de evento y de sistema de eventos discretos. Describir algunos de los distemas de eventos discretos más comunes. Describir las redes de Petri como herramienta de modelado de sistemas de eventos discretos. Conocer los elementos constituyentes de una red de Petri. Describir los distintos tipos de nodos de una red de Petri. Conocer los conceptos de marcado, árbol de alcanzabilidad y la ecuación fundamental de las redes de Petri. Describir la representación gráfica mediante redes de Petri de los distintos modelos de relación de los subprocesos constituyentes de un sistema de eventos discretos.
6.1. Introducción discretos.
a los sistemas
dinámicos
de
eventos
Las c la se s de sist e m a s que t ra dic iona lm e nt e ha n sido estudiados por • os ingenieros de c ont rol pose e n va ria ble s c ont inua s, y la dinámica de d ichos sist e m a s ha sido posible re pre se nt a rla s m e dia nt e ecuaciones dife renciales, o bie n e n dife re nc ia s. N o obst a nt e , c onform e los requerimientos en las t a re a s de c ont rol se ha n ve nido inc re m e nt a ndo y la complejidad de los modernos sist e m a s de c ont rol ha ido a um e nt a ndo, ha habido que e nfocar el análisis de e st os sist e m a s de sde nive le s de abstracción diferentes, ^ás a de c ua dos y por t a nt o más t ra t a ble s. T ra dic iona lm e nt e la teoría de c ont rol ha t ra t a do c on e l comportamiento dinámico de proc e sos, c uya s va ria ble s son numéricas y cuya evolución Puede m ode la rse m e dia nt e e c ua c ione s dife re nc ia le s, o también en dife rencias. Con la a m plia utilización de l c om put a dor como componente e se ncial de los sist e m a s, ha n a pa re c ido sist e m a s de complejidad creciente que ° pueden ser c onve nie nt e m e nt e de sc rit os por los modelos convenciona¬ Efe c t iva m e nt e , e n un número c re c ie nt e de estados de los procesos, P^de n tener va lore s no numéricos, más bien valores simbólicos o lógicos. n
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191
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Automática
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Los c a m bios de e st a do pue de n de be rse c om o re spue st a s a que ha oc do algún t ipo de e ve nt o disc re t o que t ie ne lugar e n t ie m pos discretos f c ue nt e m e nt e de m a ne ra a sinc rona y no de t e rm inist a . El control de e st ^ sist e m a s, de bido a su e st re c ha relación c on la automatización de los ¡ t e m a s de producción, es de una gra n im port a nc ia práctica y de interés teó rico; y se ha c onst it uido c om o un nue vo e int riga nt e reto intelectual. S
Sistemas
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Eventos
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Una t ra nsic ic básc io de un p r o sistema controlac controla do r prim e siones y, únicami tradicionales.
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Eventos
Discretos
Herramientas de Modelado
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*l entorno, o bie n a l cambio de estado interno del propio sistema A un -vento se le supondrá sin duración, es decir, su e spe c t ro t e m pora l es nulo Una id« ! c onc e pt o de e ve nt o puede encontrararse e n e l cambio de e st a do de una va ria ble boole a na , por e je m plo el fla nc o de sub»o de bajada de dic ha va ria ble . a m
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Algunos de los e je m plos más c om une s de t a le s proc e sos son: sist e de fabricación, re de s de c om unic a c ione s, sist e m a s de tráfico, sist e mas operativos de c om put a dore s, sist e m a s de sum inist ro, sist e m a s de gestión y sist e m a s de c ont rol supe rvisor de pla nt a s c om ple ja s.
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e ve nt o a soc ia do c onst it uye el fra gm e nt o disc re t os. Considérese, por e je m plo, un sistema c ont rola do por un c ont rola dor "int e lige nt e " ba sa do e n reglas. T a l controlador prim e ro e je c ut a rla una se rie de diagnósticos o t e st s de de c isiones y, únicamente e nt onc e s, e je c ut a rla a c c ione s de c ont rol numéricas tradicionales.
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Otro t ipo de e je m plos son de t e rm ina dos sist e m a s c om ple jos, cuya evolución se da a pa rt ir de la c om plic a da interacción de e ve nt os discretos. Estos sistemas sue le n de nom ina rse sist e m a s dinámicos de e ve nt os discretos o, más se nc illa m e nt e , sist e m a s de e ve nt os disc re t os (SEDs). Como ejemplos de e st os sist e m a s t e ne m os: sist e m a s int e gra dos de fabricación, sistemas de fabricación fle x ible , re de s de c om unic a c ione s, sist e m a s de control de tráfico, e t c . . M ie nt ra s que c om o e je m plos de los e ve nt os que suceden e n e st os sist e m a s t e ne m os: inic io y fina l de ope ra c ione s, llegada de mensajes, señales de "t im e -out ", averías de máquinas, e t c . .
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Igualmente, sist e m a s q u e se c la sific a n típicamente de nt ro de los sistemas de va ria ble c ont inua , pue de n, a un de t e rm ina do nivel de a bst ra c ción, ser c onside ra dos c om o SEDs. Por e je m plo: Si e l e st a do de un sist e ma constituido por un t a nque e s el nivel de l líquido c ont e nido por el tanque, si modelo c orre spondie nt e e s un sist e m a de va ria ble c ont inua .
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Sin e m ba rgo, a e fe c t os de c ont rola r e l sist e m a , e s suficiente consides estados:
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Figura 6.12. Sistema de eventos
discretos
Los dispositivos de c ont rol int e lige nt e de a lt o nive l de be n se r modelados y e st udia dos e n un c ont e x t o de diseño globa l de sist e m a s de control. Estos sistemas de c ont rol de a lt o nive l de be n pose e r la c a pa c ida d de tratar con sit ua c ione s en las que se re quie ra la t om a de de c isione s sobre qué controlar, y ser c a pa c e s de de sa rrolla r e st ra t e gia s pa ra e l c ont rol de situac ione s e n casos en que se produzc a n c a m bios e n la configuración del sist e m a . Estos c a m bios de configuración pue de n oc urrir c om o consecuencia de sist e m a s c on múltiples m odos de func iona m ie nt o, de bidos a cambios en la e st ra t e gia de producción, o de bido a la aparición de una gra n diversidad de posible s fa llos. Una cuestión de im port a nc ia e s cómo de be m ode la rse la relación de los c ont rola dore s numéricos de pla nt a c on los supe rvisore s de alto nivel, y obvia m e nt e , qué t ipo de le ngua je s o símbolos de be n ut iliza rse 194
UPV-CFP
Sistemas
de Eventos
Discretos:
Herramientas
de Modelado
Las de nom ina da s máquinas de e st a dos finitos, y sus c orre spondie nt e s diagramas de transición de e st a dos, son e l m e c a nism o form a l más sim ple para unificar m uc hos fra gm e nt os e n un t odo. Los m ode los de máquinas de estado son c onc e pt ua lm e nt e a pe t e c ible s, de bido a su sim plic ida d inhe rente y al he c ho que pue de n se r de sc rit os a de c ua da m e nt e por autómatas finitos y la teoría de le ngua je s re gula re s. No obst a nt e , a pe sa r de su sim plic ida d inhe re nt e y c orre spondie nt e atracción, la s máquinas de e st a do m a nifie st a n cierta de bilida d c om o m odelos de proc e sos c om ple jos de bido a su explosión e x pone nc ia l e n e l número de sus e st a dos. Pa ra se r e fe c t ivo, y, por t a nt o útil, e s de se a ble que un form a lism o de modelización de e st a do/e ve nt o t e nga la c a pa c ida d para, de algún m odo, re la ja r los re que rim ie nt os de que t odos los e st a dos, así como t oda s las se c ue nc ia s de e ve nt os estén pre se nt e s explícitamente e n el modelo e n t odo m om e nt o. De e st e m odo, también sería de se a ble suprim ir e n e st os m ode los a spectos de su descripción que son irre le va nt e s e n un c ont e x t o particular. Esto pue de c onse guirse m e dia nt e la internalización de e ve nt os (e ve nt internalization), u observación pa rc ia l, que c onduc e a l no-de t e rm inism o e n el c om port a m ie nt o de l proc e so, (e n e l se nt ido de la teoría de autómatas) y en la inadecuación de los le ngua je s form a le s c om o m ode los de c om port a miento. U n a spe c t o a dic iona l de m ode la do e fe c t ivo e s la posibilida d de construir una descripción de l proc e so a pa rt ir de c om pone nt e s individuales, introduciendo así c om o un e le m e nt o int e gra l de l m a rc o de m ode la do, la modularidad y la jerarquía. También, pa ra obt e ne r una he rra m ie nt a de descripción e fe c t iva , e s im port a nt e t e ne r la c a pa c ida d de de sc ribir el c om portamiento de form a re c ursiva . Fina lm e nt e , pue st o que t odos los módulos del proc e so de be n ¡nteraccionar y sinc roniza rse c orre c t a m e nt e cuando actúan e n pa ra le lo, de be n se r form ula dos m e c a nism os c onve nie nt e s para a comunicación y la interacción e nt re e st os subproc e sos. Re c ie nt e m e nt e Ra m a dge y W o n h a m inic ia ron un e sfue rzo pionero desarrollando una teoría de c ont rol de proc e sos de e ve nt os disc re t os de ntro del m a rc o de máquinas de e st a do y le ngua je s form a le s. En su marco, todos los e ve nt os s o n espontáneos y ge ne ra dos por e l proc e so. Algunos de los e ve nt os, de nom ina dos e ve nt os c ont rola ble s, pose e n un mecanismo de deshabilitación a c c e sible a l e nt orno; y e l proble m a del c ont rol e s int e ""actuar de form a c onve nie nt e c on e l proc e so, m e dia nt e la deshabilitación de los e ve nt os c ont rola ble s, ha st a c onfina r su c om port a m ie nt o dentro de nos límites e spe c ific a dos. El m e c a nism o e x a m ina do e n e l t ra ba jo de Ra Wonha m u
UPV-CFP
195
Robóttca y
Automática
(fe e dba c k c ont rol) y consiste en cierto mapeo entre el proceso bajo consi deración y un supervisor form ula do c onve nie nt e m e nt e . El comportamiento del proc e so e s m ode la do por su lenguaje, es decir, por el conjunto de cade na s de e ve nt os que e l proceso puede generar. V a ria s cuestiones teóricas de c ont rol, t a le s como: c ont rola bilida d, obse rva bilida d, control descent ra liza do y c ont rol jerárquico y estabilización; así c om o cuestiones tales c om o c om ple jida d c om put a c iona l y ot ra s se e st udia ron e n e l marco de Ra m a dge y Wonha m . Su investigación t uvo un profundo impacto entre la c om unida d inve st iga dora y generó un c re c ie nt e interés e n e l control de proc e sos de e ve nt os disc re t os, c om o se e vide nc ia e n e l aumento de las c ont ribuc ione s de investigación sobre la m a t e ria . La im port a nc ia de l de sa rrollo de un m a rc o para e l m ode la do, especificación, verificación y síntesis de proc e sos de e ve nt os disc re t os, con particular énfasis sobre sist e m a s a ut om a t iza dos de producción, sistemas operativos de c om put a dore s, m a ne jo de ba se s de da t os, progra m a s concurrentes y computación dist ribuida , ha sido re c onoc ida e n la comunidad científica de sde hace una década; y una e x t e nsa y dive rsa literatura se ha de sa rrolla do sobre esta m a t e ria .
6.3. Ejemplos
típicos
de sistemas
de eventos
discretos
En los siguie nt e s a pa rt a dos pa sa m os a de sc ribir a lgunos ejemplos de sist e m a s que por su na t ura le za se c onst it uye n e n e je m plos clásicos de sist e m a s de e ve nt os disc re t os.
6 .3 .1 . Sist e m a s de c ola s Algunos de los sist e m a s que de form a c ot idia na e nc ont ra m os en nue st ra a c t ivida d pue de n se r c la sific a dos de form a inequívoca como un sist e m a de c ola s. Por e je m plo, e n m uc hos sist e m a s de dic a dos a ofrecer un se rvic io a una se rie de c lie nt e s: U na e nt ida d ba nc a ria , una oficina de la administración, e t c ., c uya característica princ ipa l e s la e x ist e nc ia de un re c urso, que ofre c e un se rvic io a unos c lie nt e s y que , e n la medida que el t ie m po m e dio de se rvic io e x c e da a la fre c ue nc ia de llegada de nuevos c lie nt e s, provocará una acumulación de los m ism os form a ndo una cola. Ot ros sist e m a s más próximos a nue st ro interés, t a le s como un sistema de fabricación int e gra do donde una se rie de líneas t ra nsfe r interconectada s, re a liza n e l e nc a m ina m ie nt o de un flujo de piezas de material en bru
196
UPV-CFP
5^H 1 ¿£ Í ^
Herramientas de Modelado
, esperan e ve nt ua lm e nt e e n a lm a c e ne s a la entrada y salida de los puntos (maquinas) de m e c a niza do, t ra t a m ie nt o o procesado e
pe igual m a ne ra un sist e m a que implementa el tráfico de mensajes de red telefon.ca o de c om put a dore s puede ser descrita mediante modelos de colas. u n a
Teniendo e n c ue nt a las características de sc rit a s anteriormente en un sistema de c ola s se de nom ina : Cola: Al disposit ivo donde realiza la e spe ra e l cliente. Servidor. Es e l re c urso que re a liza e l servicio a l c lie nt e .
El gráfico de la Figura 6 .1 3 , de sc ribe el m ode lo más elemental de un sistema de c ola .
COLA SERVIDOR Llegada clientes
Salida dientes
Figura 6.13. Sistema elemental de cola
El círculo re pre se nt a e l se rvidor, y la c a ja a bie rt a que le precede es la cola. Las ra nura s re pre se nt a da s e n la c ola da n idea del número de clientes que están en e spe ra . Precisamente por e l m ot ivo de que los re c ursos no sue le n ser ilimitados, se identificará a un se rvidor c om o un "bloque de retardo" que retiene a i cliente dura nt e su t ie m po de se rvic io. U r
a r a la descripción c on m a yor de t a lle de un sist e m a de cola, definiréi s otra serie de c onc e pt os a sa be r: p
• Ca pa c ida d de la c ola : e s el máximo número de clientes que puede n se r a c om oda dos e n el e spa c io de c ola . • Disc iplina de c ola : e s la regla que se a plic a para la selección del próximo c lie nt e e n c ola que ha de ser servido. Una de estas glas e s la FI FO (first input first out put ) que establece que ei prim e ro que lle ga e s el que ha de ser servido. 197
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3e ía cola Entonces, e l espacio de e st a dos es e l c on,unt o d e los e nt e ros no negativos X = { O, 1 , 2 ; . . . }. Finalmente hay que tener en c ue nt a que de bido a la dist int a na t ura le za que podemos encontrar en los sist e m a s y, por t a nt o, e n la s ne c e sida de s de implementación de modelos dist int os, e s fa c t ible la conexión de una cola simple a múltiples se rvidore s, o un único se rvidor a va ria s c ola s, e incluso combinaciones de lo anterior.
0 Figura 6.14. Sistema de cola con múltiples
servidores
6.3.2. Sist e m a s de c om put a dore s.
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UPV-CFP
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de Modelado
m e nudo fue ra c onve nie nt e representar tales sistemas mediante descrito anterior¬ t e . Un e je m plo de la configuración más común de un sistema de c om putador se m ue st ra e n la Figura 6 .1 5 . En este sist e m a , los trabajos llegan l la cola de la CPU . U na ve z se rvidos por la CPU , o bien se marchan del sistema o bie n pide n a c c e so a uno de los dos discos. Después, regresan para recibir un post e rior se rvic io e n la CPU . s i
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la cola >Pta el os ^turaie. ecesidadej de s colas,
El c onjunt o de suc e sos e n e l e je m plo de la Figura 6.15 suele constar de unas lle ga da s y una s sa lida s a los dive rsos servidores. En particular,
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E = {a , d, rl, r2, di, d2)
donde: a e s una lle ga da proc e de nt e de l m undo exterior a l sistema del computador, d e s una sa lida de sde la CPU ha c ia el m undo exterior, r1 y r2 son las sa lida s de sde la CPU que se dirige n a los discos 1 y 2 respectivamente y fina lm e nt e , d1y d2 son la s sa lida s de sde los discos 1 y 2 respectivamente, que sie m pre vue lve n a la c ola de la CPU . Una representación de e st a dos posible de este sist e m a consistiría en un vector X =
{XQPU
t
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correspondiente a la s t re s longit ude s de c ola : de la CPU y de los discos 1 y 2. En este c a so, e l e spa c io de e st a dos sería X=
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Llegadas de ordenes
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Salidas de ordenes
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6.15. Modelo de colas de un sistema de computador.
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6 .3 .3 . S i s t e m a s d e comunicación. Los c lie nt e s de un sist e m a de comunicación s o n los m e nsa je s, pa que t e s o lla m a da s (c om o e n una re d telefónica). U n m e nsa je e s ge ne ra do típicamente por un usua rio ubic a do e n a lguna "fue nt e " y c uyo obje t ivo es el de a lc a nza r a algún ot ro usua rio ubic a do e n un "de st ino". A m e nudo, la conexión e nt re la fue nt e y e l de st ino no e s dire c t a , sino que va a través de uno o más punt os int e rm e dios. Pa ra q u e los m e nsa je s via je n de sde la fue nt e a l de st ino, de be n t e ne r a c c e so a los dive rsos se rvidore s, que en e st e c a so son e quipos de c one x iona do t a le s c om o int e rrupt ore s sim ple s de teléfono o proc e sa dore s de c om put a dor ba st a nt e sofist ic a dos, así como también m e dios de comunicación t a le s c om o e l c a ble o la ra dio. Los m ode los de c ola s, a lgunos de e llos ba st a nt e pa re c idos a los d e la Figura 6.15, son ut iliza dos fre c ue nt e m e nt e pa ra de sc ribir la operación de t a le s sist e mas. Un a spe c t o im port a nt e de los sist e m a s d e comunicación e s la ne c e sidad de m e c a nism os de c ont rol, que a se gure n que e l a c c e so a los se rvidores se ot orgue basándose e n un c rit e rio j u s t o y e fic ie nt e , y que se logren los obje t ivos de l proc e so de comunicación (e s de c ir, un m e nsa je e s e nt re gado a su de st ino e x it osa m e nt e ). Est os m e c a nism os de c ont rol, a los que en oc a sione s se le s ha c e re fe re nc ia c om o prot oc olos, pue de n se r bastante c om ple jos. Así, su diseño y e l proc e so de c om proba r que func iona n de sa rrollando a que llo pa ra lo que ha n sido de st ina dos, pla nt e a n proble m a s de ve rda de ro desafío. Com o e je m plo c onside re m os dos usua rios A y B, a m bos c om pa rt ie ndo un m e dio de comunicación común, a l que de nom ina re m os c a na l. El canal sólo es c a pa z de se rvir a uno de los usua rios e n un inst a nt e da do. Así, si B envía un m e nsa je al c a na l m ie nt ra s que A lo está ut iliza ndo, e l resultado es una señal a c um ula da inint e ligible y, por lo t a nt o, no se t ra nsm it e ningún m e nsa je c on éxito. Esto e s lo que se c onoc e c om o una colisión. A continuación, el c a na l pue de e st a r e n uno de los t re s e st a dos siguie nt e s: • • •
/ paro T t ra nsm it ie ndo un m e nsa je C t ra nsm it ie ndo dos o más m e nsa je s que provoc a n una colisión.
De m odo similar, c a da usua rio pue de e st a r e n uno de los tres estados siguie nt e s: •
0
/ paro T t ra nsm it ie ndo W e n e spe ra para t ra nsm it ir un m e nsa je e x ist e nt e . UPV-CFP
Ahora nos e nc ont ra m os c on dos proble m a s. En primer lugar, cada usuario de sc onoc e e l e st a do de l otro y, e n se gundo lugar, los usuarios pueden de sc onoc e r el e st a do de l c a na l (o pue de n ser c a pa c e s de de t e c t a r un único e st a do). Se pue de ve r que la posibilida d de c olisione s continuas está presente e n e st e pla nt e a m ie nt o, a m e nos que los usuarios ope re n basándose e n un c onjunt o de re gla s que ga ra nt ic e n, por lo m e nos, algún éxito en e st e proc e so. Los suc e sos que c onduc e n a e st os sist e m a s son las lle ga da s de m e nsajes para se r t ra nsm it idos, t a nt o de l usua rio A c om o de l B, las acciones de A y B de e nvia r un m e nsa je a l c a na l para su post e rior transmisión y la finalización de una transmisión por e l c a na l. Así, pode m os de finir un e spa cio de e st a dos X= {(X
,X
CH
A
,
X ): X B
CH
e {/, T,
C},
X e A
{/,
T, W), X e B
{/,
T, W)}
y un c onjunt o de suc e sos e = {a , a , r , r , B
A
A
B
T H} C
donde: a y a son la s lle ga da s de m e nsa je s pa ra se r t ra nsm it ida s por A y B re spe c t iva m e nt e ; r y r son los suc e sos de e nvia r un m e nsa je al c a na l por A y por B re spe c t iva m e nt e ; y T H e s la finalización de una transmisión por un c a na l (c on uno o más m e nsa je s pre se nt e s). A
B
A
B
C
6.3.4. Sist e m a s de fabricación. Los c lie nt e s de un proc e so de fabricación son las pie za s o e le m e nt os de la producción. Las pie za s c om pit e n por e l a c c e so a dive rsos servidores que, en el c a so específico de una fábrica, son las máquinas que de se m pe ñan ope ra c ione s específicas; y los disposit ivos de manipulación de m a t e rial tales c om o robot s y c int a s t ra nsport a dora s. Cua ndo no se está t ra ba ja ndo sobre las pie za s, se a c um ula n en a lm a cenes hasta que e l se rvidor re que rido para la próxima operación esté disponible. A c a usa de la s lim it a c ione s físicas re a le s, los a lm a c e ne s e n un sistema de fabricación sue le n dispone r de c a pa c ida de s finitas.
UPV-CFP
201
Robot ¡ca y
Automática
Figura 6.16. Modelo de colas de un sistema de fabricación.
Una vez más, los m ode los de c ola s proporc iona n una e st ruc t ura conve nie nt e para describir e st os sist e m a s de fabricación. U n e je m plo simple se muestra en la Figura 6.16. Las pie za s a t ra vie sa n dos máquinas, donde la c a pa c ida d de l almacén sit ua do e nfre nt e de la se gunda máquina está limitada a 2 . En c onse c ue nc ia , e s posible que una pie za que complete el servicio en la máquina 1 e nc ue nt re que la máquina 2 está oc upa da , y que ambos a lm a c e ne s estén lle nos. En e st e c a so, la pie za e n cuestión debe permanecer e n la máquina 1 inc luso a unque no re quie ra ningún servicio más allí; además, las ot ra s pie za s que e spe ra n pa ra a c c e de r a la máquina 1 se ven obliga da s a pe rm a ne c e r e n la c ola . Est a situación e s denominada como bloqueo. El c onjunt o de suc e sos pa ra e st e e je m plo sería E = {a , d, d2} donde: a es una lle ga da de sde el m undo e x t e rior a la prim e ra máquina; d es la conclusión de un se rvic io e n la prim e ra máquina; y 62 re pre se nt a una salida de sde la se gunda máquina. Nótese que la oc urre nc ia de l suc e so c1 no im plic a m ovim ie nt o de ninguna pieza de sde la máquina 1 ha c ia el almacén post e rior, ya que existe la posibilida d de l bloque o. El e st a do de l sist e m a pue de de finirse como un ve c t or x = [XI, X2\ c orre spondie nt e a la s longit ude s de c ola pre se nt e s en a m ba s máquinas. En e st e c a so, X 2 s e lim it a a los va lore s {0 , 1 , 2 , 3}. Nót e se sin e m ba rgo, que c ua ndo X2 = 3 , la máquina 1 pue de o bien quedar bloque a da , o bie n pe rm a ne c e r sirvie ndo a una de las pie za s. Pa ra modelar el fenómeno de l bloque o, int roduc im os un va lor a dic iona l B, que X2 puede t om a r. Así, X2 = B signific a que la longit ud de la c ola e n la se gunda máquina e s 3 y una pie za está bloque a da e n la prim e ra máquina. El espacio de e st a dos se c onvie rt e e nt onc e s e n el c onjunt o disc re t o J
X={(X1,
202
X2)\ X1 > 0 , X2e {0 , 1 , 2 , 3 , B}}.
UPV-CFP
N
Sistemas
de Eventos
Discretos:
Herramientas de
p a ilustrar la fle x ibilida d del proc e so de m ode la do (de pe ndie ndo de l l de detalle que de se e m os alcanzar y del tipo de símbolos que ne c e sitemos emplear), cabe observar que un e spa c io de e st a dos a lt e rna t ivo poa r
j v e
dría ser br
X = {(X1,X2)
>cació
n
e st ru
, n a
: X1 e {/, W, £}, X2 e {/, W)}
(/), t ra ba ja ndo (W) quina : pa ra da (/) c
donde: X1 es el estado de k
Un e j e r c í V > rná trabajando (W). En este m ooe iu, no inve suya rnos e x pnc iia m e nie las longi' QUinas ^ tudes de c ola , sino que sólo e st a m os int e re sa dos e n el e st a do "lógico" de áquina .' cada máquina. 0
e n
b l o q u e o
X
( a ) ;
2
e
s
e
)
a
m
f
ocupada, y ! e n cuestión ¿
t a
der ^ ' a la máquH íc >n e s denomina:; a
, n
n
Se nflC
6.3.5. Sist e m a s de tráfico. > vehículos ha c e n uso de se rvidore s tales como semáforos, señales y e l e spa c io físico sobre la s c a rre t e ra s. Com o ejemplo, c onside re m os cómo podría ve rse una intersección e n T simple (Figura 6.17.), c om o un sist e m a de e ve nt os disc re t os. Hay c ua t ro de tipos de vehículos: E n
u n
e n t o r n o
d e
t r á n s i t 0
, o s
3
l e r a máquina;d 2 representa una
1
LU Z
• T
c i m i e n t o de
2
, y a que existe U n i r s e com°J
Figura 6.17. Una intersección simple controlada por un semáforo.
le o b i e n ¿ , 3
nilfi
A¿
se gu esp
(1 , 2 ) los vehículos prove nie nt e s de sde el punt o 1 gira ndo a la de re cha hacia 2 , (1 , 3) los vehículos prove nie nt e s de sde 1 y gira ndo a la izquierda ha cia 3 , (2, 3) los vehículos que va n rectos de sde 2 hacia 3, y (3, 2) los vehículos que va n rectos de sde 3 hacia 2. UPV-CFP
203
Robótica y Automática
vue lve rojo pa ra los ve hic u«. • «» v«n,cuEl semáforo se coloca de form a que , o se vue've i « k * f 1 f v i l 1 3 1 íverde para los vehículos (2, 3 ) y (3, 2 )], o se vue lve verde ^ ¿ i S ^ T i y d . 3) [rojo para los vehículos (2 , 3 ) y (3 , 2 )]. J U
2
En este caso, e l conjunto de suc e sos sería E = {a12,a13,
a23, a32, d12, d13, d23, d32, g, r}
tas
a13 a23 a32 son la lle ga da de un vehículo pa ra c a da uno de £ cuat r er os?¡¡2¡ d13, d23, 632 son la sa lida de un vehículo una vez aclarada la intersección para c a da uno de los t ipos; g e s e l semáforo verde para los vehículos ( 1 , 2 ) y ( 1 , 3 ) y r e s e l semáforo rojo pa ra los vehículos HnnHP-
al2
(1 ,2 ) y (1 ,3 ).
1
.trans^
arce Los forma ? ser
ebera :
Un espacio de e st a dos posible estaría de finido por la s longit ude s de cola formadas por los c ua t ro t ipos de vehículos y e l propio e st a do de l semáforo; esto es, X={(X12,
De una
X13, X23, X32, y): X12, X13, X23, X32 > 0, y e {6 , R}}.
r
donde: X12, X13, X23, y X32 son las c ua t ro longit ude s de c ola ; y la va ria ble y es el estado de la luz [G de not a ve rde pa ra los vehículos ( 1 , 2) y (1 , 3) y R denota rojo para los vehículos ( 1 , 2 ) y ( 1 , 3 )].
jonde
P T A
6.4. Introducción
a las redes de
Petri
w
A principios de la década de los se se nt a , e l matemático alemán Cari Ada m Petri, propuso la definición de un nue vo form a lism o pa ra re pre se nt a ción y el m ode la do de sist e m a s e n los que c onc urre n c ondic ione s y e ve ntos. En su honor, e st e nue vo form a lism o ha re c ibido la denominación de Redes de Petri, m e dia nt e las c ua le s e s posible , e nt re ot ros, e l modelado de sistemas t a le s c om o sist e m a s a ut om a t iza dos y re de s de c om put a dora s. En el contexto de nue st ro interés, la automática, e st e nue vo form a lism o se ha visto e spe c ia lm e nt e a de c ua do pa ra e l m ode la do d e los a lgorit m os a im ple m e nt a r en los c ont rola dore s lógicos progra m a ble s, los c ua le s se han c onst it uido en piezas indispe nsa ble s de los m ode rnos sist e m a s de producción a ut om a t iza dos, junt o c on los robot s y los vehículos a ut oguia dos.
6.4.1. Definiciones de las redes de Petri Una Re d de Pe t ri, (RdP e n a de la nt e ), e s un gra fo orie nt a do formado por e le m e nt os de nom ina dos luga re s, la s t ra nsic ione s, y los a rc os. Cada 204
i
UPV-CFP
Para,
Se 3
Sistemas
es .2
i
tfi
K
a d a
^c u l o • má f o r o ra los v S e
' gitüdes
s
Discretos:
Herramientas
on
}
estado ce
uno de e st os e le m e nt os re pre se nt a n c onc e pt os dife re nt e s. Los luga re s se representan m e dia nt e círculos y, e n una prim e ra definición sin excesivo rigor y de una m a ne ra int uit iva , re pre se nt a n e sa fa se "estable" por la que atraviesa el sist e m a e nt re dos "sucesos" c onse c ut ivos que a c ont e c e n en el sistema. La s e t a pa s lle va n a soc ia do el c onc e pt o de m a rc a do que c om e nt a remos más a de la nt e . Las t ra nsic ione s se re pre se nt a n por se gm e nt os de recta, los cuales llevan a soc ia dos los e ve nt os, c uya activación, de be provoc a r el disparo de la transición y por e nde e l m a rc a do de uno o más luga re s siguie nt e s. Los a rc os, son se gm e nt os orie nt a dos que une n lugares y transiciones de form a a lt e rna t iva . Ca da a rc o, lleva a soc ia do una función de peso w . que deberá se r un e nt e ro posit ivo {0 , 1, 2 , } De una m a ne ra form a l, una re d de Petri es una c ua drupla (P. T , A. w )
O, y E {G
cola; y lava hículos (1,2
donde P
es un c onjunt o finit o de luga re s
T
es un c onjunt o finito de t ra nsic ione s
A w
e s un c onjunt o de a rc os es una función de pe so, w : A -» {1 , 2, 3,
alemán» co a ra re posic ione s y
Lugar
nomi s, e tac: > comP ) forma l' ':/
4
Arco
ü
5
) S
5
a ig° cua
n
Transición
do* T
Figura 6.18. Lugar, arco y transición
os
*°
de Modelada
>5-
) y (7 ?.*
h °
de Eventos
Á
UPV-CFP
}
6.4.1.1. Lugares de entrada y salida U n luga r se de nom ina de e nt ra da a u n a transición, si e x ist e un arco orie nt a do de sde e l luga r ha st a la c it a da transición. De la m ism a m a ne ra , un luga r se de nom ina d e sa lida de una transición, si e x ist e un a rc o orie nt a do de sde la transición a dic ho luga r.
A
Luga re s de e nt ra da
T
T
• A
Figura 6.19. Lugares
L u g a r e s d e sa lida
de entrada y de salida
6.4.1.2. Tipos de Nodos de las RdP
Pa ra la representación gráfica de los c onc e pt os de c onc urre nc ia , sinc ronism o, exclusión de se c ue nc ia s y ot ros, q u e t ra t a re m os c on mayor profundida d más a de la nt e , la s RdP pose e n dist int os t ipos de nodos m e dia nt e los que se c onvie ne dic ha representación. Un luga r que pose e va ria s a rc os de e nt ra da y/o va rios a rc os de salida se de nom ina nodo OR. Pue de n pre se nt a rse d o s c a sos pa rt ic ula re s: Es a que l nodo OR q u e únicamente pose e un arco de e nt ra da y va rios de sa lida . Nodo de Selección:
Es a que l nodo OR q u e únicamente pose e un arco de e nt ra da y va rios de sa lida . Nodo de Atribución:
U na transición que pose e va rios a rc os de e nt ra da y/o sa lida se denom ina nodo AND. Al igua l que e n e l c a so a nt e rior, se pre se nt a n dos casos pa rt ic ula re s.
206
UPV-CFP
Nodo de Distribución:
entrada.
>
Es a que l nodo AN D que pre se nt a un único arco de v v
Modo de Conjunción:
Es a que l nodo AN D que pre se nt a un único arco de
salida.
*"i *
i
i
tIIIII
T
i
•
1 •
•
a) N u d o O
b) Selección
c) Atribución
9I I »l i
f I I I *I
•
d) N u d o Y
e) Distribución
f) Conjunción
Figura 6.20. Tipos de nodos
6.4.1.3. Redes
de Petri ordinarias y
generalizadas
Re de s de Pe t ri ordina ria s, son a que lla s e n las que los pe sos a soc ia dos a los a rc os t om a n c om o máximo un va lor 1 , e s decir, w e {0 , 1}. La representación gráfica de e st e t ipo de RdP, que da e st a ble c ida con solo representar e l a rc o e n cuestión sin ningún ot ro t ipo de notación (véase Figura 6 .1 9 .) Por ot ra pa rt e , la s RdP ge ne ra liza da s, son a que lla s que pueden po> 1 . En este c a so, su re pre se nt a w seer a rc os c uya función de pe so se a r o n gráfica deberá re fle ja r específicamente su pe so, bien mediante un t e r o junt o a un se gm e nt o que a t ra vie sa e l a rc o c orre spondie nt e , o bien en
UPV-CFP
207
únicamente con un número de se gm e nt os idéntico al pe so de l arco c orr . pendiente. es
I *
A
Y
Figura 6.21. Red de Petri
generalizada
6.4.1.4. Marcado de una red de Petri
Ca da lugar pe rt e ne c ie nt e a una RdP pue de c ont e ne r un número entero positivo, no ne c e sa ria m e nt e lim it a do de m a rc a s, re pre se nt a da s por un punto e n el interior de l círculo re pre se nt a t ivo de c a da lugar. En la Fig. 6.22., se obse rva que el luga r 1 pose e una m a rc a . Al c onjunt o de marcas de una RdP, e n un inst a nt e c onside ra do, se le de nom ina marcado de una RdP.
\ •
T3
v
•
_T 4 T1
P2
* P4
P3
;
V«
"T 2
Figura 6.22. Ejemplo del marcado de una RdP
208
U PV -CfP
Sistemas de Eventos Discretos: Herramientas de Modelado
6.4.1.5.
Disparo de una transición
Para que una transición pue da dispa ra rse , he c ho que se a soc ia a l fra nque a m ie nt o de dic ha transición, ha de e st a r va lida da ; e s decir, el lugar o lugares de e nt ra da a dic ha transición ha n de pose e r al m e nos una marca en las RdP ordina ria s, y un número idéntico a l de l pe so del a rc o de salida en las RdP ge ne ra liza da s. El dispa ro de la transición se produc e c ua ndo estando va lida da , a c ont e zc a e l e ve nt o a soc ia do a dic ha transición, con lo cual deberá quit a rse una m a rc a de c a da uno de los luga re s de entrada a la transición, y añadirse una m a rc a a c a da uno de los luga re s de sa lida de la misma (c a so de la s RdP ordina ria s). Si la RdP e s ge ne ra liza da el número de m a rc a s, que se quit a n de los luga re s de e nt ra da y se pone n en los luga res de sa lida , ha n de c oinc idir c on los pe sos de los a rc os de e nt ra da y sa lida re spe c t iva m e nt e . En la Fig. 6 .2 3 ., se c ont e m pla n dist int os c a sos e n el disparo de una transición.
Figura 6.23. Varios casos de disparo de una transición
6
-4 .7 .6 . 77pos de Redes
de Petri
Cua ndo los inst a nt e s de dispa ro de una RdP no se indican o se de sconocen, se dice que dic ha RdP es una red de Petri autónoma. Cuando a evolución de un sist e m a vie ne de t e rm ina do por eventos externos o por la variable t ie m po, se dice que dicha RdP es no-autónoma. Las RdP noautónomas, a su vez, pue de n ser sinc roniza da s y/o temporizadas.
U PV -C F P
209
Robótica y Automática
,[5
Para el estudio de las propiedades de carácter cualitativo de las RdP, utilizaremos las RdP autónomas, haciendo e x t e nsiva s dic ha s cualidades en el estudio posterior de las RdP no-autónomas.
c i ó " U3
6.4.2. Propiedades de las redes de Pe t ri
finir® de ción
6.4.2.1. El marcado
El marcado de una RdP representa los luga re s de la re d, que e n un instante considerado, poseen una o más m a rc a s. De una m a ne ra form a l, el marcado de la RdP se representa m e dia nt e un ve c t or c olum na , a unque , por motivos de simplicidad e n la notación, se utiliza usua lm e nt e su form a transpuesta. La expresión c orre spondie nt e a la Fig.6 .2 2 .
0
0
0
0
Of
la de
can \jector 5e
a la *
e c u
e n
'
$ o orden e r
, 622. al t ie m a c ione s i m :• ;t¡co S de dic • rente j , c om
1 M = (1,0,0,0) = [ l
fu
o
I
.-irado.
o Para el marcado M que e st a m os c onside ra ndo, únicamente la t ra nsición T i está validada; por t a nt o e s la única susc e pt ible de se r dispa ra da . E disparo de esta transición, pa rt ie ndo de l m a rc a do inic ia l M , c onduc e a marcado M i.
sel ejemplo de
0
§ =( 2 , 1 , 1
0
La notación form a l de lo a nt e rior e s:
: ¡ l
^riz
de
ln
Mo p"i> M i =(0, 1 , 1 , 0 )
' ¡nciden<
r 2d e
rán T oa rt irdP
r
?.
a l i z a d 0
V
T 4
e l
d
's p a r o que e st a m os c onside ra ndo, pe rm a ne c e > Produc irse un nue vo dispa ro a
p u d i e n d o
a
s u
v e z
M i [T > M = (0 , 0, 1 , 1) 2
% 2 de
2
0
d
e 10,
sición T
M-, [T > M = ( 1 , 1 , 0 , 0 ) 4
,
L a a n t e r i o r
3
"o ^ i ó n , también pue de ut iliza rse inc luye ndo una se c ue n-
ir
Z J n n °' n a transición. La notación para una se c ue nc ia de dispa ro se e st a ble c e c om o: , S P a r
d e
P U 6 d e
V e r s e
a f e c t a d a
m
á
s
d e
u
i r i
S= T, 12 210
UPV-CFP
ci
d
Sistemas de Eventos Discretos: Herramientas de M
o 3$
y el m a rc a do a lc a nza ble , de sde un m a rc a do inicial, a plic a ndo la c it a da s e cuencia Mo [S> M
2
6.4.3. Ecuación f u n d a m e n t a l de la s re de s de Pe t ri De finire m os pre via m e nt e una se rie de c onc e pt os ne c e sa rios, para la resolución de la de nom ina da ecuación funda m e nt a l de las RdP. ne r
^ forma' ;
. aun, t e su C
m n a
e n
6.4.3.1. Vector
característico
Sea la se c ue nc ia de dispa ro S = T T T T , donde obse rva m os un d e terminado orde n e n e l dispa ro de las t ra nsic ione s im plic a da s e n la RdP de la Fig. 6 .2 2 . a l t ie m po que se obse rva e l número de ve c e s que se dispa ra n las t ra nsic ione s im plic a da s e n dic ha se c ue nc ia . Se de nom ina ve c t or c a racterístico S de dic ha se c ue nc ia de dispa ro, al ve c t or m -c om pone nt e cuyo componente j , c orre sponde a l número de ve c e s que la transición Tj se ha disparado. 1
2
3
2
Para el e je m plo de la Fig. 6 .2 2 . e l ve c t or característico c orre spondie nt e es le n t e la K» r dispara* 4 , c°
S = (2 , 1 , 1 , 0 )
nduts
6.4.3.2. Matriz de
Incidencia
Matriz de inc ide nc ia de e nt ra da : Ca da uno de los e le m e nt os de la m a t riz de inc ide nc ia de e nt ra da de n a RdP, inform a de l va lor de la aplicación de inc ide nc ia previa del lugar m a la transición T n, lo c ua l, implícitamente, inform a de la existencia de arco de e nt ra da de sde e l luga r a la transición, así como del peso de dicho arco. La m a t riz de inc ide nc ia previa se re pre se nt a por
u
p
w Matriz de inc ide nc ia de sa lida : Á
AO l * *
ido^
V
Cada uno de los e le m e nt os de la m a t riz de incidencia de salida de una P , informa del va lor de la aplicación de incidencia de salida de la transía n Tn al lugar Pm , lo c ua l, implícitamente, informa de la existencia de un
Rc j
UPV-CFP
211
Roóótfca y Automática
arco de salida desde la transición al lugar, así c om o de l pe so de dicho arco. La matriz de incidencia de salida se representa por w La matriz de incidencia de una RdP, c uya expresión vie ne da da por W =w -w +
da idea del balance final en el número de m a rc a s que se produc e e n los lugares de la misma, cuando se realiza el dispa ro de la s t ra nsic ione s implicadas. Específicamente, una c olum na de la m a t riz de inc ide nc ia muestra la modificación que se produce e n t odos los luga re s de la RdP, por el disparo de la transición correspondiente. Dado un marcado inicial M i, una se c ue nc ia de dispa ro representada por su vector característico c orre spondie nt e S, y una de t e rm ina da matriz de incidencia W, es posible c onoc e r e l m a rc a do a lc a nza ble de una RdP, mediante simples operaciones de cálculo m a t ric ia l, re solvie ndo la siguiente expresión: M =M i+W. S f
Veamos el ejemplo de la Fig. 6 .2 4 .
Figura 6.24. Ejemplo
212
UPV-CFP
¿e Perr/ viva
5 4.5.5.
n
e
da da
Produc e
Por
e p
,
muest Por e l c/ispa-
1
m
El c onc e pt o de viva c ida d de una RdP e s sum a m e nt e im port a nt e , désele el m om e nt o e n que el m ode lo de RdP que pre se nt e esta propie da d y que represente a un sist e m a en pa rt ic ula r, por e je m plo un a ut om a t ism o, va a suponer que éste no presentará bloque os e st ruc t ura le s e n su diseño' Lo contrario, e s de c ir, c ua ndo e l m ode lo re pre se nt a t ivo del sist e m a presenta transiciones que no pue de n ser dispa ra da s a partir de un c ie rt o m om e nt o, supone la e x ist e nc ia de l c onc e pt o de bloque o. Una definición form a l de lo a nt e rior e x pone que : una transición T es viva, para un m a rc a do inicial M , si pa ra c a da m a rc a do a lc a nza ble M, existe una se c ue nc ia de dispa ro S. de sde M , que c ont e nga a T¡. 0
representa* ' n a d a marde una RQP 'a siguiere
VIVA
RdP NO WA T.
á o
P. T.
T,
f
P
Figura 6.25. RdP viva y RdP no-viva
6.4.3.4. Red de Petri limitada
Para un m a rc a do inic ia l, un luga r se de nom ina lim it a do si existe un entero na t ura l k, t a l que , pa ra c ua lquie r m a rc a do a lc a nza ble desde M , el número de m a rc a s no e s m a yor que k. Si lo a nt e rior se c um ple , se dice M; 0
1
S|
IX
I I I I I I k W4
m
I I
• 1
•
•• • • *
todos los luga re s son lim it a dos pa ra M . 0
Un c a so pa rt ic ula r de las RdP lim it a da s son a que lla s que únicamente Poseen una m a rc a . En t a l c a so e st e t ipo de RdP re c ibe n el nombre de bir r i a s . Este t ipo e spe c ia l de RdP bina ria s y sus de riva dos, tales como el a f c e t , m e re c e n atención e spe c ia l pue st o que su uso se ha generalizado el diseño de a ut om a t ism os ba sa dos e n Autómatas Programables. a l '9ual que en lógica c a ble a da m e dia nt e módulos se c ue nc ia dore s. Gr
e n
U P V -C F P
213
Robot¡ca y Automática
RdP NO BINARIA
Figura 6.26. Red de Petri no binaria
6.4.3.5. Red de Petri conforme
Para un m a rc a do inicial M da do, se dic e que una RdP e s conforme si es bina ria y viva . 0
RdP CONFORME
Figura 6.27. Red de Petri conforme
214
UPV-CFP
6.4.4. A r c o s i n h i b i d o r e s Los a rc os inhibidore s son a rc os dirigidos que unen exclusivamente lugares c on t ra nsic ione s. En e l e x t re m o de l a rc o junto T í a t ™ T — i 6.28.) se c oloc a un pequeño círculo para d e n
(
F
innib
n
d e
En el e je m plo de la Fig. 6 .2 8 ., la validación de la transición se dará en el caso c. \ P2
pf.
P1 *
P2
TI
•
P3 I
HO VALIDADA
NO VALIDADA
y .
/
P2
«'
P1<
T1
TI
; P2
SE Y
P3
P3'
ANTES D a DISPARO
•
DESPUES DEL DISPARO
Figura 6.28. Arco inhibidor
6.4.5. M a r c a d o i n v a r i a n t e De nom ina re m os un m a rc a do inva ria nt e , o sim ple m e nt e invariante de una RdP, q u e de nom ina re m os R, que t ie ne a soc ia do un subconjunto de lugares P ' e P y un ve c t or de ponderación ( q q i , - . . . Ch.)' y ° " mentos pe rt e ne c e n a los números e nt e ros posit ivos de tal forma que: c u
i f
q M (P0 + q M ( P ) . . . + q M (P ) = c onst a nt e .pa ra cada Me M 1
2
2
r
r
s
e , e
0
^^Jf^J
El c onjunt o de luga re s P' e s un c om pone nt e ™ ^ dice c onse rva t iva si y sólo s i , P e s un c om pone nt e Piedad de se r un c om pone nt e c onse rva t ivo e s independjente> del mamado inicial, ésta e s una propie da d e st ruc t ura l de la red. Por otra parte, c
UPV-CFP
o
n
s
e
a
t
i
215
Robóttca y Automática c onst a nt e de l m a rc a do inva ria nt e de pe nde de l m a rc a do inic ia l. En general un c om pone nt e c onse rva t ivo t ie ne un sign.f.c a do fis.c o. Por e je m plo, un , sist e m a está e n un e st a do único e n c a da m om e nt o, o se m a nt ie ne n ••un número de e nt ida de s. u
*
I
6.4.6. Ca pa c ida d de la s RdP e n la representación d e l a s re la c ione s e nt re s u b p r o c e s o s U na de las características más int e re sa nt e s d e la s RdP e s su capacida d de representación gráfica y porm e noriza da , d e los dist int os subsistem a s que c onst it uye n un sist e m a globa l, e n t e n d i e n d o por subsist e m a al c onjunt o de ope ra c ione s e st re c ha m e nt e int e rre la c iona da s lle va da s a cabo pa ra la consecución de un obje t ivo pa rc ia l. Por e je m plo, e l c onjunt o de ope ra c ione s e le m e nt a le s lle va da s a c a bo por u n a máquina de c ont rol numérico, de nt ro de un sist e m a de fabricación a u t o m a t i z a d o . A u n más, las RdP pe rm it e n m ode la r de una m a ne ra m u y e l e g a n t e y le gible la s relaciones e x ist e nt e s e nt re los dive rsos s u b p r o c e s o s e x i s t e n t e s e n un proceso globa l. En los a pa rt a dos siguie nt e s, a b o r d a r e m o s e l m o d e l a d o de los conc e pt os e x ist e nt e s más im port a nt e s.
6.4.6.1.
Secuenciación de tareas
La Fig. 6 .2 9 . pue de re pre se nt a r, d e f o r m a p o r m e n o r i z a d a , la s distintas fa se s (e st a dos) e n la evolución dinámica de l f u n c i o n a m i e n t o d e un subsist e m a , a signa ndo a la s t ra nsic ione s d e e n t r a d a y s a l i d a d e c a da lugar los e ve nt os que de t e rm ine n e l princ ipio y fin d e la s d i s t i n t a s f a s e s , y asignando a c a da una de e lla s (luga re s) la realización d e la s t a r e a s c o n un nivel adec ua do de gra nula rida d.
Pi-1
•
: Pi
T
Pi+1
Figura 6.29. Secuenciación de tareas
216
UPV-CFP
M e dia nt e un nodo de selección, e s posible de t e rm ina r de e nt re t o d o * s posible s, un dispa ro de la transición de e nt ra da de i una de t e rm ina da se c ue nc ia , e x c luye ndo de e st a realización a la s se c ue nc ia i re st a nt e s. Este proc e dim ie nt o p u e d e se r c onve nie nt e ut iliza rlo *c ua ndo, e n un de t e rm ina do sistema, e l c onjunt o de t a re a s a re a liza r de pe nda de la activación de un de t e rm ina do e ve nt o e n e x c lusiva . ¡ 0
G
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0 Sc &
-
T1
T
T2
T
Pj
Pm
: ada, las nt o de un suba j e cad a lugar
i s e s , y asignan: c o n un nivela*
Figura 6.30. Selección de secuencias
6.4.6.3.
Sincronización
Es un c onc e pt o comúnmente ut iliza do c ua ndo se necesita sincronizar ' func iona m ie nt o de dos o más subproc e sos, partiendo de una situación anterior de evolución inde pe ndie nt e . En la Fig. 6 .3 1 . se muestra el modelo e RdP a re pre se nt a r. Cua lquie ra de los dos subproc e sos puede adelant e en la conclusión de la s t a re a s, ya que su evolución ha sido indepénd e t e ha st a e l m om e nt o. El m ode lo pe rm it e una situación de mutua espera, el dispa ro de la transición; por e nde la sincronización se producirá cuando e st a ndo va lida da , m e dia nt e el m a rc a do de los dos lugares de e ncada, suc e da el e ve nt o a soc ia do.
e
d
U PV -CFP
217
Robótica y Automática
T
Y
ir
T
T
zz
11
c) PE simétrico
b) semáforo
a) Pío de encuentro (PE)
•
T
n w
1
T
12 d) PE asimétrico
Figura 6.31. Tipos de sincronizaciones
6.4.6.4.
Concurrencia
Dos o más subproc e sos se de fine n c onc urre nt e s, si su ejecución ocurre virtualmente de m a ne ra simultánea. A pa rt ir de un punt o de sincronismo, la evolución de los subproc e sos im plic a dos transcurrirá de form a independiente unos de ot ros; por lo t a nt o, e n las se c ue nc ia s re spe c t iva s de sus modelos de RdP, pue de n produc irse dispa ros de la s t ra nsic ione s antes, después o incluso simultáneamente c on las de las ot ra s se c ue nc ia s concurrentes. La implementación práctica de la c onc urre nc ia e n los controladores lógicos progra m a ble s im plic a que t odo el código, c orre spondie nt e a las secuencias im plic a da s e n la c onc urre nc ia , se evalúa e n un m ism o ciclo de funcionamiento.
Ts T
Pj
Pk
Figura 6.32. Concurrencia
218
UPV-CFP
Sistemas de Eventos Discretos: Herramientas de ¿4 6.5. Compartición de
recursos
La compartición de re c ursos e s un c onc e pt o que se pla nt e a c ua ndo ¿QS o más subproc e sos c om pa rt e n un único re c urso de l sist e m a . Por ejemplo, una zona de m e m oria común de ejecución de progra m a de subprocesos, o e l robot de c a rga /de sc a rga que utilizan dos líneas transfer de n sistema a ut om a t iza do. El obje t ivo de m ode la do e s im pe dir que la c om petencia por el re c urso re sult e e n un bloque o o m a l func iona m ie nt o de l sistema. En la Fig. 6 .3 3 .,e l m a rc a do de l lugar P , signific a que el recurso está disponible ; por e l c ont ra rio, la a use nc ia de m a rc a ha de int e rpre t a rse como que el re c urso está sie ndo ut iliza do por un c om pe t idor. Cua ndo éste finalice, e n su utilización, devolverá la m a rc a a p . u
2
2
T
Y
Figura 6.33. Recurso compartido
6.4.6.6.
Memorización
El lugar P 1 , de la Fig. 6 .3 4 ., m e m oriza el he c ho de que la t ra ns ha sido dispa ra da ; c on e llo se ha c e posible e l dispa ro c onsiguie nt e de T2. sí m ism o, m e dia nt e la representación de la Fig. 6 .3 4 ., se pue de memonla c a pa c ida d de a lm a c e na m ie nt o por e je m plo de un buffer. Mientras *¡sta una m a rc a , de l t ot a l de la s pre vist a s e n e l lugar P 1 , la transición T 1 P°drá seguir e st a ndo va lida da e n e l supue st o que P2 también esté m a rc a da. A
Z a r e
U PV -CFP
219
Rebotica y Automática
TI
T
P2
P1,
T2
PÍ
; /
P2 :
TI
Fig ura 6.34. Memo riza ción
6.4.6.7. Ejecución en alternancia
Mediante la disposición de la Fig. 6 .3 5 ., se ha c e posible la ejecución en alternancia de dos subproc e sos. M e dia nt e e l m a rc a do inic ia l se e st a blece el orden de c om ie nzo e n el func iona m ie nt o de los subproc e sos. La alternancia se hace posible pue st o que a l fina l de la ejecución de l primer subproceso, se deposita una m a rc a e n uno de los luga re s de e nt ra da del siguiente subproceso. litación de
ca
-aníe ¡a
aprese ¡'miro Por e l c u i
sin q rni
Figura 6.35. Ejecución en alternancia de 6.4.6.8.
procesos
Lectura
Esta e st ruc t ura de red, permite c ondic iona r el dispa ro de la transición T a dic iona lm e nt e por el marcado de P,; pero sin que dic ho dispa ro signifique la eliminación de la marca de P^ Cua ndo se proc e de a l dispa ro de la u
220
UPV-CFP
se 'na do d e r u
e
Sistemas
de Eventos
Discretos:
Herramientas
de Modelado
itada transición, c onve nim os e n de nom ina r que se realiza una "lectura" de dicho marcado. La ne c e sida d de realizar una posible eliminación de la c itada marca deberá c ont e m pla rse a través de ot ra e st ruc t ura adicional a l ternativa, que no se c ont e m pla e n dic ha figura .
•
.
P1
P2
T1
Figura 6.36. Lectura
6.4.6.9. Limitación
de
capacidad
Mediante la representación de la Fig. 6 .3 7 . se e st a ble c e un m e c a nismo de c ont rol, por e l c ua l se lim it a a un número máximo de disparos de la transición "H sin q u e se dispa re T , c ondic iona do por la deposición de un número de t e rm ina do de m a rc a s e n e l luga r 2
T1
P1
P2
T2
Figura 6.37. Limitación de capacidad
CFp
221
Rebotica y
Automática
6 .4 .7 . Re de s de Pe t ri no-autónomas H a st a el m om e nt o se han e st udia do a lguna s de la s propie da de s de las RdP de sde e l punt o de vist a c ua lit a t ivo. A partir de e st e a pa rt a do, se describirán las RdP, c uya evolución que da c ondic iona da por e ve nt os externos al sist e m a de sc rit o por éstas, así c om o por la va ria ble t ie m po.
Redes de Petri
6.4.7.1.
sincronizadas
Las RdP sinc roniza da s son a que lla s e n las que c a da transición T tiene a soc ia do un e ve nt o, t e nie ndo luga r el dispa ro de dic ha transición cuando el evento oc urre . Los e ve nt os e x t e rnos se c orre sponde n c on c a m bios de estado del m undo e x t e rior. En una definición form a l, una RdP sinc roniza da , e s una t riple t a
2
Ocurrencia de E t
JLm E
3
Marcado de P,
•
o
P
2
Marcado de P
2
¿
Figura 6.38. Red de Petri
sincronizada
UPV-CFP
Sistemas
g.4.7.2. Redes
po.
:ra n
%.
t e m a
k
and ;
cu
Discretos:
Herramientas
de Mo
temporizadas
En los sist e m a s a ut om a t iza dos la va ria ble t ie m po int e rvie ne de form a casi c onst a nt e , e n e l se nt ido de que e l inic io, fina l y duración de t oda una serie de ope ra c ione s está c ondic iona da por e st a va ria ble . Además, inde pe ndie nt e m e nt e de l m ode la do c ua lit a t ivo de e st os sist e m a s, la va ria ble tiempo es indispe nsa ble pa ra e l análisis de la evaluación e n la ejecución de los sist e m a s a ut om a t iza dos de producción. En e st e t ipo de análisis a grosso m odo, lo que se pe rsigue e s pode r m inim iza r e l t ie m po que el sisP a la s ope ra c ione s que no ofre c e n va lor añadido a l producto susc e pt ible de se r fa bric a do.
sic ¡óriT ,
ísición
de Petri
de Eventos
r o d u c t i v o d e
d i c
a
0
^ a m b i * d ;:
Algunos de los parámetros ut iliza dos pa ra el a nt e rior análisis son:
e
• T ie m po princ ipa l de fabricación (M a nufa c t uring Le a d T im e ) • T ra ba jo e n c urso (Work -in-proc e ss) • Utilización de máquina (M a c hine ut iliza t ion) • I ndic e de producción (T hroughput ) • Ca pa c ida d (Ca pa c it y) • Fle x ibilida d (Fle x ibilit y) • Eje c ut a bilida d (Pe rform a bilit y) • Ca lida d (Qua lit y)
a t riple t a
/ e n t o s externes
i E u {e},
>s externos,
ro d e un evento
Existen d o s t ipos de RdP t e m poriza da s, la s P-t e m poriza da s, y las T temporizadas, e n la s q u e e l c onc e pt o de t e m poriza da s está referido a los lugares y la s t ra nsic ione s, re spe c t iva m e nt e .
a s o c i a d o con ^
d, p.
d, p, i * Mi p
P, T
T2
n i
)
d,
T
T
T
el P,
7
d,
l
di P
4
d,
T
Marcado no cftspaní&e de P Marcada disponible de P, Morcado no dispon-pie Cte P
?
Disparo de T, Disparo de T„
Figura 6.39. Red de Petri á
UPv- CFP
J
temporizada
223
6 .4 .7 .2 .1 . Redes de Petri P-t e m poriza da s En una definición form a l, una RdP P-t e m poriza da e s un par tal que- R es una RdP m a rc a da , y T e m po e s una función de l conjunto P de lugares y del conjunto de números ra c iona le s posit ivos o c e ro. La notación Tempo(P¡) = d , se re fie re a la temporización a soc ia da a un lugar P¡. r;
, ..
;
v
...». *¿
"
f)
El principio de func iona m ie nt o de una RdP t e m poriza da e s e l siguiente: cuando una marca se de posit a e n un luga r P¡, la m a rc a de be permanecer en éste, al menos dura nt e e l t ie m po d¡. Est e pe riodo de t ie m po se denomina periodo de no-disponibilida d de la m a rc a . Cua ndo e l periodo de tiempo ha transcurrido, sólo e nt onc e s la m a rc a está disponible ante un eventual disparo de la transición. El c a so pa rt ic ula r, e n e l que la transición se dispara t a n pronto c om o que da disponible , se de fine c om o funcionamiento a la máxima velocidad.
6.4.7.2.2. Redes de Petri T -t e m poriza da s En el caso de las RdP t e m poriza da s, la temporización que da asociada a la transición T¡. U na m a rc a pue de t e ne r dos e st a dos: pue de e st a r reservada para el disparo de una transición o pue de e st a r no-reservada. En este caso, una de t e rm ina da transición pue de dispa ra rse y una marca ser depositada en un cierto luga r de sa lida P c on lo c ua l la transición de salida T de éste que da va lida da . A pa rt ir de e st a situación se puede decidir el disparo de T . Cua ndo se de c ide e l dispa ro se efectúa la '"reserva" de la marca para dic ho dispa ro, la c ua l, pa sa do e l pe riodo de tiempo d se deposita en P c o n el e st a do de no-re se rva da . 1f
2
2
2)
2
6.4.7.2.3. Modelos de RdP para sist e m a s de c ola s H¡onü
^ l a s , Puede ser de finido de una m a ne ra sim ple atenl e n t e s que evenJ lní H O ? /° c om e rc io, donde pode m os dist inguir una serie de eventos tales como: 6Jem
n s i s t e m a
ían?
P U
• • • 224
d e
í f 1
e
d e r
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1 3
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V ¡ d a
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r e a l
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c
o
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o
, a
c o l a
d e
u n
a : llegada de cliente s : comienzo de servicio c : servicio completo y salida de l cliente.
UPV-CFP
Sistemas de Eventos Disctetosjje^^ntas
de Modelado
Obsérvese, q u e e st e e je m plo pue de e x t e nde rse a sistemas típicos de los sist e m a s a ut om a t iza dos de fabricación donde t e ne m os: •
Lle ga da de pie za s.
•
Com ie nzo e n el proc e sa do de la pie za .
•
T a re a c om ple t a da y sa lida de la pie za .
Además, e n e st e t ipo de sist e m a s se ha n de considerar, como parámetros a t e ne r e n c ue nt a , el t ie m po prom e dio de servicio y la capacidad de e nc ola m ie nt o. En u n a prim e ra descripción de l sist e m a , t e ne m os un conjunto de eventos T = {a , s, c } a soc ia dos a dife re nt e s t ra nsic ione s. La transición a , e s de carácter espontáneo y no requiere condiciones; es de c ir, no re quie re de luga re s de e nt ra da . La transición s depende de dos c ondic ione s: •
de la pre se nc ia de c lie nt e s e n la c ola .
•
de que e l se rvidor esté oc ioso.
Est a s dos c ondic ione s pue de n re pre se nt a rse mediante dos lugares de entrada a dic ha transición, e l luga r Q (c ola ), y el lugar I (ocioso). Por último la transición c ne c e sit a que e l se rvidor esté oc upa do; por tanto, se introduce un luga r de e nt ra da B (oc upa do). Fina lm e nt e el conjunto de lugares finales e s P = { Q, I , B).
Lle ga da c lie nt e
Y i
Q•
V
Com ie nzo se rvic io
8
Fin servicio Sa lida cliente
Figura 6.40. Red de Petri para un
sistema de colas
225 ÜPV-r.FP
Hü
Robótica y Automática
En e l gra fo de la Fig. 6 .4 0 ., se m ue st ra e l m ode lo de RdP para el si t e m a de c ola s de sc rit o. En él, inic ia lm e nt e , se ha supue st o que la cola e ' r vacía a l no t e ne r m a rc a s e n Q. También, e l se rvidor está oc ioso al estar ^ lugar I c on una m a rc a . Este e st a do inic ia l de fine e l m a rc a do [0, 1 , rj]. Deb do a que la transición a está sie m pre va lida da , se pue de n ge ne ra r distinto c a m inos de m ue st re o. Por e je m plo, la Fig. 6 . 4 1 . , m ue st ra el caso en q u dos c lie nt e s se e nc ue nt ra n e n c ola y uno está sie ndo a t e ndido; dicho estado se c orre sponde c on e l m a rc a do [2 , 0 , 1 ], re sult a ndo de la secuencia de dispa ro {a, s, a, a , c, s, a }.
Aun
e
ntemP c reparación tendremos la
0
a Llegada diente A
I
Q \
\ Q
Comienzo servicio
B /
c Fin servicio Salida diente
6
/
a
Figura 6.42. Ejemplo sistema de colas
Pode m os introducir un m ode lo c on un nivel de detalle más elevado, inc luye ndo una transición a dic iona l D: pa rt ida de l c lie nt e W |. 0
La c ua l requiere la condición F (cliente fina lm e nt e a t e ndido). Adic iona lm e nt e , e l proceso de llegada externo puede representarse m e dia nt e un lugar A de entrada a la transición a, de form a que siempre se mantendrá una marca en dicho lugar manteniendo la transición a validada. 226
I
J D \ /
-CFP
(Un i
4 \ S r
H
°
Sistemas de Eventos Discretos: Herramientas de Modelado
'°So Qi ' % tO, 1 ? ¡)f, ^era'rnW
En este nue vo m ode lo, que pode m os obse rva r e n la Fig. 6 .4 2 ., ten¬ dremos
9
st
n
51 a. ss:-".r r ca
l
S P
T = {a, s, c, d} y P = {A, Q, I, B, F).
d|
0
Ct l
°^
Uer
° P inc orpora r la posibilidad de contemplar la posibilida d de b: avería y de r: reanudación tras una eventual reparación, int roduc ie ndo un nue vo luga r D (caída de se rvidor). Por tanto tendremos A u n
W!
m á s
'
a l
n u e
v 0
m o d e l
s e
l e
u e d e
T = { a , s, c, d, b, r} y P = {A, Q, I , B, F, D}.
A
;
•
d d
Figura 6.42. Ejemplo de sistema de colas
e le más
Eje m plo I : (Línea de t ra nsport e de t re s e t a pa s)
v
Conside ra re m os la línea de t ra nsport e de t re s e t a pa s, mostrada en la 9 - 6.43., c on t re s máquinas y dos pue st os de a lm a c e na m ie nt o (buffers). n a máquina c om ie nza e l proc e sa m ie nt o si hay, por lo menos, una pieza el buffer de e nt ra da y si ha y una ranura vacía e n el buffer de salida. A p o n e m o s que hay un e spa c io ilim it a do en el buffer de entrada para M1 y
Fi u
e n
repte* *
C
H
UPV-CFP
227
i h „f f p r
de salida de M 3 . Se supondrá que e l m e -
un espacio ilimitado en e butfer oe s¡ canismo de transporte utiliza " ™ transportar una pieza desde la maquina salida a la máquina.
,
b
^
(
f f e r
d e
¡
e
m
p
o
¡
n
s
¡
g
n
¡
f
¡
c
a
n
t
e
p
a
r
a
e nt ra da y de l buffer de
¿e sc a rga
M2
M3
(B2)-
F/gura 6.43. Línea transífer de tres
O •
etapas.
El modelo de red de Petri t e m poriza da pa ra e st a línea de t ra nsport ese m u e s t r e n la Fig. 6.44., La interpretación de luga re s y la s t ra nsic ione sse muestra en la Tabla 1 . Lugares
bi
ranuras disponible s e n e l buffe r Bi; i
mi
Mi disponible , i=1 ,2 ,3
pl
pieza sie ndo proc e sa da por M 1
p3
pieza sie ndo proc e sa da por M 2
5
pieza sie ndo proc e sa da por M 3
P
1 ,2
piezas que e spe ra n e n e l buffe r de BI p4 P
6
T ra nsic ione s t1 t2 t3 t4 t5 te
piezas que e spe ra n e n e l buffe r de B2 piezas que sa le n de l sist e m a
c om ie nzo de proc e sa do de M1 (I nm e dia t a ) final de proc e sa do de M1 (T e m poriza da ) comienzo de proc e sa do de M 2 (lnm e dia t a ) final de proc e sa do de M 2 (T e m poriza da ) comtenzo de proc e sa do de M 3 (lnm e dia t a ) ílllf^^
M 3 (T e m poriza da )
La leyenda para la TPNM de la Fig. 6.44.
28
UPV-CFP
Figura 6.44. Modelo de red de Petri temporizada del ejemplo de la Fig. 6.43.
El obje t ivo aquí e s usa r e st e m ode lo pa ra pre de c ir la ocurrencia de diversos e ve nt os disc re t os e n e l sist e m a , c om e nza ndo de sde una marca Ricial de t e rm ina da M o. Est o se re a liza m e dia nt e la ejecución de la red de Petri; e s de c ir, dispa ra ndo t oda s las t ra nsic ione s va lida da s que comienzan desde M o. Cua le squie ra t ra nsic ione s c onflic t iva s se resuelven exactamente c om o e n e l sist e m a origina l y supone m os que existe una interfaz e de fa llos, e nt re e l m ode lo y e l sist e m a re a l, para comunicar las de c id e s de más a lt o nive l. l i b r
n e
El m ode lo de re d de Petri de la Fig. 6.44., tiene dos tipos de transicio¬ s . Las t ra nsic ione s inm e dia t a s que e m ple a n t ie m po cero para su disparo
U PV -CFP
229
Robótica y Automática
y las t ra nsic ione s que se t om a n un t ie m po de duración finit a para disparar se. Ge ne ra lm e nt e e n los e st udios de evaluación de ejecución, esta dura ción de t ie m po se t om a c om o una va ria ble a le a t oria c on distribución expo ne nc ia l.
6.5. Interpretación
de las redes de
• U na RdP interpretrada
Petri
(RdPI) se define por:
•
Una RdP marcada
;
•
Una aplicación de T en E que asocia a cada Transición T, un evento E¡;
•
Una aplicación de T en C que asocia a cada Transición T¡ una condición externa 0¿
•
Una aplicación de T en Z, que a las transiciones salidas impulsionales.
•
Una aplicación de P x C en Y, que a los lugares les asocia salidas a nivel, eventualmente condicionadas.
0
les asocia
• Reglas de evolución del marcado de una RdPI. •
Regla n°1: el disparo de una transición T¡ sensibilizada sólo se realiza si se verifica C,E¡. En estas condiciones se dice que T¡ es receptiva a la condición y al evento.
•
Regla n°2: cuando una transición es disparada, todas las salidas impulsionales asociadas a T¡ son generadas. Regla n°3: para un marcado dado, las salidas a nivel asociadas a los lugares marcados son generadas si se verifican las condiciones externas que eventualmente les pueden estar asociadas. Si Y es una salida asociada a un lugar P¡ condicionada por C se dirá que la salida es sensible a dj, cuando P¡j está marcado.
•
y
ij}
Implementación
de automatismos mediante RdP
interpretadas.
Nos c e nt ra re m os funda m e nt a lm e nt e e n la s RdP bina ria s, como las más a de c ua da s para la modelización de los c ont rola dore s lógicos program a ble s (Autómatas Progra m a ble s).
230
UPV-CFP
Modelado
la idea funda m e nt a l c onsist e e n implementar cada lugar de m a rc a do binario m e dia nt e una m e m oria binaria (biestable) y establecer la c orre spondencia e nt re la puesta a " 1 " de la m e m oria , y el marcado del lugar c orrespondiente. Obvia m e nt e para la implementación de RdP no binarias se deberá utilizar, para c a da luga r que pue da c ont e ne r k marcas, un contador módulo k+1 o mayor. Com o se ha vist o, e n la interpretación de las RdP se realiza una distinción en la na t ura le za de las sa lida s a soc ia da s a lugares y transiciones. Se pue de n c la sific a r dos t ipos de sa lida s: •
Sa lida s de nive l.
•
Sa lida s im pulsiona le s.
Las sa lida s a nive l pue de n se r m ode la da s mediante una variable booleana. Tendrán una duración finit a e n el t ie m po. Por ejemplo: •
M ovim ie nt o a la de re c ha .
•
Ape rt ura de válvula V .
Las sa lida s im pulsiona le s no t ie ne n duración; e n la práctica se asociarán a fla nc os de subida o ba ja da de va ria ble s booleanas. Estarán especialmente indic a da s pa ra e je c ut a r órdenes e n pre-accionadores de tipo biestable.
Re sum e n: Un e ve nt o e s un suc e so de na t ura le za a le a t oria , asincrona y de e spectro t e m pora l nulo, a soc ia ble al fla nc o de subida o bajada de una variable boole a na . T odo sist e m a , inc luidos los de va ria ble c ont inua , puede, e n un determinado nive l de abstracción se r, c onside ra do como sistema de evenios discretos. Una re d de Pe t ri e s un sist e m a ba sa do e n los conceptos de estados y eventos. 231 U
PV -CFP
KODOiica y
HUiommioa
M e dia nt e una re d de Pe t ri pue de e st a ble c e rse un m ode lo gráfico acerca de la relación e x ist e nt e e nt re dist int os subproc e sos de l sist e m a . La ecuación funda m e nt a l de la s re de s de Pe t ri pe rm it e c onoc e r, m e dia nt e proc e dim ie nt os analíticos, e l m a rc a do a lc a nza ble por la m ism a , da do un m a rc a do inicial y una se c ue nc ia de dispa ro. Las RdP bina ria s se ha n de m ost ra do c om o la s más a de c ua da s para la implementación de a lgorit m os de c ont rol e n disposit ivos de lógica program a da .
Re fe re nc ia s bibliográficas: •
Ca ssa ndra s C.G. Discrete Event Systems: Modeling and Performance Analysis. Ak se n Assoc ia t e s I nc orpora t e d Publishe rs, 1 9 9 3 .
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Da vid, R., H a lla , H. Pe t ri N e t s & Gra fc e t : Tools for modelling event systems. Pre nt ic e -H a ll I nt e rna t iona l Edit ions, 1 9 9 2 .
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Da vid, R., H a lla , H. Du Grafcet aux réseaux de Petri. Edit ions Hermés. Pa ris, 1989.
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Silva, M. Las Redes rial A C , 1985.
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M ic he l, G. Autómatas Programables Industriales. Edit oria l Marcombo, 1990.
232
discrete
de Petri en la Automática y la Informática. Edito-
Modeling of Automated
UPV-CFP
C
A
P
I
T
U
L
O
INTRODUCCIÓN AL GRAFCET
7.1. El Grafcet: Gráfico 7.2. Reglas de
7*5.
etapa/transición
Evolución........
7.3. Estructuras 7.4. Ejemplos
de Mando
en el de
Grafcet
aplicación...
Macro-representaciones..
247
Introducción al Grafcet
Objetivos: . Conocer métodos potentes y eficaces para el modelado de sistemas automatizados con un gran número de entradas y salidas. • Describir los distintos elementos que constituyen un diagrama grafcet. • Conocer las cinco reglas del grafcet que determinan la dinámica de los sistemas implementados con esta herramienta. • Describir las distintas estructuras básicas y lógicas que permiten el diseño de automatismos complejos.
7.1. El Grafcet:
Gráfico
de Mando
etapa/transición
El Gra fc e t e s un método gráfico de m ode la do de sist e m a s ba sa dos e n a ut om a t ism os d e carácter se c ue nc ia l. Surge c om o c onse c ue nc ia de la voluntad de unific a r y ra c iona liza r los le ngua je s de descripción re la t ivos a los sist e m a s lógicos e n ge ne ra l, y de los a ut om a t ism os de carácter s e cuencial e n pa rt ic ula r. Los t ra ba jos de investigación que ha n pre c e dido y originado e st e método, c on t ot a l implantación e n e l m undo indust ria l de los a ut om a t ism os, fue ron los t ra ba jos de P. GI R A U D que int rodujo los c onceptos de re c e pt ivida d y e t a pa , y e n la m ism a época e n EE.U U . los de Karl Petri que , a pa rt ir de su t e sis doc t ora l, int roduc e las de nom ina da s redes de Petri (Petri N e t s). En los c ont rola dore s lógicos ba sa dos e n la lógica progra m a da , a dife rencia de la fabricación e n se rie de un gra n número de t a rje t a s c on C.l. de lógica T T L o CM OS, no re sult a de c isiva , ba jo e l punt o de vist a de los c ostes, buscar una se rie de ope ra c ione s de c ont rol se c ue nc ia l re a liza ble s con un número mínimo de "pue rt a s lógicas". El c ost e de dic ha búsqueda ba sa da en la aplicación de los métodos t ra dic iona le s K a rna ugh, McCIuskey, Tablas de Fa se s, re sult a e x t re m a da m e nt e e ngorrosa , da do que una de las características a de st a c a r e n los a ut om a t ism os, sobre t odo e n los de dic a dos al c ont rol de m e dia nos y gra nde s proc e sos indust ria le s, e s e l elevado número de va ria ble s de e nt ra da y sa lida que e n e llos int e rvie ne n. A c onse cuencia de e llo, los métodos clásicos de síntesis, vist os t ra dic iona lm e nt e en la electrónica digit a l, se m ue st ra n ina de c ua dos para su t ra t a m ie nt o, ya ^ e la intervención de más de 5 ó 6 va ria ble s de e nt ra da complican s o bremanera su resolución.
U PV -CFP
235
Robotica y Automática
í Por ot ra pa rt e , t e nie ndo e n c ue nt a e l inc e sa nt e a ba ra t a m ie nt o de los etaf C.l. de m e m oria , la utilización de ésta pue de re a liza rse sin excesivas obla ote se sione s e n la minimización de l a lgorit m o de c ont rol a im ple m e nt a r e n la e t a rior y 0 m e m oria de l disposit ivo progra m a ble , c onside ra ndo que los costes e n d i in I su seño pa ra la minimización pue de n re sult a r poc o re nt a ble s e n términos c om pa ra t ivos. Por lo e x pue st o a nt e riorm e nt e , e l Gra fc e t no se a plic a de partida, busc a ndo la minimización de la s func ione s lógicas que m ode la n la dinámica de l sist e m a . La m e jor c ua lida d de l Gra fc e t ra dic a e n que e s una he rra m ie nt a pode rosa y sobre t odo metodológica, pa ra la implementación de los a ut om a t ism os de carácter se c ue nc ia l. M e dia nt e una aplicación a de c ua da pre se nt a c ie rt a s c ua lida de s e n los m ode los que pue de n im ple m e nt a rse , t a le s c om o: • c la rida d. > le gibilida d. •
presentación sintética.
Las princ ipa le s características de l Gra fc e t c om o he rra m ie nt a de m odelado de sist e m a s de e ve nt os disc re t os son que : •
3 p u ed en Ofre c e una metodología de programación e st ruc t ura da "t opdow n" (de form a de sc e nde nt e ), q u e pe rm it e e l de sa rrollo c onc e pt ua l de lo ge ne ra l a lo pa rt ic ula r, de sc e ndie ndo a nive le s muy pre c isos de descripción y descomposición (gra nula rida d) e n las Aapa normal (a) dive rsa s t a re a s a lle va r a c a bo por e l a ut om a t ism o e n sus dis- ^ salida. £ | \ t int a s fa se s de ejecución y func iona m ie nt o. C c
•
Pe rm it e la introducción de l c onc e pt o de diseño e st ruc t ura do, de & ap j . form a que las dive rsa s "t a re a s" de l a ut om a t ism o se e st ruc t ura n l| 'Hicialj^ de form a je ra rquiza da , m e dia nt e e l forza do de e ve nt os de m odeberán délos Gra fc e t jerárquicamente supe riore s. a(
6
as
6
7.1.1. Definición de conceptos y elementos gráficos asociados 7.1.1.1.
Etapa
Se de fine la e t a pa c om o la situación de l sist e m a en la cual t odo o una ^ pa rt e de l órgano de m a ndo e s invariante c on re spe c t o a la s e nt ra da s- ^ Sg^ sa lida s de l sist e m a a ut om a t iza do. \ ' ^Qr ^
e
ro
» no 236
UPV-CFP
Introducción al Grafcet
la característica funda m e nt a l de la e t a pa e s la inclusión intrínseca de l oncepto de activación (m a rc a do bina rio) y la de acción o a c c ione s a soc ia d a o no a c t iva da (m a rc a da o no m a rc a da ). das. La P P e t a
a
u e d e
e s t a r
a c t i v a
Gráficamente la e t a pa norm a l se re pre se nt a por un rectángulo que se numera en su interior y en la pa rt e supe rior, da ndo de e st a m a ne ra un se ntido de se c ue nc ia lida d a las e t a pa s re pre se nt a da s (Fig. 7 .1 .).
•
Figura 7.1. Etapa
Las etapas pue de n ser:
Etapa norm a l (a ): Está liga da a una transición de entrada y a otra de sa lida . El c onc e pt o de Transición se definirá posteriormente.
Etapa de inicialización (b): las e t a pa s de inicialización son a que llas que deberán que da r a c t iva da s a l c om ie nzo de la ejecución del a lgorit m o de c ont rol. Cua ndo la etapa e s de inicialización, e rectángulo se re pre se nt a con doble recuadro (Fig. 7.2.) Etapa fue nt e (c): es la etapa que no posee transición de entrada Etapa sumidero (d): es la etapa que no posee transición de salida y, por tanto, no está conectada con ningún elemento de sa lida.
Ü p
V -CF
P
237
T
Rebotica y Automática
10
(a)
(b)
la e t a f Cuando ¡ones)een
?3C
,ndiente/s). D
Reales: automati un motor
I
Internas de c o n t r (
i
(c)
(d)
cálculos
' Externa
Figura 7.2. Tipos de etapas
respecto focondiic
activadas
7.1.1.2. Acción asociada i
Se trata de una o más posible s ope ra c ione s a realizar sobre e l sistema, cuando la etapa de la cual de pe nde n dic ha s ope ra c ione s se encuentra activada. La situación de etapa a c t iva da , se indic a m e dia nt e la colocación de una marca en el interior del gráfico re pre se nt a t ivo de la e t a pa . La acción o acciones e le m e nt a le s a realizar dura nt e la etapa en el sistema, vienen indicadas mediante la s e t ique t a s, que son rectángulos c one c t a dos a las etapas correspondientes y sit ua dos a la de re c ha de las mismas. En su interior se indica, bien de form a literal, bien de forma simbólica, lo que debe realizarse (Fig 7.3.).
238
UPV-CFP
ondicio
c
ondi ¡a apa c
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el
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Jern
c
Plo
d
c ia
Introducción al Grafcet
1
1
10
1 •
Abrir Válvula
I
Figura 7.3. Acción asociada
Cuando la e t a pa está a c t iva , se e je c ut a n sobre el proc e so las a c c ione s (operaciones) e le m e nt a le s re fe re nc ia da s (insc rit a s e n la /s e t ique t a /s c orrespondiente/s). Dic ha s a c c ione s pue de n ser c la sific a da s c om o sigue : •
Reales: se t ra t a de a c c ione s c onc re t a s que se produc e n e n el a ut om a t ism o, t a le s c om o a brir/c e rra r una válvula, a rra nc a r/pa ra r un m ot or, e t c . A su ve z se c la sific a n e n:
•
Internas: son a c c ione s que se produc e n e n e l propio dispositivo de c ont rol, t a le s c om o t e m poriza c ione s, ope ra c ione s de cuenta, cálculos numéricos, e t c .
•
Externas: se produc e n sobre e l proc e so e n sí, externamente re spe c t o de l disposit ivo lógico de c ont rol.
•
Incondicionales: son a c c ione s que se e je c ut a n c on solo quedar a c t iva da s la s e t a pa s c orre spondie nt e s.
•
Condicionales: son a que lla s que re quie re n e l c um plim ie nt o de una condición (función lógica) a dic iona l a la propia activación de la e t a pa c orre spondie nt e .
En el e je m plo de la Fig 7 .4 . se da el supue st o de que va ria s acciones Puedan estar a soc ia da s a una e t a pa c onc re t a : pue de da rse el caso de que alguna acción pue da e st a r c ondic iona da , además, a l c um plim ie nt o de una Unción boole a na . La t a re a de a brir la válvula n 1 se ejecutará inc ondic io'rne nt e , una ve z se a c t ive la e t a pa c orre spondie nt e a soc ia da , pero la acción c e rra r válvula n 2 ne c e sit a , además, que se c um pla la condición 9
na
9
U P V -C F P
239
Robotica y Automática * i
10
•
todo
Cerra» V'átvula i r ?
Abíir váK/ula n°1
PI I O,
posición
Figura 7.4. Acción condicional
Í concepto .c onse c ut iva
V irt ua le s
í
No se realiza ninguna acción sobre e l sist e m a ; sue le n ut iliza rse como situaciones de espera a que se produzc a n de t e rm ina dos e ve nt os o se activen determinadas entradas a l sist e m a , que pe rm it a n la evolución del proceso. En estas etapas la e t ique t a e st a vacía o sin e t ique t a . El e st a do de activación de una etapa se indica gráficamente, m e dia nt e la colocación de una señal de testigo (token) en el interior de la e t a pa . m
m
m
M
m
m
m
M
-
m
A toda tra
ógica b o o h
^dera o fa lsa .
—
:a dice que l a .Píamente prec<
• 3d e la transici
En la Fig 7.5., los casos (a ), (b), (c ), y (d), son re pre se nt a c ione s e quivalentes de una misma etapa de carácter c ondic iona l.
::eptividad e s \ A/
D
l am en t e se
áment e al an h
(a >b)
[a]
(a +• bj c
Ib)
10
ía^b) :
Ce? ( di
Figura 7.5. Representaciones
de etapas
condicionales I
240
UPV-CFP
9
la
Introducción al Grafcet
Una etapa no a c t iva pue de ser, a su vez, inactiva o activable La dife¬ c i a entre a m ba s vie ne da da de bido a que e n la etapa activable la t ra nsición inmediata a nt e rior esta va lida da ; y lo está porque la etapa inmediata está a c t iva . nterior a ren
Por todo e llo, una e t a pa e s a c t iva ble c ua ndo está activa la etapa precedente
11.1.3. Transición y
receptividad
El c onc e pt o de transición se a soc ia a la barrera existente entre dos etapas c onse c ut iva s y c uyo fra nque a m ie nt o hace posible la evolución del sistema. A t oda transición le c orre sponde una condición de transición o función lógica boole a na que se de nom ina re c e pt ivida d, y que puede ser verdadera o fa lsa . Se dice que la transición está va lida da , c ua ndo la etapa o etapas inmediatamente pre c e de nt e s a la transición están a c t iva da s. El franqueamiento de la transición se producirá si, y sólo si, la transición está validada y la receptividad e s ve rda de ra . Gráficamente se re pre se nt a m e dia nt e un se gm e nt o de recta dispuesto ortogonalmente al a rc o, según se indic a en la Fig 7.6.
Transición n° 10
Figura 7.6. Transición
V d e
U p
La receptividad pue de e sc ribirse de form a literal, o de forma simbólica; b e situarse a la de re c ha del símbolo gráfico de la transición
V- p C F
241
Robótica y Automática
En la Fig 7 .7 . se ha n dispue st o dive rsa s m a ne ra s de e sc rit ura de la re c e pt ivida d: Caso a: Forma literal. Caso b: Forma simbólica. Caso c: Forma e spe c ia l de indic a r re c e pt ivida d sie m pre ve rda de ra. Ca so d: En la re c e pt ivida d se t om a e n c ue nt a el fla nc o de subida a soc ia do a la va ria ble h. Caso e: En la re c e pt ivida d se t om a e n c ue nt a la activación simultánea de a m bos fla nc os de sc e nde nt e s a soc ia dos a las va ria bles a y c. Caso t En este c a so se t om a e n c ue nt a e l fla nc o a sc e nde nt e coincidente c on el fina l de la temporización.
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Operación finalizada
(a)
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(d)
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(f)
ementc f un ar con< ue
Figura 7.7. Formas de representar la receptividad He
Por ot ra parte, las t ra nsic ione s pue de n c la sific a rse e n: Transición fue nt e : si no está ligada a una e t a pa a nt e rior. Transición sum ide ro: si no está liga da a una e t a pa post e rior 242
UPV-CFP
de un
Introducción al
Grafcet
Este tipo de t ra nsic ione s se sue le n utilizar, por motivos de sim plific a ción y clarificación e n la escritura de los dia gra m a s, c ua ndo es necesario representar el modelo del sist e m a mediante hojas a pa rt e . 7,1.1.4. Arco
Un a rc o e s un se gm e nt o de re c t a que une una transición c on una etapa o vic e ve rsa , pe ro nunc a e le m e nt os homónimos e nt re sí. Obliga t oria mente ha de c um plirse la a lt e rna nc ia e nt re e t a pa s y t ra nsic ione s (Fig 7.8.)
Figura
7.8. Etapas
y
transiciones
Los a rc os pue de n re pre se nt a rse e n se nt ido ve rt ic a l y horizont a l al construir los dia gra m a s, si bie n los a rc os ve rt ic a le s quedarán orie nt a dos mediante una fle c ha e n el c a so que su se nt ido se a a sc e nde nt e . V ist os los e le m e nt os básicos que int e rvie ne n e n un dia gra m a Gra fc e t , podemos int roduc ir un prim e r e je m plo de m ode la do que servirá de a yuda al lector pa ra fija r c onc e pt os. Pa ra e llo he m os se le c c iona do un se nc illo dispositivo de a rra nque y pa ra da de un m ot or. •
Eje m plo n 1 9
Se dispone de un m ot or junt o c on dos pulsa dore s de a rra nque A. y parada P. En un prim e r m om e nt o c onside ra m os la situación de pa ra da del motor, que a soc ia re m os c on la propia e t a pa de inicialización. Cua ndo en situación de reposo a soc ia da a la inicialización, pulsa m os A re unim os las condicio¬ e s de fra nque a m ie nt o de la prim e ra transición ( E = T , A = T ) c on lo n
UPV-CFP
0
243
Rebotica y Automática
cual, de inmediato, pasa a activarse la etapa 1 . El motor volverá a la situación de pa ra da con solo actuar sobre el pulsador P.
_
t
'
•
'
—
_
1 r
p
_.
Figura 7.9. Ejemplo
7.1.1.5. Trazos
paralelos
Se utilizan pa ra re pre se nt a r va ria s e t a pa s c uya evolución está condicionada por una m ism a transición (Fig. 7 .1 0 .). Los t ra zos pa ra le los se utilizarán para la implementación de l c onc e pt o de c onc urre nc ia e nt re subprocesos. •i *
a b+c
19
20
Figura 7.10. Trazos paralelos
244
UPV-CFP
Introducción al Grafcet
j¿. Reglas de E volurión dm a m ,c a e volut iva de l Gra fc e t vie ne da da por un conjunto de realas pa sa m os a e nunc ia r se guida m e nt e . También realizaremos una s £ definiciones q u e nos ayudará a a na liza r e l c om port a m ie nt o del sistema d o ello nos va a pe rm it ir ha c e r un se guim ie nt o de la s marcas a través del diagrama func iona l. • es L a
u e
d e
T o
t r a v
a)
•
G a + b =1
No se produce franqueamiento por no estar validada la transición
[ b)
•
•
• —
a +b» 0
No se produce franqueamiento por no ser cierta la condición
L J c)
•
JLJL
•
— a + b =1
r U Figura 7.11. Reglas de evolución U P V -C F P
245
Robótica y Automática
$e9 7 .2 .1. Condiciones evolutivas: las cinco reglas del Grafcet
r r a n
Las cinco regias que se describen se guida m e nt e , de fine n la dinámica evolutiva de los sistemas modelados m e dia nt e esta he rra m ie nt a .
• Regla n°1
5
la n 4 9
sicion
e fra nqt
J ia s c °
n d i c
la r e g l a d sc om posi ' de form a I niza c ion E de
La situación inicial de un Grafcet, c a ra c t e riza el c om port a m ie nt o inicial de la Parte de Control fre nt e a la Parte Ope ra t iva , e l ope ra dor o los e le mentos exteriores. Se c orre sponde c on la s Et a pa s a c t iva da s al principio del funcionamiento y se c orre sponde e n ge ne ra l c on una situación de re poso.
,, venir en l< ; las e t a p a s. er
La etapa/s de inicialización se a c t iva n de form a inc ondic iona l. Regla n 5 9
• Regla n °2 Una transición se dic e va lida da c ua ndo t oda s la s e t a pa s inm e dia t a mente precedentes, unidas a dic ha transición, están a c t iva da s.
Si durante i simultánea • antenerse a(
El fra nque a m ie nt o de una transición se produc e : •
Cua ndo la transición está V ALI DADA, y
•
Cua ndo la RECEPT I V I DAD a soc ia da a dic ha transición e s V ERDADERA.
3. Es
truc
Consisten *an c a pa c ida sgos puedet fe a t ie nde n fermiten real' ^procesos. entre sí <
;
Una transición pue de estar: •
validada
•
no validada
•
liberada (fra nque a da )
;
Una etapa se define c om o a c t i v a b l e , si la transición pre c e de nt e está validada.
Est ruc
• Re gla n°3
3
El fra nque a m ie nt o de una transición t ie ne c om o c onse c ue nc ia la a c t ivación de t oda s las etapas siguientes inm e dia t a s, y la desactivación de las inmediatas pre c e de nt e s.
y
U . Se c i Üna
!S r a . En t ra nsic * d a
246
UPV-CFP
s e (
Introducción al Gra •
Re gla n 4 9
T ra nsic ione s c one c t a da s e n pa ra le lo fra nque a bles, se fra nque a n de form a simultánea si se c um plen la s c ondic ione s pa ra e llo.
Tn-2
La re gla de fra nque a m ie nt o simultáneo pe rm it e la descomposición de un Gra fc e t e n va rios dia gra mas, de form a q u e a se gura rigurosa m e nt e su sincronización. En e st e c a so, e s indispe nsa ble hacer intervenir e n la s re c e pt ivida de s los e st a dos a c t ivos de las e t a pa s.
Tn-1 n
Tn
Re gla n 5
•
9
Tj
Si dura nt e su func iona m ie nt o una m ism a e t a pa es simultáneamente a c t iva da y de sa c t iva da , deberá m a nt e ne rse a c t iva da .
Figura 7.12. Secuencia
7.3. Estructuras
en el
única
Grafcet
Consist e n e n una se rie de e st ruc t ura s que dot a n al Grafcet de una gran c a pa c ida d de representación gráfica de los a ut om a t ism os. A grandes rasgos pue de n se r c la sific a da s e n e st ruc t ura s básicas y lógicas. Las básicas a t ie nde n a c onc e pt os t a le s c om o se c ue nc ia lida d y concurrencia, y permiten re a liza r e l análisis de l sist e m a m e dia nt e su descomposición en subproc e sos. La s e st ruc t ura s lógicas a t ie nde n a c onc e pt os de concatenación e nt re sí de la s a nt e riore s e st ruc t ura s.
7 .3 .1 . E s t r u c t u r a s básicas 7-3.1.1. Secuencia
única
Una se c ue nc ia única está c om pue st a de un conjunto de etapas q van sie ndo a c t iva da s, una t ra s ot ra , sin interacción con ™ ? ™ ° ™ uc t ura . En la se c ue nc ia única, a cada etapa le sigue una sola transición y °ada transición e s va lida da por una sola etapa (Fig- 7.12.). n
u
tr
247
U PV -CFP
Rebotica y
en***
Automática , 0
La se c ue nc ia se dice que está a c t iva , si una de sus etapas lo está. Se dice ina c t iva , si t oda s sus etapas lo están.
a s a sa H d^
^
e
n+1
7.3.1.2. Secuencias
1 3
P
A
S
A
, recepté' "t h /i d a d d e i
paralelas
Se denominan secuencias paralelas al conjunto de secuencias únicas que son activadas de forma simultánea por una misma transición. Después de la activación de las distintas secuencias su evolución se produce de form a independiente (Fig.7.13.).
4-rut i
Tro
Tm+1
FÍ
^uctura Figura 7.13. Secuencias
lógic
a jf'bilidad d e
paralelas
•% '
s
Participa
\1
7.3.2. Est ruc t ura s lógicas en el Grafcet
l0n
cíe | con Las estructuras lógicas OR y AND son utilizadas para realizar el mo- %^ • n t r od u c e . de delado de los conceptos de secuencias exclusivas y secuencias concu- as dos o m á rrentes respectivamente. Mediante la utilización de dichas estructuras se uaq a q u e contribuye especialmente a dotar al modelo de un aspecto legible, ya que X C los conceptos de secuencialidad y concurrencia pueden ser implementa9e da dos e identificados de inmediato con gran facilidad. Por ello pasamos seen guidamente a realizar un análisis funcional de estas estructuras. a
e c
s
n
l
248
U PV -C F P
\ i
7.3.2.1- Divergencia en OR
La e t a pa n pa sa a se r a c t iva si, e st a ndo activa la etaoa 1 la re c e pt ivida d de la transición a. " ' se satisfan
c e
P
n
1
La e t a pa n + 1 pa sa a se r a c t iva si, e st a ndo activa la e t a n a tisface la re c e pt ivida d de la transición b ( F i g -7. 1 4 . ) . P
n
1= S
E
S A
"
b
Figura 7.14. Divergencia
en OR
Est a e st ruc t ura lógica de be ut iliza rse c ua ndo de lo que se trata es de m ode la r la posibilida d de t om a r dos o más se c ue nc ia s a lt e rna t iva s a partir de una e t a pa común. El Gra fc e t pe rm it e el fra nque a m ie nt o simultáneo de las t ra nsic ione s pa rt ic ipa nt e s, de m odo que pue da n dispa ra rse de form a c onc urre nt e . N o obst a nt e e st a e st ruc t ura no e s la más a de c ua da para la implementación de la c onc urre nc ia , de bido a los proble m a s de sinc ronism o post e rior q u e int roduc e . Pa ra e l c a so de t e ne r que m ode la r la actuación c onc urre nt e de dos o más subproc e sos, e l Gra fc e t pose e otra re pre se nt a ción más a de c ua da que se verá e n ot ro a pa rt a do. 7.3.2.2. Convergencia
en OR
La e t a pa n pa sa a se r a c t iva si, e st a ndo a c t iva la e t a pa n-1 , se sa t isfa ce la re c e pt ivida d de la transición a; o si, e st a ndo a c t iva la Etapa n-2. se sa t isfa c e la re c e pt ivida d de la transición b (Fig. 7 .1 5 .).
UPV-CFP
249
b
a
Figura 7.15. Convergencia en OR
7.3.2.3. Divergencia en AND Las e t a pa s n+1 y n+ 2 pa sa n a l e st a d o a c t ivo, si e s t a n d o a c t iva la etapa n se sa t isfa c e la re c e pt ivida d de la transición f c u y a re c e pt ivida d e s d+c (Fig.7 .1 6 .) M e dia nt e e st a e st ruc t ura lógica se i m p l e m e n t a e l c o n c e p t o de c onc urre nc ia y sinc ronism o, de form a q u e d o s o más s u b p r o c e s o s de l sist e m a , re pre se nt a dos por la s se c ue nc ia s pa ra le la s, p u e d e n a c t iva rse de forma sinc roniza da ; y después de e st o e voluc iona r c o n c u r r e n t e m e n t e de forma inde pe ndie nt e .
d +c
Figura 7.16. Divergencia
en AND
7.3.2.4. Convergencia en AND La e t a pa n pa sa a l e st a do a c t ivo, si e st a ndo a s e t a pa s n-1 y n-2 activa s, se sa t isfa c e la re c e pt ivida d f (Fig. 7 .1 7 ) 250
U PV -CFP
\
Introducción al G
n-l
Figura 7.17. Convergencia en AND
7.3.2.5. Saltos
i d o actívala: ^eptividad es-
En el Gra fc e t de la Fig. 7 .18 (a ), se producirá un salto de la etapa n a la etapa n+i+1, si la re c e pt ivida d re pre se nt a da por la variable A es A=0 . Si A=1 se prosigue la se c ue nc ia n, n+1, n+2 , etc.
icepto de
En la Fig. 7 .18 (b), se producirá una repetición de la secuencia de e t a pas n, n+1,n+2 , ...,n+i , e n form a de buc le , m ie nt ra s se m a nt e nga el valor de la va ria ble D e n D=0 .
3SOS del si
¡tivarse de em ente de i
Condicionales
*
B
B
D
l
H
D
*
H
(a)
Figura
7.18. (a) Salto condicional; (b) Bucle
Al 2>S
í)l
UPV-CFP
251
Ejemplo Para la utilización de las dist int a s e st ruc t ura s a nt e riorm e nt e referidas v nara aue el lector pue da c om proba r la fle x ibilida d de l Gra fc e t , e n el m . - T . sistemas « basados h»«Hns e n e ve nt os disc re t os, pla nt e a re m os el sidelado de en , quiente proceso basado e n dos c a rre t illa s que se de spla za n, bajo demand a d e r e c h a e izquierda a lo largo de unos c a rrile s. Cua ndo se alcanza el f i n a l i d ? recorrido (b, d), se inicia de inm e dia t o e l c a m .no de vue lt a a la uación i S u a c ) Variando suc e siva m e nt e las c ondic ione s de funcionam S S ! Seleccionarán las e st ruc t ura s a de c ua da s pa ra su m ode la do.
y
,
°
T .
0
-L
s
si
•
Prim e r su p u e st o : el a c c iona m ie nt o de los pulsa dore s m 1 o m2 deberá iniciar de forma se le c t iva , e l ciclo c orre spondie nt e de c a da una de las carretillas C1 o C2 . La restricción que se im pone e s que únicamente una carretilla debe estar func iona ndo e n c a da solic it ud. También inicialmente se supone que e l a c c iona m ie nt o simultáneo de los dos pulsadores no puede ocurrir.
m1 Q
V1I/V1D 3
n m
2
V2I/V2D
d
Figura
7.19.
Ejercicio
El modelo del sist e m a según las e spe c ific a c ione s e st a ble c ida s sería: u
—
m
x
b.
mi o _
VID
V2D
VI •m
j_ _r _
V2I
Figura 7.20. Modelo requerido (supuesto
252
1)
UPV-CFP
Introducción
• r
¡d s a
el el alca Ita si. ^ciona. elado. en nos
al Grafcet
S e g u n d o s u p u e s t o : sinc ronism o e n e l inicio de func iona m ie nt o. En esta ocasión se de se a que e l func iona m ie nt o de a m ba s c a rre t illa s se inicie por el a c c iona m ie nt o de un solo pulsa dor m. Se c ont e m pla la posibilida d de dist int a s ve loc ida de s de func iona m ie nt o de c a da una de las c a rre t illa s. La única restricción que se im pone e s que pa ra cada ciclo de func iona m ie nt o, a m ba s c a rre t illa s ha n de estar sit ua da s en su posición inic ia l (a , c ).
1
^ 2 deberá una de l
v i yviD
b
a
as
nicamente imbién in¡-
)s dos pul-
V21/V2D
d
je
Figura 7.21. Ejercicio
Un posible m ode lo de l func iona m ie nt o re que rido sería
;
ería ida s
m .a .c .
s
VID
V2D
b
i
VI
V2I
a _-. _ _ M - | •
Figura
7.22. Modelo requerido (supuesto
2) 253
A
U P V
-
C F P
Robótica y Automática
Ot ra posible a lt e rna t iva de m ode la do, ut iliza ndo e l c onc e pt o de acciones c ondic iona da s sería:
V2D c:
a c
Figura 7.23. Modelo usando acciones condicionadas
Ot ro m ode lo que cumplirá la s e spe c ific a c ione s de diseño, utilizando etapas con a c c ione s virt ua le s e n ope ra c ione s de e spe ra :
m.a.c.
VID
V2D
b
V2I
Figura 7.24. Modelo utilizando acciones
254
virtuales
UPV-CFP
Figura 7.25. Modelo usando paralelismo
estructural
•
•
T e rc e r s u p u e s t o : e n e st a ocasión se de se a que el sincronismo se extienda a la operación de re gre so de a m ba s carretillas. Debe c ont e m plarse una situación de m ut ua e spe ra de las carretillas en (b, d) antes de iniciar el re gre so simultáneo a la situación inicial (a, c ). Véase figura Fig.7.26.
UPV-CFP
255
bobática y Automática
Figura 7.26. Modelo requerido (supuesto
3)
Introducción al Gra
7.5.
Macro-representaciones
El obje t o de la s m a c rore pre se nt a c ione s e s la búsqueda de la sim plic idad (le gibilida d) e n los dia gra m a s, c on t a l que pue da n realizarse diversos niveles de representación de l sist e m a , a de c ua da s a la s dist int a s fa se s de diseño que t odo proc e so re quie re . Est a ide a pe rsigue que la complejidad asociada a los m ode rnos sist e m a s a ut om a t iza dos pue da n reducirse, e vitando que c onc e pt os de t ipo ge ne ra l pue da n se r e nm a sc a ra dos por la profusión de análisis e x ha ust ivos de m a yor de t a lle , c uya especificación puede que da r reseñada e n documentación a pa rt e .
7.5.1. El concepto de macro-etapa: repetición de secuencias Un c onjunt o d e e t a pa s, c uya aparición pue de re pe t irse e n va ria s oc a siones a lo la rgo de l dia gra m a Gra fc e t , pue de se r re pre se nt a do de form a compacta según pue de ve rse e n la Fig. 7 .2 7 .. Esta form a de re pre se nt a ción re c ibe e l nom bre de m a c roe t a pa . Su utilización pe rsigue e l objetivo de simplificar los m ode los susc e pt ible s de se r re pre se nt a dos y que contienen secuencias re pe t ida s de un m ism o c onjunt o de e t a pa s y t ra nsic ione s. De esta form a sólo habrá q u e de t a lla r de form a explícita la se c ue nc ia una sola vez. Asim ism o, su utilización pe rm it e e l a horro de código a implementar en los progra m a s de los c ont rola dore s lógicos progra m a ble s. La m a c ro-e t a pa e s una representación simbólica de un conjunto de etapas y t ra nsic ione s. Est e c onjunt o de e t a pa s y t ra nsic ione s re pre se nt a das por la m a c ro-e t a pa re c ibe e l nom bre de expansión de la m a c ro-e t a pa . La expansión de la m a c ro-e t a pa pose e una única e t a pa de entrada y una única e t a pa de sa lida y c onst it uye n los únicos la zos de unión c on e l Gra fcet al que pe rt e ne c e n. La m a c ro-e t a pa re sponde a la s re gla s siguie nt e s: -
La expansión de la m a c ro-e t a pa c om port a una e t a pa de entrada, E, y una e t a pa de sa lida S.
•
El fra nque a m ie nt o de una transición inm e dia t a m e nt e precedente a la m a c ro-e t a pa a c t iva la e t a pa de e nt ra da (E) de su expansión.
-
La e t a pa de sa lida S pa rt ic ipa e n la validación de las t ra nsic ione s inm e dia t a s y post e riore s a la m a c ro-e t a pa .
UPV-CFP
257
Robotica y Automática
7.5.1.1.
Representación
. <
de la macro-etapa
Su representación viene da da por un c ua dra do dividido en tres partes (Fig. 7.27.)
e
,etai i rlO tanto m
c ia s
Expansión de la M a c ro-Et a pa
i *
bibli
nchard I A 1
Macro-Etapa
1
I M10 1 L_J t
- _ —i _
dués
f
•
B
Groupe E q u i Grafcet de n g
Groupe 1991. C
G7V
h
David, R., Ha evenf system
D
Figura 7.27. Macro-etapa
Re sum e n: El Grafcet es un de riva do de la s redes de Petri bina ria s e interpretada s, utilizándose como método de m ode la do de sist e m a s de producción a ut om a t iza dos, al igual que c om o lenguaje de programación de Autómatas Programables Industriales. Las etapas llevan asociadas a c c ione s (salidas) sobre el sistema, las t ra nsic ione s llevan asociadas entradas del sist e m a . El c onc e pt o de secuencialidad lleva a pa re ja do el concepto de diseno t op-dow n, de descomposición granular de las distintas micro-operaciones a realizar en el sist e m a .
258
Éditic
UPV-CFP
Introducción al Grafcet
Las e st ruc t ura s lógicas, dive rge nc ia s, convergencias e t c establecer de form a gráfica y le gible las N e n i a r ; "u .existentes v i e n t e s ee nn ee ll func f u n riona . i nm n ie ^m i i ^ " „ ? » c » one s de los subprocesos nt o de l sist e m a e i C
5
P 6 r m i t e n
nt e rre la
La m a c ro-e t a pa pe rm it e la realización de modelos más simples v leai bles; y por lo t a nt o de m e jor m a nt e nim ie nt o posterior. Y
9
Referencias bibliográficas: Bla nc ha rd M. Comprendre dués - Edit ions, 1 9 8 7 .
maítriser et appliquer le Grafcet. Céoa-
Groupe Equipe m e nt de Produc t ion Automatisée réuni á l'ADEPA. Le Grafcet: de Nouveaux Concepts. Cépadués - Éditions, 1 9 9 1 . Groupe G 7 W ADEPA/AFCET . Le Grafcet. Cépadués - Éditions 1991. Da vid, R., H a lla , H. Petri Nets & Grafcet: Tools formodelling discrete event systems. Pre nt ic e -H a ll I nt e rna t iona l Editions, 1992.
259
UPV-CFP
8.1.
Introducción
8.2. Módulo
secuencial
8.3. Obtención diagrama
de
de las funciones
etapa................................ lógicas
a partir
del
Grafcet..................................................*
8.4. Ecuaciones de activación/desactivación y es269 tructuras lÓgiCaS mmmmmmBmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm 8.5. Normas
especiales
8.6. Las temporizaciones
de representación y contadores
Grafcet...
274
en el
8.7. Estrategia de diseño para sistemas complejidad.................**»»»»»»»*»*»»"»'""""^^
de
mayor
286
Objetivos: Describir el concepto de módulo secuenciador de etapa. Describir la implementación de un algoritmo de control en un Autómata Programable a partir de su diagrama Grafcet correspon-
Mostrar la flexibilidad de representación de los modelos ¡mole mentados con Grafcet, frente a un mismo problema de automatización. Conocer la implementación de las ecuaciones de activación/desactivación correspondientes a las distintas estructuras lógicas. Describir algunas representaciones especiales, temporizaciones y cuentas.
8.1.
Introducción
La implementación d e un a ut om a t ism o m e dia nt e lógica progra m a da o c a ble a da , a pa rt ir de l Gra fc e t se realizará t e nie ndo e n c ue nt a las c onside raciones siguie nt e s: El c onc e pt o de e t a pa se asociará a l de una m e m oria binaria, que pue de e st a r a c t iva o ina c t iva según dic ha m e m oria esté e n e st a do lógico T ó "0". Si la e t a pa está a c t iva da , la s a c c ione s c orre spondie nt e s asociadas a dicha e t a pa se ejecutarán c ondic iona l o inc ondic iona lm e nt e , según e l c a rácter de dic ha s a c c ione s. La m e m oria bina ria pue de im ple m e nt a rse físicamente, a través de un relé de e nc la va m ie nt o o un bie st a ble , si im ple m e nt a m os e l automatismo mediante lógica c a ble a da . Si, por e l c ont ra rio, e l a ut om a t ism o se realiza mediante lógica progra m a da , e l bie st a ble deberá im ple m e nt a rse mediante ta programación de la re spe c t iva ecuación lógica e quiva le nt e .
8-2. Módulo secuencial
de
etapa
La relación func iona l e x ist e nt e e nt re e t a pa s contiguas quedan ^'e 'da s por lo que se de nom ina e l módulo se c ue nc ia l de etapa, que p e s
c
263 UPV-CFP
lobóttca Y Automática
m os de finir c om o e l e le m e nt o tecnológico func iona l c a pa z de int e ra c c iona r c on sus e t a pa s a nt e rior y post e rior. Su descripción gráfica se m ue st ra e n la F i g . 8 .1. y contribuirá a clarific a r la dinámica int e r-e t a pa s.
Figura 8.1. Modulo secuencial de etapa El módulo se c ue nc ia l de e t a pa p o s e e t re s e n t r a d a s y u n a sa lida ; y el obje t o de c a da una de e lla s pa ra u n módulo d e Et a pa d e o r d e n n, e s re spe c t iva m e nt e : a ) . 1 - Ent ra da : se ut iliza pa ra e fe c t ua r, j u n t o c on ia señal de va lida ción, la activación d e la e t a pa y p r o v i e n e d e l fra nque a m ie nt o de la transición n - 1 . b) . 2- Ent ra da : se ut iliza pa ra e fe c t ua r la validación d e la e t a pa r prove nie nt e de la sa lida d e la e t a pa n - 1 . c ) . 3 - Ent ra da : se ut iliza pa ra la desactivación (re se t ) d e la e t a pa n. y la señal provie ne de la sa lida r e a l i m e n t a d a d e la e t a pa n+ 1 . d) . 1
§
Sa lida : se ut iliza pa ra que re a lic e t re s f u n c i o n e s dist int a s y simultáneas que so n : • va lida r la e t a pa n + 1 . • de sa c t iva r la e t a pa n - 1 . • e je c ut a r la orde n de m a ndo pre vist a .
En la Fig.8 .2 . se m ue st ra la implementación física d e un m odulo se c ue nc ia dor de e t a pa m e dia nt e un bie st a ble . A la e nt ra da S E T se c one c t a 264
UPV-CFP
una puerta Y , y a e lla se c one c t a la validación y re c e ot ivida d H » ^ a c t i v a m e n t e . A su e nt ra da RESET se
•=
T
c one c t a TstL% ¡£¡ e
-
O R D E N E S D E MANDO
t • ';. MODA O
A 'fjnsicj.jr p-i
MGOUUO S£CutNCU\COP r.
Figura 8.2. Implementación
física de un módulo
8.3. Obtención de las funciones grama Grafcet
lógicas
secuenciador
a partir del dia-
A pa rt ir de c a da e t a pa de un dia gra m a Grafcet, deben obtenerse dos tipos dife re nt e s de func ione s lógicas: •
Función lógica de activación/desactivación de la etapa correspondie nt e .
•
Func ione s lógicas de activación de las operaciones de mando.
La función lógica de activación-desactivación es única por etapa. Sin embargo, e l número de func ione s lógicas de operación de mando depende de la c a nt ida d de a c c ione s a soc ia da s a c a da etapa.
8
- -1. Ecuación de activación/desactivación de etapa 3
d e
Básicamente, e x ist e n dos t ipos de e c ua c ione s asociables al concepto memoria bina ria , que se de nom ina n: Ecuación de m e m oria binaria de set o enclavamiento prioritario, c uya expresión e s: Y . =S + RY
t
265
Robotica Y Automática Ecuación de m e m oria bina ria de re se t o dispa ro priorit a rio, c uya _ _
__
—
—
m
—-
—
--^
expresión e s: ^ —f c .
•
R ( S
Y.
+
Y ) T
En a m ba s e x pre sione s, Y, e s e l e st a do de la e t a pa . S, e s la condición de activación de la e t a pa . R, e s la condición de desactivación de la e t a pa Las e x pre sione s c onc re t a s de S y R dependerán d e la s e st ruc t ura s lógicas específicas re sult a nt e s de l m ode lo re a liza do; o más c onc re t a m e nt e , dependerá de la e st ruc t ura básica y lógica d e l d i a g r a m a Gra fc e t . En ge ne ra l serán func ione s OR y A N D donde int e rvie ne n la s va ria ble s re pre se nt a t iva s de e t a pa s y t ra nsic ione s im plic a da s. La dife re nc ia e x ist e nt e e nt re la s e x pre sione s d e .« memoria de Se t priorit a rio y la de Re se t priorit a rio e s q u e , ante la e ve nt ua l aparición simultánea de la s c o n d ic io n e s de activación S y de desactivación R, la prim e ra m e m o ria permanecerá a c t iva da ; m ie nt ra s q u e la s e g u n d a m e m o r i a dará priorida d a la desactivación. A este re spe c t o, ha y q u e reseñar q u e e l t ipo de m e moria de Se t priorit a rio c um ple pe rfe c t a m e nt e la re gla n 5 del Grafcet, que de t e rm ina la obliga t orie da d de activación de una e t a pa , e n c a so de activación y desactivación s i multánea. En c onc re t o, pa ra una e st ruc t ura básica d e s e c ue nc ia única, t a l y c om o se m ue st ra e n la Fig. 8 .3 ., la ecuación de activación/desactivación a soc ia da a la e t a pa enésima se ra :
Tn-S
Trvl
Tn
9
E
E
n
, En
en la c ua l, pa ra una se c ue nc ia única de e t a pa s, se re la c iona la activación de la e t a pa E , e n función de la e t a pa a nt e rior, la e t a pa post e rior y la re c e pt ivida d a soc ia da . n
•
Tj
Figura 8.3.
De be se r int e rpre t a da e n e l se nt ido de que la e t a pa En se activará, si e st a ndo la e t a pa E ^ a c t iva da y la E de sa c t iva da se sa t isfa c e la t ra nsición T --|. Después, permanecerá a c t iva da ha st a que la E se a c t ive . n+ 1
n
2F6 •
n + 1
UPV-CFP
El módulo se c ue nc ia dor de e t a pa de orde n n, se ha c e a c t iva ble de bido a la activación de l módulo n-1 y se t orna a c t ivo por e l fra nque a m ie nt o de la transición Tn.!. Su pa so al e st a do a c t ivo ha c e a c t iva ble al módulo n+1 v de sa c t iva a l módulo n -1 .
8.3.2. Ecuaciones de activación de operaciones de mando El número de e c ua c ione s de activación de ope ra c ione s de mando, depende de l número de a c c ione s a soc ia da s a c a da e t a pa (número de va riables de sa lida ). S u expresión dependerá de l carácter c ondic iona l o i n condicional de éstas. Pa ra una m e jor comprensión de lo e x pue st o e n los dos a pa rt a dos anteriores, veámoslo e n e l e je m plo siguie nt e : Eje m plo: Se a e l dia gra m a Gra fc e t de la Fig. 8 .4 ., donde va m os a proceder a la obtención y clasificación de l t ot a l de func ione s lógicas a ge ne ra r por el c i tado dia gra m a . En la e t a pa n° 5 t e ne m os 3 a c c ione s a soc ia da s, de carácter inc ondicional, re pre se nt a da s por la s va ria ble s de sa lida A, B y C re spe c t iva m e nt e . En la e t a pa n°6 t e ne m os a soc ia da s dos a c c ione s una inc ondic iona l D, y otra de carácter c ondic iona l F. En la e t a pa n°7 t e ne m os dos acciones a soc ia da s, la G y la H . Por t a nt o la s func ione s lógicas a ge ne ra r son:
Eunciones lógicas de la e t a pa n°5: £
5
=
E
A
T
A = E
5
B=
E
C=
E,
5
4 +
E
s 6 E
{Activación de e t a pa }
Func ione s lógicas de la e t a pa n 6 : Q
I
ET + EE
E
$
5
0
{Activación de e t a pa }
7
F - mE
t
Func ione s lógicas de la e t a pa n 7 g
u3
.etapas.
E(>% ^7^8 {Activación de e t a pa } +
E
G=£
obte
7
"9 ntas e t a ^arealizj
H=E,
lactivacior En la Fig. 8 .4 . se ha re a liza do la implementación d e la s e c ua c ione s lógicas ge ne ra da s medíante e l le ngua je de programación de d i a g r a m a e n escalera, presente e n la mayoría de autómatas p r o g r a m a b l e s de carácter industrial. Se pre vie ne a l le c t or que , e n la implementación d e e st a s e c ua ciones, o mejor en su ordenación, no se ha t e nido e n c u e n t a e l t ipo de c ic lo de ejecución de progra m a de los Autómatas Progra m a ble s.
En(
:*3e: Ca, es Cd, e s
Y-4
s
I
se t ie n
ambas ce
r
E5 t—
ES
ta
E5
i—: •
v _
•
{
" ^d a
i
—\ • - ------
a)
H b)
Figura 8.4. Ejemplo diagrama Grafcet y diagrama 268
c escalera
o$ I .
fo&ementación dei Automatismo a omlk drt G
g,4. Ecuaciones de activación/desactivación ras lógicas
y estructu-
Como se ha podido c om proba r ia cctenctón de tes funciones resulta de gra n se nc ille z, sí bie n su consecución a partir de tas < f c f t r ^ estructuras lógicas, bucles saltos y m a c roe t a pa s conlleva mayor <*R^¿fart por ello pa sa m os a detaliar la manera de planteadas a partí- de las turas referidas a nt e riorm e nt e .
naciones rama en carácter as e c = -
func ione s lógicas de acth/adónWesactwaóón estructura simple de 3S umrequiere de cierta ref exión. t e nie ndo en cuenta la deposición de las distintas et acas en estructuras lógicas i expresión ge ne ra l de la tipo Set prtonta~o, e n a En (t+At) = Ca + Cd En(t )
ze
Ca. es la condición de activación. CG es i a condición de m a nt e nim ie nt o y 35 22 ZaS 2ZS Z 6S 3 J Si se t ie ne n e n c ue nt a as z .e -sa s es I I zar. ambas c ondic ione s. Ca y Cd. c r e c e n :e~e* e x c e s :~e s es m
8.4.1. Dive rge nc ia e n OR equiere que en las condi a e se reflejen las diversas J e l i e dones de desactivación de la etaoa d i \ etapas que a lt e rna t iva m e nt e pue de n producir la desactivación de la prie st rue hra ce mera. Por ello la función lóaica. teniendo e n c Fig. 8.5. . c j e d a r a como sigue: r
Cd
I
E.
=1
o. si aplicamos la ley de Morgan, entonces la expresión queda Cd :59
UPV-CFP -n\l
RcMica
Y
Auton)¿Ítica
Por t a nt o su función lógica de activación/desactivación, t e nie ndo en c ue nt a la e st ruc t ura de la Fig. 8 .5 ., será de la form a : E ()
C<7+ \
\En.E
()(l
Figura 8.5. Divergencia en OR
8.4.2. Conve rge nc ia e n OR En la e st ruc t ura lógica de c onve rge nc ia e n OR, e n lo que re spe c t a a la etapa de c onve rge nc ia , su condición de activación ha de t e ne r e n cuenta las posible s e t a pa s pre c e de nt e s que , a lt e rna t iva m e nt e , pue de n provoc a r la activación de dic ha e t a pa . La expresión de la condición de activación será: /
Ca
{E r r
+
+
+ £ \. r . )
Por t a nt o su función lógica de activación/desactivación, t e nie ndo en c ue nt a la e st ruc t ura de la Fig. 8 .6 ., será de la form a :
E
r
!LE - n+Cd.E !t
úu
n = )
270
UPV-CFP
Implementación
Figura
del
Automatismo a partir del Grafcet
8.6. Convergencia en OR
8.4.3. D i v e r g e n c i a e n A N D En u n a e st ruc t ura de dive rge nc ia e n AN D, t e ndre m os que t e ne r e n cuenta, e n la ecuación a soc ia da a la e t a pa a pa rt ir de la c ua l se produc e la dive rge nc ia , e l número de e t a pa s post e riore s que int e rvie ne n e n su c ondición de desactivación Cd; por e llo, e n el c a so de la Fig. 8 .7 ., t e ndre m os: I
Cd n=\
Por lo que la expresión de la ecuación será: i
respes
E
Ou + A r)
UE .E , )
Ca +
n
0¡
/!=!
fflus
provo
1
El
te/ Figura
UPV-CFP
8.7. Divergencia en AND
271
Robotica
Y Automática
8 .4 .4 . Conve rge nc ia e n AN D Finalmente, en la estructura de convergencia e n AN D (Fig. 8 .8 .), deberán tenerse en cuenta, en la etapa de convergencia, la s condiciones de activación Ca de su ecuación, y las etapas precedentes cuya activación deberá permitir la activación posterior de dicha etapa. Su condición lógica de activación será:
'.-
0 ^
-\ ' ° rrie ^ nder P3 ^ 3
C
níe
rt
fa P
la ecuación quedará:
íideCai. s e o ¡piaalización ^nables e s «s internas re a-án. Por t a n
*• en el prc topas del d ación quedar
—- r EO
Figura 8.8. Convergencia
en AND
8 .4 .5 . La s e t a pa s de inicialización Este tipo de etapas, en c um plim ie nt o de la regla n 1 del Grafcet, han de que da r a c t iva da s de form a incondicional cuando se inicializa el sistema m e dia nt e una orde n del tipo Start. Cont ra ria m e nt e a las etapas normales, 9
272
UPV-CFP
a é *
un
t a s
pose e n, e n e l m om e nt o de inic io, ninguna e t a oa ni t t e s que pue da n pa rt ic ipa r e n la s c ondic ione s de expresión ge ne ra l de la ecuación de ^ S S £ S Ello obliga a la introducción de una s m n H ¡ ™« ^ 1 J n 0
r
a
n c ¡ ^
i S j ^T ?
d e n
pectivamente
^
±
^
P iniciales de la a c precedentes A
M
^ O
N
.
d e
e t a
a
e t a pa s, se puede recurrir a la
siguiente expresión: E
= Cai +
0(t)
Ca
donde Ca i, se obtendrá m e dia nt e el a prove c ha m ie nt o del hecho de que e n la inicialización de l progra m a de los disposit ivos de control programables, 'as va ria ble s están inic ia liza da s a '0 '. Com o c onse c ue nc ia , todas las va ria bles int e rna s re pre se nt a t iva s de las dive rsa s etapas existentes también lo estarán. Por t a nt o Ca i tendrá c om o expresión: Cai
=
Y]En
donde, e n e l produc t o participarán t oda s las variables correspondientes a 'as e t a pa s de l dia gra m a , sa lvo la s de carácter inicial. La expresión de la ecuación quedará:
No obst a nt e , e st a expresión puede llegar a se r laboriosa de implementar, si e l m ode lo Gra fc e t que se está realizando dispone de un gran número de e t a pa s. Afort una da m e nt e , e n los dispositivos lógicos de control programables (autómatas progra m a ble s indust ria le s), se dispone de un determinado tipo e variables int e rna s, las de nom ina da s marcas de sistema (System M a r e rs), que utiliza éste para ejecutar algunas funciones de carácter especmUna de e st a s marcas de sistema tiene como función la emisión inco, 'c iona l de un pulso de inicialización, durante la ejecución del prime ccv e programa De esta manera la citada marca de sistema, que denom d
k
d
d
273 U PV -CFP
ca Y Automática
re m os M S, pue de inc luirse e n la expresión d e la s e t a pa s de inicializaciónde f o r m a q u e :
Cai
MS
Por t a nt o la expresión de la nue va ecuación será:
E
=
mHtt)
MS+Cd.E +Ca m
Pa ra e l m ode lo c o rre sp o n d ie n t e a la F i g . 8 .9 ., los d o s t ipos de e c ua c ione s a na liza dos serían: a)
EWD
b) E Qir + A / ) A /S + ( £ , + £
3
+ £ ).£• „,„ + 5
Es
2 3
r4
r7
r2
r5
r8
r3
ró
r9
+ £ . r + £ .r„ 4
6
6
Figura 8.9. Ejemplo
8.5. Normas especiales
de representación
Grafcet
Se t ra t a n, e n e st e a pa rt a do, a lgunos m odos de representación normaliza da Gra fc e t de sit ua c ione s e spe c ia le s de evolución de los sistemas, y 274
UPV-CFP
también la form a de e sc rit ura de a c c ione s a soc ia da s de naturaleza interna Acunas de e spe c ia l ínteres Algunas interés son: Evoluc ione s simultáneas Se c ue nc ia s e x c lusiva s. Acción t e m poriza da Transición t e m poriza da Acción m a nt e nida .
8.5.1. Evoluc ione s simultáneas Basándonos e n una de la s re gla s Gra fc e t e nunc ia da s en capítulo a nt e rior, a c e rc a de que : V a ria s t ra nsic ione s simultáneamente fra nque a ble s, son franqueadas simultáneamente. Esta re gla de fra nque a m ie nt o simultáneo permite descomponer un diagrama Gra fc e t e n va rios dia gra m a s, a se gura ndo de form a rigurosa sus interconexiones. Ello de be c onse guirse ha c ie ndo intervenir en las receptividades los e st a dos a c t ivos de las e t a pa s, de tal form a que el estado activo de la e t a pa "n" será re pre se nt a do m e dia nt e "En" y el estado inactivo mediante " E ~ \ < i
i
Esta re gla de t ra nsic ione s excluyendo, de queamiento de (Fig. 8 .1 0 .).
pe rm it e , pa rt ic ula rm e nt e , el franqueamiento simultaneo va lida da s por e t a pa s sit ua da s en diagramas separados, e st a form a , posible s ambigüedades en cuanto al fra nla transición 6 a nt e s que la transición 14. o viceversa
I
Ct
•
lli.ll 1
*
I I I . I <;
. . _A #
Figura 8.10. Evoluciones
U PV -CFP
simultaneas
275
8 .5 .2 . Se c ue nc ia s e x c lu siva s Con obje t o de c onse guir una se c ue nc ia e x c e siva e nt re va ria s evoluc ione s a lt e rna t iva s posabtes a partir de una m ism a e :a pa . e s necesario a se gura r que t oda s la s re c e pt ivida de s a soc ia da s a la s t ra nsic ione s son e x c lusiva s; e s de c ir, que no pue de n c um plirse simultáneamente. La exclusión pue de se r de bida o bie n por m ot ivos físicos ncompfiÉWfclad mecánc a , t e m pora l, e t c ..., o bie n por m ot ivos lógicos. En la Rg. 8.1 1 ., las recec vida de s a.b y a.b son lógicamente e x c lusiva s. Por t a nt o si a y b son be rt a s a i m ism o t ie m po, ninguna transición podrá se r fra nque a da a partir de la e t a pa rfS.
sL no pronic ~ea OR,
a.b
a.b
Figura 8.11. Secuene ~s exclusivas
8.5.3. Se c u e n c ia s c o n p r i o r i d a d En oc a sione s, ante una e ve nt ua l activación de dos e ve nt os simultáne os que de t e rm ina se n la activación no de se a da de se c ue nc ia s diferentes, e s ne c e sa rio ot orga r a una de ellas un carácter priorit a rio fre nt e a la otra. 276
UPV-CFP
imr rmentación
dt*l Auuwutistnc
.¿
r.i>tk dml Gmto*!
gs • ! caso típico de un a c c e so simultáneo de dos o m a s subproc e sos a un recurso c om pa rt ido, donde únicamente uno de e llos pue de hacer uso de l mismo e n un pe riodo t e m pora l de t e rm ina do. En e st e supue st o, e s ne c e sa rio dar pnorida d a un de t e rm ina do subproc e so, sobre la ba se de criterios cíe optimización de l func iona m ie nt o globa l o c um plim ie nt o de una serie de normas d e se gurida d. Ello e s posible re a liza rlo a c t ua ndo sobre la receptividad de una de e lla s, t a l y c om o se m ue st ra e n la Fig. 8.12. En ésta pa rt icipan la s va ria ble s a y b\ la prim e ra tendrá priorida d fre nt e a la se gunda , ya que, a nt e la e ve nt ua lida d de su activación simultánea, sólo se disparará la transición donde únicamente se c ont e m pla la va ria ble a , da do que dicha transición no e s re c e pt iva a b.
a.b 7
Figura
8.12. Socuerkvjs
con
prioridad
8.5.4. Acción m a n t e n i d a Este t ipo de implementación de be a plic a rse c on a c c ione s cuya e je c ución ha de prolonga rse dura nt e dos o más etapas c onse c ut iva s, A este respecto pue de n c ont e m pla rse m e dia nt e dos m oda lida de s de representación: , -^^ÉLu a) Efecto mantenido por acciones continuas no memorizadas.
En este c a so la acción a mantener se repetirá e n cada una de las e t a • . asociada Pas a fe c t a da s, lo c ua l a se gura ( % 8.13.). UPV-CFP
277
Robótica Y Automática
EtOpoS
AccfcViA Etapa 9
1*
Acción B
Acción A
Figura 8.13. Acción
b) Efecto mantenido por acción
mantenida
memorizada.
En este caso las a c c ione s se precisarán e n la s e t a pa s de comienzo y final del efecto m a nt e nido, t a l y c om o se re fle ja e n la Fig. 8 .1 4 .
E10
no
E20 Acción A = 1 Acción A = 0
Tn
Acción A
Acción A = 0
T20
Figura 8.14. Acción
278
memorizada
UPV-CFP
Impéementactón óe Auto
Este modo de representación pa re c e a de c ua do c ua ndo la impternerv tación de tos preaccionadores se realiza a través de relés biestables de encorvamiento En ia etapa número 10 se produaria el enclavamiento del ^eacoonador. quedando en consecuencia la acción asedada activada de forma mantenida, mientras que en la etapa 20 se produaria el desenciavamiento.
8 . 6 . Las temporizaciones
y contadores
en el
Grafcet
En los sist e m a s a ut om a t iza dos e s m u y fre c ue nt e c ondic iona - a a c t ivación, desactivación o duración d e de t e rm ina da s ope ra c ione s (a c c ione s) a la va ria ble t ie m po. Así m ism o, e n u n m om e nt o de t e rm ina do, e l c a m bio de e st a do int e rno d e l sist e m a pue de e st a r c ondk x >na do también por una variable t e m poriza da . En e l Gra fc e t se dispone de una descripción form a l de la función t e m Dorización y s e ha e s* 3 ble c ido s u im p e m e nt a ción a través de l ope ra dor de iemporización c uya sint a x is e s: VEntemp.
donde : • t indic a la operación de temporización. • En indic a la e t a pa a la c ua l está re fe rida dic ha temrDonzación. • f e m p e s e l va lor de la duración d e la temporización e n se gundos m inut os u hora s.
• El ope ra dor temporización está ligado a la existencia de una va riable lógica de temporización cuyo valor e s "0", mientras dure la temporización, y "1" a l término de la misma. El comienzo de la temporización está siempre ligado a la activación de una etapa determinada (En), que es la que se indica e n el operador. • Toda desactivación seguida de una activación no simultánea de En, durante e l proceso de temporización. debe tener como consecuencia la definición de un nuevo ongen de tiempo y una nueva temporización que anula la anterior. • Ante una activación y desactivación simultáneas, la temponzacton no se inicializa guardando consonancia con la regla n°5 de l Gra -
U PV -CFP
279
Robottea Y Automática
t/En/tomp
Vortabte de t e m port ra c ion t
Etapa En
Figura 8.15.
Temporización
Las t e m poriza c ione s pue de n c la sific a rse e n ge ne ra l c om o: a ) Temporización a l re t a rdo: La va ria ble a soc ia da a l dispositivo t e m poriza dor pe rm a ne c e e n e st a do lógico ba jo 0 ", m ie nt ra s que se efectúa la operación de temporización. Coinc ide con la definición e st a ble c ida pa ra e l ope ra dor de temporización del Grafcet. M
b) Temporización a l a rra nque : La va ria ble a soc ia da a la salida del disposit ivo t e m poriza dor se c oloc a e n e st a do lógico alto, desde el m ism o c om ie nzo de la temporización, de sc e ndie ndo a estado lógico "0" una ve z t ra nsc urrida la temporización e st a ble c ida . Viene a se r la va ria ble temporización c om ple m e nt a da ; por tanto, en la notación de l ope ra dor, se realizará de la form a que se indica e n la Fig. 8 .1 6 .
temporización a! estanque 5/í n^emp
vartab» cte sdkía ae¡
Etapa En
Figura 8.16. Temporización ai arranque UPV-CFP
Implementación del Automatismo a pa
Otros de t a lle s a pre c isa r, y que se re fie re n a la notación de l ope ra dor en los dia gra m a s, son los siguie nt e s: a) La temporización que se está c onside ra ndo e n un m om e nt o de t e rm ina do sólo a fe c t a a una acción específica de la etapa c o rre spondie nt e , de form a que e st a ble c e la duración de dicha a c ción o únicamente c ondic iona e l c om ie nzo de la m ism a ; pe ro la transición post e rior a dic ha e t a pa no e s re c e pt iva a la variable temporización, por lo que no c ondic iona e l pa se a la siguient e e t a pa . La notación de be ha c e rse según se indic a e n la Fig. 8.17.
Figura
8.17. Notación de la
temporización
b) La temporización, además, de t e rm ina la evolución a una nueva e t a pa . Ello va a signific a r la participación de l evento "final de temporización" e n la re c e pt ivida d a soc ia da a la transición post e rior a la e t a pa e n cuestión. Su notación deberá estar asociada a la transición
• Figura 8.18. Final de la
UPV-CFP
temporización 281
Rebotica Y Automática
8 . 6 . 1 . Utilización de l o s c o n t a d o r e s e n e l Gra fc e t Ot ro de los disposit ivos, comúnmente ut iliza dos e n la automatización de la fabricación, e s e l c ont a dor. M uy a m e nudo se ne c e sit a conocer el número de pie za s fa bric a da s, o de fe c t uosa s, pa ra dispone r de control sobre la c a pa c ida d de máquinas o a lm a c e ne s, o pa ra la realización de cálc ulos estadísticos más sofist ic a dos. Los c ont a dore s func iona n c on ope ra c ione s de c ue nt a de carácter asc e nde nt e , de sc e nde nt e , o a m ba s a la ve z. La representación de tales opera c ione s que da re fle ja da e n la Fig.8 .1 9 .
c=c-i
a) Cont a dor a sc e nde nt e
b) Cont a dor de sc e nde nt e
Figura 8.19. Contadores
8.6.2. T ra nsic ione s por f l a n c o s En oc a sione s re sult a c onve nie nt e y ne c e sa rio a soc ia r el cumplimiento de una re c e pt ivida d a un c a m bio de e st a do de t e rm ina do de una variable, bie n se a por fla nc o de subida o de ba ja da . Su representación norm a liza da , m e dia nt e e l dia gra m a func iona l Grafc e t , se realiza según se indic a en la Fig. 8 .2 0 .(a ), donde la notación \J " y la " i g" de be n ser e nt e ndida s c om o que las re c e pt ivida de s, asociadas a dic ha s t ra nsic ione s, se sa t isfa c e n c ua ndo se produc e e l fla nc o de subida de T y el de ba ja da de "g" re spe c t iva m e nt e . tt
En la Fig. 8 .2 0 .(b) se m ue st ra un e je m plo de una re c e pt ivida d c om pue st a por la función AN D del e st a do de la va ria ble h y del fla nc o de subida de la va ria ble k. 282
UPV-CFP
Di //Di
é.S
Automatismo a partir del Gra
t
•
Figura
g
8.20. Transiciones
por
flancos
8.6.3. Efe c t o de l t i p o de pre a c c iona dor sobre los m ode los Gra fc e t
I i {
Ex ist e un c ondic iona nt e de carácter tecnológico, c om o es e l tipo de pre a c c iona dor a ut iliza r e n la implementación de l a ut om a t ism o, que c ondiciona e l m ode lo Gra fc e t de dic ho a ut om a t ism o. Los pre a c c iona dore s pue den se r de t ipo m onoe st a ble , t a l c om o e l relé común, o de carácter bie st a acción deba m a nt e ne rse e n e t a pa s suc e siva s, ut iliza ndo un pre a c c iona dor de carácter m onoe st a ble , de be re fe re nc ia rse obliga t oria m e nt e en cada una de las e t a pa s a fe c t a da s.
I
En e l c a so de un pre a c c iona dor bie st a ble sólo se deberá hacer re fe r encia e n la e t a pa de activación y e n la de desactivación, t a l y como se muestra en el caso de la acción mantenida.
jón*
I
V e a m os la aplicación de l c rit e rio a nt e rior sobre el siguie nt e ejemplo.
de ^
I
9
na
0
fun<: i
c
;0
U Vi t u"I V
Ejemplo
1:
Se pre t e nde se m i-a ut om a t iza r el func iona m ie nt o de una máquina t a la dradora de sobre m e sa , e n la que se pre t e nde dispone r de los siguie nt e s disposit ivos: UPV-CFP
283
Rebotica Y Automática
m
M
Figura 8.21. Máquina taladradora
Un pulsa dor M, de inicialización de l sist e m a , c on obje t o de que el motor a dquie ra la ve loc ida d de rotación de régimen, que se obt ie ne accionando GM . El m ot or, además, dispone de los t ipos de m ovim ie nt o siguientes: Se nt ido de translación longit udina l de l eje de la broc a de sc e nde nt e de dos ve loc ida de s, de sc e nso le nt o DL y de sc e nso rápido DR, y sentido asc e nde nt e rápido AR. La pie za a t a la dra r se de t e c t a m e dia nt e un de t e c t or de proximidad induc t ivo d, y se suje t a por un c onjunt o de dos a pre sa dore s a c c iona dos por AA. Cua ndo la pie za se de t e c t a encontrándose e n la posición adecuada, y además se pulsa la orde n de inic io de operación m e dia nt e e l pulsador m, actúan los a pre sa dore s al t ie m po que el eje port a broc a s, inicia el descenso rápido. J ust o a nt e s de produc irse el a t a que a la pie za , el fina l de carrera I provoc a e l c a m bio a de sc e nso le nt o, iniciándose e l t a la dra do; e l cual se interrum pe c ua ndo el fina l de c a rre ra S1 c onm ut a , iniciándose el ascenso rápido a la posición de re poso origina l, a dve rt ida por el fina l de c a rre ra S2. Los m ode los c orre spondie nt e s a la implementación m e dia nt e preacc iona dor m onoe st a ble y biestable se m ue st ra n en la Fiq. 8.22.
284
UPV-CFP
Implemento: ion del Automatismo
a partir del Grafcet
i • =i
• •
n
-r =
•
„
Figura 8.22. Modelos usando preaccionador
monoestable
y biestable respec-
tivamente
8 .6 .4 . Implementación sobre
Autómatas Progra m a ble s t a bla de asignación de va ria ble s.
I ndust ria le s:
Una ve z obt e nida s e l c onjunt o de e c ua c ione s lógicas derivadas de l modelo Gra fc e t c orre spondie nt e , que da la t a re a de su transformación e n algoritmo de c ont rol y su programación sobre un Autómata Programable de carácter indust ria l específico. Un proc e dim ie nt o metodológico, que a yuda a la realización de esta tarea, consiste e n la formación de la de nom ina da t a bla de asignación de variables, donde se realiza la asignación de las va ria ble s simbólicas o lit e rales utilizadas e n e l m ode lo Gra fc e t a las c orre spondie nt e s va ria ble s de entrada, va ria ble s de e st a do y va ria ble s de sa lida de l autómata indust ria l. Desafortunadamente, aún no e x ist e una dire c t iva común que unifique e l código re pre se nt a t ivo de dic ha s va ria ble s e n t odos los autómatas industriales. Por t a nt o, pa ra la construcción de la t a bla , ut iliza re m os un código de un Autómata Progra m a ble genérico, de t a l form a que los códigos a utilizar serán: In.m : V a ria ble s de e nt ra da On.m :Variables de sa lida . Mn.m :Variables internas (marcas de l sist e m a ) onde n y m serán, en el c a so de las va ria ble s de entrada y salida, ia posición del módulo y la posición dentro del módulo c orre spondie nt e re spe c t ivamente. Por tanto la tabla para el Grafcet de la Fig.8.22 a ), sería:
d
U P V -C F P
285
lobóttca Y Automática
Variables Internas
Variables de L-ntrada
Variables de Salida
10 Mil
En una asignación de va ria ble s específica ha de t e ne rse e n cuenta el t ipo de codificación específico de l Autómata y la disposición de los módulos d e e nt ra da / sa lida de éste.
Estrategia plejidad
de diseño para
sistemas
mayor com-
Se propone la automatización de una máquina rot a t iva de t ra nsfe re nc ia de t re s punt os de t ra ba jo c uyo obje t o e s e l m e c a niza do automático de una pie za de t e rm ina da m e dia nt e e l m a rc a do, t a la dra do y m ode la do de la m ism a . Además la m e sa rot a t oria pose e un pue st o de t ra nsfe re nc ia e inde x a do. (Fig. 8 .2 3 .). La c a rga d e la pie za se realizará m a nua lm e nt e por e l ope ra rio encarV : : f ga do. :
- " ; - " -p
El c ic lo se a c t iva por e l ope ra dor pulsa ndo A C (Arra nque de Ciclo). La m e sa rot a t oria e s de se nc la va da ( B -) , gira 9 0 gra dos (A+) y después es bloque a da nue va m e nt e (B+), lo que pe rm it e e l re t orno de l t ornillo del clic o ga t o de t ra nsfe re nc ia (A-).
9SR
- I
Figura 8.23. Mesa
286
rotatoria
C u a r t o está t e rm ina da ia t ra ~s* e re na a la s r e s s-ecue<~cas - e -ado t a la dra dro y m ode la do, son dispa ra da s Simuitárear-e^te y se r e s a l l a n irc e c e ndie nt e m e rrt e (se c ue nc ia s paraíefas) La t ra nsfe re nc a r a r a e ocio siguie r* e no se obtendrá s i n e m ba rgo m a s :;_3 ~ c c Tes puntos ~ayan t e rm ina re s -s se c ^ e ^ a a s re spe c t iva s.
Estrategia de planificación:
En general, c on ocjeto de facilitar su ana s s, pa ra el diseño medíante el Grafcet de los sistemas ba sa dos en automatismos, se propone la seguiente metodología: 1 - Realizar un estudio detallado de los objetivos y de diseño. 2 - Realizar un análisis tecnológico/funcional del proceso. En este sentido deben seleccionarse convenientemente el conjunto d é captadores, pulsadores, detectores de proximidad, etc.. que en general determinarán el comienzo y final de ejecución de las diversas fases y, con etfo las acciones de mando asociadas a las etapas t
Descomponer el proceso en subprocesos, para así determinar el conjunto de operaciones básicas a ejecutar y establecer su relación con el número total de etapas, para posteriormente estructurar éstas mediante secuencias básicas. Concatenar adecuadamente las estructuras básicas correspondientes a los diversos subprocesos mediante las estructuras gicas Grafcet, según se trate de secuencias únicas, pi alternativas, etc., para obtener el diagrama funcional del matismo.
En los gráficos c orre spondie nt e s a la s Fig. 8.23 y Fig. 8.24 se pre t e nde reflejar, e n e l prim e ro, e l e st udio a re a liza r a c e rc a de los obje t ivos/e spe c ific a c ione s de diseño; e n e l se gundo, los de t a lle s de su im ple mentación tecnológica t a l v c om o se pla nt e a e n las norm a s a nt e riore s. En ógicas adecuadas UPV-CFP
287 mm
Descomposición de l p r o c e s o : T ra s o* e st udio de ooie t ivos
control, asi como del análisis tecnológico y func iona l, se c onvie ne e n descomponer e l proceso
e n Ct k it o subproc e sos
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\ - T r a n s f e r e n c i a e m de va do 2 .- M a r c a d o de la s pie za s 3
Mecanizado de las p v z a s
4.- M o d e l a d o d e la s pie za s
En las e spe c ific a c ione s que da e st a ble c ida la se c ue nc ia lida d única del proc e so de t ia nsfe re nc ia /inde x a do, así c om o la de e st ruc t ura de secuenc ia s pa ra le la s pa ra los ot ros t re s subproc e sos.
8 .7 .1 . S u b p r o c e s o de t r a n s f e r e n c i a e i n d e x a d o Este subproc e so incluirá las siguie nt e s e t a pa s Inicialización de l proc e so De se nc ia va m ie nt o de la m e sa rot a t oria t ra s la activación del pulsa dor A C Giro de 9 0 gra dos de la m e sa rot a t oria Enc la va m ie nt o de la m e sa rot a t oria Re posic iona m ie nt o de l ga t o de t ra nsfe re nc ia La s t ra nsposic ione s vendrían c odific a da s a pa rt ir de l se nsor (fina! de c a rre ra o de t e c t or de prox im ida d) c orre spondie nt e , que indicando e l coope ra c ione s ha ga posible la evolución a una etapa post e rior La se c ue nc ia única c orre spondie nt e a l a nt e rior subproc e so quedane st a ble c ida por e l dia gra m a de la Fig. 8.25.
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Figura 8.25. Subproceso de transferencia e indexado
8 .7 .2 . S u b p r o c e s o de m a r c a d o La he rra m ie nt a de m a rc a do procederá de la siguie nt e form a : deberá re a liza r un a va nc e , ha st a sit ua rse e n e l c e nt ro de la pieza a marcar; dicho a va nc e vendrá de t e rm ina do por e l se nsor h1. Post e riorm e nt e se efectuara la operación a rc a do m e dia nt e e l dispa ro ineumático los punzones, i a UfJtíl d U I U I de m 11 t a i o a u u 11 i c u i a i i « ? c i u i o p a i u i l a u w de ^ w*» r . L_ • i.-, r : i _¿_ t i « u«r-f -^rv»iontsa OUe pa ra post e riorm e nt e re t ira rse éstos. Fina lm e nt e , será la he rra m ie nt a la que I
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Figura 8.26. Subproceso de marcado
8.7.3. S u b p r o c e s o de t a l a d r a d o En e st e subproc e so ha de re a liza rse e n primer lugar e l bhdaje de la pieza a t a la dra r, realizándose un pnm e r t a la dra do con una de las t a la dra doras pa ra , simultáneamente, a l fina liza r la operación y a l t ie m po que se retira ésta, avanzará la se gunda t a la dra dora . Una vez fina liza do e l se gundo t a la dra do se retirará y post e riorm e nt e se desbloqueará ia pieza t a la dra da. Por t a nt o las ope ra c ione s son: • • • U PV -CFP
Bhda je de la pieza a t a la dra r Ava nc e de la prim e ra t a la dra dora Re t ira da de la prim e ra t a la dra dora y a va nc e de la segunda 291
Figura
8.27.
8.7.4. Subproceso de modelado En e st e subproc e so de be n re a liza rse la s siguie nt e s ope ra c ione s: prim e ra m e nt e se situará la matriz de bida m e nt e c e nt ra da sobre la pieza a modelar. Al de t e c t a rse la matriz por e l se nsor d , se producirá un primer dispa ro de l pilón situado ve rt ic a lm e nt e sobre e l c onjunt o. Posteriormente se retirará dic ho pilón para produc irse un nue vo dispa ro. Finalmente se 292
UPV-CFP
implementación del Automatismo a partir M
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por lo t a nt o la s e t a pa s son:
•
Ava nc e de la m a t riz Prim e r im pa c t o de l pilón Re t ira da de l pilón Se gundo im pa c t o de l pilón Re t ira da de l pilón Re t ira da de la m a t riz E parcial de la Fig. 8 .2 8 .
Grafcet
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Figura 8.28. Subproceso U P V -C F P
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293
m w í í c a y Automática
8 .7,5. Estructuración de las secuencias M e d i a n t e e l e st udio d e la s e spe c ific a c ione s y obje t ivos de l automatism o, s e h a podido de t e rm ina r la na t ura le za d e se c ue nc ia única de l subproc e so d e t ra nsfe re nc ia e inde x a do y únicamente c ua ndo éste finaliza se dispararán d e form a simultánea los ot ros t re s subproc e sos, condicionados por una m ism a transición aO, lo c ua l podrá e st ruc t ura rse m e dia nt e una divergencia en A N D U na ve z fina liza da s la s t re s se c ue nc ia s pa ra le la s se pue de completar e l dia gra m a m e dia nt e una e st ruc t ura lógica de convergencia en AND. Re a liza do lo indic a do e n e l párrafo a nt e rior, podre m os re a liza r un prim e r dia gra m a Gra fc e t de carácter func iona l c o n la s e t a pa s convenientem e nt e e t ique t a da s indic a ndo la s ope ra c ione s a re a liza r por c a da etapa, así c om o indic a r e n la s t ra nsic ione s la s re la c ione s de los pulsa dore s, sensore s, e t c . . de c uya actuación pue da re a liza rse e l fra nque o de dic ha transición (Fig. 8 .2 9 ). se nt ido de que habrá pue st os de m e c a niza do sin ninguna pie za , con lo que pue de produc irse un func iona m ie nt o e n vacío que pue de da r lugar a averia s e n el subproc e so. En el m ode lo de la Fig. 8 .3 0 ., se pre se nt a un m ode lo modificado en el que se t ie ne e n c ue nt a una fabricación por lot e s, c on la introducción de un contador de pie za s y e n e l que se int roduc e un de t e c t or de presencia de pieza que ha bilit a , e n e st e c a so, e l func iona m ie nt o de l subproc e so.
UPV-CFP
294
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Figura 8.30. Diagrama Grafcet por fabricación por lotes y contador de piezas 296
UPV-CFP
4
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Implementación del Automatismo a partir del Gra
No obstante, e n este primer modelo no se ha contemplado el aspecto de que, tanto e n e l inicio del funcionamiento como al final, existirán ciclos con un funcionamiento parcial, en el sentido de que habrá puestos de m e canizado sin ninguna pieza; c on lo que puede producirse un func iona miento en vacío, que puede dar lugar a a ve na s en el subproceso. En el modelo de la Fig. 8.30. se presenta un modelo modificado en e l que se tiene en cuenta una fabricación por lotes, con la introducción de un contador de piezas y e n la que se introduce un detector de presencia de pieza (ppi) que habilita en este caso el funcionamiento del subproceso.
Resumen:
El módulo se c ue nc ia dor de etapa e s un concepto funcional, implementable e n cualquier tecnología y que permite establecer la dinámica de funcionamiento prevista e n las cinco reglas de un modelo Grafcet. Las e c ua c ione s de activación/desactivación asociadas a los modelos Grafcet, son la piedra angular de la implementación del algoritmo de c ontrol en los dispositivos lógicos programables. El diseño de un sistema complejo es conveniente acometerlo mediante la descomposición e n distintos subprocesos, convenientemente interrelacionados, haciendo uso de las estructuras lógicas, divergencias y convergencias.
Referencias bibliográficas:
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Groupe Equipement de Production Automatisée réuni á l'ADEPA. Le Grafcet: de Nouveaux Concepts. Cépadués - Éditions, 1991.
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Groupe G7 W ADEPA/AFCET. Le Grafcet. Cépadués - Éditions, 1991.
•
Michel, G. Autómatas Programables Industriales. Editorial Marcombo, 1990.
UPV-CFP
discrete
9.1 Introducción..........................................................
301
9.2. Modos de Marcha...............................................—
302
9.3. La Seguridad
307
9.4. Diseño estructurado trol automático
de los sistemas
de con314
Diseño Estructurado
Obje t ivos: ,
Conoc e r l o s d i s t i n t o s m o d o s d e m a rc ha y pa ra da de los a ut om a t ism os.
- De sc ribir d i s t i n t o s t r a t a m i e n t o s d e a la rm a s y e m e rge nc ia s de los sist e m a s a ut om a t iza dos. .
D e s c r i b i r e l c o n c e p t o d e diseño e s t r u c t u r a d o de l o s m ode los de los a u t o m a t i s m o s .
•
C o n o c e r e l c o n c e p t o de f o r z a d o de e t a pa s y s u s re gla s.
9.1.
Introducción
Hasta e l m om e nt o se ha re a liza do e l diseño de los dispositivos de control automático, t e nie ndo e n c ue nt a e x c lusiva m e nt e las necesidades de su func iona m ie nt o de la m a ne ra más e sc ue t a ; e s decir, atendiendo al c ontrol del func iona m ie nt o norm a l de l a ut om a t ism o, sin otras consideraciones. Sin e m ba rgo, la s ne c e sida de s de a lt os nive le s de automatización e n los procesos, así c om o la dedicación e n e spe c ia l a t a re a s de se gurida d, vigilancia y autodiagnóstico im pone n una c om ple jida d c re c ie nt e a dichos sistemas, sobre t odo e n la s fa se s de concepción y de realización. En e st a s fa se s de l proc e so de diseño, e x ist e n t oda una serie de c onceptos que ha n de se r t e nidos e n c ue nt a si, ra zona ble m e nt e , el objetivo es obtener la máxima disponibilida d y se gurida d e n e l func iona m ie nt o de los sistemas de c ont rol automático. Algunos de e st os c onc e pt os de pe nde n e n ocasiones de la na t ura le za m ism a de dic hos sist e m a s, pero e n ge ne ra l existen a lgunos c om une s a c a si t odos e llos. Est os c onc e pt os son: •
La se gurida d: c on la posibilida d de e fe c t ua r pa ra da s de e m e rge nc ia . Los m odos de m a rc ha de l a ut om a t ism o.
Por t a nt o, pa ra un análisis más a de c ua do y comprensión post e rior del modelo globa l de e st os sist e m a s, e s c onve nie nt e im pone r su diseño de forma e st ruc t ura da t e nie ndo e n c ue nt a los dive rsos a spe c t os c onst it ut ivos del m ode lo globa l. La estructuración e n dive rsos subm ode los pe rm it e re a liza r un diseño más de t a lla do de c a da una de las t a re a s a a t e nde r por pa rt e de l sist e m a
uto 3
Robótica y Automática
0 de control, al tiempo que permite y facilita su representación documentada de form a más comprensible y legible para su posterior modificación o m a nt e nim ie nt o. En el diseño de un sistema cualquiera la jerarquía entre los diversos a spe c t os del modelo globa l, como resulta obvio, viene dada por este orde n: se gurida d, modos de marcha y func iona m ie nt o normal.
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MODELO GLOBAL DEL SISTEMA
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Figura 9.1. Diversos aspectos del modelo global
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£?-^. Modos de Marcha Bajo e st a definición se de sc ribe n los dive rsos m odos de funcionamiento que pue de n re a liza rse e n los sist e m a s a ut om a t iza dos, teniendo en c ue nt a que estos m odos de func iona m ie nt o ha n sido c onc e bidos y establecidos en la propia fa se de diseño de l sist e m a ; por lo t a nt o, se excluyen de esta definición t odo c om port a m ie nt o no de t e rm inist a de l m ism o. El func iona m ie nt o norm a l de l a ut om a t ism o e s ge ne ra lm e nt e cíclico; y es posible realizar una clasificación de l m ism o a partir de que e l sistema func ione : Ejecutando el ciclo de form a inde finida a partir de una autorización de l operador. Ejecutando el ciclo uno a uno c on re que rim ie nt o de autorización, por parte de l ope ra dor, e n c a da ocasión. Ejecutando, por parte de l operador, un c ont rol permanente permitiendo la activación de una o más etapas e n cada autonzac ion. A partir de los modos de func iona m ie nt o referidos, diversidad de combina c ione s podrían realizarse; pero e n general los modos de marcha se c la sific a n en m a rc ha s automáticas y marchas de intervención. 302
UPV-CFP
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Diseño Estructurado
9 .2 .1 . M a rc ha s automáticas. 0
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Se t ra t a de l m odo de func iona m ie nt o norm a l, para e l cual el sistema ha sido diseñado. A su vez pue de n c la sific a rse e n:
•
• •
Func iona m ie nt o semiautomático. Func iona m ie nt o automático.
9.2.2. M a rc ha s de intervención Se t ra t a de m odos de func iona m ie nt o e spe c ia le s, utilizados ge ne ra lm e nt e e n los pe riodos de a just e de l func iona m ie nt o de los sist e m a s a ut om a t iza dos. Téngase e n c ue nt a , que t ra s la implementación física del proc e so, pue de n a pa re c e r asincronísimos e n su func iona m ie nt o, de difícil pre visión a priori, de riva dos de la c la se de tecnología utilizada. Además estos m ism os asincronísimos son susc e pt ible s de a pa re c e r por envejecimiento, de t e rioro o fa lt a de m a nt e nim ie nt o de los e le m e nt os integrantes del proce" -' * -^ : , l J S B so.
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9.2.2.1. Funcionamiento
semiautomático:
Marcha ciclo a ciclo - Ciclo único
En e st e m odo de func iona m ie nt o c a da ciclo necesita la autorización del ope ra dor pa ra e je c ut a rse . El c ont rol sobre la ejecución de cada uno de los c ic los se lle va a c a bo m e dia nt e la va ria ble AC (arranque de ciclo), por lo que se sue le int roduc ir e n la re c e pt ivida d a soc ia da a la transición valida da por la e t a pa inic ia l. Además de la c it a da va ria ble , se suele introducir en la m ism a re c e pt ivida d la función lógica que re pre se nt a las condiciones iniciales (Cl) de a rra nque .
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Figura 9.2. Marcha cid o a ciclo
UPV-CFP
303
Rabética y Automática
Un ejemplo de utilización de la s Cl podría se r e l de fijar la posi " c orre c t a de dive rsos órganos mecánicos (ejes, cilindros neumáticos e t ^ para el c orre c t o c om ie nzo en el func iona m ie nt o del sist e m a . ' c
Puesto que estas c ondic ione s iniciales (Cl) han de cumplirse de form sistemática a l c om ie nzo de c a da ciclo, se suele introducir su verificación m onit oriza da c om o acción a soc ia da a la e t a pa de inicialización. Para ejercer un c ont rol e st ric t o sobre e l c ic lo y evitar su repetición inde se a da , se suele introducir la señal de a rra nque de ciclo AC mediante fla nc o de subida , e vit a ndo de e st a m a ne ra su repetición a un en el caso que dicha señal haya que da do a c t iva da de sde e l c ic lo precedente. Otra form a utilizada c onsist e e n la introducción de la e t a pa "anti-repetición", al final de cada ciclo, c uya acción a soc ia da c onsist e e n de sa c t iva r la condición de a rra nque de ciclo AC a c t iva da al inic io de c ic lo pa ra poder pasar al ciclo siguie nt e .
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AC = Arra nque d e c ic lo. C l - C o n d i c i o n e s inic ia le s.
Figura 9.3. Marcha ciclo único
304
UPV-CFP
Diseño Estructurado
g 2.2.2. Funcionamiento nuos
Automático: marcha ciclo automático-
ciclos
conti-
En este m odo de func iona m ie nt o, c ua ndo se e je c ut a la orde n de arranque de c ic lo (AC), el sist e m a pe rm a ne c e func iona ndo de form a inint e rrumpida, ha st a que una orde n de pa ra da norm a l, c om ple m e nt a ria de la anterior, se a e fe c t ua da . La pa ra da norm a l, e n e st e m odo de func iona miento de t ie ne el sist e m a a l fina l de l c ic lo e n c urso, a dife re nc ia de las pa radas de e m e rge nc ia , c uyo obje t o por lo ge ne ra l e s pa ra r de inm e dia t o la ejecución de l c ic lo se a c ua l se a su situación. Para e l c ont rol sobre e l c ic lo c ont inuo se sue le e st a ble c e r una e st ruc tura je ra rquiza da c on dos dia gra m a s Gra fc e t (Fig. 9 .4 .), donde el de orde n superior (m a e st ro), c ont rola el func iona m ie nt o de l infe rior (e sc la vo). Ot ra s form a s de implementación ut iliza n la información sum inist ra da por un c onm ut a dor de dos posic ione s, ha c ie ndo posible e l func iona m ie nt o combinado de m a rc ha automático o de c ic lo a c ic lo.
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21 .Cl
AC.CI .PC M a r c h a automática
•
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AC = Arra nque d e c ic lo. Cl - Condic ione s I nic ia le s. PC = Pa ra da d e cíelo.
Figura 9.4. Marcha ciclo
U
PV -CFP
automático
305
9.2.3. M a rc ha s de a just e de l sist e m a En este m odo de func iona m ie nt o s e e je rc e un c ont rol estricto no va sobre la ejecución de un ciclo, sino sobre la ejecución d e una e t a pa o c onjunt o de ellas e n un mismo ciclo. Re sult a se r la form a d e operación utilizada, sobre t odo e n los proc e sos de a just e y pue st a a punt o de los sistemas a ut om a t iza dos, m e dia nt e e l c ua l se c orrige n func iona m ie nt os imprevistos fa llos, averías o c orre c c ione s pre c isa s en el func iona m ie nt o de máquinas o disposit ivos de c ont rol. En este m odo de func iona m ie nt o se re quie re f r e c u e n t e m e n t e la parada de l sist e m a , bien se a por inhibición de la s a c c ione s a soc ia da s a las e t a pa s, o bien por congelación de l a ut om a t ism o im pidie ndo e l fra nque a m ie nt o de de t e rm ina da s t ra nsic ione s. Est e m odo de func iona m ie nt o requiere un profundo c onoc im ie nt o de l sist e m a , por pa rt e d e l ope ra dor, así c om o la implementación de l sist e m a m e dia nt e una tecnología q u e haga posible una fácil intervención.
AC.CI Auto —-O Cic lo a c ic lo
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fin.a ut o íin.ciclo a c i c l o
A C == A r r a n q u e d e c i c l o . C l f ¿ C o n d i c i o n e s inic ia le s. PC = P a r a d a d e c i c l o .
Figura 9.5. Marchas de intervención 306
U PV -C F P
Diseño Estruct
9.3. La
Seguridad
Los disposit ivos de c ont rol ha n de c ont a r c on los re c ursos ne c e sa rios dedicados a l obje t ivo de ga ra nt iza r un bue n c om port a m ie nt o de l sist e m a en el caso de sit ua c ione s im pre vist a s, averías, e m e rge nc ia s, e t c . Con t odo ello de be n a se gura r, sobre t odo, nive le s a de c ua dos de se gurida d pa ra los operadores hum a nos a l c a rgo de los sist e m a s, c ua ndo no de la s propia s instalaciones indust ria le s, c uya reparación pue de supone r la dedicación de grandes re c ursos económicos. Bajo e l c onc e pt o genérico de la se gurida d se e ngloba la c a pa c ida d de l sistema a ut om a t iza do a m inim iza r la proba bilida d de aparición de fa llos e n su func iona m ie nt o, así c om o sus e fe c t os. Enunc ia dos más pre c isos, de rivadas de l c onc e pt o globa l, de fine n: •
Se gurida d: a use nc ia de pe ligro pa ra la s pe rsona s e inst a la c ione s.
•
Disponibilida d: a use nc ia de pa ra da s c om o c onse c ue nc ia de f a llos de l sist e m a .
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El e st udio de la se gurida d de be se r a borda do t e nie ndo e n c ue nt a un doble a spe c t o. Por una pa rt e e l análisis de rie sgos; e s decir, proba bilida d y gravedad e n la aparición, así c om o e l c um plim ie nt o de la norm a t iva legal a l respecto. No obst a nt e , e l t ipo de soluc ione s a dopt a da s pa ra a se gura r al máximo a se gurida d y disponibilida d de los sist e m a s a ut om a t iza dos va n a e st a r c ondic iona dos por su na t ura le za tecnológica. A e st e re spe c t o e n los suc e sivos a pa rt a dos c it a re m os a lguna s de la s soluc ione s que se a dopt a n de forma c om bina da y c on carácter ge ne ra l.
9-3.1. Tratamiento de alarmas y emergencias En lo que re spe c t a a l t ra t a m ie nt o de a la rm a s y sit ua c ione s de e m e rgencia, e s c onve nie nt e su clasificación a partir de c rit e rios de im ple m e nt a ción tecnológica de los sist e m a s a tratar. Por ello, las a la rm a s, a t e ndie ndo al grado de afectación, pue de n ser c la sific a da s c om o: • Alarmas locales: sólo afectarán pa rc ia lm e nt e a l sist e m a , de form a que su efecto sólo de be re pe rc ut ir sobre un c onjunt o de limitado de dispositivos tecnológicos o subsist e m a c onc re t o. UPV-CFP
307
Robóttca y Automática
Alarmas general, van a disponer de prioridad frente a las locales antenórmente referidas. jw m
—
r
Tanto las alarmas locales como las generales, pueden ser implementadas mediante la introducción de una nueva variable asociada según los siguientes casos: •
•
Introducción de la variable asociada en las condiciones de desactivación de la función lógica activadora/desactivadora de etapa.
sins
t
fo el P
rir1 1
4
f
ala <* * P d r partí a a
• I nhib
Introducción de la variable asociada en las funciones lógicas asociadas a las receptividades.
. Cong
• Introducción de la variable asociada como condición adicional a la ejecución de las acciones asociadas a las etapas.
En ia m o d no de t i a las pro
Realicemos un estudio con más detalle de lo expuesto anteriormente Veamos seguidamente un ejemplo del primer caso:
En = Zp.Zt.(En - l.Tn - 1 + En.En + 1 ) esta ecuación de activación / desactivación de etapa se que representa a una alarma de carácter una alarma de can alarma de carácter es de activación de etapas del diagrama funciona Dresentativa de la alarma local, cuya aparición se determinado de ecuaciones de activación. Otro criterio utilizado para el tratamiento de las alarmas consiste en la intervención de las variables representativas de alarmas en las receptividades asociadas a cada transición. Ello permite, de forma relativamente fácil, hacer evolucionar el sistema a determinadas situaciones de parada o espera ante situaciones de emergencia. De forma rigurosa las variables de alarma deberían aparecer en cada una de las etapas del Grafcet, y tener prevista cada una de las situaciones de seguridad en función del tramo en ejecución y de los niveles de seguridad solicitados.
308
UPV-CFP
En la m o d articipa en c a je forma que mtién la e vol ^ sistema puec * la alarma.
Diseño
Estructurado
Una posible clasificación de l t ra t a m ie nt o de a la rm a s de los sist e m a s, frente a sit ua c ione s de e m e rge nc ia , se podría re a liza r si e l sist e m a se comporta ut iliza ndo los siguie nt e s c rit e rios: •
Sin se c ue nc ia de e m e rge nc ia .
•
Con se c ue nc ia de e m e rge nc ia .
En e l prim e ro d e e llos e l sist e m a , a nt e una situación de a la rm a , se limita a de t e ne r su evolución y suspe nde la s ope ra c ione s básicas, a soc ia das a la e t a pa donde se produc e la suspensión. Además, pue de n e st a ble cerse a partir de e st e c rit e rio dive rsa s va ria nt e s. Dos de e lla s serían: •
Inhibición de a c c ione s.
•
Congelación de l a ut om a t ism o.
En la m oda lida d de inhibición de a c c ione s, la aparición de la señal de alarma no de t ie ne dire c t a m e nt e la evolución de l a ut om a t ism o, sino que inhibe a la s propia s a c c ione s a soc ia da s a la s e t a pa s (Fig. 9 .6 .). En la m oda lida d de congelación de l a ut om a t ism o, la señal de a la rm a participa e n c a da una de la s re c e pt ivida de s a soc ia da s a la s t ra nsic ione s, de form a que su activación im pide la pue st a a "1 " de la re c e pt ivida d y también la evolución de l sist e m a . Cua ndo la señal de a la rm a de sa pa re c e , el sist e m a pue de c ont inua r su evolución a pa rt ir de la e t a pa donde se produjo la a la rm a .
Zt
.Tn-2
• •
Zt B
Tn-1
Zt
C Tn
Figura 9.6. Tratamiento de alarmas por inhibición de
acciones
En la Fig. 9.7. pue de a pre c ia rse la aplicación c om bina da d e t ra t a m ie nt o de a la rm a m e dia nt e inhibición de a c c ione s y congelación de l a u t o m a t ism o, M va UPV-CFP
309
Rebotica y Automática
En la se gunda opción de se c ue nc ia de e m e rge nc ia , la evolución del sist e m a de riva ha c ia una se c ue nc ia de e m e rge nc ia , c onst it uida por una o más e t a pa s, c uya s a c c ione s están orie nt a da s a sit ua r a los ope ra dore s y al proc e so m ism o e n la s m e jore s c ondic ione s posible s, e n orde n a salvagua rda r su int e grida d. Est a se c ue nc ia de e m e rge nc ia deberá ejecutarse a nt e la activación de la señal de a la rm a a soc ia da , c uya na t ura le za estará lógicamente c ondic iona da por a spe c t os de implementación tecnológica. En la Fig. 9.8. se ofre c e un e je m plo de representación, e n dia gra m a s Grafcet, de e st a opción de t ra t a m ie nt o m e dia nt e la aplicación de una se c ue nc ia de e m e rge nc ia . zt A
Tn-2.Zt
Zt B
.Tn-1 .Zt
Zt
C Tn.Zt
Figura 9.7. Inhibición de acciones
y congelación
del
automatismo
Zt Tn-2.Zt
I
n-
a
Th-1 ,Z1
—I
n
zr TnZt
\
Secuencia
•
tí©
emergencia
Figura 9.8. Tratamiento de alarmas mediante secuencia de emergencia 310
U PV -CFP
Diseño Estructura
V e a m os la aplicación de a lgunos de los c onc e pt os vist os a nt e riormente, a l diseño de un proc e so e n pa rt ic ula r. 9.3.2. E j e m p l o d e aplicación En e l proc e so de la Fig. 9 .9 ., se pre t e nde re a liza r e l volc a do de una mezcla de c e m e nt o e n la zona re c t a ngula r G. Pa ra e llo se dispone de un sistema de d o s va gone t a s que cargarán los m a t e ria le s ne c e sa rios (c e mento y a gua ), a lm a c e na dos e n la s t olva s C y A, c uyos a c c iona dore s T C y TA provoc a n e l ve rt ido de los m a t e ria le s re spe c t ivos; y fe y fa son dosific a dores que a dvie rt e n de que ya se dispone de la c a nt ida d sufic ie nt e de material.
TC
te 35*
B
ta
D
fo
»E
G
Figura 9.9. Proceso
ejemplo
El c ic lo pue de c om e nza r m e dia nt e e l a c c iona m ie nt o de un pulsa dor de a rra nque M, sie m pre y c ua ndo se ha lle n la s va gone t a s dispue st a s e n los punt os A y D. La va gone t a que c ubre e l t ra ye c t o AC dispone de m ot or c on se nt idos de m a rc ha a de re c ha M D1 e izquie rda M U ; y deberá de t e ne rse pre via mente ba jo la t olva de c e m e nt o pa ra re a liza r la c a rga . Después de be dirigirse a l punt o C donde , m e dia nt e e l a c c iona m ie nt o de V C, volcará el c e mento a la va gone t a de l c irc uit o infe rior. El volc a do de be produc irse sie m pre y c ua ndo se ha lle la ot ra va gone t a de ba jo y éste finalizará c ua ndo se active el se nsor de fvc . La va gone t a de la pa rt e infe rior sólo t ie ne se nt ido de m a rc ha a de re cha M D2 , si bie n pose e un inve rsor de m a rc ha que se a c t iva a l fina l de UPV-CFP
311
cada ciclo. Esta debe comenzar su recorrido c ua ndo la ot ra va gone t a se sitúe debajo de la tolva de cemento, se detendrá a c a rga r a gua en el punto E, para posteriormente dirigirse a l punto F donde recibirá la descarga de cemento de la va gone t a superior. Cua ndo fina lic e la de sc a rga la vagoneta superior debe regresar a su punto de pa rt ida A, y la infe rior de be activar su molinete (accionador MOL) al t ie m po que se dirige a l punt o G de descarga (accionador DES); cuando fina lic e ésta (fdes) de be dirigirse a l punto D cerrando el recorrido del circuito.
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a)
b)
El dia gra m a func iona l que m ode la e l disposit ivo de c ont rol de l sistema viene representado en la Fig. 9.10. c)
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1 Figura 9. W. Diagrama 312
funcional
\ UPV-CFP 1/ -
! 9; e
Diseño Estructura
No obstante, suponga m os que , e n una se gunda fa se de diseño, d e seamos dotar a l m ism o de un de t e rm ina do c om port a m ie nt o e n los s i guientes supuestos: a) Avería e n los m e c a nism os de a pe rt ura /c ie rre de las t olva s T C y TA, en t a l caso se procederá a la suspensión de t oda s las ope ra ciones c on retirada de las va gone t a s a su lugar de orige n y proc e der a su reparación. b) Avería de c ua lquie ra de la s dos va gone t a s, c on lo c ua l de be igualmente suspe nde rse t oda la operación y re t ira rla s a su luga r de orige n. c ) Aparición de algún obstáculo e n la t ra ye c t oria de c ua lquie ra de las dos va gone t a s, lo c ua l deberá suspe nde r t e m pora lm e nt e su e volución hasta que se a re t ira do e l obstáculo. En los casos a y b de be m os dot a r al dia gra m a func iona l de l sistema de una secuencia de e m e rge nc ia (Fig. 9 .1 1 .) que sitúe a l m ism o e n la s i tuación deseada. La se c ue nc ia c ont e m pla la activación de una alarma sonora AS cuando se produzca la avería e n una u otra va gone t a ; la retirada de ésta de forma manual a su punto de partida para su reparación, y fina lmente la restauración de t oda s las c ondic ione s iniciales que ha ga n posible el rearme del sistema y el retorno al bue n func iona m ie nt o. El caso c puede ser soluc iona do m e dia nt e una estrategia de c onge la ción e inhibición, introduciendo una va ria ble e n cada una de las re c e pt ividades afectadas y dotando de carácter c ondic iona l a las acciones de marcha de las vagonetas. Las variables de alarma introducidas son P, cuya activación indicará avenas de las vagonetas, y PO que indicará presencia de obstáculo en las trayectorias de las mismas. Las modificaciones a l diagrama original, t e niendo en consideración las variables y secuencia de alarma, queda re fle jada en la Fig.9.11. Como puede observarse en dicho diagrama, y en sentido riguroso, si se toman en consideración todos los posibles aspectos de la seguridad establecidos en las especificaciones de diseño del sistema e n c onside ra ción de cada una de las etapas del diagrama funcional Grafcet, debería existir una divergencia hacia la secuencia de emergencia de carácter prioritario, asegurando que, sea cual fuere la situación en que se encontrase, estuviese garantizada la seguridad del sistema. No obstante, como resulta diagrama, la estrategia de representación exhaustiva e n !° y un único diagrama, puede complicar en la mayoría de casos la re pre se nt a v
a
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UPV-CFP 313
Robó tica y Automática
ción de algunos sist e m a s, y esto va en c ont ra de los obje t ivos de legibilidad y c la rida d e n los diagramas func iona le s. Por ello se de be n adoptar medidas con objeto de estructurar la representación de los sist e m a s.
9.4. Diseño estructurado
de ios sistemas
de control
au-
%
tom ático Realizar un diseño e st ruc t ura do de l sist e m a de c ont rol automático consiste e n realizar, en la m e dida de lo posible , una representación separada de los diversos a spe c t os de l m ode lo de l sist e m a , t a le s c om o: el funcionamiento normal de producción, dist int os m odos de m a rc ha posibles, paradas de e m e rge nc ia a soc ia da s a la se gurida d, e t c ., m e dia nt e la utilización de diagramas func iona le s pa rc ia le s que , de la form a más exhaustiva posible sin perder su le gibilida d, m ode le n c a da uno de e llos e l comportamiento del sist e m a de c ont rol t e nie ndo e n c ue nt a e st os a spe c t os.
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PPO
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Vi
• • F/gura 9.11. Secuencia de emergencia 314
UPV-CFP
Diseño
Esírvcturaú
9.4.1. D i a g r a m a s j e r a r q u i z a d o s y f o r z a d o d e s i t u a c i o n e s
Con obje t o de e st a ble c e r un diseño e st ruc t ura do de l sist e m a , e s ne c e sario se pa ra r m e dia nt e dia gra m a s pa rc ia le s e l m ode lo globa l de l m ism o. Cada uno de e st os dia gra m a s Gra fc e t pa rc ia le s deberá m ode la r e l func ionamiento de l sist e m a t e nie ndo e n c ue nt a e l a spe c t o e n c a da m om e nt o considerado. Pue st o que t odos los a spe c t os de l func iona m ie nt o de l sist e ma están e st re c ha m e nt e ¡nterrelacionados, e s pre c iso ga ra nt iza r dic ha interrelación e nt re t odos y c a da uno de los dia gra m a s pa rc ia le s, a l t ie m po que hay que e st a ble c e r la s c ondic ione s de de pe nde nc ia y relación de j e rarquía e nt re los dia gra m a s, e n orde n a la im port a nc ia de la s func ione s asociadas a los m ism os. El nivel de jerarquía podrá e st a ble c e rse e nt re únicamente dos dia gra mas, e n e l c a so más sim ple ; o a lguno más, e n los c a sos que la c om ple jidad de l sist e m a así lo a c onse je . Un e je m plo d e dia gra m a e st ruc t ura do de un sist e m a genérico sería el representado por la Fig. 9 .1 2 ., e n e l que por sim plic ida d de representación, sólo se ha inc luido u n dia gra m a pa rc ia l de producción. • "I
tW
Gra fc e t d e Producción (GP)
Gra fc e t d e Se gurida d (GS)
i F/GP:(0J Pa ra da F/GM:(30)
•
Reame
2i.a
M a rc ha -ajtomáfica t
f
PC
Gra fc e t d e Marchas (GM) Cic lo
•
fin
AC = Arranque d e c ic lo Cl « Condic ione s iniciales PC Parada d e c ic lo.
Figura 9.12. Diagrama estructurado de U
un sistema
genérico
P V -C F P 31 S
9.4.2. Orden de forzado
La relación entre diagramas parciales diferentes se lleva a cabo mediante la s denominadas ordenes de forzado, ejecutadas e n un diagrama parcial jerárquicamente superior. Estas pe rm it e n modificar la situación de un diagrama parcial inferior; e s decir, modificar e l conjunto de etapas activadas e n un instante determinado e n función de la activación de una o más variables que intervienen e n la receptividad de a lguna transición del primer diagrama. Dada la relación de jerarquía e st a ble c ida e n la orde n de forzado, ésta se efectúa siempre con carácter priorit a rio. La orde n de forza do se efectúa en un diagrama jerárquico superior, y su e fe c t o se produc e e n uno inferior. La representación e n los dia gra m a s se realiza según lo mostrado en la Fig. 9.13. Su sintaxis vie ne da da por la inscripción:
F/ldentifícador de la parte forzada:{Situación forzada} En e l ejemplo de la Fig. 9.13., la orde n de forza do a fe c t a a l Grafcet n°3, e l cual devendrá a la situación e n la que la s e t a pa s 8 y 10 estarán activas simultáneamente.
9.4.2.1. Reglas de forzado
Puesto que la s órdenes de forzado a fe c t a n a la dinámica global del sistema, requieren de una se rie de norm a s pa ra que su aplicación quede exenta de ambigüedades e interpretación dive rsa . Est a s re gla s de evolución son: •
Regla n°1:
El forzado e s una orde n int e rna , c om o re sult a do de una evolución. Para una situación que c om port a una o va ria s órdenes de forzado, los grafcets forzados tomarán de inm e dia t o y dire c t a m e nt e la o las situaciones impuestas. •
Regla n° 2:
•
316
A t oda aparición de una nueva situación, la aplicación de l forzado e s prioritaria c on relación a t oda actividad de l modelo (evolución, afectado de las salidas, e t c .). UPV-CFP
Diseño
•
Estructurado
La s re gla s de evolución no se a plic a n más que e n una situación por la c ua l e l gra fc e t pa rc ia l forzado está e n la situación i m pue st a por e l gra fc e t forza nt e .
Com o ampliación a la interpretación de la s re gla s a nt e riore s t e ne m os: •
Los gra fc e t s forzados se m a nt ie ne n e n la situación im pue st a m ie nt ra s se a n válidas la s órdenes de forzado.
•
Si un Gra fc e t fue rza a ot ro lo recíproco será im posible .
•
En t odo m om e nt o de l func iona m ie nt o, un Gra fc e t sólo pue de se r forzado por un único Gra fc e t .
9 .4.3 . Aplicación del diseño estructurado
Aborda re m os nue va m e nt e e l e je m plo que , c on carácter pedagógico, ha sido ut iliza do a nt e riorm e nt e e n e l a pa rt a do de Eje m plo de Aplicación. En e st e c a so c onc re t o, e l c rit e rio que ut iliza re m os será de sc om pone r el m ode lo globa l e n c ua t ro dia gra m a s pa rc ia le s los c ua le s representarán re spe c t iva m e nt e : la se gurida d, los m odos de m a rc ha y los dos de func iona m ie nt o de los subsist e m a s de c a da una de la s va gone t a s. El prim e r dia gra m a , jerárquicamente supe rior, deberá e st a ble c e r los criterios sobre se gurida d re a liza dos e n la s e spe c ific a c ione s de diseño de l a pa rt a do reseñado a nt e riorm e nt e . Est e se auxiliará de la orde n de forza do c onsiguie nt e pa ra t a l e fe c t o. El se gundo dia gra m a , se ocupará de ha c e r posible los m odos de m a rcha automático ciclo a c ic lo, o de intervención según e st a ble zc a e l ope ra dor. Por último, dos dia gra m a s que representarán e l func iona m ie nt o norm a l de los subsist e m a s de producción c orre spondie nt e s a las va gone t a s. El bloque de dia gra m a s re pre se nt a dos e n la Fig. 9.13., se ofre c e c om o modelo de l sist e m a .
UPV-CFP
317
Robot ¡ca y Automática « I l A F C E T D E I M Í O D I < < !<>%
CSHAFCET » K S E G U R I D A D
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Marcha Automática. MCC ~ M a c t a c i d o a cicío. 1 = M a c ha de inief vención
Figura 9.13. Ejemplo de aplicación del diseño
estructurado
Re sum e n: El diseño e st ruc t ura do pe rm it e la incorporación, a l m ode lo de l sistema, de a spe c t os funda m e nt a le s de los sist e m a s de producción automatizados re a le s, t a le s c om o los m odos de m a rc ha y e l t ra t a m ie nt o de alarmas y e m e rge nc ia s.
318
U PV -CFP
Diseño
Estructurado
Los dist int os t ra t a m ie nt os de a la rm a s y emergencias no son ni mejores ni peores, unos re spe c t o de los ot ros. Estos son complementarios y a de cuados para c a da c a so y aplicación c onc re t a . En la fa se inicial de prue ba s automatizados e n pa rt ic ula r, y e n es c onve nie nt e ut iliza r e l método jeto de e vit a r los func iona m ie nt os
de la pue st a e n marcha de los sistemas las fa se s post e riore s de ajuste y reglaje, de comprobación e t a pa a etapa, con obde sa st rosos.
Re fe re nc ia s bibliográficas: •
Bla nc ha rd M. Comprendre maftriser et appliquer Le Grafcet. Cépadués -Éditions, 1 9 8 7 .
•
Bossy J .C., Bra rd, P., Faugére P., M e rla ud c. Le Grafcet: Sa pratique etses applications. Éditions Ca st e illa , 1979.
•
Da vid, R., H a lla , H. Petri Nets & Grafcet: Tools for modelling discrete event systems. Pre nt ic e -H a ll I nt e rna t iona l Edit ions, 1992.
•
Groupe Equipe m e nt de Produc t ion Automatisée réuni á l'ADEPA. Grafcet: de Nouveaux Concepts. Cépadués - Éditions, 1 9 9 1 .
• •
Groupe G7 W ADEPA/AFCET . Le Grafcet. Cépadués - Éditions, 1 9 9 1 . M ic he l, G. Autómatas Programables Industriales. Editorial Marcombo, 1990.
U P V -C F P
319
A P
I
T
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L
O
GUIA DE ESTUDIO DE LOS MODOS DE MARCHA PARO DE LOS SIS TEMA S A U TOMA TIZA DOS: GEMMA
10.1.
Introducción.......................................................
10.2. Principales 10.3. Método general
conceptos....................................... de utilización
10.4. Grupo F: Procedimientos
de
GEMMA..........
de funcionamiento....
10.5. Grupo A: procedimientos de parada de la parte operativa......................................................... 10.6. Grupo D: procedimientos de fallos de la operativa............................................................. 10.7. Estados de la parte tados PZ
de control:
grupo
parte de es-
330
(juia oe tstuüio oe ios Modos de Marcha y Paro de los Sistemas Autom¿
Obje t ivos: •
De sc ribir la metodología de la Guía de Est udio de l o s M o d o s de M a rc ha y Pa ra da de l o s s i s t e m a s a ut om a t iza dos.
•
Ana liza r l o s d i s t i n t o s m a c r o -e s t a d o s p o r l o s q u e pue de a t ra ve sa r un sist e m a a u t o m a t i z a d o e n s u f u n c i o n a m i e n t o .
•
Cla sific a r l o s g r u p o s d e e st a d o s GEM M A, e n función de s u pe rt e ne nc ia a l o s d i s t i n t o s m a c r o -e s t a d o s .
10.1.
Introducción
T odo sist e m a a ut om a t iza do pla nt e a a borda r dist int a s fa se s e n su re a lización: •
Concepción.
•
Implementación.
•
Explotación.
•
M a nt e nim ie nt o.
GEM M A e s e l acrónimo de Guía de Est udio de M odos de M a rc ha s y Pa ra da s (Arre t s). GEM M A, de fine un voc a bula rio pre c iso pa ra los modos de m a rc ha s y pa ra da s de un a ut om a t ism o. La utilización de GEM M A promueve la sistematización e n e l diseño de los sist e m a s a ut om a t iza dos de producción, c onside ra ndo los dist int os m a c roe st a dos por los que , e ve nt ua lm e nt e , pue de de se m boc a r e l func iona m ie nt o de l mismo de sde un nivel de abstracción supe rior. Es una lista e x ha ust iva de t odos los e st a dos que pueden se r ne c e sa rios pa ra e l bue n func iona m ie nt o de un a ut om a t ism o industrial y de las re la c ione s posible s e nt re dic hos e st a dos. El carácter analítico de l GRAFCET , que c onst it uye una de sus propie dades e se nc ia le s, e s, simultáneamente, c a usa de ciertas limitaciones, ya que el GRAFCET no pe rm it e e x pone r de manera se nc illa los modos de marcha y de pa ra da de un a ut om a t ism o porque no está concebido para este fin, sino para el de sa rrollo t op-dow n de las diversas operaciones e le mentales que deban tener lugar en el func iona m ie nt o del automatismo. Las mismas instancias que desarrollaron el GRAFCET desarrollaron posteriormente una metodología complementaria, la Guía de Estudio de Modos de Marchas y Paradas GEMMA, destinada a representar los proc e UPV-CFP
323
dimientos de funcionamiento, de parada y de fallo de un automatismo, c uya utilización, en la fase de diseño de cualquier automatismo, debe plantearse ¡niciaímente, partiendo de una concepción de l macro-funcionamiento del sistema; reservando el uso del GRAFCET , para el desarrollo de cada uno de los macro-estados resultantes de la Guía de Estudios de Marchas y Paradas (GEMMA).
10.2. Principales
conceptos
La Guía de Estudios de Marchas y Pa ra da s GEM M A e s una representación gráfica sintética de los m odos de m a rc ha s y pa ra da s, así beiiidoiuii yi« '^ " i \ como de las transiciones asociadas de un a ut om a t ism o. La pa rt e operativa activa (POA) está descrita c on respecto a su fina lida d por su estado, ya sea "en producción" o bien "fuera de producción". Se dic e que e l sistema está en producción, si procede a las ope ra c ione s pa ra la s c ua le s está c oncebido: fabricación de una pie za o de un produc t o, modificación, medida control, manutención, manipulación, e t c . . Un sistema está en producción e n dife re nt e s sit ua c ione s: producción normal, automática, semiautomática o m a nua l, t a nt o si está e n estado de marcha completa o pa rc ia lm e nt e e n fa llo. Por e je m plo, un sist e m a puede producir ciertas piezas, a unque el re c ue nt o de la producción o el e st a do de desgaste de las herramientas no estén a se gura dos. La situación de producción e s de finida c on re spe c t o a la na t ura le za del proceso y a ciertas c ondic ione s de se gurida d. En c a so c ont ra rio, e l sistema está fuera de producción. Por lo demás, e l proc e dim ie nt o pue de adoptar diversos modos de marchas y de pa ra da s. 1 0 2 /1 , Constitución de u n GEM M A El GEMMA se representa m e dia nt e una t a bla que a grupa a una serie de rectángulos denominados rectángulos de e st a do, que se une n entre ellos por medio de líneas a t ra zos. Los rectángulos de e st a do se clasifican Ü l r
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UPV-CFP
selección únicamente, de los rectángulos de e st a do A 1 , A6 , F 1 , F4 y F5 del e sque m a ge ne ra l de l GEM M A, c on obje t o de clarificar el sist e m a e spe cífico a diseñar, c onvie ne e lim ina r t odos los re st a nt e s e st a dos inne c e sa rios.
10 . 2. 2.
Clasificación de lo s m o d o s de m a rc ha y pa ra da
10.2.2.1. Grupo F: procedimientos de
funcionamiento
•
En e st e grupo se ubic a n t odos los e st a dos que son ne c e sa rios pa ra la producción. El modo funcionamiento (F) de signa los m odos ne c e sa rios para la obtención de los produc t os de l sist e m a . N o t odos son sufic ie nt e s con re spe c t o a e st a producción, princ ipa lm e nt e c ua ndo c onc ie rne n a la s fases de preparación o a l fina l de l c ic lo de producción, o bien c ua ndo se trata de fa se s de prue ba o de regulación de los a pa ra t os.
10.2.2.2. Grupo A: procedimientos
de parada
En e st e grupo aparecerán los proc e dim ie nt os de pa ra da s que pe rm it irán, c ua ndo así se a ne c e sa rio, la pa ra da de l sist e m a a ut om a t iza do por ra zone s e x t e riore s a l sist e m a . Por e je m plo, por c ondic ione s t a le s c om o la falta de a provisiona m ie nt o de m a t e ria prim a , pa ro solic it a do a fina l de ciclo o por e l fina l de la jorna da de t ra ba jo. El modo paro o parada (A) ide nt ific a los "proc e sos de pa ro", a c t iva dos por c a usa s re la c iona da s c on un func iona m ie nt o norm a l, y no a e ve nt os ge ne ra dos por e l m ism o proc e so.
10.2.2.3. Grupo D: procedimientos
de fallos
Este grupo c om pre nde los m odos de intervención, m a nua le s o lógicos, que pe rm it a n re m e dia r un e st a do de pa ra da de bido a ra zone s int e rna s a l sist e m a ; dic ho de ot ra form a , pa ra re m e dia r fa llos de la pa rt e ope ra t iva . El modo interrupción (D) re a grupa , de m a ne ra c om ple m e nt a ria a l m odo A, los re sult a nt e s de una c a usa endógena; e s de c ir, propia de la parte ope ra t iva . U na interrupción no im plic a ne c e sa ria m e nt e e l paro de la producción. I de nt ific a , por e l c ont ra rio, obliga t oria m e nt e "incidentes" más o menos se rios que deberán se r se guidos de m e dida s c orre c t iva s.
UPV-CFP
325
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Figura 10.1. Esquema
simplificado
de la
GEMMA.
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En c a da uno de e st os e nunc ia dos F, A y D, la guía de t e rm ina los m odos ne c e sa rios y sufic ie nt e s pa ra una descripción c om ple t a de l sistema, así como de t oda s la s unione s que se pue de n c onside ra r. Ca da fase es re pre se nt a da por un rectángulo-estado que la de signa c on precisión, así como las c ondic ione s a la s que e s ne c e sa rio lle ga r, de riva da s de la na t uraleza específica del proc e so. Supe rpue st a a la representación "en" y "fue ra de producción", e l rectángulo-estado identifica c om ple t a m e nt e e l m odo de l proc e so. GEM M A define cinco m odos F, sie t e m odos A y t re s m odos D según un esquema normalizado (Fig. 10.1.).
Ese t plante ícomportami e iden
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La guía re a grupa las sit ua c ione s estándar de la pa rt e ope ra t iva activa. T odo lo que no está e n producción (int e rior de l rectángulo) está fuera de producción. Simultáneamente c on una de la s dos sit ua c ione s precedentes, la POA puede estar e n uno de los m odos F, A o D. Los rectángulos-estado (de línea continua) de sc ribe n esta situación (por e je m plo, Al y Fl). Las transiciones están indicadas por fle c ha s (a rc os orie nt a dos). El m odo F2 está parcialmente fue ra de producción; según e l c a so pa rt ic ula r, se desplazará su posición para representar la situación real.
10.3. Método general de utilización
de GEMMA
La guía GEM M A es un boceto de un Grafcet de nivel superior, en el cual cada etapa se reemplaza por un rectángulo de estado. En cada rectángulo de estado se contempla el func iona m ie nt o del sistema automatiza326
UPV-CFP
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G¿y/'a de Estudio de los Modos de Marcha y Paro de los Sistemas
Automatizados
do. fre nt e a la oc urre nc ia de de t e rm ina dos e ve nt os específicos que obliga n a éste a un func iona m ie nt o de t e rm ina do. El usuario seleccionará, de entre todos los propue st os, a que llos que se a n ne c e sa rios para e l bue n func ionamiento de l a ut om a t ism o, de se c ha ndo el resto, y reforzado la s uniones entre los e st a dos que , por re que rim ie nt os de diseño específico, de ba n pe rm a ne c e r. GEM M A se pre se nt a c om o un c he c k -list de los "estados" de la POA de un a ut om a t ism o. Su realización c onsist e e n: •
Identificar las sit ua c ione s posible s en casos e spe c ia le s ;
•
Definir los "rectángulos-estado" e n la terminología de la profe sion; • Est a ble c e r la s unione s e nt re los e st a dos; m áf
• • „. I mira os del sistema.
Espe c ific a r la s c ondic ione s que ge ne ra n e st a s t ra nsic ione s; e ide nt ific a r los indic a dore s que da n c ue nt a de e lla s. M
Este pla nt e a m ie nt o e st ruc t ura nt e c ont ribuye a la representación globa l ^ c om port a m ie nt o de l proc e so, fa c ilit a la concepción de l diálogo hom bre máquina e ide nt ific a la s va ria ble s d e los m a nda t os y de l e st a do.
Cada fases I prec
as de la nafc 10. 3 .1.
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La realización d e G E M M A t ie ne , c om o re fe re nc ia s más im port a nt e s. las dos sit ua c ione s que a priori son m e jor c onoc ida s:
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de sa rrolla do el m a c ro-func iona m ie nt o del sist e m a mediante e l GEM M A, y a partir de éste, se pue de re a liza r un GRAFCET de un de t e rm inado nivel jerárquico supe rior (Fig. 10.2.). En este GRAFCET se contempla el e nc a de na m ie nt o de dive rsa s e t a pa s, e n el que una y sólo una, de be estar a c t iva da en t odo m om e nt o. Ca da una de e st a s etapas pue de n actuar m e dia nt e órdenes de forza do e n la activación de un GRAFCET distinto, loc a liza do en un nivel jerárquico inferior, im ple m e nt a ndo el func iona m ie nt o al de t a lle en sit ua c ione s de func iona m ie nt o norm a l, degradado, e t c . .
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329
Robot¡ca y
Automática
La Fig. 1 0 .3 . re pre se nt a el proc e dim ie nt o de t ra ba jo de l diseñador, partir de l e sque m a ge ne ra l de la GEM M A. De ésta, se obtendrá el Grafcet de nivel supe rior c orre spondie nt e y post e riorm e nt e , a c a da rectángulo de e st a do, le corresponderá un Gra fc e t ha bit ua l que pe rm it a la descripción e x ha ust iva del func iona m ie nt o de l sist e m a a ut om a t iza do. a
Los párrafos siguie nt e s t ra t a n sobre los c a sos pa rt ic ula re s correspondie nt e s a las fa m ilia s F, A y D.
10.4. Grupo F: Procedimientos
de
funcionamiento
1 0 .4 .1 . F 1 : Producción n o r m a l En este e st a do el proc e so se e nc ue nt ra e n m odo de producción normal. Se pue de hacer c orre sponde r a e st e e st a do un Gra fc e t de base (a introducir en el rectángulo de e st a do F1 ). En éste, norm a lm e nt e , se suelen utilizar los siguie nt e s t ipos de c ic los: a) Bucle
cíclico:
El ope ra dor da la orde n de c om ie nzo de c ic lo una sola ve z. El ciclo se repite de form a c ont inua , sin ninguna intervención, ha st a e l momento en que se emita una orde n de pa ra da por pa rt e de l ope ra dor. -.A
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Rulscdor d e A ra nque
A l :P a r a d a e n e l e st a do inicial
A2: Memorización mecánica o lógica d e orde n d e p a r a d a e n fin d e c ic lo (fdc )
Fl:Producción norm a l Pulsqdor e Pa ra da
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Figura
•
PRODU CCI ON
•
10.4. Funcionamiento
en bucle
cíclico
(Esta pa ra da se efectuará al fina l del ciclo, ve r A2 ; o en un estado determi nado, ve r A3 ). 330
U PV -CFP
guia de Estudio de los Modos de Marcha y Paro de los Sistemas Automatizados
b) Ciclo
semi-automático:
El c ic lo no pue de re pe t irse sin intervención e x t e rior de l ope ra dor. Éste debe re it e ra r, al fina l de c a da c ic lo, que se de se a un nue vo c ic lo.
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A l :P a r a d a e n e! e s t a d o inic ia l
Pulsador eje Arra nque
Fl:Producción norm a l
PRODUCCION
Figura 10.5. Funcionamiento en ciclo semi-automático
1 0 .4 .2 . F2 : M a r c h a s d e preparación Este e st a do pe rm it e c onside ra r el carácter de l proc e dim ie nt o que , bien de form a m a nua l o automática, proc e da al a rra nque de la instalación antes de pa sa r a F1 (Producción norm a l). U na ve z e n F 1 , e l sist e m a no podrá volve r a F2 más que pa sa ndo pre via m e nt e por el e st a do A1 de parada en el e st a do inic ia l.
1 0 .4 .3 . F3 : M a rc h a s d e c i e r r e Este e st a do es de un carácter sim ila r al F2 . Mediante su inclusión se de t e rm ina el proc e dim ie nt o (m a nua l o automático) que incluirá la s ope ra ciones de c ie rre ne c e sa ria s a seguir, a nt e s de que el proc e so retorne a su estado inicial A1 (pa ra da en el e st a do inicial). 1 0 .4 .4 . G r u p o F: m a rc ha s m a nua le s de prue ba s y de m a nt e nim ie nt o 10.4.4.1. F4: marchas de verificación en el desorden
Este estado permite verificar determinados func iona m ie nt os del sist e ma, o de los subsistemas, sin respetar el orden del ciclo o de se c ue nc ia . UPV-CFP
331
Robótica y Automática
Todos los pre a c c iona dore s pueden se r c ont rola dos manualmente por el operador desde un pupitre de control m a nua l. Sola m e nt e subsisten los c ont rola dore s indispensables para la se gurida d del ope ra dor y del sistema. Un ejemplo de utilización del rectángulo-estado F4 sería su utilización para la inyección de c om a ndos de c ont rol de prue ba pa ra la verificación de un func iona m ie nt o c orre c t o de los pre a c c iona dore s inst a la dos en el sistema. Por ejemplo, podría utilizarse e n la selección de a c c ione s sobre los controles de dist ribuidore s neumáticos, de form a que la rotación de un c onm ut a dor pudiera permitir la distribución de la presión respectivamente sobre cada uno de los orific ios de sa lida .
PRODUCCDII
Figura 10.6. Uso de la verificación en el desorden
10.4.4.2. F5: marchas de verificación bajo orden
En e st e e st a do, e l c ic lo de producción pue de se r e x plora do al ritmo de se a do por la pe rsona que efectúa la verificación, e l sist e m a podrá estar en producción o no. El pa so de una e t a pa a la siguie nt e ne c e sit a , adiciona lm e nt e , de una condición de evolución, e m it ida por el ope ra dor mediante el pulsa dor fa se /fa se . El ciclo se m a nt ie ne bloque a do e n e st a e t a pa . Los se rvic ios de segurida d de be n ser m a nt e nidos. Pa ra re gre sa r a l c ic lo norm a l de be n darse las c ondic ione s de evolución más la acción de l ope ra dor. Est e procedimiento se c orre sponde , bie n se a c on e l m odo de m a rc ha de nom ina do "etapa a e t a pa ", o bie n se a "se c ue nc ia a se c ue nc ia ". El a va nc e pa so a pa so e s obt e nido por im pulsos de sde e l pupitre de c ont rol después de la selección de m a rc ha (c onm ut a dor). La utilización de e st a m a rc ha de verificación está just ific a da desde el m om e nt o que se pla nt e e n ne c e sida de s de a c opla m ie nt o y sinc ronism o en 332
UPV-CFP
y Paro de los Sistemas Automatizados
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F5: M a r c h a s d e verificación en el orden
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Figura 10.7. Uso de las marchas de verificación en el orden
10.4.4.3. F6: marchas de test
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En e st e e st a do se e je c ut a n la s de nom ina da s marchas de test. Está de st ina do a a isla r momentáneamente una parte de la instalación automática, que re quie re de ope ra c ione s periódicas de ajuste y/o de calibración, al igual que los disposit ivos de c ont rol o m e dida . El estado F6 se suele de nom ina r también m a rc ha de t e st ; y e st o se de be a que los dispositivos de c ont rol, de m e dida , y de selección, dispone n de unos captadores que de ben se r a just a dos o c ont ra st a dos periódicamente. A este efecto, el operador pre se le c c iona una pa ra da sobre la e t a pa de t e rm ina da . Com o ejemplos de ope ra c ione s dura nt e la s m a rc ha s de t e st , t e ne m os las verificaciones sobre se nsore s de presión y t e m pe ra t ura , verificación de caudales, modificación de parámetros, e t c . .
Grupo A: procedimientos
de parada
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parte
operativa Est os e st a dos se c orre sponde n c on las pa ra da s normales, o con las m a rc ha s que c onduc e n a las pa ra da s norm a le s.
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10.5.1. A1: parada en el estado inicial Este e st a do se c orre sponde c on a que lla situación en la que la parte de c ont rol está inic ia liza da y los dive rsos c om pone nt e s de la parte operativa están e n posición pa ra el a rra nque de ciclo. U PV -CFP
333
Robótica y Automática
En ge ne ra l se c orre sponde con la situación inicial de los Grafcet; por ello, c om o e n e l c a so de una e t a pa inicial, e st e rectángulo de estado está rode a do c on un doble c ua dra do.
10.5.2. A2: parada solicitada en fin de ciclo
Este macro e st a do se a c t iva c ua ndo, e st a ndo e n un funcionamiento cíclico, se de c ide salir de l m ism o re a liza ndo una solic it ud de fin de ciclo. Aún c ua ndo la pa ra da se solic it a , e l sist e m a continúa e n funcionamiento hasta el fina l de dic ho c ic lo. N orm a lm e nt e e llo no de be provocar la salida del gra fc e t de modo producción, e s de c ir e l c a m bio de m a c ro-e st a do no implicará ne c e sa ria m e nt e el c a m bio de Gra fc e t pa rc ia l. El propio grafcet de modo producción pue de inc luir la posibilida d de re a liza r e st e t ipo de pa ra das de fin de c ic lo m e dia nt e las siguie nt e s e st ruc t ura s de c ic lo: •
Cic lo automático c on memorización mecánica de la orden de pa ra da . • Cic lo automático c on memorización lógica de la orde n de pa ra da . •
Ciclo semi-automático.
Ciclo automático: Después de la información de inic io da da por el ope ra dor, los ciclos se suc e de n sin nue va intervención por pa rt e de éste. Las pa ra da s pueden ser solicitadas por el ope ra dor e n c ua lquie r m om e nt o, la máquina se parará entonces en el fin de c ic lo. Esta pa ra da pue de ser obt e nida por: •
Conmutación de un int e rrupt or sit ua do e n e l bucle de reinicio (señal de retroacción de fin de c ic lo).
•
Conmutación de una m e m oria m que int e rvie ne también en el buc le de reinicio.
Ciclo semi-automático: El proble m a de la se gurida d del ope ra dor en este t ipo de ciclo se debe estudiar sistemáticamente y, a nivel lógico, c onduc ido a considerar las a nt irepeticiones de ciclo y los comandos bi-m a nua le s de inicio de ciclo.
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Este t ipo de pa ra da e s de carácter t ra nsit orio ha c ia A4 , y se obt ie ne normalmente por congelación de la situación a c t ua l de la pa rt e de c ont rol. En ella, la producción pue de se r de t e nida o no indist int a m e nt e ; e s de c ir, podemos e je c ut a r inhibición o no e n la s a c c ione s a soc ia da s, produciéndose una pa ra da e n una situación dife re nt e de la inic ia lm e nt e pre vist a c om o f¡n de ciclo.
salida a do no
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10.5.4. A4: parada obtenida
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La posición de pa ra da se dife re nc ia de la posición de re fe re nc ia c orrespondiente a l e st a do A 1 . Est e t ipo de pa ra da pue de se r c onse c ut iva , por ejemplo, a una solic it ud de congelación de la c a rt e de c ont rol e n su sit ua ción a c t ua l, bie n se a e n un Gra fc e t globa l o pa rc ia l.
de pa-
pára-
10.5.5. A5: preparación para la reposición en marcha después de un fallo En e st e e st a do, se proc e de a re a liza r t oda s las ope ra c ione s (de sbloqueos, lim pie za , e t c . . ) ne c e sa ria s pa ra una reposición e n m a rc ha del sistema a ut om a t iza do después de un fa llo. —
mos se len ser parará
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Aó:Retornoala posición normal
Al:Parada en el estado inicial
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Iscdor ronque
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'A5 :Preparación para la puesta en marcha. Puesta en energía de la Parte Operativa
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Fl :Producción normal
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PRODUCCION
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Figura 10.8.. Utilización del estado A5 e
debe
Si bie n ge ne ra lm e nt e e n e st e rectángulo-estado, por razones de se guridad de l pe rsona l, la parte ope ra t iva será pue st a e n situación de "sin e ne rgía", también se c ont e m pla la posibilida d de que esté "con energía". Se UPV-CFP
335
Robótica y
Automática
puede llegar a este e st a do, de sde los e st a dos D2 o D 1 , c on o sin diagnóstico y t ra t a m ie nt o de fa llos.
10.5.6. A6 : pue st a de la pa rt e ope ra t iva e n e l e st a do inic ia l. En este e st a do, a la parte ope ra t iva se le sum inist ra o re pone la energía para poder asegurar una re fe re nc ia , bie n m a nua l o automáticamente. La puesta e n referencia pue de re a liza rse de form a se c ue nc ia l o de forma simultánea.
Figura 10.9. Parada de urgencia con paso por estado A6
Volver a poner m a nua lm e nt e o automáticamente la pa rt e operativa en posición para un reinicio en el e st a do inicial. Se pue de ne c e sit a r una parada de urgencia, con retorno dife rido a la posición inicial después de autorización de intervención m a nua l, se guido de utilización de l rectánguloestado A5.
10.5.7. A7 : parada de urge nc ia ; pue st a de la pa rt e ope ra t iva en un e st a do de t e rm ina do. En este estado se sitúa a la parte operativa en una posición diferente de la posición de referencia, pero idéntica a la posición que ocupaba en el momento de la parada de urgencia. La evolución A7 -> A4 -> F1 es aconsejable.
336
U PV -CFP
G u i a
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10.6. Grupo D: procedimientos rativa
ne rnte
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(j Estudio de los Modos de Marcha y Paro de los Sistemas Automatizados
de fallos de la parte
ope-
La se gurida d de l pe rsona l y de la s inst a la c ione s de be c onst it uir una preocupación c onst a nt e de l diseñador de l a ut om a t ism o. Los a ga rrot a mientos mecánicos, las se gurida de s de dos m a nos, las ba rre ra s de células fotoeléctricas, son e je m plos de la t om a e n c ue nt a de e st a restricción. En la hipótesis de un func iona m ie nt o a norm a l o pe ligroso del a ut om a tismo, el ope ra dor de be pode r pa ra r la evolución de l ciclo m e dia nt e una acción sim ple , y re t om a r el c ont rol de l proc e so e n m odo m a nua l. Esta pa rada de urge nc ia pue de c onduc ir a dos c onfigura c ione s, según que e l e s tado en el c ua l se e nc ue nt re el sist e m a esté pe rdido o no.
10.6.1. D1 : pa ra da de urge nc ia Es el e st a do que se t om a después de una pa ra da de urge nc ia : donde se preveen no sola m e nt e la s pa ra da s, sino también los c ic los de de sbloqueo, los proc e dim ie nt os y pre c a uc ione s ne c e sa ria s pa ra evitar o limitar las c onse c ue nc ia s de bida s a los fa llos. Una pa ra da de urge nc ia pue de se r de se nc a de na da • •
v a
I
e n
Se dist ingue n va rios t ipos según el gra do de se gurida d e x igida :
para¡.
• Cort e de la pa rt e de c ont rol y de la pa rt e ope ra t iva ; • Corte de la pa rt e de c ont rol; • Corte de la pa rt e de c ont rol c on de se nc a de na m ie nt o de un ciclo de de sbloque o.
a u t o r
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10.6.2. D2: diagnóstico y/o t ra t a m ie nt o de fa llos
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I
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el
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,
Por el ope ra dor (acción m a nua l); Por la aparición de una señal de se gurida d.
, e st a do e n el que el a ut om a t ism o pue de se r examinado P u é s de un fallo, y en e l que se pue de aportar un t ra t a m ie nt o que pe rmita el reinicio del sist e m a . Se procede al e x a m e n de l sist e m a a ut om a t iza do y se establece un diagnóstico. En función de éste, se de c ide cuál e s e l E s
e n
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des
|
UPV-CFP
337
proc e dim ie nt o a ejecutar, (t ra t a m ie nt o de recuperación de fa llos) para sit ua r a l sist e m a e n producción norm a l o e n e st a do de producción no obst a nt e . En función de la gra ve da d de l fa llo a c a e c ido, la s dist int a s evoluciones posible s pue de n se r: •
Si el fa llo de la pa rt e ope ra t iva e s poc o re le va nt e : D
2
_> A5 -> F1 ó D2 -> A 5 -> A7 -» A 4 -> F1
Si el fa llo de la pa rt e ope ra t iva e s-gra ve D2 -> A5 -» A6 -> A1 -> F 1 . Si e s posible el fin de c ic lo e n m odo m a nua l D2 -> A5 -> F4 -> A1 -> F 1 . Si se t ra t a de un a ba ndono provisiona l: D2 -> PZ -> D2
A 5 - > F4 -> A 1 -> F1
ó D2 -> PZ D2 -> A 5 -> A 6 - > A1 -» F 1 . T oda s la s e voluc ione s t ie ne n por fina lida d e l re t orno a l e st a do F 1 .
10.6.3. D3 : producción n o o b s t a n t e Cont e m pla e l c a so de aparición d e un fa llo de carácter le ve , sin ninguna repercusión sobre la producción y, por t a nt o, que no im plique la necesida d de de t e ne r la m ism a ; de ahí su denominación e n e l e sque m a GEMMA de "D3 : producción no obst a nt e ". U n c a so típico sería la aparición de un de fe c t o o fa llo de indic a dore s lum inosos o c ua le squie ra ot ros de carácter poc o signific a t ivo, o de e sc a sa im port a nc ia fácilmente subsa na ble . Las e voluc ione s posible s pa ra lle ga r a D3 serían: F1
D3
F1 -» D1 -» D2 -> D3 F1 -» D1 -> D2 -> A5 -> D3
338
UPV-CFP
Guia de Estudio de los Modos de Marcha y Paro de los Sistemas Automatizados
Lle ga da s posible s a F1 a pa rt ir de D3 : Si se t ra t a de una nove da d norm a l: D3 -» A 2 -> A1 -> F1 o D3 -> A3 -> A4
F1
En c a so de una anomalía e n D3 : D3 -> D2 -> A5 -» A6 -» A1 -> F1 ó D3 -» D1 -> D2 -> A5 A6 -> A1 -> F1
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m A l :Parada e n el e st a do inicial
Rulscdor e A ronque
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F l : Producción
PRODUCCION (D
D I : Parada d e urge nc ia bloque o d e la evolución d e la pa rt e d e c ont rol -.
- — ¡ —
•
«
pAU Parada d e Urgencia)
•
F/gi/ra 70.70. Parada de urgencia
10.7. Estados de la parte
de control: grupo de
estados
En e st e a pa rt a do se considerará que la implementación de l c ont rol se re a liza a través de un Autómata Progra m a ble I ndust ria l. El c onjunt o de e st a dos son el P Z 1 , PZ 2 y PZ 3 .
UPV-CFP
339
Robótica y Automática
1 0 .7 .1 . PZ 1 : puesta de la parte de control sin energía Este estado pue de alcanzarse de sde t odos los e st a dos del sistema, mediante el c ort e de suministro energético de la pa rt e de c ont rol. Esto pue de llegar a producirse de form a volunt a ria , m e dia nt e el corte de suministro de la red. No obst a nt e , e l c ort e volunt a rio que da totalmente desaconsejado c ua ndo el sist e m a se e nc ue nt re e n e l e st a do de producción. Esta orden no de be ser e m it ida más que e n e l c a so e n que nos e ncontremos en el estado A 1 , o en los e st a dos PZ2 ó PZ 3 . Si la parte de control dispone de la posibilida d, el c ont e x t o a c t ua l en el momento del corte de sum inist ro, debería sa lva rse e n una m e m oria RAM alimentada por batería. Si se t ra t a se de un m ic ro-c ort e , la duración de la puesta sin energía podría t e ne rse e n c ue nt a e n el e st a do PZ 2 . El corte puede producirse igua lm e nt e de form a a c c ide nt a l.
10.7.2. PZ2: puesta de la parte de control en estado de marcha La puesta e n energía de la pa rt e relación ha sido re a liza da a l mismo tiempo que la de la P.C.; la P.R. pue de e st a r ra m ific a da de sde la misma fuente de sum inist ro que la P.C., o por e l c ont ra rio t ot a lm e nt e inde pe ndiente. En cualquier c a so, e s ne c e sa rio que la P.R. esté e n se rvic io antes, o desde el momento que , la P.C. se a a lim e nt a da . De e st a form a , el estado del sistema a ut om a t iza do, e s c onoc ido a través de los visua liza dore s de señalización y de las pa nt a lla s de los t e rm ina le s de diálogo. En lo que c onc ie rne a los Autómatas Progra m a ble s, dispone de procedimientos internos de t e st , que son inic ia dos automáticamente de sde la puesta en marcha. El a ut ot e st se c om pone de autodiagnóstico y a ut oc ont rol. Normalmente se realizan las siguie nt e s c om proba c ione s:
340
•
Concordancia de la configuración real y la configuración en memoria.
•
Fallos en las tarjetas de e nt ra da /sa lida .
•
La pre se nc ia o el c a m bio de l c a rt uc ho de m e m oria de l programa de aplicación.
•
La bue na ejecución del progra m a en m e m oria .
UPV-CFP
Guía de Estudio de los Modos de Marcha y Paro de los Sistemas Automatizados
El e st a do de la batería de sa lva gua rda de la m e m oria RAM . Los de sborda m ie nt os de t e c t a dos por los disposit ivos t ipo "pe rro guardián". Si a la finalización de las c om proba c ione s, e l re sult a do de los t e st s e s positivo, la P.C. se a c t iva automáticamente (m odo RU N ); si no, pue de ser a c t iva do por e l ope ra dor a través de l t e rm ina l de programación, o por la pue st a a "1 " de una e nt ra da específica de l Autómata Progra m a ble . Si e l re sult a do de los t e st s a nt e riore s fue ra ne ga t ivo, t e nie ndo e n c ue nt a la na t uraleza de los fa llos de t e c t a dos, la P.C. permanecerá e n e l e st a do PZ 2 , inactivo (m odo ST OP), o pa sa a l e st a do PZ 3 : pue st a de la P.C. fue ra del e st a do de m a rc ha . Cua ndo e l Autómata Progra m a ble está e n m odo RU N se dic e que la P.C. está a c t iva . Por el c ont ra rio si está e n m odo ST OP, se dice que está ina c t iva . En PZ 2 , el Autómata pue de e st a r e n m odo ST OP o e n m odo RU N . En PZ3, no pue de e st a r más que e n m odo ST OP, o t ot a lm e nt e bloque a do. La condición de P.C. a c t ivo e s una de la s c ondic ione s ne c e sa ria s y obliga t orias pa ra pa sa r de la zona PZ a la zona de m odos de m a rc ha y pa ra da . I PZ )
PROCEDIMIENTOS RELATIVOS A LA PARTE DE CONTROL
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Figura 10.11.. Procedimientos de la parte de control
10.7.3. PZ3: pue st a de la P.C. fue ra de l e st a do de m a rc ha . En este e st a do, la parte de c ont rol está c on sum inist ro de energía pe ro no está ope ra t iva . Se puede re c onduc ir al estado PZ 1 , < puesta de la P.C. UPV-CFP
341
Robótica y Automática
sin energía>, m e dia nt e un c ort e energético o e n e l e st a do PZ2, , si se dispone de algún m e dio de suprim ir la c a usa de los fa llos. Est e e st a do pue de se r a lc a nza do por t odos los e st a dos de la zona de m odos de m a rc ha y pa ra da , si una anomalía , fa llo, e t c . , se detectara: fa llo e n un módulo de e nt ra da s o de sa lida s, o fa llo de m e m oria , o fallo de la CPU , o de sborda m ie nt o de t e c t a do por el "w a t c h dog". Pue de se r también a lc a nza do después de PZ 2 si e l fa llo de t e c t a do es de l t ipo "de bloque o".
Re sum e n: La Guía de Est udios de M odos de M a rc ha s y Pa ra da s (GEM M A) es un proc e dim ie nt o metodológico y sistemático que c ont e m pla , de form a e x ha ust iva , los dist int os m a c ro-e st a dos por los c ua le s pue de a t ra ve sa r un sist e m a a ut om a t iza do. El proc e dim ie nt o de uso consistirá e n se le c c iona r los c ont e m pla dos en las e spe c ific a c ione s de func iona m ie nt o de l sist e m a a diseñar, de se st im a ndo el re st o.
Re fe re nc ia s bibliográficas. •
De goula nge , F., Le m a it re , R., Pe rrin, D. Automaíismes:Fonctions Logiques- Grafcet -Gemma - Séqueceurs - Automates Programmables. Dunod, 1983. • Groupe Equipe m e nt de Produc t ion Automatisée réuni á l'ADEPA. Le Grafcet: de Nouveaux Concepts. Cépadués - Éditions, 1 9 9 1 . • Groupe G7W ADEPA/AFCET . Le Grafcet Cépadués - Éditions, 1991. • H a la ng W.A., Sa c ha K .M . Real Time Systems: Implementation of Industrial Computerised Process Automation. World Scientific, 1992. • M ic he l, G. Autómatas Programables Industriales. Editorial Marcombo, Py 9 9 0 . ^ • M ore no, S., Peulot, E. Le GEMMA: Modes de marches et d'arréts, Grafcet de coordination des taches, Conception des Systémes Automatisés de Production surs. Editions Ca st e illa , 1997.
342
UPV-CFP
GLOSARIO
Ac c e so determinístico
T ipo de a c c e so típico de las redes que re quie res un t ie m po de re spue st a bajo y precisable.
Acción a soc ia da
Se t ra t a de una o más posible s operaciones a re a liza r sobre e l sist e m a c ua ndo la etapa de a c ua l de pe nde n dic ha s ope ra c ione s se e n c ue nt ra a c t iva da .
Acción m a nt e nida
Aque lla que de be a plic a rse dura nt e ta ejecu¬ ción de dos o más e t a pa s c onse c ut iva s.
Ac c iona dore s
Disposit ivos que actúan sobre e l proceso a c ont rola r. Los a c c iona dore s son c ont rola dos a su ve r por los pre a c c iona dore s a través de una señal de ba ja pot e nc ia sum inist ra da por a pa rt e de c ont rol.
Ac c ione s c ondic iona le s
Ac c ione s que re quie re n e l c um plim ie nt o de una condición a dic iona l, además de la propia activación de la e t a pa c orre spondie nt e .
Ac c ione s e x t e rna s
Ac c ione s re a le s que se produc e n sobre el propio proc e so.
Ac c ione s inc ondic iona le s
Ac c ione s que se e je c ut a n c on solo quedar a c t iva da s la s e t a pa s c orre spondie nt e s.
Ac c ione s int e rna s
Ac c ione s re a le s que se produc e n en el propio disposit ivo de c ont rol, t a le s c om o t e m poriza c ione s, c ue nt a s, e t c . .
Ac c ione s re a le s
Ac c ione s c onc re t a s que se produc e n en el a ut om a t ism o. T a re a que c onlle va la captación de las dist int a s señales prove nie nt e s de l sist e m a .
Adquisición de da t os Ala rm a s ge ne ra le s
Ala rm a s loc a le s
UPV-CFP
Ala rm a s que a fe c t a n a la t ot a lida d de l sist e m a , y que pose e n priorida d sobre las alarmas loc a le s. Ala rm a s que a fe c t a n pa rc ia lm e nt e al sist e m a , de form a que su e fe c t o sólo de be repercutir sobre un c onjunt o de lim it a do de disposit ivos tecnológicos.
343
Álgebra Boole a na
H e rra m ie nt a matemática que pe rm it e la definición de func ione s lógicas c a pa c e s de relac iona r un c onjunt o de va ria ble s disc re t a s b ina na s.
a m plit ud de medición
Se de nom ina a m plit ud de medición de un t ra nsduc t or, a la dife re nc ia a lge bra ic a de los límites de l ra ngo.
AN D
Función boole a na q u e de vue lve e l va lor verda de ro c ua ndo t oda s la s e nt ra da s se a n verda de ra s y fa lso e n c a so c ont ra rio.
Arc o (Gra fc e t )
Es un se gm e nt o de re c t a que une una t ra nsición c on una e t a pa o vic e ve rsa .
Arc o (RdP)
Ele m e nt o d e una re d de Petri que une lugares y t ra nsic ione s de form a a lt e rna t iva .
Arc os inhibidore s
Son a rc os dirigidos q u e une n e x c lusiva m e nt e luga re s c on t ra nsic ione s, y la validación de las t ra nsic ione s unida s a e st os a rc os se produce c ua ndo no e x ist e n m a rc a s e n e l luga r.
Autómata
Ent e c onst it uido por un c onjunt o de reglas que de fine n e st a dos y c ondic ione s de cambio de e st a do.
Autómata de M e a ly
Sist e m a e n e l q u e la s sa lida s de pe nde n de una combinación d e la s va ria ble s de entrada y la s va ria ble s int e rna s.
Autómata de M oore
Sist e m a e n e l q u e la s sa lida s de pe nde n únic a m e nt e de la s va ria ble s de e st a do internas.
Autómata finito
Sist e m a q u e re sponde a nt e se c ue nc ia s de e st a dos de e nt ra da de una m a ne ra de t e rm ina da .
U11
Autómata Progra m a ble I n- Son sist e m a s ba sa dos e n m ic roproc e sa dor dust ria l (API) c on a rquit e c t ura e spe c ia lm e nt e a da pt a da al m e dio indust ria l. Automática
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Cie nc ia y técnica de la automatización, que a grupa e l c onjunt o de disc iplina s teóricas y tecnológicas que int e rvie ne n e n la c onc e pción, la construcción y el e m ple o de los sist e m a s automáticos. U PV-CPF
Robot¡ca y Automática
Automática a plic a da
T ra t a específicamente los proble m a s práctic os d e automatización, que c onc ie rne a la teoría y a la tecnología de los c a pt a dore s, los a c c iona dore s y los orde na dore s.
Automática teórica
Conjunt o de métodos matemáticos de análisis y síntesis d e los sist e m a s automáticos y de sus e le m e nt os.
Aut om a t ism o se c ue nc ia l
| Es un sist e m a c uyo func iona m ie nt o e m ple a una se c ue nc ia de fa se s c la ra m e nt e dife re nc ia da s, según un c onjunt o de re gla s pre e st a ble c ida s. •
Aut om a t ism os c o m b i n a dónales Aut om a t ism os s e c u e n c i a les
*
| Sist e m a e n e l que la s va ria ble s de sa lida d e pe nde n e x c lusiva m e nt e de la s va ria ble s de e nt ra da . Es un sist e m a c uyo func iona m ie nt o e m ple a una se c ue nc ia d e fa se s c la ra m e nt e dife re nc ia da s, según un c onjunt o de re gla s pre e st a ble c ida s.
Automatización
I La automatización d e un proc e so indust ria l (máquina, c onjunt o o e quipo indust ria l) c onsist e e n la incorporación a l m ism o de un c onjunt o d e e le m e nt os y disposit ivos tecnológicos que a se gure n su c ont rol y bue n c om port a m ie nt o.
Automatización int e gra da (CIM)
| Conc e pt o e n e l que se c ont e m pla la int e gra ción d e la producción, gestión e m pre sa ria l, planificación, programación, c ont rol, etc Se produc e c ua ndo una máquina proc e sa c lie nt e s más rápida que ot ra c uya e nt ra da está después de la sa lida de la prim e ra .
Bloque o (Cola s)
Bucle (Grafcet)
Sa lt o de una e t a pa a ot ra a nt e rior c on objeto de re a liza r se c ue nc ia s re pe t it iva s mientras se m a nt e nga una condición.
Bucle a bie rt o
Est ruc t ura de c ont rol de c a de na directa e n la que no e x ist e realimentación.
Bucle cerrado
Est ruc t ura de c ont rol que realimenta la sa lida comparándola c on la e nt ra da , para obtener una señal de error, que será minimizada.
I IP\ / - P.FP
Bus de c a m po
Medio de transmisión físico que permite la conexión de los disposit ivos de transducción y actuación a un único c onduc t or c on el c onsiguie nt e a horro e n los c ost e s de cableado.
CAD/CAM
Diseño a sist ido por c om put a dor / fabricación a sist ida por c om put a dor.
Calibración estática (T ra nsduc t ore s)
Es un t e st dura nt e e l c ua l se a plic a una magnit ud de va lor c onoc ido a l t ra nsduc t or y se re gist ra la sa lida c orre spondie nt e .
Ca pa c ida d de la c ola
Es e l máximo número de c lie nt e s que pueden ser a c om oda dos e n e l e spa c io de c ola .
Ca pt a dor bina rio
Es un disposit ivo c uyo obje t o e s advertir, media nt e un c a m bio de e st a do de su sa lida , que a su e nt ra da se ha a lc a nza do un determinado va lor um bra l de la m a gnit ud física aplicada a la m ism a .
Ca pt a dor de um bra l de presión
Ca pt a dore s neumáticos que de t e c t a n la caída de presión.
Ca pt a dore s
U na de la s denominación a lt e rna t iva s de t ra nsduc t ore s.
Ca pt a dore s de fuga
Ca pt a dore s neumáticos ut iliza dos para de t e c t a r pequeños de spla za m ie nt os.
Características de fia bilida d
Características re la c iona da s c on la vida útil de un t ra nsduc t or, así c om o la s que pue de n ocasiona r e fe c t os a dve rsos e n e l sist e m a en que el t ra nsduc t or está inst a la do c ua ndo éste falla de una m a ne ra específica.
Características dinámicas
De sc ribe n la s características de un dispositivo ha st a e l inst a nt e e n que e l va lor final de la va ria ble m e dida pue de c onside ra rse estaciona rio.
Características estáticas (T ra nsduc t ore s)
De sc ribe n la s características de un dispositivo en una s c ondic ione s a m bie nt a le s, c on c a m bios m uy le nt os de la m a gnit ud a medir, en a use nc ia de vibra c ione s o aceleraciones.
Ca rga nominal
Valor de c a rga para la c ua l se diseña en func iona m ie nt o norm a l.
346
UPV-CPF
Robótica y Automática
CEI
Comisión Electrotécnica I nt e rna c iona l.
Célula lógica neumática
Disposit ivo lógico im ple m e nt a do m e dia nt e tecnología neumática c a pa z de c one c t a rse c on ot ra s células neumáticas, pa ra ge ne ra r una función boole a na .
Ciclo de func iona m ie nt o (API)
Se re fie re a c onc e pt os a c e rc a de cómo, cuándo y e n qué fre c ue nc ia de nt ro de un m ism o c ic lo se re a liza n la s a dquisic ione s de e nt ra da s y se proc e de al envío de las sa lida s, c ua ndo se re a liza la evaluación de inst ruc c ione s de l progra m a .
Ciclo semiautomático
Cic lo que no pue de re pe t irse sin la int e rve nción e x t e rior de l ope ra dor, a l fina l de c a da c ic lo.
CIM
Automatización I nt e gra da por Com put a dor.
Circ uit os a sinc ronos
Circ uit os e n los que las va ria ble s de e nt ra da actúan sobre e l e st a do int e rno e n e l mismo inst a nt e e n que se produc e un c a m bio de e st a do.
Circ uit os síncronos
Circ uit os e n los que e l c a m bio de nivel lógico de la s va ria ble s de e nt ra da actúa sobre su e st a do sola m e nt e c ua ndo se produc e un fla nc o de la señal de re loj.
Codific a dor de c ont a c t o
Codific a dore s ba sa dos e n la deposición de t ira s de m a t e ria l c onduc t or e n la intersección de se c t ore s y pist a s.
Codificador numérico
Son disposit ivos electromecánicos c a pa c e s de t ra nsform a r un de spla za m ie nt o a ngula r o line a l, bie n e n un t re n de im pulsos o e n una sa lida disc re t a c odific a da en bina rio na t ura l, BCD, Gra y, e t c . .
Codificadores absolutos
| Convie rt e n una posición angular en un número c odific a do digit a lm e nt e , norm a lm e nt e e n Bina rio, BCD o Gray.
Codificadores increméntales
Codific a dore s numéricos que produc e n un pulso a l paso de c a da uno de los se c t ore s, de bida m e nt e e spa c ia dos del disc o.
UPV-CFP
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Glosario
Código BCD
Sist e m a numérico de c im a l, e n e l que c a da una de sus c ifra s están re pre se nt a da s e n grupos de 4 bit s.
Código Gra y
Sist e m a numérico e n el que c a da a um e nt o e n la c ue nt a vie ne acompañado por un c a m bio e n e l e st a do de sólo un bit .
Códigos bina rios
Son sist e m a s de numeración que únicamente ut iliza n los símbolos 1 y 0 .
Coe fic ie nt e de t e m pe ra t u- | Ex pre sa e l c a m bio e n la re sist e nc ia de l t e rm ist or da do un ra ngo de t e m pe ra t ura de t e rra m ina do. Cola
Es e l disposit ivo donde e l c lie nt e re a liza la e spe ra .
Colisión (Cola s)
Se produc e c ua ndo un c lie nt e int e nt a a c c e de r a un se rvic io, que y a está sie ndo ut iliza do por ot ro c lie nt e .
Com pa ra dore s
Son disposit ivos q u e e m it e n una señal de e st a do lógico a lt o c ua ndo se c um ple la c ondición e st a ble c ida e nt re sus d o s va ria ble s de e nt ra da .
Com ple m e nt o
Es la función boole a na N OT , que de vue lve el va lor ve rda de ro c ua ndo la e nt ra da se a fa lsa y el va lor fa lso c ua ndo la e nt ra da se a ve rda de ra .
Com pone nt e c onse rva t ivo | T ie ne un signific a do físico, por e je m plo, un sist e m a está e n un e st a do único e n c a da m om e nt o, o se m a nt ie ne n un número de e nt ida de s. Conc urre nc ia
Dos proc e sos son c onc urre nt e s si su e je c ución se produc e de m a ne ra simultánea de form a inde pe ndie nt e .
Condic ione s de activación I Aquéllas que son usa da s pa ra las e c ua c ione s iniciales de activación de las e t a pa s de inicialización. Condic ione s que de be n c um plirse de forma Condic ione s iniciales sistemática al c om ie nzo de c a da c ic lo. Conexión en pa ra le lo Asociación de e le m e nt os, e n la que la salida se a c t iva c ua ndo c ua lquie ra de la s ramas t e nga n valor lógico " 1 " . 348
UPV-CPF
Robótica y Automática
Conexión e n se rie
Congelación de l a ut om a tismo
señal de la condide
Asociación de e le m e nt os, e n la que la salida se a c t iva c ua ndo t oda s la s ra m a s e n serie t ie ne n va lor lógico " 1 " . I T ra t a m ie nt o de a la rm a en el que , ante la a pa I rición de una señal de a la rm a participa e n c a da una de la s re c e pt ivida de s asociadas a la s t ra nsic ione s, de form a que su activación im pide la evolución de l sist e m a .
Consigna s
V a lore s de re fe re nc ia que son sum inist ra dos a los c ont rola dore s pa ra obt e ne r la salida de se a da .
Consola s de progra m a cion
Periférico c on e l que se pue de introducir el progra m a de c ont rol e n un autómata progra m a ble indust ria l.
Const a nt e de t ie m po
T ie m po que t a rda un sist e m a e n alcanzar el 6 3 % de su va lor fina l.
Cont a c t or
Es un int e rrupt or c ont rola do a dist a nc ia que pe rm it e c ont rola r e le va da s c orrie nt e s m e dia nt e una pequeña señal.
Cont a dor
Disposit ivo ut iliza do pa ra realizar operaciones de c ue nt a , d e t ipo a sc e nde nt e y/o descen¬ de nt e .
Cont rol Ce nt ra liza do
Sist e m a que está c onst it uido por un c om put a dor c e nt ra l que gobie rna t odo e l proceso a través de unos ¡nterfaces. sistema im ple m e nt a n T a re a s que pa ra c onse guir que e l produc t o fabricado se m a nt e nga de nt ro de unos márgenes e st a ble c idos de c a lida d. Conc e pt o que c ont e m pla la distribución de las c ont rol de form a je ra rquiza da y t a re a s de nt ro de l m ism o nive l. Conc e pt o que c ont e m pla la distribución de las t a re a s de c ont rol de form a je ra rquiza da .
jevuelve el sea falsa y
Cont rol de c a lida d
Cont rol Dist ribuido
Cont rol Jerárquico Cont rol M ult ic a pa
Es un sist e m a je ra rquiza do de varios niveles donde e n c a da uno se llevan a cabo las t a reas de c ont rol loc a l, supervisión y opt im iza c ion. •
UPV-CFP
0
349
Glosario
Cont rola dore s lógicos
Denominación a lt e rna t iva de progra m a ble s indust ria le s.
Conve rge nc ia en AN D
Est ruc t ura lógica que se utiliza pa ra modelar la c onve rge nc ia de dos o más secuencias simultáneas e n una m ism a se c ue nc ia .
Conve rge nc ia en OR
Est ruc t ura lógica que se ut iliza pa ra modelar la c onve rge nc ia de dos o más secuencias a lt e rna t iva s e n una m ism a se c ue nc ia .
Curva de Calibración
Es la representación gráfica xy, de l resultado de l t e st de calibración estática.
De c isione s estratégicas
De c isione s, a la rgo pla zo, de t e rm ina da s por la c om pe t it ivida d y supe rvive nc ia de la empresa, que inc luye n introducción de una nue va t e c nología, expansión de l sist e m a , e t c ..
Decisiones ope ra c iona le s
De c isione s a c ort o pla zo que se oc upa n del c ont rol c ot idia no de la s ope ra c ione s de fa bric a c ion
Decisiones tácticas
De c isione s, a m e dio pla zo, que inc luye n la división de l obje t ivo t ot a l de producción en lot e s, t om a r e n c ue nt a la disponibilida d de los m a t e ria le s e n brut o, fe c ha s ve nc ida s, e t c . .
Deriva térmica
Ruido que se ge ne ra e n la sa lida de un t ra nsduc t or de bido a las va ria c ione s de t e m pe ra t ura .
Detector fotoeléctrico
De t e c t or c uyo princ ipio de func iona m ie nt o está ba sa do e n la generación de un haz lum inoso por pa rt e de l fot oe m isor que se proyecta sobre e l fot ore c e pt or o sobre un dispositivo re fle c t a nt e .
De t e c t ore s de flanco
Disposit ivos c uya sa lida c a m bia de estado c ua ndo e n su e nt ra da se de t e c t a un flanco de subida o de ba ja da de la va ria ble booleana.
autómatas
De t e c t ore s de t e m pe ra t ura El princ ipio de func iona m ie nt o de los detectore sist ivos I res de t e m pe ra t ura re sist ivos se ba sa en que t odos los m e t a le s m a nifie st a n un cambio positivo e n su re sist e nc ia de bido a un cambio posit ivo de la t e m pe ra t ura . 350
UPV-CPF
De t e c t ore s fíuídicos de prox im ida d
Ca pt a dore s neumáticos ut iliza dos pa ra d e t e c t a r la prox im ida d de un obje t o.
Diagnóstico de fa llos
En una e st ruc t ura de c ont rol m ult inive l, e s la pa rt e que lle va a c a bo la detección y a isla m ie nt o de los fa llos susc e pt ible s de ocurrir en el sist e m a .
Dia gra m a de c ont a c t os
Le ngua je de programación c ont a c t os eléctricos.
Dia gra m a de e sc a le ra
Le ngua je de programación ba sa do en norm a s N EM A.
Dia gra m a de func ione s
Le ngua je de programación ba sa do e n disposit ivos lógicos.
ógicas Dia gra m a s pa rc ia le s (Gra fc e t )
ba sa do en los as
Dia gra m a s q u e m ode la n los subproc e sos de f o r m a más e x ha ust iva , sin pe rde r la le gibilida d.
DIN
I nst it ut o Alemán pa ra la Normalización (De ut s c h e I nst it ut für N orm un)
Dire c c iona m ie nt o d e E/S
De t e rm ina la form a de codificación de las dist int a s e nt ra da s, sa lida s y va ria ble s internas de c a d a módulo de l autómata progra m a ble .
Disc iplina de c ola
Es la re gla q u e se a plic a pa ra se le c c iona r a l próximo c lie nt e e n la c ola , que ha de ser servido.
Dispa ro de transición Disponibilida d
Fra nque a m ie nt o de la transición. Ause nc ia de pa ra da s c om o c onse c ue nc ia de fa llos de l sist e m a .
Disposición de flujo de produc t o
Disposición e n pla nt a que se c a ra c t e riza por a producción de un único produc t o e n gra nde s volúmenes de producción.
Disposición de posición fija
Disposición e n pla nt a , e n la que e l produc t o no sufre de spla za m ie nt os, sino que son la s he rra m ie nt a s y t ra ba ja dore s los que se de spla za n pa ra su fabricación.
Disposición de proc e so
Disposición e n pla nt a e n que las máquinas se orde na n e n grupos de a c ue rdo c on e l t ipo de proc e so de manufacturación.
UPV-CFP
351
Glosario
Disposición de proye c t o
Disposición e n pla nt a muy pa re c ida a la disposición por posición fija , c on la dife re nc ia de que e n e st e c a so, una ve z fina liza do e l proye c t o, se re t ira el e quipa m ie nt o.
Disposición en pla nt a
Hace re fe re nc ia a l t ipo de re orde na m ie nt o de los disposit ivos físicos e inst a la c ione s de producción e n pla nt a .
Disposición por tecnología Es una disposición e n pla nt a que c om bina las ve nt a ja s de la disposición de flujo de producde grupo t o, c on la fle x ibilida d la disposición proc e so. Disposit ivo de c a m po
Disposit ivo de instrumentación y c ont rol, que dispone de func ione s t a le s c om o diagnóstico, c ont rol y comunicación c on ot ros dispositivos de c a m po.
Disposit ivo de rupt ura de arco
Disposit ivo que se e nc a rga de extinguir el I a rc o que se form a e nt re los c ont a c t os, en el m om e nt o de a brir e l int e rrupt or.
Disposit ivos ge ne ra dore s de im pulso
I Disposit ivos que ge ne ra n una señal de salida de form a de im pulso, c ua ndo se le s aplica una señal m a nt e nida a su e nt ra da .
Dive rge nc ia e n AN D
Est ruc t ura lógica que se ut iliza pa ra modelar la posibilida d de t om a r dos o más secuencias simultáneas.
Dive rge nc ia e n OR
Est ruc t ura lógica que se ut iliza pa ra modelar la posibilida d de t om a r dos o más secuencias a lt e rna t iva s.
Economías de a lc a nc e
Consist e e n la fabricación de una a m plia va rie da d de produc t os c on un ba jo volum e n de producción. _
Economías de e sc a la
Consist e e n la fabricación e n se rie de una ga m a e st re c ha de produc t os.
Ecuación de activación / desactivación
Función lógica que e st a ble c e el momento en que una e t a pa de be a c t iva rse /de sa c t iva rse . Función lógica que de t e rm ina la activación de las órdenes de m a ndo de la s acciones a soc ia da s a c a da e t a pa .
Ecuación de m a ndo
352
UP V-CPF
Robótica y Automática
Ecuación funda m e nt a l de Expresión matemática que relaciona el vector las RdP I de marcado inicial c on el vector de marcado fina l, t ra s una se c ue nc ia de disparo. Ecuaciones de estado Conjunt o de e c ua c ione s lógicas que m odific a n e l e st a do interno de l sist e m a . Ecuaciones de sa lida Ec ua c ione s dife re nc ia le s ordina ria s
Conjunt o de e c ua c ione s lógicas que im ple m e nt a n las órdenes de mando a l sistema. Ecuación que c ont ie ne de riva da s de una funI ción re spe c t o a una única va ria ble .
Ec ua c ione s en dife re nc ia s | Ecuación que c ont ie ne de riva da s disc re t iza da s. EEPROM
M e m oria de sólo le c t ura reprogramable por volt a je eléctrico (Ele c t ric a ble Erasable Progra m m a ble Re a d-Only Memory)
Ejecución de una RdP
Consist e e n e l dispa ro de t oda s las t ra nsic ione s va lida da s que c om ie nza n de sde un de t e rm ina do m a rc a do inicial.
Ejecución e n a lt e rna nc ia
| Consist e e n la ejecución de un subproceso, ha st a e l fina l de dic ha se c ue nc ia , tras la cual se de posit a la m a rc a e n el comienzo del si¬ guie nt e subproc e so. | Son los disposit ivos pre a c c iona dore s a soc ia dos a los c ilindros que de t e rm ina n las vías de circulación de l aire c om prim ido.
El dist ribuidor neumático
Elemento norm a lm e nt e abierto
| Disposit ivo de c ont a c t o que establece el cierre de l c irc uit o c ua ndo se suministra una corriente a su bobina de c ont rol.
Elemento normalmente cerrado
| Disposit ivo de contacto que establece la a pe rt ura de l circuito cuando se suministra una c orrie nt e a su bobina de control.
Encoder
Es un codificador numérico.
Enlace en cascada
Enlace que hace corresponder la salida de un dispositivo c on la entrada de l siguiente. Es una disposición de dispositivos en serie
Enlace en común de e ntrada
UPV-CFP
I Enlace que hace corresponder una de las I entradas de un dispositivo hacia una entrada del siguiente dispositivo.
353
EPROM
M e m oria de sólo le c t ura re progra m a ble (Era sa ble Progra m m a ble Re a d-Only M e m ory)
Esclavo
Disposit ivo que e s c oordina do por un disposit ivo c e nt ra l c onoc ido c om o m a e st ro.
Espacio de e st a dos
El c onjunt o de t odos los posible s e st a dos que pue de t om a r un sist e m a .
Estado
Conjunt o más pequeño de va ria ble s (de nom ina da s va ria ble s de e st a do), de m odo que el c onoc im ie nt o de éstas, junt o c on e l c onoc im ie nt o de la e nt ra da , de t e rm ina por c om ple t o el c om port a m ie nt o de l sist e m a .
Estructura c om pa c t a
Est ruc t ura de autómata indust ria l de c a rc a sa c e rra da a de c ua da pa ra pequeñas a plic a c ione s c o n un número pre fija do de e nt ra da s/sa lida s.
Estructura De sc e nt ra liza da
Est ruc t ura de c ont rol e n la que un orde na dor c e nt ra l de t e rm ina la s c onsigna s ge ne ra le s c om unic a da s a c ont rola dore s e spe c ia liza dos que c ont rola n los dive rsos e le m e nt os de la instalación.
Estructura m odula r
Est ruc t ura de autómata indust ria l form a da por módulos de aplicación específica.
Etapa
Situación de l sist e m a e n la c ua l t odo o una pa rt e de l órgano d e m a ndo e s inva ria nt e fre nt e a la s e nt ra da s y sa lida s de l sist e m a a ut om a t iza do.
Etapa a c t iva ble
Cua ndo la transición inm e dia t a a nt e rior está va lida da .
Etapa a c t iva da
U na e t a pa está a c t iva da c ua ndo pose e una m a rc a .
Etapa de inicialización
Es a c t iva da de form a inc ondic iona l e n e l c o m ie nzo de la ejecución de l a lgorit m o de c ont rol.
Etapa fue nt e
Et a pa que no pose e transición de e nt ra da .
Etapa normal
Está liga da a una transición de e nt ra da y a ot ra de sa lida .
354
UPV-CPF
Robótica y
Automática
Etapa sum ide ro
Et a pa que no pose e transición de sa lida .
Ethernet
Re d de c om unic a c ione s ba sa da e n un a c c e so al m e dio de carácter a le a t orio.
Et ique t a s (Gra fc e t )
Rectángulo c one c t a do a la e t a pa a la que ha c e re fe re nc ia , que c ont ie ne la acción ele¬ m e nt a l a re a liza r c ua ndo la e t a pa está a c t iva .
Evento disc re t o
Suc e so que t ie ne lugar e n t ie m pos disc re t os, fre c ue nt e m e nt e de m a ne ra a sinc rona y no de t e rm inist a .
Eve nt os e x t e rnos
Eve nt os que c orre sponde n a un c a m bio e n el e st a do de l e nt orno.
Evoluc ione s simultáneas
Consist e n e n e l fra nque a m ie nt o simultáneo de t ra nsic ione s va lida da s por e t a pa s sit ua da s e n dia gra m a s se pa ra dos.
Fabricación
Es un proc e so de transformación m e dia nt e e l c ua l, e l m a t e ria l e n brut o, e l t ra ba jo, la e ne rgía y e l e quipa m ie nt o se reúnen pa ra produc ir mercaderías de a lt a c a lida d, la s c ua le s de be n t e ne r un va lor económico m a yor que los c o m pone nt e s ut iliza dos y de be n se r ve ndible s e n un e nt orno c om pe t it ivo.
Fabricación I nt e gra da
Conc e pt o e n e l que se c ont e m pla la inclusión de form a int e gra da a la producción, de c onc e pt os t a le s c om o gestión e m pre sa ria l, plani¬ ficación, programación, e t c . .
Field Bus
Fie ldbus e s un término genérico que describe una s nue va s c om unic a c ione s digitales re de s de c om put a dora s que se usará e n la indust ria .
FIFO
Un t ipo de disc iplina de c ola , que sirve a l c lie nt e que llegó e n prim e r lugar (First In First Out ). Ca pt a dor bina rio de posición por a c c iona miento mecánico.
Final de c a rre ra Flujogramas
Lenguaje de programación ba sa do e n dia gramas de flujo.
Fotocélula
Captador binario de posición por interrupción de haz fotoelectrónico.
UPV-CFP
355
Glosario
Función boole a na
Funcionamiento se m i1 automático
1Aque lla expresión e n la que un c o n j u n t o d e l va ria ble s boole a na s se ve n re la c iona da s por los ope ra dore s boole a nos. ____! 1M odo de func iona m ie nt o que ne c e sit a dé la ! autorización de l ope ra dor pa ra e je c ut a rse -
GEM M A
Es una representación gráfica y sintéticadel los m odos de m a rc ha s y pa ra da s de un a ut o1 m a t ism o. 1
Gestión de a la rm a s
1Ope ra c ione s de proc e sa m ie nt o de la s dist iivl t a s va ria ble s de e nt ra da y sa lida pa ra la a c t ivación de la s a la rm a s progra m a da s e n e l sistema.
1Gestión de re c ursos h u 1 manos
Ope ra c ione s pa ra ' la asignación de pe rsona s! a l desempeño de t a re a s específicas. |
Grafcet
Es un método gráfico de m ode la do de siste-1 m a s ba sa dos e n a ut om a t ism os de carácter se c ue nc ia l. |
Guía ope ra dor
V a ria nt e d e m a yor sofisticación e n la t om a por pa rt e de l disposit ivo automático de m e dida s a una se rie d e va ria ble s, proc e sa ndo dic ha información y e m it ie ndo pa rt e s dia rios de se rvic io y ba la nc e s.
Histéresis (T ra nsduc t ore s)
Es la máxima dife re nc ia e nt re la s sa lida s de señal c orre spondie nt e s a un punt o de las m a gnit ude s c re c ie nt e s y de c re c ie nt e s entre "c e ro" y "fondo de e sc a la ".
I m pe da nc ia de sa lida
I m pe da nc ia de un c irc uit o vist a de sde los t e rm ina le s d e sa lida .
Ingeniería de proc e so
Es la pa rt e d e la ingeniería que se oc upa de los t e m a s d e de sa rrollo de proc e sos de fa bricación. 1
Ingeniería de produc t o
Es la pa rt e de la ingeniería que se oc upa de los t e m a s de diseño de p r o d u c t o _____J
Inhibición de a c c ione s
T ra t a m ie nt o de a la rm a e n e l que , a nt e la a pa rición de una señal de a la rm a , no de t ie ne toda | la evolución de l a ut om a t ism o, sino que inhibe a la s propia s a c c ione s a soc ia da s a la s e t a pa s. _J
UPV-CPF
Robótica y Automática
Interfaz
Circ uit o que a da pt a un disposit ivo c on otro
ISO
Organización I nt e rna c iona l de Estándares
LAN
N e t w ork
Lectura de m a rc a do
Est ruc t ura que pe rm it e c ondic iona r el disparo de una transición por el m a rc a do de un lugar, sin que e llo signifique la eliminación de la m a rc a de e se lugar.
Le ngua je Gra fc e t
Le ngua je de programación de autómatas progra m a ble s ba sa do e n Gra fc e t .
Le ngua je mnemónico
Le ngua je de programación m e dia nt e instrucc ione s de ba jo nive l específicas de c a da m ode lo de autómata.
Le ngua je s de progra m a c ion
Conjunt o de re gla s y dire c t iva s pa ra la im ple mentación de los a lgorit m os de c ont rol e n la m e m oria de los autómatas progra m a ble s i n dust ria le s.
U FO
Un t ipo de disc iplina de c ola , que sirve a l c lie nt e que llegó e n último lugar. (Last In First Out )
Limitación de c a pa c ida d
Est ruc t ura que e st a ble c e un mecanismo d c ont rol que limita el número máximo de dispa ros de una transición.
Line a lida d
Conc e pt o que a soc ia la respuesta de t ra nsduc t or a la representación gráfica de una ínea re c t a c on de t e rm ina da pendiente.
Líneas de dic a da s de producción
Consist e e n una fabricación especializada c ont inua de produc t os idénticos. Se caracteriza n por una t a sa de producción muy alta y de e st re c ho a lc a nc e . Proc e dim ie nt o de implementación de los algoritmos de c ont rol mediante cables eléctricos, relés electromagnéticos, interruptores, e t c . .
Lógica c a ble a da
Lógica de c ont a c t os Lógica progra m a da
UPV-CFP
Representación gráfica de esquemas de a u to matismoselé^ Procedimiento de implementación de los a lgoritmos de control mediante programas informáticos.
357
Glosario
Lógica se c ue nc ia l
Lógica ut iliza da pa ra e l diseño de los a ut om a t ism os se c ue nc ia le s.
Longit ud de c ola
Es el número de c lie nt e s de una c ola .
Lugar (RdP)
Ele m e nt o de una re d de Pe t ri que re pre se nt a una fa se e st a ble por la que a t ra vie sa e l sist e m a e nt re dos suc e sos c onse c ut ivos.
Lugar lim it a do (RdP)
Es un luga r t a l q u e pa ra c ua lquie r m a rc a do a lc a nza ble , su número d e m a rc a s e s menor o igua l a un de t e rm ina do va lor.
M a c roe st a dos
Est a do c onside ra do e n e l nive l de m a c rofunc iona m ie nt o d e un sist e m a a ut om a t iza do, donde se c ont e m pla n los e st a dos de func iona m ie nt o, pa ra da , caída de l sist e m a , e t c . .
M a c ro-Et a pa
Representación c om pa c t a d e un c onjunt o de e t a pa s c uya aparición pue de re pe t irse e n v a ria s oc a sione s a lo la rgo d e l dia gra m a Gra fc e t .
M a e st ro
Disposit ivo q u e c ont rola la s ope ra c ione s y comunicación por re gist ro cíclico de los e sc la vos, q u e pue de n c om unic a r sólo c ua ndo el m a e st ro se lo a ut oriza .
MAN
M e t ropolit a n Are a N e t w ork (Re d d e Área M e t ropolit a na )
M a nt e nim ie nt o
T a re a s de conservación de l e quipa m ie nt o indust ria l.
MAP
M a nufa c t uring Aut om a t ion Prot oc ol (Prot oc olo de Automatización de la Fabricación)
M a pa s de K a rna ugh
Proc e dim ie nt o pa ra la simplificación de func ione s lógicas.
Máquinas de e st a dos finit os
U na de la s re pre se nt a c ione s form a le s de los sist e m a s de e ve nt os disc re t os, ba sa da en e st a dos y t ra nsic ione s.
M a rc a re se rva da
U na m a rc a e s re se rva da c ua ndo se de c ide e l dispa ro de l luga r que la c ont ie ne .
M a rc a do (RdP)
Conjunt o de m a rc a s que c ont ie ne una red de Petri e n un inst a nt e c onside ra do.
358
UPV-CPF
Robó tica y Automática
Marcado inva ria nt e (RdP)
Propie da d que ga ra nt iza el m a nt e nim ie nt o de un va lor c onst a nt e e n e l número de m a rc a s de una re d de Pe t ri.
Marcas de sist e m a
V a ria ble s int e rna s que sue le n t e ne r los autóm a t a s progra m a ble s indust ria le s pa ra ejecutar func ione s de carácter específico, t a le s c om o ge ne ra dor de im pulso de inicialización.
Marchas automáticas
Se t ra t a de l m odo de func iona m ie nt o norm a lm e nt e cíclico, pa ra el c ua l e l sist e m a a ut om a t iza do ha sido diseñado.
Marchas de c ie rre
Proc e dim ie nt o que inc luye las ope ra c ione s de c ie rre ne c e sa ria s a se guir, a nt e s de que el proc e so re t orne a su e st a do inic ia l.
M a rc ha s de intervención
Se t ra t a de m odos de func iona m ie nt o e spe c ia le s ut iliza dos ge ne ra lm e nt e e n pe riodos de a just e o fa llo de l func iona m ie nt o de los sist e m a s a ut om a t iza dos.
M a rc ha s de preparación
De fine los proc e dim ie nt os que , de form a m a nua l o automática, ha y que re a liza r pa ra e l a rra nque de la instalación.
M a rc ha s de t e st
De st ina da s a a isla r una pa rt e de la instalación automática, q u e re quie re de ope ra c ione s p e riódicas de a just e y/o calibración.
M a rc ha s de verificación bajo orde n
Cic lo de producción que pue de ser e x plora do a l rit m o de se a do por la pe rsona que efectúa la verificación.
M a rc ha s de verificación e n Pe rm it e ve rific a r de t e rm ina dos func iona m ie nt os de l sist e m a , sin re spe t a r e l orde n de ciclo el de sorde n o de se c ue nc ia . Materiales Ant ide fla gra ntes
M a t e ria le s diseñados específicamente pa ra su func iona m ie nt o e n a m bie nt e s de carácter W fla m a ble o e x plosivo.
Matriz de inc ide nc ia
I nform a de l ba la nc e fina l de l número de m a rc a s que se produc e e n los luga re s c ua ndo se re a liza el dispa ro de las t ra nsic ione s.
Matriz de inc ide nc ia de entrada
I nform a de la e x ist e nc ia o no de a rc os de e n t ra da de sde un lugar a una transición.
Matriz de incidencia de
I nform a de la e x ist e nc ia o no de a rc os de e n-J
UPV-CFP
Glosario
sa lida Maxterm
t ra da de sde una transición a un lugar. Expresión boole a na de produc t o de sum a s.
M e m oria bina ria
M e m oria que pue de t om a r solo dos valores e st a ble s.
Memorización
En una red de Pe t ri, c onsist e e n la m e m oriza ción de un número de m a rc a s o de l disparo de una transición.
metodología t op-dow n
Metodología que pe rm it e e l de sa rrollo de lo ge ne ra l a lo pa rt ic ula r, de sc e ndie ndo a nive les m uy pre c isos de descripción y de sc om posición de la s dive rsa s t a re a s de un a ut om a t ism o.
Minterm
Expresión boole a na de sum a de produc t os.
Modelo de re fe re nc ia OSI Modos de marcha
| M ode lo ba sa do e n una norm a Ope n System I nt e rc onne c t ion Los dive rsos m odos de func iona m ie nt o que pue de n re a liza rse e n los sist e m a s a ut om a t iza dos, c onc e bidos y e st a ble c idos e n la fase de diseño de l sist e m a .
Módulo se c ue nc ia dor ne u- Es e l disposit ivo funda m e nt a l pa ra la implemático mentación de a ut om a t ism os neumáticos de carácter se c ue nc ia l y de c om port a m ie nt o cíc lic o. Módulo se c ue nc ia l de e t a - Ele m e nt o tecnológico func iona l c a pa z de intepa I ra c c iona r c on sus e t a pa s a nt e rior y post e rior. Módulos de comunicación
Disposit ivos pa ra la interconexión de nodos ba sa dos e n API .
Módulos FUZZY
Pe rm it e n la implementación de técnicas de int e lige nc ia a rt ific ia l ba sa da e n la lógica difusa .
Monitorización
En una e st ruc t ura de c ont rol m ult inive l, es la pa rt e .que lle va a c a bo e l se guim ie nt o y visua lización de las dist int a s va ria ble s de l sist e m a ^
MPCS
Cont rol de Sist e m a s y Planificación de la Producción.
Multivibrador astable
Disposit ivo e n e l que la sa lida no permanece e st a ble en ningún e st a do, e m it ie ndo trenes de im pulso c ua ndo está a c t iva do. UPV-CPF
Robótica y Automática
M ult ivibra dor e st a ble
Disposit ivo c a pa z de pe rm a ne c e r e n dos e s-1 t a dos c la ra m e nt e dife re nc ia dos de form a e s t a ble .
M ult ivibra dor m onoe st a ble
Disposit ivo e n e l que la sa lida , t ra s ser dispa¬ ra do, pe rm a ne c e e n un estado inestable m ie nt ra s pe rm a ne zc a a c t iva la señal de dispa ro.
|N A N D
Función boole a na que de vue lve el valor falso c ua ndo t oda s la s e nt ra da s se a n verdaderas y ve rda de ro e n c a so c ont ra rio.
|Ñanoautómatas
Son autómatas progra m a ble s de muy reduci-1 da s dim e nsione s. |
N EM A
N a t iona l Ele c t ric M a nufa c t uring Assoc ia t ionl (Asociación N a c iona l de M a nufa c t ura s Eléctric a s).
1
1 N ive l c orpora t ivo
N odo de atribución N odo de conjunción I N odo de distribución j N odo de selección ÑOR
NOT
Operación de vigila nc ia
UPV-CFP
N ive l de la pirámide CI M donde se llevan a l c a bo la s t a re a s de gestión c om e rc ia l; pla nificación estratégica, fina nc ie ra y a dm inist ra t iva ; gestión de re c ursos hum a nos; gestión de produc t o y proc e so; gestión de sistemas de i n -j formación,... Es a que l nodo OR que únicamente posee un a rc o de e nt ra da y va rios de sa lida . Es a que l nodo A N D que pre se nt a un único a rc o de sa lida . Es a que l nodo A N D que pre se nt a un único | a rc o de e nt ra da . Es a que l nodo OR que únicamente posee un 1 a rc o de e nt ra da y va rios de sa lida . Función boole a na que de vue lve e l valor falso c ua ndo c ua lquie ra de las e nt ra da s sea ve rda 1 de ra y fa lso en c a so c ont ra rio. Función boole a na que de vue lve e l valor ve rdadero c ua ndo la e nt ra da se a falsa y vic e ve rsa . Consiste e n la t om a por parte del dispositivo automático de medidas a una serie de va ria bles, procesando dic ha información y e m it ie n1 do partes diarios de se n/ic io y ba la nc e s.
36
Glosario
Ope ra dore s boole a nos
I Est a ble c e n las re la c ione s a e fe c t ua r sobre las dist int a s va ria ble s boole a na s.
OR
Función boole a na que de vue lve e l valor ve rda de ro c ua ndo c ua lquie ra de las e nt ra da s sea ve rda de ra y fa lso e n c a so c ont ra rio.
Órdenes de forza do
Pe rm it e n m odific a r el e st a do de las e t a pa s de un dia gra m a pa rc ia l jerárquicamente inferior.
Órdenes de m a ndo
Son la s señales que m a nda la pa rt e de c ont rol ha c ia los pre a c c iona dore s, e nc a rga dos de a c t ua r sobre e l sist e m a , m odific a ndo así su e st a do.
Par t re nza do
Disposición he lic oida l de un pa r de c onduc t ore s.
Parada de urge nc ia
Pa ra da e fe c t ua da sobre e l sist e m a a c onse c ue nc ia d e la aparición de una señal de a la r-•• ma.
Parte de Control o M a ndo
Es e l disposit ivo e nc a rga do de re a liza r el c ont rol c oordina dor de la s dist int a s ope ra c ione s e nc a m ina da s a m a nt e ne r la pa rt e ope ra t iva ba jo un func iona m ie nt o pre e st a ble c ido en la s e spe c ific a c ione s de diseño.
Parte Ope ra t iva
Form a da por un c onjunt o de disposit ivos, máquina s o subproc e sos diseñados pa ra la re a lización d e de t e rm ina da s func ione s de fa bric a c ion.
Permitividad
M a gnit ud c uyo produc t o por e l c a m po eléctric o e s igua l a la inducción eléctrica.
Perturbaciones
Aque lla s señales que t ie nde a a fe c t a r ne ga t iva m e nt e e l va lor de sa lida de un sist e m a y que son ina c c e sible s a l ope ra dor.
Pesos de los a rc os (RdP)
V a lor numérico a soc ia do a los a rc os.
Pilotaje
Denominación a lt e rna t iva a la operación de a c c iona m ie nt o de un dist ribuidor neumático.
Pot e nc ia de la unida d c e nt ra l
De t e rm ina la ve loc ida d de ejecución de las inst ruc c ione s de l progra m a de usua rio.
362
UPV-CPF
Preaccionador bie st a ble
| Se usa pa ra m a nt e ne r una acción e n e t a pa s suc e siva s, de bie ndo ha c e r re fe re nc ia sólo e n las e t a pa s de activación y desactivación de la acción.
Pre a c c iona dor m onoe st a - | Se usa pa ra m a nt e ne r una acción e n c a da e t a pa , de bie ndo re fe re nc ia rse e n c a da e t a pa ble a fe c t a da . Pre a c c iona dore s
Disposit ivos que pe rm it e n e l c ont rol de gra nde s pot e nc ia s, m e dia nt e la s señales de p e queña pot e nc ia que son e m it ida s por la pa rt e de c ont rol.
Precisión
Es un e rror e x pre sa do e n porc e nt a je de fondo de e sc a la . También s e sue le e x pre sa r, de form a c om bina da , c om o e l va lor m e dio c ua drático de los e rrore s.
Pre sost a t o
Ca pt a dor bina rio de presión.
Princ ipios de transducción
Son e l funda m e nt o físico sobre e l c ua l se a sie nt a la conversión de una m a gnit ud física e n ot ra dist int a .
Proc e dim ie nt os de fa llos (GEM M A)
Grupo de e st a dos que c om pre nde los m odos de intervención q u e pe rm it e n re m e dia r un e st a do de pa ra da de bido a ra zone s int e rna s al sist e m a .
Proc e dim ie nt os de func ionamiento (GEM M A)
Grupo de e st a dos que son ne c e sa rios pa ra la producción.
Proc e dim ie nt os de pa ra da (GEM M A)
Grupo de e st a dos donde a pa re c e n los proc e dim ie nt os de pa ra da s que permitirán, e n c a so ne c e sa rio, la pa ra da de l sist e m a . Procesos de flujo c ont inuo | Configuración de pla nt a de producción de dic a da a gra nde s c a nt ida de s de produc t o, c on pequeña variación de l m ism o. Procesos J ob Shop Configuración de pla nt a de producción c a ra c t e riza da por volúmenes de producción b a jos a m e dios y una a m plia ga m a de produc¬ t os. También de nom ina dos t a lle re s de t ra ba jo. Procesos por lotes Configuración de pla nt a de producción c a ra c t e riza da por lot e s de tamaño m e dio de l m ism o produc t o. UPV-CFP 36
Glosario
Producción no obstante (GEMMA)
Cont e m pla el c a so de aparición de un fa llo de carácter leve sin ninguna repercusión sobre la producción, y que no im plic a la detección de la m ism a . ^
Programa (API)
Está c om pue st o por un c onjunt o de dire c t iva s de usua rio, que serán int e rpre t a da s por e l progra m a m onit or, int roduc ido por e l fa bric a nt e e n una zona de m e m oria no a c c e sible pa ra el usua rio.
Programa monitor (API)
Es un progra m a , ina lt e ra ble e ina c c e sible p a ra e l usua rio, de dic a do a la interpretación de las inst ruc c ione s pre se nt e s e n e l progra m a de éste.
Programación de la producción
| Pla n de producción e n e l q u e se e spe c ific a cuándo y cuántas unida de s de c a da produc t o de be n se r e nt re ga da s
Programación off-line
Programación de disposit ivos progra m a ble s re a liza da fue ra de l func iona m ie nt o de l sist e ma.
Programación on-line
Programación de disposit ivos progra m a ble s re a liza da dura nt e de l func iona m ie nt o de l sist e m a . Se de nom ina también programación en pla nt a .
Propiedad a soc ia t iva
Propie da d que a se gura la igua lda d de la s u m a o produc t o boole a no de 3 va ria ble s c uya operación se re a liza agrupándolas de form a dife re nt e .
Propiedad c onm ut a t iva
Propie da d que a se gura la igua lda d de la s u m a o produc t o boole a no de dos va ria ble s, inde pe ndie nt e m e nt e de su orde n.
Propiedad dist ribut iva
Propie da d que a se gura la igua lda d de la s u ma o produc t o boole a no de 3 va ria ble s c uya operación se re a liza a nt e s, o después de l re sult a do de una se gunda operación.
Puerta lógica
Ele m e nt o funda m e nt a l que se ut iliza e n la implementación de c ont rola dore s (mediante tecnología electrónica).
364
UPV-CPF
Robótica y Automática
Radiaciones e le c t rom a gnéticas RAM Rango
I
•
•
capaces de provocar el c a m bio de estado de puertas lógicas del autómata programable. Memoria de acceso aleatorio (Random Ac c e ss Memory) Se de fine c om o los límites superior e inferior de los va lore s de la magnitud física correspondie nt e , susceptible de medición.
RdP autónoma
Es una red de Petri, cuyos instantes de disparo no se indic a n o se desconocen.
RdP bina ria s
Es una re d de Petri limitada, en la que sus luga re s sólo pue de n contener como máximo una m a rc a .
RdP c onform e
Es una red de Petri binaria y viva.
RdP c onse rva t iva
U na red de Petri c on marcado invariante
RdP ge ne ra liza da s
Son a que lla s e n las que los pesos asociados a los a rc os pue de n tomar un valor superior a uno.
RdP int e rpre t a da
Re d de Petri a la que se da una interpretación a soc ia ble a l func iona m ie nt o de un sistema de t e rm ina do.
RdP lim it a da
Es una re d de Petri que t ie ne todos los luga res lim it a dos pa ra cualquier marcado inicial.
RdP no-autónoma
Es una re d de Petri cuya dinámica viene de t e rm ina da por eventos externos o por la va ria ble t ie m po.
Rdp ordina ria s
Son aquéllas e n las que los pesos asociados a los a rc os t om a n c om o máximo el valor de la unida d. Red de Petri t e m poriza da que contiene lugares e n los que la marca debe permanecer al m e nos un de t e rm ina do valor de tiempo.
RdP P-t e m poriza da s
RdP sinc roniza da s
UPV-CFP
Son a que lla s redes de Petri en las que cada transición t ie ne asociado un evento, teniendo lugar el dispa ro de dicha transición cuando el evento oc urre .
365
Glosa rio
RdP t e m poriza da s
Red de Petri c uyo dispa ro vie ne condicionado por la va ria ble t ie m po.
RdP T -t e m poriza da s
Re d de Petri que t ie ne a soc ia da una t e m porización a una transición, que t ra s ser dispa ra da , re se rva la m a rc a de l luga r, hasta que t ra nsc urre un de t e rm ina do t ie m po.
RdP viva
Re d de Petri que no pre se nt a bloque os en su diseño.
Re c e pt ivida d
Condición lógica que está a soc ia da a una transición. 9
*
r
Recurso c om pa rt ido
Re c urso de un sist e m a que de be ser c om pa rt ido por va rios subproc e sos.
Red de área local
Está c onst it uida por un m e dio físico de t ra nsmisión, t ra nsduc t ore s, pre a c c iona dore s, y un de t e rm ina do número de e st a c ione s de re d.
Red de c om put a dora s
Es un sist e m a de c om unic a c ione s que c one c t a sist e m a s t e rm ina le s, de nom ina dos host s.
Red de Petri (RdP)
Es un gra fo orie nt a do form a do por e le m e nt os de nom ina dos luga re s, t ra nsic ione s y a rc os.
Registro de calibración
Es la t a bla re sult a nt e de pa re s de va lore s de la realización de l t e st de calibración estática.
Registros de de spla za miento
Disposit ivos que se ut iliza n pa ra de spla za r un de t e rm ina do va lor lógico ha c ia la de re c ha o ha c ia la izquie rda .
Re gula dore s de c orre sponde nc ia
Es un se rvosist e m a e n e l que la sa lida es una posición, ve loc ida d o aceleración mecánicas. De nom ina dos también se rvom e c a nism os.
Re gula dore s de sost e nimiento
I Aque llos sist e m a s e n los que la m a gnit ud reI guia da está obliga da a c onse rva r lo mejor posible un va lor a signa do, a pe sa r de las pe rt urba c ione s.
Relé
366
Se t ra t a de un disposit ivo de conmutación dot a do de una bobina y un grupo de contact os. Pe rm it e , usa ndo una pequeña corriente, el pa so de pot e nc ia a l disposit ivo conectado a los c ont a c t os princ ipa le s.
UPV-CPF
Robotica y Automática
Relé de e nc la va m ie nt o
Es un relé de t ipo biestable.
Relé Re e d
Es un de t e c t or de proximidad magnético.
Repetibilidad
Es la c ua lida d de un transductor de reproducir las m ism a s lecturas de salida cuando un mismo va lor a medir e s aplicado c onse c ut iva m e nt e , bajo las mismas condiciones y en la m ism a dirección.
Reset priorit a rio
Expresión de la s e c ua c ione s de activación / desactivación de una e t a pa , que da preferenc ia a su desactivación.
Resolución
Es e l c a m bio más pequeño a la entrada de l t ra nsduc t or que provocará un cambio a la sa lida de l m ism o.
ROM
M e m oria de sólo le c t ura (Re a d-Only Memory)
Saltos c ondic iona le s
Sa lt o de una e t a pa a ot ra posterior, por medio de una transición.
Sean t im e
Parámetro que de t e rm ina el t ie m po que utiliza un autómata progra m a ble e n la ejecución de 1 0 2 4 inst ruc c ione s.
Sc ra t c h-pa d
Z ona de m e m oria ut iliza da por e l programa m onit or pa ra e l a lm a c e na m ie nt o de valores int e rm e dios y t e m pora le s.
Se c ue nc ia c on priorida d
Aquélla que t ie ne priorida d de activarse, en e l c a so de que va rios e ve nt os simultáneos p u die ra n de se nc a de na r la ejecución de se c ue nc ia s c one c t a da s a una dive rge nc ia en OR.
Se c ue nc ia de e m e rge nc ia
Se c ue nc ia ha c ia la c ua l, e n caso de alarma, de riva la evolución de l sist e m a , para situar al proc e so y a los ope ra dore s e n la mejor sit ua ción posible .
Se c ue nc ia única
Se c ue nc ia que está c om pue st a de un c onjunt o de e t a pa s que va n siendo activadas una t ra s ot ra , sin interacción c on ninguna otra e st ruc t u ra. Ejecución orde na da y sucesiva de un c onjunt o de t a re a s.
Secuenciación de t a re a s
UPV-CFP
367
Glosario
Secuencias exclusivas
Consiste en el uso de t ra nsic ione s con receptividades e x c lusiva s, de tal form a que se dispare sólo una de las t ra nsic ione s conectadas a una dive rge nc ia en OR.
Secuencias paralelas
Conjunt o de se c ue nc ia s únicas que son a c t ivadas de form a simultánea y c onc urre nt e por una m ism a transición.
Seguimiento de la Producción
Supervisión de la s t a re a s de producción en c urso.
Se gurida d
Engloba la c a pa c ida d de l sist e m a a ut om a t iza do de m inim iza r la proba bilida d de a pa rición de fa llos e n su func iona m ie nt o, así como sus e fe c t os.
Selección de se c ue nc ia s
| Est ruc t ura e n la que , m e dia nt e un nodo de selección, e s posible dispa ra r una transición de e nt ra da a una se c ue nc ia , e x c luye ndo al re st o de se c ue nc ia s.
Sensor
I Disposit ivo que re sponde a a lguna s propie da de s de t ipo eléctrico, mecánico, térmico, m a gnético, químico, e t c . , ge ne ra ndo una señal eléctrica que pue de se r susc e pt ible de medíc ion.
Servidor (Colas)
Es e l re c urso que re a liza e l se rvic io a l cliente.
Se rvom e c a nism os
Es un se rvosist e m a e n e l que la sa lida es una posición, ve loc ida d o aceleración mecánicas. De nom ina dos también re gula dore s de c orre sponde nc ia .
Se rvosist e m a
Es un sist e m a de buc le c e rra do y entrada va ria ble .
Set prioritario
Expresión de la s e c ua c ione s de activación / desactivación de una e t a pa , que da pre fe re nc ia a su activación.
SFM
Sist e m a de fabricación fle x ible .
Sincronización
Conc e pt o que se utiliza pa ra m ode la r la sincronización e n e l func iona m ie nt o de dos o más subproc e sos, pa rt ie ndo de una situación a nt e rior de evolución inde pe ndie nt e .
368
UPV-CPF
flohóticaj Automática
Sistema autodidáctico
Sist e m a en el que el programa de tratamiento de la información se elabora y perfecciona en c urso de func iona m ie nt o por autoaprendizaje ba jo la dirección de un superprograma.
Sistema catadióptrico
T rie dro t rire c t a ngula r que refleja la luz en la m ism a dirección que lle ga .
Sistema de c ola s
Consist e e n un sist e m a ba sa do en los ele¬ m e nt os: c lie nt e , c ola y servidor.
Sistema de E/S
Módulo c a pa z de a c e pt a r señales de los t ra nsduc t ore s y sum inist ra r señales de salida ha c ia los pre a c c iona dore s.
Sistema he x a de c im a l
Son sist e m a s de numeración en base 16
Sistema oc t a l
Son sist e m a s de numeración en base 8.
Sistemas a da pt a t ivos
Sist e m a s que pose e n la c a pa c ida d de a ut oc orrección de la s va ria c ione s de una serie de parámetros, y la de autoregulación que les pe rm it e func iona r c orre c t a m e nt e e n c ondic ione s e x t e riore s m uy dive rsa s.
Sistemas c ont inuos
Son sist e m a s c uya s va ria ble s son de na t ura le za c ont inua .
Sistemas de e ve nt os d i s cretos
Son sist e m a s c uya s va ria ble s son de na t ura le za disc re t a .
Sistemas m onoproduc t o
Sist e m a de producción e n e l que se produce e n se rie un m ism o produc t o, requiriendo una inversión fija m uy a lt a . Es la máxima m a gnit ud de la medida que se pue de a plic a r provocándole un cambio en sus pre st a c ione s de nt ro de una s determinadas t ole ra nc ia s. En una e st ruc t ura de c ont rol multinivel, es la pa rt e que lle va a c a bo las tareas de m onit onzación, diagnóstico, scheduling^^eta»
Sobrerango (T ra nsduc t ores)
Supervisión
Tabla de asignación d e variables
Tabla de fa se s
T a bla donde se re a liza la asignación de va ria ble s simbólicas o literales utilizadas e n el m ode lo Gra fc e t a la s c orre spondie nt e s va ria ble s de l autómata indust ria l. Metodología pa ra "e T di¡¡ño de c irc uit os se c ue nc ia le s.
UPV-CFP
369
Glosa rio
T a bla de ve rda d
T a bla que re pre se nt a los dist int os va lore s que pue de t om a r una función boole a na de pe ndie ndo de l va lor de la s va ria ble s de e nt ra da .
T a lle re s de t ra ba jo
Configuración de pla nt a de producción c a ra c t e riza da por volúmenes de producción ba jos a m e dios y una a m plia ga m a de produc t os. También de nom ina dos proc e sos J ob Shop.
Tecnología CM OS
Tecnología de integración electrónica de disposit ivos lógicos im ple m e nt a dos e n circuitos int e gra dos, ba sa dos e n e l t ra nsist or MOS (Metal-Óxido-Semiconductor).
Tecnología eléctrica
Tecnología, e n la q u e la implementación de sus e le m e nt os se re a liza por m e dio de cables eléctricos, relés, int e rrupt ore s, e t c . .
Tecnología electrónica
Tecnología e n la q u e la implementación de sus e le m e nt os se re a liza por m e dio de puert a s lógicas.
Tecnología neumática
Tecnología e n la q u e la implementación de sus e le m e nt os se re a liza por m e dio de puert a s lógicas neumáticas, tuberías, pre sost a t os, dist ribuidore s, e t c . .
Tecnología T T L
Tecnología de integración electrónica de disposit ivos lógicos im ple m e nt a dos e n circuitos int e gra dos, ba sa dos e n la lógica t ra nsist ort ra nsist or.
Temporización a l a rra nque | Aquélla m a ne c e efectúa sa ndo a
e n la que su va ria ble a soc ia da pere n e st a do lógico a lt o m ie nt ra s que se la operación de temporización, pa¬ e st a do lógico ba jo a l fina liza r.
Temporización al retardo
Aque lla e n la que su va ria ble a soc ia da perm a ne c e e n e st a do lógico ba jo mientras que se efectúa la operación de temporización pa sa ndo a e st a do lógico a lt o a l fina liza r.
T e m poriza dore s
Disposit ivos pa ra la generación de intervalos de t ie m po.
370
UPV-CPF
Robótica y Automática
Teoremas de Morgan
T e ore m a s aplicables a las funciones booleanas que e st a ble c e que el complemento de la sum a e s igual a l producto de l complemento de c a da término; y que el complemento de l produc t o e s igual a la suma del complemento de c a da término.
Términos "No I m port a n"
Aque llos términos que se derivan de c om bina c ione s de las variables de entrada que no va n produc irse nunca que sistema c om bina c iona l no es receptivo a dicha c om binación.
T e rm ist ore s
Es un se nsor que c a m bia su resistencia con la variación de la t e m pe ra t ura .
Termopar
Es un se nsor que c onvie rt e directamente un c a m bio de t e m pe ra t ura e n un c a m bio de t e nsion. Ca pt a dor bina rio de t e m pe ra t ura . T ie m po que t a rda el sist e m a en posicionar su ra ngo de valor porcentual re spue st a e n de t e rm ina do. T ie m po que t a rda el sist e m a , de bido a inercia, e n re sponde r fre nt e a un estímulo exterior. c om unic a c ione s determinístico Prot oc olo ba sa do e n pa so de t e st igo. Es la variación máxima pe rm it ida e n la m e dida^ Se ba sa e n la conversión de un cambio de la m a gnit ud a m e dir en un c a m bio de c a pa c ida d. Se ba sa e n la conversión de un cambio de la m a gnit ud a m e dir e n una fue rza electromotriz, de bida a un c a m bio e n el flujo magnético. Se ba sa e n la conversión de un cambio de la m a gnit ud a m e dir e n un cambio e n la tensión ge ne ra da c ua ndo la iluminación incidente c a m bia . Se ba sa e n la conversión de un cambio de la m a gnit ud a m e dir e n un c a m bio de la a ut oinduc t a nc ia de un de va na do único, provocado por e l m ovim ie nt o de un núcleo fe rrom a gne t ic o.
T e rm ost a t o Tiempo de e st a ble c imiento Tiempo de re t a rdo Token Ring T ole ra nc ia Transducción c a pa c it iva Transducción e le c t rom a gnética Transducción fotovoltáica
Transducción induc t iva
UPV-CFP
371
Glosario
Transducción piezoeléctri- Se ba sa e n la conversión de un c a m bio de la ca m a gnit ud a m e dir e n un c a m bio e n la c a rga electrostática o tensión ge ne ra da s por c ie rt os m a t e ria le s c ua ndo se som e t e n a un e sfue rzo mecánico. Transducción por ioniza c ion
Se ba sa e n la conversión de un c a m bio de la m a gnit ud a m e dir e n un c a m bio e n la c orrie nt e de ionización, sobre un ga s, e nt re dos e le c t rodos.
Transducción re luc t iva
Se ba sa e n la conversión de un c a m bio de la m a gnit ud a m e dir e n un c a m bio e n la re luc t a nc ia de l c a m ino magnético e nt re dos o más de va na dos.
Transducción re sist iva
Se ba sa e n la conversión de un c a m bio de la m a gnit ud a m e dir e n un c a m bio e n la re sist e nc ia .
Transducción termoeléct ric a
Se ba sa e n la conversión de un c a m bio de la m a gnit ud a m e dir e n un c a m bio e n la fuerza e le c t rom ot riz ge ne ra da por la dife re nc ia de t e m pe ra t ura s e x ist e nt e e nt re la s unione s de dos m a t e ria le s dist int os..
T ra nsduc t or
Es un se nsor a l q u e se le a djunt a un circuito de a c ondic iona m ie nt o de la señal.
T ra nsduc t or ge ne ra dor
T ra nsduc t or e n e l que la energía de sa lida es sum inist ra da por la e nt ra da
T ra nsduc t or int e lige nt e
T ra nsduc t or q u e inc orpora m ic roproc e sa dor, c on c a pa c ida d de proc e sa m ie nt o y c om unic a ción de da t os.
T ra nsduc t or m odula dor
T ra nsduc t or e n e l que la energía de señal de una m a yor pa rt e sa lida proc e de fue nt e de energía a ux ilia r.
T ra nsduc t or por c om pa ra c ion
T ra nsduc t or c uyo func iona m ie nt o está basado e n la comparación c on un e le m e nt o patrón. T ra nsduc t or e n que la m a gnit ud medida produc e algún e fe c t o físico que e nge ndra algún e fe c t o similar pe ro opue st o e n alguna parte de l inst rum e nt o.
372
UPV-CPF
Transición
Se a soc ia a la ba rre ra existente entre dos e t a pa s c onse c ut iva s y c uyo fra nque a m ie nt o ha c e posible la evolución del sist e m a .
Transición de e st a do
Proc e so de c a m bio de sde un estado a otro.
Transición fue nt e
Cua ndo no está liga da a una etapa anterior
Transición libe ra da
Transición que ha sido fra nque a da .
Transición sum ide ro
Cua ndo no está liga da a una e t a pa posterior.
Transición va lida da (Gra fcet) Transición va lida da (RdP)
| Cua ndo la e t a pa o e t a pa s pre c e de nt e s están a c t iva da s. Transición c uyos luga re s de e nt ra da t ie ne n un número de m a rc a s igua l o supe rior al peso del a rc o.
T ra nsic ione s inm e dia t a s
| T ra nsic ione s que e m ple a n un t ie m po nulo pa ra su dispa ro.
T ra nsic ione s por fla nc os
| El c um plim ie nt o de la re c e pt ivida d a soc ia da se a soc ia a un c a m bio de e st a do determinado de una va ria ble , por fla nc o de subida o de ba ja da .
T ra t a m ie nt o de da t os
I Ope ra c ione s de proc e sa m ie nt o que se llevan a c a bo c o n los da t os pa ra su presentación m onit oriza da o t ra t a m ie nt os post e riore s.
Trazos pa ra le los
Se ut iliza n pa ra re pre se nt a r varias etapas c uya evolución está c ondic iona da por una m ism a transición.
Unidad c e nt ra l
Módulo de l autómata progra m a ble que c ont ie ne e l proc e sa dor y la m e m oria .
Unidades de c ont a dor de alta ve loc ida d
| U nida de s que se ut iliza n para la c ue nt a de señales proc e de nt e s de disposit ivos de e nt ra da rápida.
Unidades de c ont rol de motores pa so a pa so
I Pe rm it e n la generación de t re ne s de impulsos pa ra el c ont rol de m ot ore s paso a paso.
Unidades de c ont rol PI D
I Son unida de s que pe rm it e n la implementación de buc le s de c ont rol de l tipo proporcional, int e gra l y de riva da I Módulos específicos~con c a pa c ida d de c one xión de va ria s e nt ra da s de termopar.
Unidades de e nt ra da s de termopar
UPV-CFP
373
oiosa no
Unidades de interrupción
^ " ^ d a d e s c on disposición de e nt ra da s externas c on c a pa c ida d de interrupción de l programa princ ipa l pa ra la ejecución de subrutinas. ^ ^ i t ^ n ^ í ^ n t r o l de posición de e je s.
Unidades de servocontrol Unidades de t e m p ^ n ^ a ^ dispone n de t e m poriza doUnidades de temponzaoo | ^ j u s t a b l e s e x t e rna m e nt e m e res diante potenciómetro. _____ V a ria ble que sólo pue de t om a r dos valores Variable binaria (c ie rt o/fa lso) V a ria ble que sólo pue de t om a r d o s valores Variable booleana (c ie rt o/fa lso) Son señales a c t ua nt e s sobre e l sist e m a . Variable de entrada a n a | ó g ¡ c o s
a
V a ria ble que t ie ne va lor " 1 " c ua ndo e s a c t iva Variable de entrada d i da . recta Variable de entrada inve r- | V a ria ble que t ie ne va lor " 1 " c ua ndo e s desac¬ t iva da . sa V a ria ble que el disposit ivo de c ont rol e x t e rioriVariable de salida (API) za pa ra lle va r a c a bo la s órdenes sobre el proc e so. Vector característico V e c t or c uya c om pone nt e j c orre sponde al número de ve c e s que ha sido dispa ra da la transición T j. Vida de ciclo Se e nt ie nde c om o el número mínimo e spe c ific a do de e x c ursione s de ra ngo c om ple t o o pa rc ia l e spe c ific a do, sobre la s que e l t ra nsduc t or operará sin c a m bios e n sus prestacio¬ nes de nt ro de una s t ole ra nc ia s e spe c ific a da s. V ida operativa Se e nt ie nde c om o el mínimo la pso e spe c ific a do e n e l que e l t ra nsduc t or operará, c ont inua m e nt e o sobre un número de c ic los e spe c ific a do, sin c a m bios e n sus características de nt ro de una s t ole ra nc ia s e spe c ific a da s. V LAN Very Large Are a N e t w ork Wide Are a Nf WAN XOR Función boole a na que de vue lve e l va lor ve rda de ro c ua ndo una y sólo una de las entradas se a ve rda de ra ; y fa lso e n c a so c ont ra rio. Se de nom ina función OR e x c lusiva .
374
UPV-CPF
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377
INDICE
A Análisis de automatismos combinacionales y secuenciales, 5 0 mapas de K a rna ugh, 54 método de Karnaugh mediante expresiones m a x t e rm , 5 8 y síntesis de los automatismos, 4 1 álgebra booleana, 41 teoremas de M orga n, 4 7 Antecedentes históricos, 5 Autómatas progra m a ble s indust ria le s, 167 agresiones del e nt orno indust ria l, 185 arquitectura de un autómata programable, 171 estructura de un autómata progra m a ble industrial, 169 módulos de comunicación c on el entorno, 179 tipos de c ic los de func iona m ie nt o, 1 7 5 tipos de le ngua je s de programación, 1 7 7 Automatismo se c ue nc ia l, 9 , 6 4 autómata de Mealy, 6 5 autómata de Moore, 6 5
B
*
Bus de c a m po (Fie ldbus), 118 Buses e spe c ia liza dos, 124 t ra nsduc t ore s int e lige nt e s, 1 2 5 se nsor-a c t ua dor, 1 2 3
C Ca pt a dore s bina rios, 139 de t e c t ore s de posición e le c t romecánicos, 146 de t e c t ore s de prox im ida d c a pa c it ivos, 141 inductivos, 1 4 0 magnéticos, 145 de t e c t ore s fotoeléctricos, 142 Clasificación tecnológica, 2 2 lógica c a ble a da , 2 2 lógica progra m a da , 2 3 Conc e pt o CI M : automatización integrada por c om put a dor, 3 0 nivel 0, 3 1 nivel 1 , 3 1 nivel 2, 3 1
nivel 3, 3 2 nivel 4, 3 3 Codific a dore s numéricos (encoders), 131 c odific a dore s a bsolut os, 136 c odific a dore s increméntales, 131
D De c isione s e n el m undo de la fabricación, 14 Diseño de a ut om a t ism os se c ue nc ia le s m e dia nt e la t a bla de fa se s, 6 7 Diseño e st ruc t ura do diseño e st ruc t ura do de los sist e m a s de c ont rol automático, 3 1 4 introducción, 3 0 1 m odos de m a rc ha , 3 0 2 se gurida d, 3 0 7 Disposit ivos func iona le s pa ra la automatización, 8 0 c om pa ra dore s, 8 6 c ont a dore s, 83 de de spla za m ie nt o, 8 4 de temporización, 8 2 de t e c t ore s de fla nc o, 8 7 ge ne ra dore s de im pulso, 8 5 m ult ivibra dore s, 8 0
E
¿
"...
> M |
Est ruc t ura s dist ribuida s m e dia nt e Re de s de Área Loc a l, 3 4
F Funda m e nt os m ode rnos de la automática, 7
G Gra fc e t , introducción a l, 2 3 5 e je m plos de aplicación, 2 5 2 e st ruc t ura s e n el Gra fc e t , 2 4 7 Gra fc e t : gráfico de m a ndo e t a pa / transición, 2 3 5 m a c ro-re pre se nt a c ione s, 2 5 7 re gla s de evolución, 2 4 5 Guía de e st udio de los m odos de marcha y pa ro de los sist e m a s a ut om a t iza dos, 323 e st a dos de la pa rt e de c ont rol: grupo de e st a dos PZ, 3 3 9 grupo A: proc e dim ie nt os de parada de la pa rt e ope ra t iva , 3 3 3 grupo D: proc e dim ie nt os de fallos de la pa rt e ope ra t iva , 3 3 7
Indice grupo F: proc e dim ie nt os de func iona m ie nt o, 3 3 0 método ge ne ra l de utilización de GEM M A, 3 2 6 principales c onc e pt os, 3 2 4
I imnlementación de l a ut om a t ism o a pa rt ir de l ecuaciones Grafcet, 2de 6 3 activación / desactivación y e st ruc t ura s lógicas, 2 6 9 estrategias de diseño pa ra sist e m a s de mayor c om ple jida d, 2 8 6 introducción, 2 6 3 módulo se c ue nc ia l de e t a pa , 2 6 3 normas e spe c ia le s de representación Gra fc e t , 2 7 4 obtención de la s func ione s lógicas a pa rt ir del dia gra m a Gra fc e t , 2 6 5 t e m poriza c ione s y c ont a dore s e n e l Gra fc e t , 2 7 9 Introducción a la s re de s de Pe t ri, 2 0 4 F
J Job Shop, 17
L Líneas de dic a da s de a lt o v o l u m e n de producción, 1 8
M Modelo de e nt ra da -sa lida , 1 3 e st ruc t ura l de un sist e m a a ut om a t iza do, 1 0
N Niveles de automatización, 2 4 cuarto nive l, 2 9 elemental, 2 4 intermedio, 2 5 tercer nive l. 2 5
P Parte de c ont rol, 2 1 Preaccionadores eléctricos, 1 4 8 contactor, e l, 1 5 1 relé, e l, 1 4 8
relé de enclavamiento e l 149 Proc e sos de flujo c ont inuo 16 Producción por lotes, 17 R Re de s de Petri, 2 0 4 a rc os inhibidore s, 2 1 5 c a pa c ida d de las, 2 1 6 de finic ione s de las, 2 0 4 ecuación funda m e nt a l de las, 211 interpretación de las, 2 3 0 m a rc a do inva ria nt e , 2 1 5 no-autónomas, 2 2 2 propie da de s de las, 2 1 0 Representación de los a ut om a t ism os, 7 2
S Se nsore s y t ra nsduc t ore s, 9 1 calibración estática de los t ra nsduc t ore s, 1 0 5 clasificación de los t ra nsduc t ore s, 9 8 emisión a dist a nc ia de m e dida s de va ria ble s de un proc e so industrial, 115 introducción, 9 1 princ ipios de transducción, 9 2 t ra nsduc t ore s específicos, 108 t ra nsduc t ore s de t e m pe ra t ura , 110 Sist e m a s de e ve nt os disc re t os: herramientas de m ode la do, 191 características de los, 192 e je m plos típicos de, 1 9 6 introducción a los sist e m a s dinámicos de , 1 9 1 Sist e m a s de fabricación, 12
T Tecnología neumática, 152 dist ribuidor neumático, 161 func ione s lógicas neumáticas, 153 módulo se c ue nc ia dor neumático, 154 T ipos de disposic ione s en pla nt a , 19 de flujo de produc t o, 2 0 de proc e so, 19 de posición fija, 19 por tecnología de grupo, 2 1 de pla nt a s de producción, 15
A3 5 /E1 /0 0 Esta edición se terminó de imprimir en diciembre de 2000. Publicada por ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S. A. de C.V. Apartado Postal 73-267, 03311, México, D.F. La impresión se realizó en IMPRESORA CASTILLO HNOS., S.A. de C.V., Fresno No. 7, Col. El Manto, 09830, México, D.F.
La automatización de los procesos industriales constituye uno de los objetivos más importantes de las empresas; en este libro encontrará un panorama completo sobre la automatización de los procesos industriales: dispositivos tecnológicos utilizados en la implementación de los automatismos, tales como transductores, preaccionadores, dispositivos funcionales de aplicación específica (temporizadores, contadores, módulos secuenciadores) y los dispositivos lógicos de control (autómatas programables industriales). El diseñador de los procesos automatizados también debe contar con una serie de procedimientos metodológicos que le permitan abordar de una manera sistematizada el estudio preliminar, diseño, análisis y mantenimiento de estos sistemas, por eso debe contar con herramientas como las tablas de Karnaugh, tablas de fases, hasta las más potentes, redes de Petri, GRAFCET y GEMMA; todas ellas estudiadas aquí. Cada capítulo ha sido estructurado en objetivos, introducción, desarrollo del tema, un resumen del tema y las referencias bibliográficas, además, incluye numerosos ejemplos explicados paso a paso y abundantes figuras explicativas.
