类别 全部 - actuadores - movimiento - energía - control

作者:José Arévalo 5 年以前

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Automatización de una planta industrial genérica

En el contexto de la automatización industrial, los actuadores juegan un papel fundamental al regular la potencia y permitir el movimiento de cargas. Estos dispositivos pueden clasificarse según la energía que emplean, que puede ser eléctrica, térmica, hidráulica o neumática.

Automatización de una planta industrial genérica

Automatización de una planta industrial genérica

2.7.-Conclusiones

Teniendo como referencia la fundamentación teórica analiza en el capítulo anterior vamos a exponer los elementos que consideramos prioritarios en el proceso de automatización de una planta industrial genérica.
Para finalizar, el último elemento necesario para la automatización de la planta son los controladores PID. Éstos posibilitan una mejor respuesta del sistema ante imprevistos del sistema. Existen nuevas tendencias que aplican PID autónomos que están basados en reglas heurísticas obtenidas a partir de la experiencia de la operadora.
En el ámbito industrial es de crucial importancia tener el control del valor de las variables y de la evolución del sistema. Los sistemas más utilizados son los SCADA que hacen posible una modificación de los parámetros que rigen el sistema.
La información enviada por los sensores es interpretada por los PLCS. A continuación estos dispositivos utilizan la información obtenida para realizar el procesamiento de un programa de acción. Estos PLCS, en la mayoría de los casos están compuestos por una CPU y unos módulos de expansión. Éstos van a permitir actuar sobre un mayor número de variables del sistema.

Los distintos PLCS se comunican mediante redes industriales. Se suele disponer de un nivel inferior llamado nivel de célula compuesto por redes ASI. En el siguiente nivel las redes más implantadas son las PROFIBUS.

El primer paso consiste en realizar la captura de la información mediante los sensores y actuadores. En este proceso se utilizan con regularidad los sensores de posición que nos permiten obtener la localización del producto y por consiguiente realizar la acción asociada.

2.6.- Controladores Industriales

2.6.3.- Futuras tendencias
A modo de resumen del apartado se puede observar un esquema de un PID auto-ajustable y sus correspondientes ventajas.

La convergencia de los parámetros P e I en un PID experto son más rápidos si se parte del punto de pre-sintonia .

El número de pre-sintonizaciones es mucho más pequeño en comparación con los PID clásicos pese a la presencia de ruido.

Las pruebas de recuperación en caso de fallo permiten asegurar que el sistema experto del controlador ajustará rápidamente los parámetros para recuperar el control del proceso

El controlador PID-Autoajustable puede utilizar tanto técnicas clásicas de control como de teoría moderna.

Figura 27 : Controlador PID Autónomo

A partir de las teorías utilizadas en los apartados anteriores, surgen nuevos campos de investigación donde se mezclan aspecto de la teoría clásica con reglas heurísticas. Las investigaciones más importantes sobre estas nuevas tendencias son de [Espinosa, et al-2002]. Estas investigaciones diseñan un controlador PID que esta compuesto por dos elementos principalmente, que le otorgan cierta autonomía.

Sintonizador de Línea. Su objetivo es observar en cada instante de tiempo el comportamiento del proceso y del controlador para ajustarlo automáticamente en función de las respuestas transitorias del sistema. Las reglas heurísticas de ajuste están en función del patrón de la respuesta transitoria presentado y son ecuaciones lineales que modifican las constantes K, TI, TD (ganancias proporcional, integral y derivativa) del PID, considerando todos los parámetros calculados durante la pre-sintonización y la respuesta transitoria presentada.

Pre-sintonizador. Permite iniciar una sesión de control muy estable y poco drástica para el proceso cuando las condiciones de operación han sido modificadas radicalmente como por ejemplo en las unidades de arranque eléctrico. Desde el punto de vista matemático se basa en la modificación de la técnica de la curva de reacción para identificar el proceso a controlar. Esta técnica se basa en la introducción de una señal de perturbación patrón en la referencia para alterar el proceso y así poder caracterizarlo. Este método se basa en los siguientes puntos.

Se realizan los cálculos de los parámetros del PID, de forma que se cierra el lazo y se desactivan todas las funciones de presintonización

Al alcanzar el estado estable, se mide la ganancia y se obtiene la ecuación que define el sistema.

Se realiza un estudio de la respuesta para caracterizar a la curva invertida

Cuando el sistema alcanza la estabilidad se mide la ganancia y se regresa la señal de ganancia original

Se aplica un escalón de referencia con una tolerancia del 10%.

El lazo de control es abierto de forma, manteniendo fija la referencia y la señal de control. Se mide la banda de ruido y se selecciona el mejor filtro.

Se mide la ganancia inicial en lazo cerrado.

2.6.2- Teoría Moderna de control
Después de la revisión analizada se puede concluir que esta teoría permite un mejor modelado de los sistemas reales, debido a que tiene en cuenta aspectos no determinísticos presentes en el ámbito industrial y que juegan un papel muy importantes.
Realizando una revisión comparativa entre la teoría clásica de control y la teoría moderna de control y hemos constatado como prioritarias las siguientes características:

Como último punto de esta teoría cabe destacar el aporte realizado por un nuevo tipo de controladores que se basan en la realimentación del estado. Para su aplicación se realiza previamente un análisis de la evolución de la dinámica del sistema. Existe la posibilidad que durante este proceso aparezcan variables que no sean directamente medibles, para evitar este problema se plantea la creación de una nueva estructura llamada observador. El objetivo de estos controladores es fijar mediante la realimentación del estado fijar el comportamiento dinámico del sistema a partir de la asignación directa de todos los polos en la parte controlable del sistema. La realimentación estará formada por todo el conjunto de variables que sean observables y controlables en el sistema. Esta técnica se realiza para sistemas monovariables y multivariables.

Anteriormente se ha planteado la posibilidad de conocer el estado del sistema a partir de una entrada conocida, la teoría de control moderna profundiza en la obtención de una nueva variante que consiste en obtener el estado del sistema a partir de una entrada y una salida conocida. Este concepto recibe el nombre de observabilidad. Esta conceptualización es bastante similar a al que se realiza en la teoría clásica sobre la función de transferencia como elemento que relaciona las entradas con las salidas. Debido a la gran amplitud que presenta el espacio de estado se pueden dar pequeñas zonas de un espacio que no sea observable que disponga de sub-espacios no observables.

Con esta nueva teoría se pueden estudiar aspectos como la controlabilidad del sistema. Este concepto define todo el conjunto de puntos que pueden ser alcanzados en el espacio de estado a partir de una entrada conocida. El conjunto de puntos resultantes recibe el nombre de puntos controlables. Existe la posibilidad mediante un conjunto de técnicas matemáticas conseguir extraer espacio controlables dentro de espacios que no son controlables.

El modelado de la dinámica del sistema se realiza mediante las ecuaciones de estado a diferencia de lo que ocurría en la teoría clásica de control donde se utilizaban las funciones de transferencia para definir la relación entre las entradas y las salidas. La resolución de la ecuación de estado se puede dividir en dos partes. La primera consiste en la resolución de la ecuación homogénea y la segunda consiste en la resolución de la ecuación completa. La resolución de la ecuación homogenea tiene lugar mediante el método de Jordan o mediante el método de Caley-Hamilton

En recientes investigaciones sobre los aspectos básicos de la teoría moderna, autores como [Domínguez,-et al-2000], afirman que esta teoría se basa en el estudio que se realiza sobre el comportamiento interno de las variables del sistema. Esto da lugar a uno de los conceptos básicos sobre los que se vertebra la teoría moderna de control, el concepto de estado. El estado es la mínima cantidad de información necesaria en un instante de tiempo, para que junto con la entrada del intervalo en ese instante se puedan determinar los valores de todas las variables que componen el sistema. Este enfoque sobre el concepto de estado proporciona a la teoría moderna de control las siguientes ventajas.

A diferencia de lo que pasaba en la teoría de control clásica, es posible aplicar estas teorías en los sistemas que presentan variables con una gran dependencia del tiempo.

Se pueden desarrollar una gran cantidad de ventajas al ser aplicado sobre sistemas multi-variables.

Es posible trabajar con sistemas complejos de control que disponen de una gran cantidad de variables internas que van a condicionar su futura dinámica.

Es aplicable a sistemas que presentan comportamientos no-lineales entre las variables que están involucradas dentro de su dinámica.

Desde el punto de vista del controlador del sistema, lo mas adecuado es conseguir un dispositivo que permita ir ajustándose a los distintos valores que provocan las perturbaciones del sistema. La solución de la prealimentación, presenta grandes deficiencias por este motivo se plantean los controladores adaptativos. Estos dispositivos utilizan modelos estocásticos no lineales para el modelado del proceso y del medio. El objetivo que se plantea es conseguir una minimización del valor esperado de una función de las variables de estado y de control.
Tomando como referencia el conjunto de desventajas que se plantean en el apartado anterior sobre la teoría clásica de control, surge unas nuevas tendencias de investigación que están enfocadas a mejorar el control de los sistemas reales. Estas teorías reciben el nombre de teoría moderna de control y surgen a partir de modificaciones en la conceptualización de la teoría clásica de control. La teoría moderna ha tenido una gran implantación en el control industrial desde los años 90. Uno de los pioneros en plantear mejoras a estas teorías fue [Ollero, et al-1991]. Estos autores plantean de forma breve el estudio de teorías de control avanzado como el control de mínima varianza y el control adaptativo.

Control adaptativo. Para poder obtener este tipo de controladores se realiza una revisión de algunos de los aspectos básicos que caracterizan los sistemas de control. La validez de una estrategia de control va a estar condicionada al correcto modelado que se realice del proceso. Este modelo consiste en una aproximación con una serie de simplificaciones que provocan una perdida de exactitud Para poder evitar esta deficiencia se deben realizar correctos procesos de identificación. En esta fase se deben tener en cuenta las perturbaciones ya sean externas o internas. Con el objetivo de evitar estos problemas se plantea la posibilidad de la implementación de una pre-alimentación que otorgue la posibilidad de una predicción de las salidas del sistema.

Control de mínima varianza. Esta basado en la predicción óptima de la salida del sistema, problema que se resuelve dentro de la teoría de los procesos estocásticos. Para ello se utiliza un predictor en d pasos cuyo objetivo es econtrar la predicción de la salida en el instante K+d con la información disponible hasta el instante K de forma que la media cuadrática del error de predicción sea mínima.

2.6.1.- Teoría Clásica de Control
A modo de conclusión y después de revisar las teorías planteadas anteriormente se obtiene una serie de deficiencias básicas presentes en la teoría clásica.

Las funciones de transferencia no hacen un correcto modelado de la relación entre las entradas y las salidas.

Los reguladores PID, que son los más avanzados, tienen un estrecho margen de trabajo debido a la no linealidad que presentan muchos de los sistemas reales.

Los reguladores no pueden modelar de forma correcta las perturbaciones que intervienen en el sistema.

A partir de las teorías expuestas con anterioridad, a continuación se plantean los siguientes esquemas para controladores PID dentro del ámbito industrial.

Figura 26: Control Multinudo para controlador PID-Industrial

Figura 25: Primer Esquema de Controlador PID-Industrial 139

Por el contrario la aplicación de estos reguladores presenta las siguientes desventajas.

En la industria química se han realizado aplicaciones, dando problemas para realizar el control de válvulas.

Se generan muchos problemas en el sintonizado y en el diseño del PID debido a las características del sistema

Después de haber analizado cuales son las características de los reguladores de control clásico.[Gude, et al-2006] se centran en la aplicación de los PID en entornos industriales. En los primeros experimentos plantea la posibilidad de utilizar reguladores PI o P, pero presentan una gran cantidad de problemas en entornos reales como por ejemplo la eliminación del error para poder alcanzar la referencia marcada. Esta razón lleva a las empresas a la utilización de los reguladores PID. La principal ventaja es el uso de las distintas señales de error pasadas (P) presentes (I) y futuras (D).
Todas las teorías revisadas anteriormente son aplicables al diseño de los reguladores discretos. Para ello se siguen la siguiente metodología planteada por,[ Ollero, et al-1991]

Implantar un algoritmo de control digital que permita implantar el controlador representado por D(z)

Seleccionar un regulador digital D(z), empleado la versión en tiempo discreto de las teorías de cálculo de reguladores continuos.

Obtención de la función de transferencia en Z que se pretende controlar

Este regulador conceptualiza de forma general las teorías de control ya que si alguna de los valores que definen esta ecuación tiene valor cero se consigue tener el resto de los reguladores. Por ejemplo I(t)=0 y D(t)=0 dan lugar a un regulador proporcional. Mientras que si P(t)=0 y I(t)=0 tienen valor cero se ha definido un regulador integral. A continuación se analizan algunas de las características expuestas por [Angulo C.-2004] sobre estos reguladores

Regulador Derivativo. Proporciona un aumento en la respuesta derivativa del sistema.

Regulador proporcional Producen el aumento de la acción derivativa del sistema. Este suceso da lugar a los siguientes efectos.

No puede eliminar el error en estado estacionario ya que no aumenta el orden del sistema introduciendo algún polo.

En los sistemas de orden 2 o superior tiene lugar un deterioro de la respuesta transitoria del sistema dando lugar a lo largo del tiempo a la inestabilidad.

Se produce un error del tiempo de crecimiento.

Regulador Integral. Se encarga de la eliminación del error del sistema permitiendo alcanzar las características deseadas.

Tras realizar el análisis de los distintos tipos de sistemas reales que existen y las metodologías propuestas en su modelado se analizan los tipos de reguladores que se utilizan para poder realizar el control. El objetivo básico de cualquier regulador es conseguir que la salida del sistema esta ajustada lo mas posible a una referencia. Esta relación se expresa mediante una función de transferencia en el dominio de laplace para sistemas continuos. Según [Angulo C.-2004] los reguladores más utilizados son los PID. Estos dispositivos presentan la siguiente ley de control y sus características.

D(t). Pondera el los incrementos en el error a través de la constante Kd

I(t) . Se encarga de realizar un control del error mediante la constante Ki

P(t). Amplifica o atenúa el error en función de una constante llamada Kp

C. Es una constante que tiene valor 0 si las condiciones iniciales son nulas.

Y(t)= C+P(t)+I(t)+D(t)

Los sistemas que se van a modelar pueden ser de dos tipos: sistemas continuos y sistemas discretos.

Los sistemas discretos pueden obtener los valores de las variables del sistema cada cierto tiempo. El tiempo de recogida de los valores recibe el nombre de tiempo de muestreo Su modelazo matemática se realiza mediante la transformada en el dominio Z. La mayor parte de los procesos reales, se pueden discretizar para ello se utiliza el computador. [Ollero, et al-1991] plantean un esquema resumen de representación para sistemas discretos.

Figura 24 : Esquema de un sistema discreto.

Los sistemas continuos obtienen muestras del sistema en todo el intervalo de tiempo de trabajo. Su modelado matemático se realiza mediante ecuaciones diferenciales en el dominio de laplace. El esquema clásico en los sistemas continuos es el siguiente:

Figura 23: Esquema clásico de sistema continuo.

Los procesos industriales presentan una gran dificultad de implementación y un gran número de factores que hay que controlar para conseguir los objetivos marcados por el diseñador. Su consecución implica el modelado de todo el sistema de forma matemática. Para ello se aplican las técnicas expuestas por las investigaciones de [Davison, et al-2007]
El objetivo del último apartado del capítulo consiste en exponer la fundamentación teórica que explica el funcionamiento de los controladores utilizados en el ámbito industrial. Estos dispositivos tienen como objetivo mantener el valor de las variables dentro de unos márgenes de funcionamiento. Su comportamiento puede ser modelado mediante teoría moderna de control o mediante teoría clásica. Para finalizar el apartado se realiza una exposición de las futuras tendencias aplicables en la industria.

2.5- Monitorización de sistemas-SCADA

Los Sistemas SCADA ofrecen cuatro formas de trabajo que están condicionadas a las restricciones del sistema.
[Sempere, et al-2003] plantean otra aplicación de los sistemas SCADA. Sus investigaciones se centran en realizar un sistema de supervisión y control de la red de saneamiento de una ciudad. Las redes de saneamiento están gobernadas habitualmente por PLC’S que utilizan pooling mediante radiofrecuencia para las comunicaciones entre la estación central, que dispone de un scada incorporado y cada uno de los nodos remotos. El sistema diseñado presenta tres fases claramente diferenciadas.

Visor Web. Esta última fase se encarga de detectar el tipo de cliente que esta realizando la conexión y lo redirecciona a la aplicación web para PC. Desde el pc es posible visualizar los datos de control, imágenes (en directo o archivo) de cada cámara que existe en las estaciones. El acceso a la información se puede realizar mediante un mapa interactivo o mediante un árbol al estilo Windows. Existe la posibilidad que el cliente pueda capturar una imagen en tiempo real y almacenarla.

Procesos de la estación remota. Esta fase involucra directamente a cada uno de los nodos. Las operaciones que se pueden realizar son capturar imagen, comprimir imagen, controlar la cámara, imagen de cliente. Esta última función se encarga de transmitir la imagen a la estación central, además de recibir los parámetros de la estación central y el control de sus movimientos. Los 4 procesos tiene una zona de memoria común para compartir información. La comunicación de la estación remota con el PLC central se realiza mediante el Plcs5 ActiveX Control, que utiliza el protocolo AS511 sustentado sobre un enlace serie. Los cambios en cualquiera de los PLCS son detectados por la estación central que se encarga de enviar un aviso.

Aplicación a la estación central. En esta primera fase se realiza una configuración de una estación determinada según lo establecido en la estación central. Para ello en la pantalla inicial se presenta un mapa de la ciudad donde están situadas las distintas estaciones. Al pinchar sobre una estación se presenta un menú desplegable con las distintas opciones. Se pueden realiza operaciones del tipo escribir, leer, visualizar imágenes. La estación central parametriza los datos a leer y escribir del PLC mediante la metodología de órdenes o mediante la de estados. La estación central se encarga de almacenar una copia de los datos que se envían a cada nodo. Existe la posibilidad de obtener imágenes de la estación nodo a partir de la estación central.

Para justificar las hipótesis realizadas [Gupta, et al-2001] plantea el diseño de un sistema SCADA bajo soporte WAP (Wíreless Aplication Protocol) que tiene las siguientes características

Existe un servidor web que contiene la simulación del sistema y esta conectado a Internet. Este evento permite al operario acceder al servidor mediante una pasarela WAP Gateway.

Se busca la creación de “empleados móviles”, esto es consecuencia de las propiedades de los sistemas agentes que basándose en la información aportada por los SCADA permiten la toma de decisiones. El operario estará informado en todo momento de los cambios del sistema mediante su dispositivo móvil.

El sistema diseñado permite la monitorización diaria de todas las variables del sistema., debido al sistema SCADA. Los sistemas SCADA en ausencia del operario, aportan la información a los sistemas agente para el proceso de toma de decisiones.

[Gupta, et al-2001] plantea futuras líneas de investigación para sistemas SCADA aplicando agentes móviles para solucionar sus deficiencias. Los agentes móviles son programas independientes que pueden viajar de un punto de la red a otro manejando diversos tipos de información. Esta red plantea problemas de seguridad de acceso en el momento del manejo de la información. En sus investigaciones se concluyen dos ventajas muy importantes que aportan los agentes móviles

La aplicación de los agentes en manufactura permite la integración de todas las actividades del proceso de producción (diseño,…).

El operario se puede desplazar de un punto a otro de la red manteniendo el mismo estado de ejecución del proceso.

[Jiménez, E. 2002] expone la implementación del sistema SCADA mediante aplicación simultanea. Esto se debe a que las conexiones físicas no sufren cambios con respecto al intercambio de datos., permitiendo que las tres aplicaciones anteriores se puedan ejecutar al mismo tiempo
Simulación: Es muy similar al caso anterior pero presenta la particularidad que el estado del sistema es almacenado en los bloques del sistema SCADA.
[Jiménez, E. 2002] plantea la implementación redundante para sistemas SCADA. Para esta metodología el estado del sistema lo representa el PLC a diferencia de en el caso anterior el SCADA se encarga de la evolución del sistema sin la intervención del PLC. El objetivo se consigue utilizando dos variables que a diferencia del caso anterior serán de entrada y de salida.
Monitorización-Supervisión. La monitorización se realizar a partir de la lectura del estado del sistema, para ello se necesitan dos variables (una analógica y otra digital), que sirven para representar los valores de memoria del PLC.

El proceso de supervisión el SCADA debe ser capaz de evolucionar el sistema, a partir de la variación del marcado almacenado en la memoria del PLCO El objetivo se consigue mediante al introducción de nuevos bits de trabajo que permitan producir el disparo de las transiciones.

Siguiendo todo lo expuesto en los puntos anteriores, [Jiménez, E. 2001] define una serie de aplicaciones para los sistemas SCADA.
Es posible la impresión de informes, avisos que permiten documentar la evolución del proceso.
Permite la adquisición de datos, su análisis y la presentación en pantalla de los gráficos.
Realización de cálculos más complejos que no se pueden realizar sobre la CPU de un ordenador.
Ejecución de programas que modifica la ley de control según las características del sistema.
Creación de paneles de alarma, donde se almacenen todas las incidencias ocurridas en el sistema.
A partir del análisis de los distintos componentes de un sistema SCADA, [Jiménez, E. 2001] expone unas condiciones previas que debe cumplir esta metodología para ser implementada.
Programas de sencilla instalación, y que sean manejables por el usuario.
Fácil comunicación entre todos los elementos de la planta.
Debe ser un sistema que presente una arquitectura abierta y se adapte fácilmente a las variaciones que presenta el sistema.
Después de analizar las conexiones necesarias para implantar un SCADA en una planta industrial. [Jiménez, E. 2001] profundiza en cuales son los distintos componentes físicos del bloque SCADA.
Drivers de comunicación .Permiten la unió entre los elementos de campo y los de red. Este evento permite definir las variables a controlar y procesar.
Editor gráfico. Permite dibujar cualquier elemento del esquema.
Modulo de configuración. Su objetivo es definir el entorno de trabajo SCADA, en el se definen las pantallas de texto y pantallas gráficas que se van a utilizar.
El SCADA interpreta los datos que recibe mediante técnicas del tipo de inteligencia artificial, además puede guardar un histórico con los datos más importantes. Los datos son suministrados al SCADA mediante los PLC, que los obtienen de la planta mediante una serie de sensores y actuadores. Finalmente cabe reseñar que el sistema SCADA lleva un MODEM incorporada en el PC de forma que cualquier usuario pueda acceder mediante Internet.
Esquema 22: Conexión SCADA- Sistema de Control
La implementación del sistema se puede dividir en 3 fases.
Conexión SCADA-Sistema de Control. Este esquema representa la fusión de las dos fases anteriores. A modo de resumen se explica brevemente el funcionamiento del sistema con el SCADA incorporado.
Conexión SCADA-PLC.La conexión al SCADA se realiza accediendo a la zona de la memoria del autómata donde se guardan los datos obtenidos e intercambiados con el sistema. La monitorización se realiza cuando el sistema SCADA puede leer la información y representarla gráficamente. El sistema SCADA puede acceder a la memoria del autómata y modificarla en cuyo caso se esta realizando un proceso de supervisión.

Figura 21: Conexión SCADA- PLC

Conexión PLC-Planta. El controlador realiza la comunicación con la planta a través de las zonas de entrada y salida de su memoria. En la memoria escribe los datos que recibe del sistema además de los datos que quiere enviar.

Figura 20: Conexión PLC-Planta

Posteriores investigaciones de [Jimnez, E.-2001] da un enfoque distinto a la definición plateada por [Lujan,et al-2001]. Para [Jimnez, E.-2001] la monitorización consiste en la capacidad de mostrar datos en tiempo real mediante un formato alfanumérico o gráfico. El principal sistema de monitorización es SCADA, que permite el control y supervisión de la producción, además de la adquisición y el almacenamiento de datos. [Jiménez, E. 2002] plantea en el siguiente esquema todo el conjunto de conexiones que se deben realizar en un sistema para implementar un sistema SCADA.
Tomando como referencia las investigaciones anteriores, se estudia la existencia de los dispositivos a bajo nivel existentes en los monitores que permiten la visualización de la información. El primero de los elementos de captación es el sensor, cuya función es recopilar la información externa. El segundo elemento de monitorización es el transformador que permite realizar el procesamiento de la información recogida. El indicador es elemento más importante del monitor ya que se encarga del muestreo de la solución obtenida.
Las primeras investigaciones sobre la temática de visualización de sistemas son de [Lujan,et al-2001]. Estos autores comentan afirman que la obtención de las variables del sistema se obtiene mediante monitores. El proceso de visualización de las variables recibe el nombre de visualización. Para realizar correctamente ese proceso se deben tener en cuenta una serie de características.
La información a obtener del sistema debe ser preseleccionada ya que sino se realiza existe la posibilidad de obtener información redundante.
Los monitores deben permitir extraer la información y disponer de una metodología para su extracción
Localización. El sistema de monitorización debe estar situado lo más cerca posible del lugar de recogida de la información
Los sistemas de producción tienen una cierta dinámica que va cambiando a lo largo del tiempo. Existen una gran cantidad de restricciones que modifican su comportamiento. Por este motivo es necesario tener una visualización adecuada de todas las variables que intervienen en el sistema, como consecuencia los sistemas de adquisición de información deben ser lo mas avanzados posibles. Posteriormente se analizan cuales son los principios básicos de funcionamiento de uno de los sistemas de información y visualización mas importante, los SCADA (Control sytem and data Adquisition).

2.4-Redes industriales

2.4.3.- Futuras Tendencias
Para concluir con las investigaciones de [Izquierdo, et al-2003] vamos a enunciar una serie de características que definen el funcionamiento del sistema diseñado.

Tomando como referencia todas las características que definen el proceso se obtiene la siguiente representación gráfica.

Figura 19: Esquema de control remoto vía Internet

Los autómatas distribuidos en el sistema trabajan de forma independiente de forma que cualquier avería no provoca el paro del sistema. Los autómatas comparten datos entre si mediante la red “Enlace a PLC” y los distribuyen al servidor central vía Intranet mediante un módulo FP Web-Server

Se conecta un módem al servidor principal como se puede observar en los edificios A y B del esquema para conseguir las siguientes ventajas:

Conectarse a un servidor de correo gratuito y enviar correo electrónico en caso de avería o alarma.

Acceder al servidor principal o cualquier subestación en el caso de que existan problemas de acceso a Internet.

La monitorización de datos por parte del usuario se puede realizar a través de las propias páginas webs almacenadas en cada uno de los FP-Web Server o mediante SCADA.

El servidor es capaz de almacenar páginas webs conteniendo datos de los autómatas tales como consumo del sistema, datos sobre la producción, histórico de alarmas. La información actualizada se obtiene debido a la incorporación de Java Applet en el módulo Web-Server

Cada local incluye un módulo de comunicaciones FP Web-Server para poder acceder a el a través de la misma red del local (LAN) o Internet. El sistema consta de un servidor central encargado de controlar al resto de los autómatas instalados en los diversos centros comerciales. La función del servidor es controlar y monitorizar a través de intranet el estado de variables como la iluminación exterior, interior etc.

Para dotar al sistema de una mayor funcionalidad, el control tiende a realizarse de forma remota, permitiendo el acceso a la instalación en cualquier instante sin necesidad de desplazarse a la misma. La selección del equipo de acceso remoto depende de diferentes factores entre los que cabe destacar la seguridad de los datos a tratar, el número de equipos de la instalación etc. Aparece una nueva necesidad de operar y controlar sistemas gestionados hasta ahora con otros buses utilizando protocolos TCP/IP y las redes de Internet. Con el objetivo de solucionar estas nuevas demandas aparece el módulo FP-Web Server que unido a un autómata permite controlar, programar y monitorizar en modo remoto. Tiene una gran aplicación en centrales energéticas o edificios inteligentes. El módulo FP-Web Server actúa sobre las siguientes variables del sistema.

Mantenimiento a valores constantes mediante PID de las temperaturas de neveras y congeladores.

Control de la calefacción y del aire acondicionado

Permite el uso durante un cierto instante de tiempo de aquellos aparatos que no precisan estar funcionando continuamente.

Horarios de encendido y apagado de la iluminación

En posteriores investigación surgen tendencias innovadores sobre comunicaciones industriales. [Izquierdo, et al-2003] plantean la posibilidad de regular el consumo energético de un centro comercial a través de Internet. El principal objetivo del control de una instalación es optimizar y verificar su funcionamiento, además de obtener toda la información del sistema en tiempo real.
A modo de resumen se puede concluir que la tecnología PLC responde a las necesidades y estándares de comunicación, a través de su amplia gama de productos, cabeceras o equipo master y repetidores o regeneradores de señal PLC. Se han implementado pasarelas industriales en las cuales se pueden realizar comunicaciones a través de sistemas Modbus RTU/Modbus-TCP/IP a PLC para llevar las tramas de datos de un sistema de comunicación Modbus a Ethernet mediante el cable eléctrico.
Entre las características básicas de los PLC destaca:

Fácil instalación, configuración y puesta en marcha, siendo idónea en aquellos lugares donde el cable estructurado, la fibra óptica y el wi-fi se hacen inviables por su alto coste de mantenimiento instalación y fiabilidad

Los equipos PowerLine se han desarrollado con estándares industriales con IP 54 para soportar temperaturas desde los -40ºC hasta los 70ºC sin necesidad de ventilación externa.

La seguridad en el interior de la red esta garantizada por medio de mecanismos basados en protocolos cliente/servidor. Su función es controlar el tráfico hacia y desde los clientes y mantener la privacidad por medio de la implementación de redes virtuales.

La tecnología PLC cumple todos los estándares definidos por la IEEE en lo referente a redes de datos. Presenta una gran robustez frente a cualquier intento de uso por parte de usuario no autorizado.

Avanzada calidad de servicios (Qos y CoS) que sustenta el funcionamiento de redes de mayor complejidad.

Las redes industriales han sufrido una gran cantidad de avances en los últimos años. Una de las nuevas líneas de investigación se enfocaba hacia los avances en el ethenet industrial. Recientemente ha aparecido una nueva línea revolucionaria en las comunicaciones industriales, utilización de las líneas eléctricas para el transporte de datos. Esta tecnología fue acuñada por [Vila,J.M.-2007] en sus investigaciones y recibe el nombre de PLC( Power Line Communications). Consiste en la utilización de las líneas eléctricas de baja y media tensión para proveer de servicios de comunicación tanto al usuario final (hogar) como a los servicios de interconexión entre dispositivos industriales, autómatas o cualquier sistema que disponga de un puerto ethernet.
2.4.2.- Buses orientados a dispositivos
2.4.2.2.- LONworks

En posteriores investigaciones sobre la temática, [Hertel,W.J-2001] plantea las ventajas e inconvenientes más importantes sobre las redes LonWorks así como algunas posibles aplicaciones.

Tras analizar de forma breve cuales son las ventajas e inconvenientes que plantean este tipo de redes, pasamos a analizar las aplicaciones más importantes dentro de los sistemas industriales.

Control remoto mediante telemetría debido al protocolo LON que forma parte de la familia de protocolos LONTalk.

Transporte y manejo de material. En los procesos de producción existe un enorme flujo de información mediante las cintas transportadoras, foto-sensores, líneas de ensamblaje etc que ven favorecido el flujo de información como consecuencia del uso de las redes LONTalk.

Aumento de la seguridad en el trabajo. Este proceso incluye la generación de medidas de seguridad y de control en zonas de peligro mediante foto-sensores, iluminación especial etc.

Generación y visualización de la calida del aire. Es una característica específica propia de la industria farmaceuta o de fábricas de semiconductores.

Integración de los datos de producción y automatización por medio de ethernet industrial, intranet o Internet. Este tipo de integración en el sistema de producción puede ser llevada a cabo sin dificultades mediante las redes LonWorks.

Recopilación, procesamiento y archivo de todos los datos de producción. Este proceso involucra una gran cantidad de información, no solo de soporte de los procesos sino también de intercambio entre ellos.

Distribución, monitorización y control de las fuentes de recursos. Este proceso involucra el control de procesos lentos como por ejemplo los motores, válvulas de temperatura y presión de los sensores.

Realización de informes sobre eventos, alarmas y perturbaciones del sistema. Este tipo de redes permiten que las perturbaciones sean reducidas evitando una reasignación forzosa de los recursos del proceso.

Actuar como contador y gestor de la energía. Existen muchas compañías que debido a la inteligencia distribuida de las redes Lonworks consiguen que la maquinaria, los procesos de control etc puedan ser equipados con un medidor o gestor de la energía.

Inconvenientes.

No permiten un alto grado de especialización y diversificación, propios del ambiente industrial.

Escaso reconocimiento del principio del control inteligente distribuido

Falta de reconocimiento dentro del ámbito industrial

Permite el control mediante Internet o por intranet.

Utilización de una topología de cableado flexible y robusta que tiene un mejor funcionamiento que los clásicos RJ45

El sistema de comunicación maestro-maestro que utilizan estos sistemas, junto con la concepción de sistema distribuido e inteligente, permite estas un paso por delante de los sistemas industriales actuales.

Permite la integración de las líneas eléctrica, de comunicación etc al estilo de un sistema de control abierto en los edificios automatizados.

Red comercial que proporciona un alto nivel tecnológico

Ha producido grandes avances dentro del campo de los edificios automatizados.

Las primeras investigaciones que definen los componentes de las redes LonWorks son de [Kim, et al-2000]. Estos autores afirman que las redes están formadas por los siguientes componentes.

LonTalk Protocol. Es un tipo de protocolo utilizada para comunicaciones abiertas, presenta la virtud de implementar las siete capas del modelo ISO/OSI. Este tipo de protocolo permite que una variable de entrada y una variable de salida puedan ser conectadas mediante un proceso de Binding. La correcta realización depende de la definición de todas las variables que se van a manipular en cada nodo.

Aparato emisior-Receptor LonWorks. Este dispositivo soporta diferentes tipos de comunicación; par-trenzado, línea coaxial , y la velocidad depende de la interface

Chips Neuronales. Existen de dos tipos, el primero dispone de una memoria pero no lleva incorporado el chip mientras que el segundo tiene una dirección y un bus de datos para aplicaciones externas. Cada chip dispone de tres procesadores de 8 bits en estado residente. Existen dos procesadores encargados del procesamiento del protocolo LonTalk y otro dedicada a procesar las aplicaciones en los nodos.

Cada uno de los nodos la red disponen de las siguientes direcciones.

Dirección de difusión. Permite la identificación de todos los nodos que pueden recibir el mensajeo.

Dirección de grupo. Su objetivo es la definición de un conjunto de nodos independientemente de su situación física.

Dirección del dispositivo .Es asignada por la instalación

La dirección física que es el identificador único llamado Neuron ID. Se asigna en su fabricación y no es posible modificar.

Este tipo de dispositivos hacen referencia a un tipo de protocolo llamado LONTalk, cuyo objetivo es la comunicación inteligente entre los dispositivos de la red. El principal valedor ha sido Echelon Corporation .LONWorks (Local Operating Network) es definida como una red de control en contraposición a las anteriores que son consideradas redes de datos. Este tipo de redes están orientadas a la transmisión de pocos datos, pero de modo seguro y con un tiempo restringido. La comunicación entre los nodos se realiza mediante control distribuido.

2.4.2.1.- Can Bus

Como primer paso se realiza un modelado del esquema real en el laboratorio incluyendo sensores válvulas etc. A continuación estos componentes se van agrupando formando bloques y dando lugar a los smart component. Después se realiza la conexión entre los smart component y la red CANBus mediante la tarjeta que lleva incorporado el micro-controlador Can. Una vez realizados estos pasos ya se puede realizar la simulación en el esquema real planteado anteriormente. La figura siguiente muestra la forma del boceto de esquema real.

Figura 18: Boceto de sistema de gestión de fuel en un avión

A modo de conclusión se explica el proceso seguido para realizar la validación del modelo en un esquema real, además de incluir un boceto del modelo.

Estos protocolos se basan en el principio productor/consumidor donde cada equipo esta siempre a la escucha y las transmisiones se realizan bajo el control de un equipo especial (el árbitro de bus). Las peticiones de información se construyen de acuerdo a una tabla de órdenes que contiene identificadores de variable. Al decodificar el nombre de la variable asociado a la información que el produce, mediante un dispositivo se transmiten los valores actuales correspondientes. Esta información es consumida por todos los receptores que reconocen el nombre de la variable. Los consumidores cada vez que reciben un dato emitirán un mensaje de aceptación, al igual que ocurre con el productor cada vez que envía un mensaje. Tomando como referencia el funcionamiento de las redes CAN explicado con anterioridad se pueden extraer una serie de características.

Desde el punto de vista físico la idea del sistema es mantener unos valores constantes de las distintas variables a lo largo del tiempo. Para ello se debe saber en cada incremento de tiempo el estado de cada uno de los nodos, cuando uno de los nodos cambia el resto de los nodos reciben un mensaje.

Las redes CAN tienen una gran multitud de aplicaciones, [Giron-Sierra, et al-2007] plantean el control de la gestión de la gasolina en aplicaciones aeronauticas (helicóptero, avión) utilizando sistemas de control distribuidos. El sistema del avión consiste en una red de pequeños componentes como sensores, válvulas etc, interconectados mediante CANBus y sin la necesidad de disponer de un PC central. La base de la aplicación esta incluida en un pequeño microcontrolador con capacidad para CAN. Todos los demás componentes de la red tienen un código de bits para ser reconocidos por el micro. Se habilita un protocolo que permite el intercambio de mensajes entre todos los componentes.

Se necesita un protocolo para capas superiores capaz de realizar la conexión por CAN, ya que este red solo constituye un dispositivo a bajo nivel. Esto da lugar a la aparición de CANopen, Devicenet y SDS.

CAN no utiliza direcciones físicas para el nodo, dado que todos los nodos reciben todo los mensajes. Cada nodo se encarga de decidir si el mensaje va dirigido a el o no.

Permite un acceso al bus por prioridades mediante la técnica CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution)

Este tipo de protocolo es un estándar que viene descrito en el ISO11898, creado por Bosch para simplificar el cableado de los automóviles. La mayor cantidad de aplicaciones están en este sector y se asocian a elementos instalados en el motor y en el resto del vehículo (airbag, cinturones de seguridad,…).

Los buses orientados a dispositivos mas importantes son CAN y LONWorks.. CAN (Control Acess Network) no fue concebido para el sector industrial, con el tiempo su finalidad cambio debido a sus características de robustez y bajo coste. LONWorks surgió para aplicaciones en domótica y automatización en edificios. En los siguientes apartados se profundiza en los fundamentos de estas redes.
Este tipo de dispositivos son buses de campo, orientados a otras aplicaciones. Las investigaciones de [Ayza,J-2007] exponen una serie de características sobre este tipo de dispositivos.

Capacidad de poder efectuar operaciones de gestión remota de los dispositivos de la red de campo, como monitorización, diagnóstico y calibración.

Trabajan con 3 de las siete capas del modelo OSI; las capas físicas, la capa de aplicación y la capa de enlace.

La capa de aplicación es indispensable si se desea disponer de sistemas abiertos.

La capa de enlace debe cubrir sus funciones asegurando las características de funcionamiento de la forma más simple

La capa física debe ser robusta, proporcionar la máxima inmunidad al ruido electromagnético y seguridad intrínseca en áreas peligrosas.

Eficiencia en el diseño e implementación del protocolo

Eficiencia en la transmisión de datos

2.4.1.- Buses de Campo
2.4.1.4- Compobus

El sistema comienza a funcionar al recibir tensión y las E/S se mapean en la memoria del PLC similares a la conexión de forma local y con un tiempo de refresco, que puede llegar a 0.5 ms Si posteriormente fuera necesario realizar un recambio de un terminal, no sería necesario quitar la alimentación del resto del sistema.

El creador de esta red fue OMRON, que utiliza este nombre para definir la particularización de la red Device Net para sus productos. Para su funcionamiento existe una unidad maestra donde se seleccionan los números de nodos de los terminales esclavos y se cablean. Puede utilizarse el mismo cable para llevar el par de comunicación y el de alimentación de los terminales.

2.4.1.3.- Device Net

Los sistemas industriales independientemente de la red que implemente su comunicación deben tener en cuenta el mantenimiento de este tipo de dispositivo. Por esta razón [Imoto,M-2002] plantea una serie de aspectos a tener en cuenta para realizar el proceso de mantenimiento de la redes DeviceNet.

La información referente a sensores y actuadores puede ser obtenida rápidamente y de forma detallada. Este suceso permite un mejor flujo de información entre el soporte técnico y soporte de mantenimiento.

Las redes DeviceNet tienen una gran transparencia en lo referente a la Ethernet/IP que permite a los operarios buscar en Internet, los problemas que puedan surgir en el funcionamiento.

DeviceNet es un protocolo estándar y por tanto su mantenimiento es el mismo en cualquier parte del mundo.

Después de analizar la figura se puede observar que la aplicación definida tiene tres niveles de control claramente diferenciados.

Capa de información. Esta compuesta por el sistema de control supervisor y el interfaz de comunicación hombre-máquina. Los PLC’s que existen en la capa de información están unidos mediante Ethernet LAN que comprime la información Las interfaces Hombre-máquina (llamados centros de maquina) son configuradas de forma idéntica permitiendo el control y visualización del resto de los procesos del sistema. Estos dispositivos tienen una velocidad de 10/100 Base-Tx

Capa de Control. Esta basada en la apertura de canales de comunicación entre los distintos PLC’s, siendo la velocidad de comunicación de 115kBauds de datos.

Capa de dispositivos. Permite la comunicación entre los diferentes dispositivos de campo. Los dispositivos estándar de campo son cableados en los racks que presentan los PLC’s, también son utilizados racks I/O de deviceNet. Existen proyectos recientes que han incorporado DeviceNet dentro de la estrategia de control.

Tomando como referencia las características anteriores, [Kino,S.-1999] plantea el siguiente esquema para su investigación sobre una red DeviceNet.

Figura 17: Red DeviceNet para empresa de madera.

A partir de las investigaciones anteriores, [Kino,S.-1999] plantea la posibilidad de aplicar un sistema de control para la red device Net en la industria maderera, para poder alcanzar su objetivo las redes Device net van a cumplir los siguientes objetivos.

La mayor cantidad de los productos (sensores, actuadores, etc) presentes en una planta son compatibles con este tipo de redes. Las redes están basadas en un controlador de área de red (CAN).

Algunas de las aplicaciones básicas de esta tipología debed están centradas en las cintas transportadoras, líneas de transferencia, robótica, empaquetado y manejo de material etc.

Es un estándar abierto y por tanto ninguna de las compañías debe pagar un royalty a la empresa creadora.

Estas redes presentan un bajo coste y son abiertas a la comunicación con un control de los dispositivos mediante un byte de nivel . Este dispositivo es optimizado mediante una maquina de control que realiza el balance de la velocidad de la red a través de los datos.

Las aplicaciones en las que habitualmente se utiliza Device Net son el ensamblado de piezas, máquinas de soldadura, captación de sensores distribuidos, sensores inteligentes, válvulas neumáticas. Tras realizar el análisis de estas aplicaciones se pueden extraer cuales son las funciones de las redes Device Net.

Consistencia de los datos del dispositivo. Dentro de este campo se engloban los datos de identidad, datos del enlace de comunicaciones, datos de configuración del nodo etc.

Detección de direcciones duplicadas, para ello previo a su puesta en marcha se debe realizar un chequeo de la red

Control del tipo de mensajes a transmitir

Asignación de identificación CAN (Control Area Network), estableciendo niveles de prioridad y permitiendo que cada nodo reconozco los mensajes que están destinados a el.

Las principales características de las redes DeviceNet son:

La velocidad de transferencia de datos es de 125 a 500Kbits con una distancia que oscila entre 100 y 500 m, mientras que el número de nodos es de 64.

La estructura de comunicaciones esta dispuesta en bus con una línea principal y posibilidad de bifurcación de la línea hasta los nodos.

Requiere terminación de línea con impedancia de 120 Ohmios, empleando pares trenzados.

El tamaño máximo de mensajes es de 8 bytes para cada nodo al igual que con las redes CAN

El sistema de transmisión esta basado en un modelo productor/consumidor, como consecuencia es posible implementar el modelo maestro/ esclavo etc, que implica la transmisión de mensajes mediante diferentes métodos tales como sondeo, envío cíclico.

Este tipo de redes según la pirámide de [Ros et al-2003] esta encuadrada dentro del nivel de planta y en algunos casos en el nivel de entrada y salida o de célula. Esta red fue desarrollada por la empresa Allen-Bradley en 1994. Es un protocolo versátil en el área de buses de campo y que satisface al menos el 80% de las necesidades de comunicación a nivel de célula.

2.4.1.2- Profibus

Para concluir este apartado se va a explicar de forma general el funcionamiento de los tres tipos de redes profibus, previamente se indican una serie de requisitos en el control de acceso al medio manifestado por estos dispositivos.

A partir de estas restricciones existen tres modos distintos de funcionamiento para las redes Profibus.

Envío Petición Cíclico. La estación que está activa direcciona otras estaciones cíclicamente mediante una llamada “Envío o Petición de datos de prioridad Baja” según una secuencia específica definida la lista de sondeo. El usuario de la estación que permanece activa pasa dicha lista al controlador FDL. Todas las estaciones que permanezcan activas deben sondearse en esta lista. Se realizan varios sondes en cada estación, si una de ellas no responde pasa a estar no operativa en la lista. Cuando la estación dispone del testigo no empieza a ejecutar la lista hasta que se hayan ejecutado todos los mensajes de prioridad alta.

Envio/Petición Acíclico. En esta metodología se ejecutan ciclos de mensajes esporádicos y separados. En el caso de que exista varias peticiones de funcionamiento puede continuar en este modo hasta que expire el máximo tiempo de rotación de testigo permisible. Esta metodología permite tres servicios de comunicación diferentes:

SDR (Send and Request Data with Real). Se realiza un envío de datos a una estación, y al mismo tiempo petición de datos a la misma, esperando una respuesta inmediata.

SDA( Send Data with Acknowledgment). Consiste en un envío de los datos con acuse inmediato. Esta opción solo esta disponible en profibus FMS.

SDN( Send Data with No Acknowledgment). Envío de datos a una estación o a todas sin acuse de recibo.

Cuando una estación recibe el testigo queda autorizada para transmitir telegramas. Una vez finalizado el envío de los mensajes, para que el paso de testigo se realice de forma ordenada cada estación debe reconocer la estación previa y a la posterior. La estación que es poseedora del testigo, al finalizar transmite el testigo a la estación indicada en la LAS( List of Active Stations), para ello previamente le debe enviar la trama de testigo. La estación que ha terminado de utilizar el testigo recibe un mensaje de aceptación de la trama de destino confirmando su llegada. En el caso de que no recibiera esta respuesta lo volverá a realizar 2 veces más, si el problema persiste se pasa a la siguiente estación de la LAS.

Paso por testigo. Existe un anillo lógico que es independiente de la disposición topológica de las estaciones activas en la red. La autorización de acceso al medio se pasa de la estación activa a la siguiente en orden numérico ascendente de dirección de estación usando el token frame (trama de testigo). La estación más alta pasa el testigo a aquella con menor dirección cerrando el anillo lógico.

Tiene que llevarse a cabo una transmisión de datos en tiempo real, cíclica, tan rápida y simple como sea posible para la comunicación entre un controlador programable complejo y sus dispositivos de entrada/salida. Se propone una mezcla entre el método maestro esclavo y el de paso por testigo.

Durante la comunicación entre sistemas de automatización complejos (maestros), debe asegurarse que cada de una de las estaciones tiene tiempo suficiente para ejecutar sus tareas de comunicación.

[Meicheng, C., et al-2005] amplia las investigaciones de [Tovar, et al-1999] definiendo tres tipos distintos de redes profibus, cada una de las cuales tiene las siguientes características.

Profibus-PA (Process Automation) estudiado en profundidad por [Wollschlaeger, et al-2001]. Estos autores moldean los aparatos de campo como bloques. Cada uno contiene la información del dispositivo. Los bloques se relacionan entre si mediante una series de interfaces y funciones que representan la automatización

Las relaciones entre los distintos procesos son controladas por la lista de relaciones de aplicación.

Permite el uso de aplicaciones distribuidas que pueden ser unificadas en un único proceso.

La capa de interface baja sirve de medio de comunicación entre los servicios de la capa de aplicación y los pertenecientes la capa de datos.

La capa de aplicación esta compuesta por la capa de interface baja y la capa siete de responsabilidad del bus de campo. El objetivo de la capa de aplicación es permitir la comunicación entre los objetos y los servicios.

Profibus-FMS (Field Message Especification) ampliado por las teorías de [Hong,S.H.-2000]. Esta red permite la comunicación de los distintos elementos que componen el nivel de celda. Se aplica en procesos de manufactura debido a la flexibilidad y el amplio rango de aplicaciones. Están compuesto por 3 capas claramente diferenciadas.

OPERATE, donde el maestro clase 1 queda en modo transferencia y lee, escribe de los esclavos.

Un elemento maestro clase 1 puede controlarse por un maestro clase 2 y quedar en los modos: STOP donde no existe transmisión, CLEAR, donde el maestro clase 1 puede leer la información de los esclavos pero las salidas quedan en modo de seguridad,

Esclavos DP. Se trata de un equipo en el nivel de campo a través del cual se leen señales de proceso o se emiten señales del mismo.

Maestro DP (Clase 2). Se trata de una unidad de programación, diagnóstico y gestión encargada de ejecutar funciones de diagnóstico y servicio técnico.

Maestro DP (Clase 1). Un equipo de esta clase se encarga de la tramitación de la tarea de control

Profibus-DP (Periphery Decentraliced). Permite la comunicación entre dispositivos de campo o entrada y salida con los controladores del sistema. Disponen de una alta velocidad de transmisión de datos y adoptan la normativa de modelo ISO/OSI. Un sistema profibus DP puede constar de las siguientes estaciones.

El planteamiento del esquema de red industrial anterior permite obtener una serie de características sobre los esquemas Profibus.

El retardo en los mensajes puede depender de muchos factores.

La variable tiempo es importante para el envío y recepción de los mensajes.

El nivel de automatización depende de la cantidad de información que se maneje ne la red.

Tomando como punto de partida las investigaciones anteriores, [Tovar, et al-1999] plantean el estudio de buses de campo Profibus (Process Field Bus). Estos buses hacen énfasis en el uso de conexiones multipunto y no utilizar las antiguas conexiones punto a punto. A continuación se plantea el siguiente esquema sobre una red Profibus obtenida a partir de las investigaciones de [Tovar, et al-1999].

Figura 16: Esquema de una red industrial genérica

Es uno de los dispositivos de campo más importantes, el desarrollo de este protocolo forma parte de un proyecto de investigación desarrollado por varias empresas y 5 institutos de fabricación alemanes.

2.4.1.1- Redes ASI

Las redes ASI están constituidas por 3 diferentes tipos de interfaces, como se puede observar en la siguiente lista.

Interface 3. Forma parte del maestro ASI y su función es encargarse de generar la interface del host.

Interface 2. Forma parte del esclavo ASI y esta constituida por dos puntos ASI: ASI+ y ASI-

Interface 1. Realiza la conexión entre los sensores y el esclavo ASI. Esta red además incluye 4 puertos de entrada/salida, 4 puertos de salida y 2 elementos de adquisición de datos.

Las recientes investigaciones de [Sveda, et al-2000], exponen una serie de características para definir el comportamiento de las redes ASI. Este red constituye un estándar abierto que no depende del país ni del proceso de manufactura. Se basan en una tipología con un maestro y hasta 31 esclavos y 124 actuadores/sensores binarios, definiendo el módulo de interface. La comunicación ente maestro y esclavo se realiza mediante el siguiente formato de ventana.

Figura 15: Bits enviados por el esclavo.

Figura 14: Bits enviados por el maestro.

Las redes ASI presentan las siguientes características.

Permiten cualquier tipología de red.

Los esclavos son diseccionados de forma electrónica

Permite la comunicación con módulos analógicos

El tiempo máximo de ciclo es de 5 ms.

Los esclavos consumen 200 mA y su tensión se sitúa entre 26,5 V y 31.6 V.

Los esclavos son capaces de direccional 4 entradas y 4 salidas digitales.

El maestro es capaz de controlar 31 esclavos.

Principio de funcionamiento basado en la técnica de sondeo con un maestro y varios esclavos

Este tipo de rede constituyen el nivel más bajo de los buses de campo y transmite la información a los niveles superiores. Esta red surgió en 1990 fabricado por la empresa Siemens con el objetivo de eliminar el cableado existente entre los sensores y los actuadores binarios con la característica añadida de proporcionar tensión de alimentación sobre el mismo cable. Posteriores evoluciones de este dispositivo permitieron la comunicación con elementos inteligentes y la transmisión de datos y parámetros además de señales binarias.

Desventajas

La necesidad de formación en conocimientos superiores.

Los costes iniciales suelen ser bastante elevados.

Ventajas

Una reducción del cableado y de las distancias de los dispositivos

Existe la posibilidad de conectar dispositivos muy variados como por ejemplo distintos tipos de PLC

Permiten una comunicación más rápida

Las primeras investigaciones experimentales sobre los buses de campo y su funcionalidad pertenecen a [Kira,M-1992]. Este autor define un bus de campo como la comunicación serie digital estándar que es capaz de remplazar las técnicas de señales. Este autor afirma que el objetivo de los buses de campo se centra en conseguir flujos de información entre ambas direcciones de la red, principalmente con los dispositivos de los niveles superiores. Los buses de campo esta formados por tres capas: capa física, capa de datos y capa de aplicación. [Kira,M-1992] termina sus investigaciones con un análisis de las ventajas y desventajas que aportan los buses de campo.
Los buses de campo se usan principalmente como un sistema de comunicación entre los sistemas de automatización y los dispositivos de campo y su objetivo es la substitución del cableado entre sensores-actuadores y los elementos de control asociados. Se encargan de gestionar mensajes cortos de forma eficiente, además de poseer la capacidad de manejar tráfico de eventos discretos. Los buses de campo mas conocidos son ASI y profibus.
El objetivo de este apartado consiste en analizar las características y funcionalidades que presentan las redes industriales. Los sensores y actuadores son los encargados de captar la información que es transmitida a los PLC’s mediante las redes industriales. Los dispositivos que componen la planta se comunican mediante buses de campo.Las redes industriales más complicadas son las Can Bus, LonWorks, Device Net, Compobus, Profibus., mientras que las más sencillas son las ASI.Los diferentes tipos de redes industriales fueron agrupadas en una pirámide de nivel expuesta por [Ros et al-2003]
Nivel de Gestión. Se compone de ordenadores cuya función es supervisar y monitorizar de forma continua el proceso. Generan archivos donde se puede consultar toda la actividad del sistema, incluidas las alarmas o fallos.
Nivel de Control. Este nivel alberga PLC’s de gama alta o PC que disponen de software dedicado al control industrial. Se encargan de realizar el control de la información obtenida en los niveles inferiores.
Nivel de Campo. Se encarga de realizar la comunicación entre los distintos PLC’s Las redes Profibus y DeviceNet son las más utilizadas en este nivel de automatización. La velocidad de comunicación se establece entre 1.5 Mbps hasta 500Mbps
Nivel de Entrada y Salida. Este nivel dispone de los sensores y de los actuadores. Dentro de este nivel se encuentra las redes ASI (Actuator-Sensor Interface) y las Compobus que reducen el cableado y los tiempos de parada aunque aumentan los costes.

2.3- PLC’S

2.3.1.- Futuras Tendencias.
A continuación se muestra una tabla resumen donde se comparan las características de ambos elementos.

Figura 13: Comparativa de las tecnologías PLC frente a las PAC.

Características de los Sistemas PLC frente a los sistemas PAC.

Algunos rasgos significativos de estas futuras tendencias son:

Los bloques PAC agrupan funciones con características similares a los circuitos integrados que se utilizan para realizar cualquiera de las estructuras clásicas.

La tecnología PAC dotan a los dispositivos de cierta inteligencia además de realizar ciertas funciones propias del control lógico.

A partir de las líneas de investigación propuestas en el apartado anterior, existen nuevos campos dentro de la temática de los PLC’s donde se han obtenido unos resultados concluyentes. [Mateo, E.-2002] profundiza en un nuevo tipo de PLC que ha surgido recientemente los PAC (Programable Analogic Controller). ). Son dispositivos similares a las tarjetas E/S pasivas de los PLC pero aportan la ventaja de ser: independientes, inteligentes y poderse ubicar al pie del proceso.
Con el objetivo de evitar las deficiencias planteadas por el Grafcet surge el Gemma. Este lenguaje se encarga de modelizar los modos de marcha y parada que suceden en un proceso.
Los PLC’s utilizan diversos tipos de lenguajes para codificar las instrucciones que tiene que realizar Por ejemplo uno de los más utilizados es el ladder lógic. Para autores como [Nicolas, et al-2000] existen otros lenguajes de programación de autómatas: Grafcet y Gemma. Grafcet es una metodología gráfica cuyo objetivo es la modelización de los sistemas de control secuenciales. La implantación de estos lenguajes en un PLC lleva asociado una serie de pasos.
Obtener una copia de seguridad del programa para posteriormente poder ejecutarlo en planta.
Realizar el volcado del programa del autómata y su depuración
Codificación de todas las funciones que se tienen que utilizar en el programa
Asignar las direcciones de memoria según las entradas y salidas del autómata.
Representar gráficamente el sistema de control, con todos los elementos que intervienen y la relación que existe entre cada uno de ellos.
Identificación de las entradas y salidas del autómata.
Definición del sistema de control tomando como referencia los diagramas de flujo realizados en otros lenguajes.
[Hu, et al-1999] plantea una nueva metodología para evitar el mal funcionamiento de los PLC’s ante fallos del sistema. El objetivo es conseguir un algoritmo de razonamiento encargado de encontrar las causas de los posibles fallos a partir de la información del sistema capturada por los sensores y actuadores. El método diseñado se divide en dos bloques claramente diferenciados.
Bloque de razonamiento. El objetivo de este bloque es determinar cuales son las causas que han generado un fallo en la planta, para ello es necesario utilizar los datos suministrados por el bloque de adquisición Existen una serie de metodologías que se utilizan para detectar fallos en planta.

Análisis mediante lógica programada. Es una técnica bastante reciente y esta fundamentada en el generador de conflictos. Los datos adquiridos en el bloque previo junto con sus restricciones se introducen en el bloque de razonamiento. El generador de conflicto se encarga de detectar errores en las restricciones.

Análisis mediante fallos de control secuencial. Su metodología esta basada en el concepto “watch dog timer”, cuya función es monitorizar el sistema en cada instante t y detenerlo en el momento que se manifieste un fallo.

Análisis mediante fallos de control lógico. El estado de error se representa mediante una expresión lógica. Los términos que componen la expresión representan una combinación de señales que ha producido el error.

Bloque de adquisición de datos. El comportamiento del PLC es modelado por el programa de usuario, teniendo en cuenta el control de las secuencias y la lógica de control. Existe varios modelos para representar este bloque:

Modelos basados en lógica programable. La dinámica del sistema se codifica utilizando una serie de variables en un programa.

Modelos basados en PLC de control de secuencia. Esta metodología utilizan el concepto de estado del sistema y sus variaciones. los estados del sistemas. Estas definiciones ayudan a tener un comportamiento lo mas similar posibles a un SMF.

Modelos basados en PLC. Las variables asociadas se representan mediante lógica binaria

Estas metodologías tradicionales presentan una serie de deficiencias que son las siguientes:
Los PLC’s no soportan un análisis de los circuitos electrónicos.
Los programas del PLC se realizan mediante diagramas de bloque, cuya interpretación presenta una gran complejidad para el operario.
Existe una cantidad de información que no es útil en el proceso.
El análisis realizado por el personal de mantenimiento suele presentar grandes deficiencias.
Las investigaciones más antiguas sobre la temática utilizaban las siguientes metodologías.
Uso de un software de monitorización de señales para poder ver visualizar el comportamiento del sistema.
Revisión del conjunto de entradas y salidas del sistema
localización de errores en el sistema.
Los PLC’s sufren una serie de deficiencias que fueron expuestas en las investigaciones de [Hu, et al-1999]. Estos dispositivos no solucionan de forma adecuada los fallos del sistema, debido a la poca flexibilidad de los programas que realizan. Para evitar este problema existe la posibilidad de utilizar herramientas que permitan disminuir los tiempos de
Estos criterios sirven para definir de forma general en que consiste un PLC y realizar una clasificación de los distintos grupos que existen.
Muy Largos PLCs. Según lo establecido en esta clasificación, son los dispositivos con una mayor capacidad. Los módulos son de 8192 puntos y una memoria de 4MG para los programas.
Largos PLCs. Representan el penúltimo modelo en cuanto a capacidades del PLC. Los módulos son de 248 puntos mientras que la memoria es de 256k.
Medios PLCs. Suponen un avance con respecto a los modelos anteriores ya que aumentan la capacidad de entradas y salidas analógicas hasta 1024 mientras que la memoria del programa aumenta hasta 32k.
Pequeños PLCs. Mejoran las prestaciones de los MicroPLcs ya que permite la expansión con módulos de entrada y salida analógicos y utilizan 4k en la memoria de programa.
Micro PLCs. Están dotados de instrucciones de transmisión básicas.
Los PLC’s han sido objetivo de largas investigaciones, entre los primeros autores destacan [Erickson,T.-1996]. En sus estudios define una serie de características para describir a estos elementos.
Reducido tamaño y de bajo coste
Permitir la comunicación con la central de datos
Capacidad de trabajo en plantas industriales
El mantenimiento y reparación debe ser rápida y sencilla.
Facilidad de programación en ambiente industrial.
La automatización de una planta industrial es una tarea muy compleja que requiere tener en cuenta una gran cantidad de elementos. El nivel más bajo de entradas y salidas se encarga de suministrar la información a los PLC’S (Programmable logic controller), para poder ejecutar las instrucciones de los programas. Los PLC’s forman parte de un nivel superior que se llama nivel de campo, según lo expuesto en las investigaciones de [Ros, R.,et al 2003]. El objetivo principal de los PLC’s se centra en activar el conjunto de válvulas, actuadores neumáticos etc necesarios para poder realizar las acciones que se indican en el programa.

2.2.-Actuadores

En estudios recientes, [Mandado, E.-2005] define un actuador como el dispositivo que conmuta la señal de un tipo de energía eléctrica a otra. Siguiendo este criterio se establece la siguiente clasificación de los actuadores.
Figura 12: Otra clasificación de los actuadores
En posteriores investigaciones, [Montellano, M.-2003] profundiza en el campo de los actuadores ampliando las teorías de [Garcia, et al-2000]. [Montellano, M.-2003] define actuadores o accionamientos como el elemento que permiten el movimiento de la carga según unos parámetros de estabilidad. Los movimientos deben realizarse a partir de unas condiciones previas establecidas por el usuario. Esta autor establece 4 tipos de tecnologías que se aplican en los actuadores.
Brusshless de baja inercia
Brusshless estandar
Servocontroladores de CC
Control Vectorial
Los actuadores se pueden clasificar según el tipo de energía empleada en el accionamiento.
Accionamientos térmicos. El movimiento se realiza utilizando la energía producida en el proceso de explosión.
Accionamientos hidráulicos y neumátcos. Se aplican de forma masiva en los automatismos industriales gracias a su robustez y facilidad de control. Entre sus funciones destacan: establecer o cortar la conexión hidráulica o neumática entre dos o mas conductos o vías, también se encargan de regular la presión o caudal de los circuitos hidráulicos.
Accionamientos eléctricos. Permiten la conexión o desconexión de un circuito eléctrico de potencia al producir la excitación de una bobina de mando.
Los actuadores según [Garcia, et al-2000] actúan como reguladores de la potencia de la planta. Existen multitud de actuadores como por ejemplos los destinados a movimientos (motores, cilindros), los térmicos (hornos, intercambiadores) etc.
El objetivo de este apartado se centra en profundizar sobre los fundamentos físicos de los actuadores, haciendo hincapié en las distintas clases que existen y sus aplicaciones.

2.1.- Sensores

Los recientes estudios de [Mandado E,-2005] definen sensor como un dispositivo que posee un parámetro dependiente de alguna de las variables físicas del medio. Un sensor convierte una variable física en otra variables diferente por esta razón se le llama transductor. A continuación se muestra un esquema resumen de la definición de sensor.
Figura 11: Componentes de un sensor
A partir de estas investigaciones se realiza una clasificación y breve definición sobre los grandes grupos de sensores que existen en el mercado.
Sensores ópticos. Los más importantes son las cámaras de vídeo. Estos elementos se encargan de captar la información luminosa procedente de la escena y transformarla en una señal digital o analógica que conforman una imagen digital. Las cámaras de video llevan incorporadas dos tipos de sensores ópticos. Los dispositivos de acoplamiento de carga (CCD) y los de inyección de carga ( CID)
Sensores táctiles. Este tipo de sensores permiten detectar la presión que ejerce un dedo sobre la superficie táctil, en muchos casos se utilizan para la construcción de manos mecánicas. En robótica son muy útiles para detectar el contacto de la mano con un objeto.
Sensores neumáticos. Se utilizan comúnmente para la detección de desplazamiento y proximidad sin contacto, utilizando para ello instalaciones de aire comprimido. Su funcionamiento se basa en la presencia o no de objetos en el camino realizado por el aire comprimido. La ausencia de objetos provoca que no exista un aumento de la presión. Este tipo de sensores no son sensibles a señales electromagnéticas, lo que les hace robustos ante interferencias de ruidos externos de este tipo.
Sensores de luz. Permiten medir la presencia de luz utilizando las células fotoeléctricas. Existen muchas aplicaciones en las que se encargan de medir la intensidad de luz incidente de manera que algunos de estos dispositivos tiene la posibilidad de enfocarse y orientarse para facilitar su colocación. El ejemplo más importante de esta clase son los sensores infrarrojos.
Sensores de aceleración. Tiene una gran implantación dentro del campo de la robótica. Puede suponerse el caso de que un brazo robot transporta una determinada carga con una pinza en su extremo. A lo largo de su trayectoria el objeto transportado sufrirá sucesivas aceleraciones, lo que conllevará unos cambios de fuerza. El ejemplo mas importante de este tipo de sensor son los acelerómetros, que se basan en la utilización de componentes piezoeléctricos. Estos materiales genera una pequeña cantidad de energía eléctrica cuando son deformados.
Sensores de fuerza. La mayoría de las aplicaciones de este sensor están destinadas a la robótica especialmente para determinar la fuerza con la que interactúa el extremo de un robot al coger un objeto. Los más utilizados son los sensores piezoeléctricos.
Sensores de velocidad. Permiten determinar la velocidad con la que se mueve un objeto o con la que gira una determinada articulación. Los más utilizados son los taco-generadores.
Sensores de desplazamiento y proximidad. Los sensores de desplazamiento permiten medir la distancia o ángulo que un determinado componente se mueve con respecto a una posición. Los sensores de proximidad permiten determinar tanta la presencia como la proximidad de un objeto situado a una distancia máxima. Entre los más utilizados destacan los potenciómetros, los capacitivos y los resistivos.
Las investigaciones de [Torres, et al-2002] amplían la definición de sensor expuesta por [Garcia, et al-2000]. Un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes físicas (luz, calor, movimiento) a valores medibles de dicha magnitud. Los sensores aportan información tanto del entorno de trabajo como del estado interno del robot o del elemento donde estén instalados, para que realice su tarea eficientemente. Existen dos elementos muy importantes dentro del robot: los descriptores estáticos y los descriptores dinámicos.
Los descriptores dinámicos hacen referencia a la caracterización de la evolución temporal de la señal de salida ante determinadas señales de excitación de la entrada.
Los descriptores estáticos definen el comportamiento en régimen permanente del sensor.
A partir de la clasificación planteada por [Garcia, et al-2000] se puede concluir que los sensores industriales mas utilizados son los de presencia. Estos sensores están formados por circuitos osciladores L-C, cuya bobina esta dispuesta de tal forma que el flujo se cierra por la zona sensible. La presencia de metal en esta zona produce un aumento de la oscilación. La amplitud de la oscilación permite obtener una señal de salida de naturaleza binaria.
Estos autores plantean una clasificación de los sensores más amplia que las posteriores de [Mandado E,-2005] a partir de una serie de criterios.
Sensores de visión artificial: Cámaras de Video, Cámaras CCD
Sensores táctiles :Matriz de contacto, capacitiva, piezo-eléctrica
Detección de Presencia o proximidad: Inductivos, Capacitivos, Ópticos, Ultrasonidos
Detección de Temperatura: Termopar, Bimetálicos, Resistencia PT100, NTC, PTC
Detección de Caudal: De turbina, Magnético
Detección de Presión: Piezoeléctricos, Membrana+detector de desplazamiento
Detección de Fuera y Par: Medición indirecta (galgas o trafos diferenciales)
Detección de Aceleración: Acelerómetro, Sensor de velocidad+calculador
Detección Velocidad Lineal o Angular: Dinamo tacométrica, Encoders, Detector inductivo u óptico
Detección Pequeños desplazamientos o deformaciones: Transformador diferencial, Galga Extensiométrico
Detección de la Posición Lineal o Angular: Potenciómetros, Encoders, Sincro y resolver
La definición de sensor es muy similar en la mayor parte de los autores.[Garcia, et al-2000] definen los sensores o transductores como los dispositvos encargados de capturar la magnitud física que se desea medir. Sensores y transductores son términos sinónimos según [Garcia, et al-2000]. Esta conclusión se obtiene tras observar que los trasductores están formados por un sensor y un circuito de acondicionamiento de señal.
El objetivo del apartado se basa en un análisis de los componentes que forman el nivel más bajo de un sistema de automatización (nivel de entrada y salida), estos componentes son los sensores y los actuadores. Las investigaciones de [Ros, R.,et al 2003] concluyen que la información capturada en este nivel se procesa en los niveles superiores. Los sistemas de control trabajan con esta información y como consecuencia deben ser flexibles ante cualquier variación que se produzca.

Introducción

Los resultados de las investigaciones de [Vallejo, et al-2006] sirven como punto de partida aplicable en los apartados posteriores del capítulo. La investigación comienza exponiendo las diferentes clases de sensores que existen y algunas aplicaciones. Posteriormente se profundiza en los fundamentos teóricos de los PLC’, elemento que codifica la información recibida por los sensores. Los PLC’s transmiten la información al resto de los componentes mediante redes industriales. En el siguiente nivel se analizan las distintas metodologías de visualización de la dinámica del sistema y finalizaremos viendo algunos aspectos de la teoría de control clásica.
Tomando como referencia la fundamentación teórica analizada en el primer capítulo, a continuación profundizaremos en los componentes necesarios para automatizar una planta industrial. En las investigaciones de [Vallejo, et al-2006] se describen algunos componentes necesarios para el diseño de un sistema automatizado.
Sistemas de Control. Son los encargados de ejecutar las acciones definidas en el programa de instrucciones.
Arquitectura del sistema de control. Esta formada por los elementos que permiten la transmisión de las diferentes acciones definidas en el paso anterior. ( PLC’S, Pantallas táctiles).
Programa de instrucciones. Surge a partir de un diagrama de flujo del proceso, donde se definen las acciones a desarrollar por los elementos del sistema de producción.
Infraestructura de equipos. Toda la maquinaria necesaria para transformar la materia prima en el producto final.
Fuentes de energía. Hace posible el control y puesta en marcha del sistema.