UNIVERSIDAD “RICARDO PALMA” FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela de Ingeniería Electrónica SEMANA 1 – Primera Parte INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
PROFESOR:
ING. HUMBERTO CHONG R. 2012 1
Control Automático - URP
Ing. Humberto Chong
1.1 INTRODUCCIÓ INTRODUCCIÓN N Los términos Automatización Industrial y Control Automático son usados en las industrias como un equivalente a la optimización, economía y productividad de un proceso. Cualquier sistema es susceptible de ser controlado, lo que habría que especificar es cual es el grado o nivel de automatización impuesto y cuantas soluciones simples o complejas son viables
Las aplicaciones de la automatización y control automático son el resultado de varios años de trabajo, tanto de investigadores, fabricantes y usuarios para buscar mejores caminos en el desarrollo de los procesos industriales.
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Control Automático
¿ Que es un sistema de control ?
Ing. Humberto Chong
• Es
la
búsqueda
alcanzar
numerosos que
“objetivos”
presentan
por
en
se
nuestra
vida diaria.
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Control Automático
Ing. Humberto Chong
¿ Por qué son importantes los sistemas de control ? • Se encuentran en todos los sectores de la industria.
• Cada aspecto de las actividades de nuestra vida diaria está afecta por algún tipo de sistema de control.
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Componentes básicos en un sistema de control
OBJETIVOS
SISTEMA DE CONTROL
u
Entradas o señales actuantes
u
RESULTADOS
y
Salidas o variables controladas
y
El objetivo de un sistema de control es controlar las salidas en alguna forma prescrita mediante las entradas a través de los elementos del sistema de control 5
Control Automático
Ing. Humberto Chong
Objetivos específicos de un Sistema de Control
•Conocer los aspectos básicos relacionados con el modelado de sistema
físicos. •Conocer las técnicas clásicas de diseño de sistemas de control tanto
continuos como discretos, así como que el alumno sea capaz de evaluar las posibilidades y limitaciones éstos. •Conocer los principios de funcionamiento de los elementos involucrados en
los sistemas de control (controladores, sensores, actuadores, etc.), así como la interconexión entre ellos. •Conocer los aspectos más importantes involucrados en la implementación
física de los sistemas de control 6
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Ing. Humberto Chong
OBJETIVOS ESPECÍFICOS (continuación)
Estabilidad
Seguimiento de referencias
Rechazo de perturbaciones 7
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES
¿ Porqué automatizamos ?
Producción Racionalización Costos
operativos
Consumo
energético
Control ol de Contr
calidad
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Ing. Humberto Chong
AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES ¿Dónde
va ubicado y cómo se realiza el control de cada Proceso?
¿Cómo
se conectan unos controles con otros?
¿Se
pueden controlar y/o supervisar procesos desde la gestión de la empresa? 9
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Ing. Humberto Chong
¿ Cuando automatizar ?
EVALUACIÓN Necesidades Recuperación de la inversión
PLANIFICACIÓN Corto plazo Proyección 10
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES
¿ Como automatizar ?
Definir objetivos Analizar tecnologías Organizar etapas de
ejecución Cumplir
programas
Evaluar
implementación
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CRITERIOS PARA UTILIZAR SISTEMAS DE CONTROL EN PROYECTOS DE AUTOMA AUTOMATIZACIÓN TIZACIÓN
1. Análisis del nivel de automatización que soporta nuestra planta industrial. ( Planta : Cualquier sistema capaz de ser controlado )
2. Típo de tecnología a aplicar proyectándolo para un desarrollo futuro.
3. Disponer del personal entrenado y calificado para el desarrollo y el mantenimiento de estos equipos. 4. Tiempo de retorno de la inversión realizada.
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES: Conceptos La Automatización se compone de todas las teorías y tecnologías encaminadas de alguna forma a sustituir el trabajo del hombre por el de la máquina. Conceptualmente, la automatización se basa en una reiterada aplicación del mecanismo de feedback y, y, por ello, está en ese sentido relacionada con las Teorías de Control y de Sistemas. El tipo de automatización a implantar depende del tipo de proceso a automatizar: no da lo mismo m ismo automatizar un proceso continuo que un proceso gobernado por eventos. Los procesos y modelos que existen son: • Procesos continuos (tiempo continuo y/o discreto) • Procesos comandados por eventos • Procesos de fabricación 13
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES: Conceptos Algunas teorías, tecnologías y áreas tecnológicas cuyo avance ha favorecido la evolución de los procesos productivos son las siguientes:
Teorías de Control y de Sistemas – Teoría de la señal – Sistemas de eventos discretos – Máquinas de estado – Redes de Petri – Gráficos etapa-transición (grafcet) – Cartas de estado (statechart) 14
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES: Conceptos • Tecnologías – Neumática – Hidráulica – Electrónica – Microprocesadores – Ordenadores – Autómatas programables – Robótica – Comunicaciones – Desarrollo del software
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Tecnologías Mandos Electromecánicos Electro-neumática
Electro-hidraúlica
Neumática
Hidraúlica Instrumentación y Control Automático
Electrónica Analógica
Electrónica Digital PLC
Sistemas computarizados
CNC
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AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES: Conceptos • Areas tecnológicas – Automatización de las máquinas-herramienta – Control de procesos por computador – Diseño asistido por computador (CAD) – Fabricación asistida por computador (CAM) – Fabricación integral por computador (CIM) – Control de procesos distribuido – Células flexibles de mecanizado y de montaje
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Necesidad del usuario Producción
Automatización
Gerentes
Personal Calificado
Supervisores
Técnicos
Ingenieros Operadores
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Estructurass de automatización Estructura Automatización total La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto y, por tanto, se puede justificar económicamente el alto costo del diseño de equipo especializado para procesar el producto, con un rendimiento rendim iento alto y tasas de producción elevadas. Un ejemplo típico puede ser la fabricación de automóviles, otro ejemplo es la producción de productos químicos de alta demanda, etc.
Automatización programable La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de productos a obtener. obtener. En este caso el equipo de producción es diseñado para adaptarse a la variaciones de configuración del producto y esta adaptación se realiza por medio de Software. Un ejemplo podría ser la fabricación de diferentes tipos de tornillos bajo pedido. 19
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Estructurass de automatización Estructura Automatización flexible La automatización flexible flexible es más adecuada para un rango de producción medio. Los sistemas flexibles poseen características de la automatización fija y de la automatización programada. Suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo interconectadas entre si por sistemas de almacenamiento y manipulación de materiales, controlados en su conjunto por una computadora.
Automatización total El escalón final es la automatización total de la producción, en la que, idealmente, la fabricación se realizaría sin intervención humana.
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Ventajas y Desventajas de la Automatización Ventajas • Permite aumentar la producción y adaptarla a la demanda • Disminuye el coste del producto • Consigue mejorar la calidad del producto y mantenerla constante • Mejora la gestión de la empresa • Disminuye de la mano de obra necesaria • Hace más flexible el uso de la herramienta
Desventajas • Incremento de huelgas en la sociedad • Incremento de la energía consumida por producto • Repercusión de la inversión en el costo del producto • Exigencia de mayor nivel de conocimientos conocim ientos de los operarios
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La Automatización en la actualidad
En el mundo industrial actual la Automatización es prácticamente imprescindible, debido a los niveles de productividad, fiabilidad y rentabilidad que el mercado exige a los productos elaborados para ser competitivos. Antiguamente la automatización se aplicaba sólo al proceso productivo (a las máquinas), porque era el que más m ás recursos humanos consumía, resultando así una automatización local. Pero hoy día podemos hablar de una automatización global ya que se ha extendido no sólo a todos los procesos de la empresa sino también a los flujos de control que pueden también ser automatizados mediante buses de comunicación y redes de área local; además, una empresa puede comunicarse a través de Internet con otras empresas pudiendo crearse de esta forma redes de empresas extendidas por todo el mundo.
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Elementos de la automatización Hay muchas áreas y tecnologías que intervienen en la Automatización. Las más importantes, junto con algunos de sus elementos, son: • Mecánica – – – –
Herramientas Mecanismos Máquinas Elementos de transporte
• Eléctrica – Automatismos eléctricos – Motores eléctricos de c.c. y c.a. – Cableados de fuerza y de mando – Aparillajes eléctricos en general 23
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Elementos de la automatización • Tecnología Electrónica – Controladores analógicos y discretos – Sensores / Transductores y Tr Transmisores ansmisores – Pre accionadores – Drivers de accionamientos – Sistemas de Communicaciones – Telema elemando ndo y Teleme Telemetría tría – Sistemas de comunicación inalámbrica • Neumática y electro -neumática – Cilindros neumáticos – Válvulas neumáticas y electro-neumáticas – Automatismos neumáticos - Válvulas automáticas de control 24
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Elementos de la automatización • Hidráulica y electro -hidráulica – Cilindros hidráulicos – Válvulas hidráulicas y electro-hidráulicas – Automatismos hidráulicos • Aplicaciones Aplicaciones de Control e Informática Industrial – Controladores de procesos industriales continuos – Control por computador – Control lógico programable PLC – Visión artificial – Robótica – Mecatrónica / Control de movimiento – Células de fabricación flexible – Software de monitoreo y control 25
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Elementos de la automatización – – – – –
Células de Montaje Automático Control Numérico Sistemas CAD-CAM (Computer Aided Design & Manufacturing) Sistemas CIM (Computer Integrated Manufacturing System) Redes y buses de comunicaciones
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PROCESO PRODUCTIVO Un proceso productivo es una serie de operaciones que se realizan sobre unas materias primas (o productos más elementales) para obtener un producto terminado, listo para su utilización.
Materias primas
PROCESO PRODUCTIVO
Productos terminados
Un proceso productivo es un sistema dinámico de control cuya entrada es un flujo de producto (materias primas) y cuya salida es otro flujo de productos (productos terminados).
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PROCESO PRODUCTIVO
Un proceso productivo se compone internamente de diferentes subprocesos más simples conectados entre sí, cada uno de los cuales se puede considerar también como un sistema dinámico de control o proceso.
Los procesos productivos están catalogados como sistemas complejos en la Teoría de Sistemas. Cada proceso productivo va asociado a un producto. Si queremos fabricar otro producto deberemos cambiar el proceso. Sin embargo, para un producto terminado dado y para la misma materia prima, el proceso puede no ser único: en general, un mismo producto se puede fabricar de muchas formas diferentes.
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Tipos de procesos • Job Shops • Producción por lotes • Líneas de producción • Producción continua
Job Shops Es un tipo de producción que permite fabricar una amplia gama de productos en series de tamaño pequeño o mediano. Los productos suelen ser conjuntos de componentes, posiblemente complicados o de alta tecnología, montados. Se utiliza para la fabricación de ciertas máquinas herramientas, robots, aviones, aeronaves y algunos prototipos. Suelen exigir exigir mano de obra muy m uy especializada y mucho tiempo para el diseño de los procesos y para la preparación de la maquinaria y los equipos humanos de montaje. Por todo ello, los tiempos de producción son elevados y los costes también. 29
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Job shops
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Tipos de procesos Producción por lotes Está orientada a la fabricación de lotes de tamaño medio de un determinado producto. La producción de cada lote se hace de una tirada y, y, una vez terminado un lote, el departamento de fabricación envía una orden de control indicando si se puede pasar a fabricar otro lote del mismo mism o o de otro producto, en función de la demanda. La maquinaria y el personal han de estar preparados para realizar con celeridad las operaciones de cambio de lote. Es quizás el tipo de producción que se emplea para fabricar mayor número de productos. Las industrias de calzado, muebles, electrodomésticos, máquina-herramienta y otras industrias lo utilizan. 31
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Producción por lotes
Industria del calzado
Industria máquina-herramienta
Industria de electrodomésticos 32
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Tipos de procesos Líneas de producción Estos procesos son el resultado de la evolución de la producción en cadena, ideada por Henry Ford. Se utiliza para producir grandes series de unos pocos productos, que suelen estar formados mediante el montaje de piezas. El El producto se desplaza colocado en cintas trasportadoras, en carros o en otros elementos de transporte y va pasando por estaciones de trabajo en cada una de las cuales se le aplica un determinado proceso. Básicamente hay dos tipos de líneas: líneas de proceso y líneas de montaje. En las primeras, un producto o materia prima prim a va pasando por distintos di stintos procesos que lo van transformando hasta llegar al producto final. Un ejemplo lo tenemos en el mecanizado de piezas. Las líneas de montaje se utilizan para fabricar productos formados por conjuntos de piezas montados. Ejemplo la fabricación de automóviles, la fabricación de neumáticos, bombillas, bicicletas, envases de plástico, etc.
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Líneas de producción
Fabricación de neumáticos Fabricación de autos Fabricación de envases de plástico 34
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Tipos de procesos Producción continua Es el tipo indicado cuando se desea producir pocos productos, de naturaleza simple (no compuestos de muchas piezas) y en grandes cantidades. Se puede ver como un flujo continuo de producto sobre el que se van realizando una serie de operaciones o procesos. Por un lado entra la materia prima y por otro sale el producto final. Este tipo de producción se aplica sobre todo en las industrias químicas, químicas , petróleo y gas, minería, papel, tratamiento de aguas, petroquímicas, petroquímicas , textiles, textiles, de plástico y de laminación de acero. Materias primas
Producto final Proceso 1
Proceso 2
Proceso 3
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Producción continua
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1.2 CONCEPTOS BÁSICOS EN CONTROL AUTOMÁTICO Introducción Control:
Métodos para forzar ciertas variables de un sistema a tomar valores determinados.
Sistema:
Combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo determinado.
Teoría de Control Clásica: Sistemas con una entrada y una salida
Teoría de Control Moderna: Sistemas de múltiples entradas y salidas Análisis en el dominio del tiempo ( Variables de Estado ).
Términos: Plantas Lazo abierto
Perturbaciones Lazo cerrado
Control realimentado 37
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Teoría de Control Clásica Clasificación de los sistemas Continuos / discretos Lineales / no lineales Variantes / invariantes Una entrada una salida
Modelado de sistemas lineales Funciones de transferencia (relación entrada salida, SISO)
Control de sistemas lineales Teoría clásica de control (funciones de transferencia, SISO) 38
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Teoría de Control Clásica Configuración clásica Flujo de energía
Control por realimentación (Lazo cerrado)
Perturbaciones Referencia
Controlador
Acción de control
Actuador
Sistema
Salida
Componentes Componen tes principal principales: es: Sistema • Controlador (Regulador (Regulador)) • Actuador • Sensor •
Sensor
Flujo de energía
Control por prealimentación (Lazo abierto)
Perturbaciones Componentes principales: Sistema • Modelo • Actuador •
Referencia
Modelo inverso
Acción de control
Actuador
Sistema
Salida
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Herramientas matemáticas Sistemas/señales continuos • Ecuaciones diferenciales • Transformada de Laplace (función de transferencia) • Transformada de Fourier (diagrama de Bode) Sistemas/señales discretos • Transformada en z (función de transferencia) • Transformada Discreta de Fourier
Ecuaciones diferenciales • Transformada de Laplace • Transformada de Fourier
Ecuaciones diferenciales • Transformada de Laplace • Transformada de Fourier • Transformada en z
•
•
Flujo de energía Referencia Controlador
Actuador
Sistema
Acondicionamiento (y muestreo)
Sensor
Salida
Ecuaciones diferenciales • Transformada de Laplace • Transformada en z • Transformada Discreta de Fourier •
Continuo/discreto
Continuo
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Control Automático
Ing. Humberto Chong
Diseño e Implementació Im plementación n Controladores lineales (PID) Controladores no lineales básicos • Histéresis
Diseño Conversión D/A • Modulación por ancho de pulso (PWM) •
Controladores analógicos • Electrónicos (Amp. Op.) Controladores digitales • Microprocesadores • Microcontroladores
Lineales • Todo-nada •
Implementación
Referencia
Controlador
Interface Cont./Act.
Acondicionamiento (y muestreo)
Actuador
Sistema
Salida
Sensor 41
Control Automático
Ing. Humberto Chong
Teoría de Control Moderna
x1(t) x2(t) x3(t)
Sistema
y1(t) y2(t) y3(t) ym(t)
xn(t)
(y1(t), y2(t),…, ym(t)) f (x1(t), x2(t),…, xn(t)) =
Clasificación de los sistemas Continuos / discretos Lineales / no lineales Variantes / invariantes Múltiples entradas y salidas (MIMO (MIMO))
Modelado de sistemas lineales Variables de estado (información mínima para conocer el estado del sistema)
Control de sistemas lineales Teoría moderna de control (control en variables de estado, MIMO MIMO)) 42
Control Automático
Ing. Humberto Chong
Teoría de Control Moderna Configuración moderna
Distribución
Proceso
Maquinaria o instalación
Sensor
Adquisición de Datos
Accionadores
Variador de Velocidad (Control de Motores) Mando de Potencia
Control o PLC
Tratamiento de los Datos
Electroválvula
Dialogo: Hombre - Máquina 43
Control Automático
Ing. Humberto Chong
Control de posición de un motor eléctrico
Control de velocidad de un Auto Auto
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Control Automático
Ing. Humberto Chong
Control de posición de un motor eléctrico *(t)
V(t)
Cotrolador De posición
Sistema
(t)
Control en variables de estado V(t)
*(t) *(t)
Controlador variables de estado
i(t) Ec. eléctricas
Ec. Electromecánicas
(t)
(t)
dt
i*(t) Control en cascada
*(t)
Reg. posición
*(t)
i*(t) Reg. velocidad
V(t) i(t) Reg. Ec. corriente eléctricas
Ec. Electromecánicas
(t)
(t)
dt
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Controll de velocidad de un Auto Contro Flujo de energía Perturbaciones Velocidad de referencia Controlador ( controlador)
Referencia acelerador
Actuador Acelerador electro neumático
Motor
Potencia (kW)
Velocidad Sistema
Sensor de velocidad
Interface
Perturbaciones
Referencia acelerador
Controlador ( controlador)
Interface
Referencia actuador
Actuador electro neumático
Acelerador
Sensor de posición 46
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Ing. Humberto Chong
CONCEPTOS BÁSICOS EN CONTROL AUTOMÁTICO Definiciones de lazo abierto y lazo cerrado Elementos de un sistema de control en lazo abierto
Entrada de referencia
r
CONTROLADOR
u
PROCESO CONTROLADO
Variable controlada
y
Señal actuante
Es la forma mas simple si mple de un control de proceso. 47
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Ing. Humberto Chong
SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO Ejemplo de aplicación: aplica ción: Gas Natural
PI
PL
TANQUE DE GAS NATURAL A PRESIÓN CONSTANTE “P”
P1
V2 V1
P 1 : Suministro de gas desde fuente principal con una presión P 1
Quemador 48
Control Automático
Ing. Humberto Chong
Ejemplo de aplicación: Gas Natural – Diagrama de bloques
+ Flujo de salida a través de V 2
Flujo neto
_
PROCESO CONTROLADO
P
Flujo a través de V 1
V1
Flujo neto ( Proceso ) (Net Flow)
PL
= Flujo de salida – Flujo Val. Control (Load Flow) (Control Valve Flow) 49
Control Automático
Ing. Humberto Chong
Ejemplo de aplicación: apli cación: Gas Natural Objetivo: Mantener una presión constant c onstante e “P” en el tanque la cual suministre hacia V2 ( válvula de salida) el flujo y presión de gas óptimo para operar un quemador.
Procedimiento: Si el flujo de salida es conocido, un simple ajuste en PL hasta que coincida con el de la salida será suficiente. Al ser iguales estos dos flujos, la presión “P” no variará.
Si el flujo en V1 ó V2 tiende a cambiar con el tiempo, ocurrirá un cambio en “P”. Esta es la principal desventaja del lazo abierto. 50
Control Automático
Ing. Humberto Chong
SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO Elementos de un sistema de control en lazo cerrado Controlador Entrada de referencia
r
+
Detector de error
e
_
MODO DE CONTROL
ELEMENTO FINAL DE CONTROL
u
TRANSMISOR
e = Valor Medido – Valor de Referencia e : Señal de error
Variable controlada
PLANTA O PROCESO CONTROLADO
y
MEDICIÓN
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Control Automático
Ing. Humberto Chong
Elementos de un sistema de control en lazo cerrado
Medición Elemento primario ( sensor )
Transmisor Elemento secundario
Controlador Detector de error + Modo de acción (On/Off, P, PI, PD y PID)
Elemento final de control Válvula de control Bomba de velocidad variable Motores eléctricos Transportadores Etc. 52
Control Automático
Ing. Humberto Chong
Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado ( Sistema de control realimentado lineal )
r(t)
Y(s)
U(s)
R(s) +
_
u(t)
b(t)
G(s)
y(t)
H(s)
B(s)
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Control Automático
Ing. Humberto Chong
Diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado ( Sistema de control realimentado lineal ) Terminología: R(s) = entrada de referencia ( comando ) Y(s) = Salida ( variable controlada ) B(s) = Señal de realimentación U(s) = Señal actuante = Señal de error E(s) cuando H(s)=1 H(s) = Función de transferencia de realimentación G(s)H(s) = L(s) = Función de transferencia de lazo G(s) = Función de transferencia de la trayectoria directa M(s) = Y(s) / R(s) = Función de transferencia en lazo cerrado o función de transferencia del sistema.
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Control Automático
Ing. Humberto Chong
Cálculo de M(s) Y(s) = G(s) U(s) ……………..(a) B(s) = H(s) Y(s) ………………(b)
U(s) = R(s) – B(s)……………..(c) Reemplazando (c) en (a) Y(s) = G(s) R(s) – G(s) B(s)….(d) Sustituyendo Sustituy endo (b) en (d) y resolviendo para Y(s)/R(s) se obtiene la función tranferencia en lazo cerrado: M(s) = Y(s) R(s)
=
G(s) 1 + G(s) H(s)
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Control Automático
Ing. Humberto Chong
CONCEPTOS BÁSICOS EN CONTROL AUTOMÁTICO Unidades de Ingeniería utilizadas en Control Industrial
Variables
Unidades
Flujo ( o Caudal )
GPM, Lt/seg, m3/h, Kg/h, SCFH, etc.
Presión
Bar,, Kg/cm2, psig, psia, Atmósf Bar Atmósfera, era, etc
Tem empe pera ratu tura ra
°C y °F
Nivel
Pies, mts, %, psig, etc.
Ph
ph
Conductividad
u s, s, u mhos mhos
Velocidad
rpm
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