Kitabı oku: «Puesta en marcha de sistemas de automatización industrial. ELEM0311», sayfa 4
3.4. Selección de visualizador de datos
De igual forma que se desarrolló un método de selección de autómatas basado en una plantilla, para los dispositivos de visualización se puede realizar otro método que permita seleccionar el más adecuado para el sistema automático, como por ejemplo realizar un organigrama, que incluya las observaciones que se deben tener en cuenta durante el proceso de selección.
Definición
Organigramas o diagramas de flujo
Son dibujos que representan gráficamente todas las operaciones que intervienen en un proceso industrial o informático. El organigrama emplea símbolos normalizados.
Las acciones se representan por rectángulos, el rombo representa la toma de decisiones, el círculo el inicio, final o enlace con otros diagramas.
Generalmente, a través de catálogos, fichas o información documental, los fabricantes facilitan los medios o herramientas para que el usuario pueda seleccionar el dispositivo visualizador más adecuado a su sistema automático.
El organigrama siguiente permite seleccionar un dispositivo HMI en función del nivel de la pirámide CIM y del uso al que se destine.
Nota
Es habitual emplear el acrónimo SO para referirse a Sistema Operativo.
Aplicación práctica
La máquina de corte de madera de la empresa Maderas Sobrantes S. A. (MASOSA), desea dotar de un sistema de visualización de datos para la máquina de cantoneado de madera que recientemente ha reformado. Seleccione, de entre los ejemplos mostrados en el apartado de “Pantallas táctiles y paneles de operador” de este capítulo, qué modelo puede comunicar mediante los protocolos ModBus y TCP/IP. Justifique la respuesta.
SOLUCIÓN
En los ejemplos indicados en dicho apartado se muestran las características de tres tipos de visualizadores. En cada uno de ellos se busca qué modelo es capaz de comunicar en los protocolos solicitados: ModBus y TCP/IP.
En base a dichas características, se observa que los modelos XBTGT1130 y XBTGT2110 del fabricante francés, permiten comunicar con estos protocolos.
Como en el enunciado no se indica ningún otro dato más, se puede afirmar que cualquiera de los dos modelos indicados son adecuados para el sistema de visualización de la máquina de cantoneado.
3.5. Criterios de selección
Una vez definido el sistema a controlar, se deben estudiar qué criterios son necesarios conocer para poder determinar cuál es el autómata más adecuado para cada sistema.
Básicamente se puede establecer dos grandes criterios:
1 Cuantitativos
2 Cualitativos
Criterios cuantitativos
Para poder comparar y evaluar qué aspectos permiten cuantificar la validez del autómata como solución de control automatizado, estos deben ser medibles. Estos aspectos corresponden a las características técnicas del PLC, que se han descrito en apartados anteriores de este capítulo.
Importante
Los criterios cuantitativos están basados en las características técnicas del autómata, al menos deben considerarse las siguientes:
1 Ciclo de scan
2 Capacidad de E/S
3 Módulos especiales
4 Memoria de programa de usuario
5 Conjunto de instrucciones
6 Capacidad de comunicación
7 Dispositivos periféricos
Criterios cualitativos
Cuando se desea evaluar un autómata respecto de la calidad del mismo, se recurre a determinar cuáles son los criterios que le afectan. En estos criterios se encuentran tanto valores que son fácilmente medibles como valores subjetivos, ya que o bien no se pueden medir o su medida corresponde a impresiones totalmente personales.
En definitiva, estos criterios pueden ser los siguientes:
1 Fiabilidad del producto: relaciona directamente el PLC con el nombre del fabricante como aval de garantía de funcionamiento.
2 Servicios del proveedor del producto: relaciona la capacidad del proveedor, bien sea local o nacional, para aportar servicios extras, como por ejemplo: organización, control, gestión y ventas de cursos de formación, aporte de recursos técnicos (materiales y humanos, etc.).
3 Colaboración complementaria: en este sentido, se refiere a la información que presta el suministrador para el desarrollo de programas. Actualmente los fabricantes vuelcan gran cantidad de información sobre sus productos en sus páginas webs, disminuyendo el soporte papel y la transmisión verbal, pero será importante conocer cómo está disponible esta información: idioma, organización, validez para resolver problemas reales, etc. No conviene olvidar que en ocasiones es necesario contratar a un asesor externo. Por tanto, la evaluación inicial de esta característica es bastante dificultosa, siendo más fácilmente evaluable a medida que se presentan los problemas en la automatización.
4 Normalización en planta: relaciona la capacidad del PLC para ser introducido en las instalaciones automáticas existentes en una planta y poder interactuar correctamente con el resto de dispositivos de la red. Tiene relación directa con la capacidad de soportar protocolos de comunicación, programación, instalación, arquitectura, etc. Actualmente, los fabricantes tienden a producir PLC que interpreten la mayor cantidad de estándares que permita ser compatible con otros PLC, sean o no del mismo fabricante y gama, de esta forma se va transformando la antigua filosofía de fidelizar al cliente en base a sus productos (arquitectura, protocolos de comunicación, etc.) incompatibles con otros fabricantes y a veces con los del propio fabricante cuando se cambiaba de gama y/o serie. De esta manera, la única forma de conseguir disponer de una planta normalizada era instalar siempre dispositivos del mismo fabricante.
5 Compatibilidad de producto: relaciona directamente la compatibilidad que posee el propio PLC con otros del mismo fabricante pero de distinta gama.
6 Coste: relacionando el coste del PLC con el resto de las cualidades cualitativas y con la experiencia e intereses del comprador, se obtiene un criterio que le permitirá determinar si el coste del PLC está justificado o no.
Nota
Los criterios cualitativos se refieren al valor añadido que posee el autómata en relación a los valores añadidos por el fabricante y proveedor del mismo.
Actividades
9. Como responsable de compras de una empresa instaladora, seleccione al menos tres criterios cualitativos a los que no estaría dispuesto a renunciar.
4. Aplicaciones
La aplicación de la automatización es una buena herramienta para aumentar la rentabilidad de los procesos industriales. Esta situación permite intuir que cualquier campo de aplicación o sector es susceptible de ser transformado en un sistema automatizado.
Por tanto, si se analiza el mundo industrial se pueden encontrar ejemplos de procesos simples hasta complejos. Asimismo los autómatas empiezan a cubrir sectores no industriales donde no era habitual su empleo, como por ejemplo el sector terciario o la edificación, aportando una disminución de costes, mayores prestaciones y flexibilidad de uso de las instalaciones o equipos que los contienen.
Definición
Sector terciario
Comprende aquellas actividades que no implican la producción de bienes materiales. Las empresas del sector terciario, de este modo, se dedican a la satisfacción de diferentes necesidades de las personas (servicios, construcción, etc.).
El diseño del autómata industrial le permite soportar las condiciones más severas o extremas que ofrecen los entornos industriales actuales. Por otro lado, está más capacitado para dialogar con un operador.
Utilizado como herramienta universal, se adapta bastante bien a las más heterogéneas utilizaciones, necesitando unas condiciones de puesta en servicio y explotación mínimas.
Generalizando en las aplicaciones del autómata industrial, se puede encontrar en aquellas aplicaciones en las se necesiten realizar procesos de maniobra, control, señalización, etc., en definitiva en procesos de fabricación industrial de cualquier tipo.
A continuación, se muestran ejemplos de aplicaciones de un autómata industrial.
| Control de maniobras de máquinas industriales | - Fábricas de la madera y del mueble.- Fábricas de cemento, arena, grava y derivados.- Industria del plástico.- Maquinas-herramientas complejas (CNC, taladros, etc.).- Maquinaria para ensamblaje.- Maquinas de transferencia o movimiento de materiales. |
| Maniobra de instalaciones | - Aire acondicionado y calefacción.- Seguridad.- Almacenamiento y transporte.- Plantas embotelladoras.- Plantas depuradoras: de agua residuales, residuos sólidos.- Industria automovilística.- Tratamientos térmicos.- Industria azucarera. |
| Automóvil | - Cadenas de montaje, soldadura, cabinas de pintura, etc.- Máquinas herramientas: tornos, fresadoras, taladradoras, robots, etc. |
| Plantas químicas y petroquímicas | - Control de procesos (dosificación, mezcla, pesaje, etc.).- Refinado, baños electrolíticos, oleoductos. |
| Metalurgia | - Control de hornos, laminado, fundición, soldadura, forja, grúas. |
| Alimentación | - Envasado, empaquetado, embotellado, almacenaje, llenado de botellas, etc. |
| Papeleras y madereras | - Control de procesos, serradoras, producción de conglomerados y de laminados, etc. |
| Producción de energía | - Centrales eléctricas, turbinas, transporte de combustible, energía solar (fotovoltáica, térmica y termosolar). |
| Tráfico | - Regulación y control: automovilístico, ferroviario, aeronáutico.- Accesos y estacionamiento de vehículos (parkings). |
| Domótica / inmótica | - Iluminación, humedad, temperatura ambiente, antirrobo, fluidos (gas, agua), depósitos, aljibes, eficiencia energética. |
| Fabricación de neumáticos | - Prensas para vulcanizados.- Armado de cubiertas neumáticas.- Extrusoras y/o mezcladoras de goma. |
| Transporte o desplazamiento de fluidos | - Procesos productivos donde el producto es: polvos en diferentes tipos y/o concentración, cementos, productos alimenticios, polímeros, petróleos y derivados (gas, aceites, etc.), refrigerantes. |
| Sistemas móviles | - Carritos automotores.- Puentes rodantes.- Sistemas de a bordo. |
A continuación, se presentarán algunos ejemplos gráficos de aplicaciones de los autómatas industriales, basadas en soluciones reales del fabricante Mitsubishi.
Este ejemplo corresponde a un proceso de llenado, envasado y conformado de envases de líquidos con implementación PackML.
Definición
PackML
Estandar de programación desarrollado en EE. UU. por la organización Organization for Machine Automation and Control (OMAC), promovido por la Association for Packaging and Procesing Technologies (PMMI) como asociación de fabricantes de maquinarias, y empleado por los fabricantes de procesos productivos basados en las cadenas de suministros con los siguientes objetivos principales: mayor fiabilidad en la ejecución del proceso, mejor integración en propia cadena, reducción de costes de ingeniería y ayuda para acortar el ciclo de los proyectos.
Para automatizar este proceso se ha empleado un autómata modular, compuesto de fuente de alimentación (FA), autómata (CPU) con funciones control de movimiento incluido, módulos de comunicaciones (COM), módulos de entrada y salida (E/S), y módulo de control de motores. El robot dispone de su propio autómata de control. Para la interacción entre el operario y el sistema se ha implantado un panel HMI.
El siguiente ejemplo corresponde a un proceso automatizado mediante PLC con control del movimiento y posición para unir dos tipos de tarjetas. La interoperatividad con el operario se realiza mediante los visualizadores (panel HMI y panel de operador), el control de velocidad corre a cargo del módulo de servomotor, y las informaciones de posición llegan al PLC por medio de los módulos E/S.
Aplicación práctica
Analizando una máquina automática de lavado de vehículos controlada por un autómata programable, razone qué tipo de sistema automático es y describa los elementos del mismo.
SOLUCIÓN
Corresponde a un sistema automático cíclico y repetitivo por tanto, secuencial.
Las entradas del PLC recibe la información del monedero o tarjetero, de los sensores de posición del vehículo, de los sensores de posición del secador y de los sensores posición de los cepillos, mientras que a las salidas del PLC se conectan el semáforo, las bombas de agua y jabón, secador, así como los motores de movimiento del carro y del elevador del secador.
El PLC controla el tiempo que cada salida permanece funcionamiento.
5. Interconexión con los elementos de campo
El autómata industrial actúa como uno de principales responsables del control de un proceso que recibe información tanto a nivel de dispositivos E/S, como de otros autómatas, robots, CNC, HMI, etc. Esta situación puede producir una gran variedad de soluciones técnicas cada una con sus ventajas e inconvenientes.
La tendencia hacia la normalización tanto de los dispositivos empleados como de los procesos productivos en sí, obliga a establecer un orden o jerarquía donde se puedan ubicar los distintos dispositivos en función de sus prestaciones. Esta jerarquía se describe a continuación.
5.1. Jerarquía de la automatización industrial
El modelo de producción CIM se aplica a las empresas que tratan de integrar, en mayor o menor medida y mediante el uso adecuado de ordenadores, todas las áreas de la empresa implicadas en los procesos productivos.
Con el objetivo de definir los distintos niveles que se pueden dar en dichos procesos productivos se crea la pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing), siguiente imagen, que intenta resumir de modo gráfico, la estructuración de los sistemas que intervienen en un entorno productivo.
De acuerdo a esta pirámide, una red de automatización industrial queda definida por cuatro niveles, donde cada dispositivo ocupa un nivel determinado por su función. Además se determinan las características de comunicación de los diferentes dispositivos en relación al tratamiento de la información.
A continuación, se detalla los distintos niveles:
1 Nivel 0: E/S. Nivel base del automatismo, denominado también nivel de instrumentación. En él se localizan los elementos de medida (sensores) y mando (actuadores) distribuidos a lo largo de la línea de producción. En este nivel la información se trata a nivel de bit.
2 Nivel 1: campo y proceso. En este nivel se sitúan los elementos que gestionan los dispositivos de nivel 0 (sensores y actuadores), tales como autómatas programables que controlan los automatismos propios de cada máquina, equipos de control de robots, equipos de control de máquinas- herramientas (CNC), equipos de control de movimientos (DSC), etc. La información es tratada a nivel de byte.
3 Nivel 2: celda y control. En este nivel se encuentra a autómatas que gestionan a los automatismos del nivel anterior o de campo. Pueden ser PLC de gran potencia. También se encuentran los equipos de gestión y supervisión basados en computadores o sistemas de visualización como pantallas industriales o sistemas SCADA. La información se transmite en forma de paquetes de datos.
4 Nivel 3: gestión y fabricación. En este nivel se localizarán los ordenadores encargados de la gestión de la información con la producción. Estos ordenadores, que reciben el nombre de estaciones de trabajo (en inglés Workstation), están caracterizados por disponer de altas prestaciones técnicas. Con el empleo de las estaciones de trabajo, se obtiene información de los niveles inferiores que permiten a la empresa diseñar sus acciones de producción, organización y ventas de los productos fabricados. La información ya no es de tipo industrial, por lo que debido al tamaño y tipo de la misma se utilizan formatos de paquetes de datos estándares en comunicaciones.
Nota
Los sensores miden las variables físicas que intervienen en el proceso productivo, mientras que los actuadores son los encargados de ejecutar las órdenes de los elementos de control para modificarlo.
En muchos procesos industriales la actividad de control solo se realiza a nivel de entrada/salida (E/S) y de campo.
Importante
El modelo CIM ofrece un sistema de gestión integral de los procesos productivos, desde el dispositivo más elemental que interviene hasta el que genera la información para las tomas de decisión.
Aplicación práctica
Para un proceso de mantenimiento, es necesario dotar de un autómata situado en una estación de tratamiento de aguas residuales que debe enviar datos de producción al Centro de Procesamiento de Datos. ¿De qué tipo de autómata se trata y en qué nivel del modelo CIM estaría situado?
SOLUCIÓN
El autómata debe corresponder a un equipo capaz de comunicar información en redes de comunicaciones convencionales (ethernet), por lo que sería de gama media-alta dependiendo de la capacidad de comunicación.
Este equipo operaría a nivel de célula y control.
Actividades
10. A nivel de automatización, ¿qué niveles cree que se pueden aplicar si automatiza su vivienda? Justifique su respuesta.
5.2. Interconexionado a nivel de dispositivo
Hasta el desarrollo de redes de comunicaciones industriales que se produjo en la década de los 80, la interconexión de los dispositivos de campo y sensor se realizan mediante cableado eléctrico formado por agrupaciones de conductores eléctricos de cobre denominados mazos.
Nota
La utilización de los mazos da origen a un tipo de conexionado conocido como punto a punto.
Las características técnicas, en cuanto a longitudes, secciones, cantidad de hilos, posición, etc., de estos mazos dependían del tipo de señal eléctrica que circulaba a través de ellos, y que generalmente sus terminaciones estaban preparadas para conexiones en borneros o a conector dedicado.
El diámetro de estos mazos estaba directamente relacionado con la cantidad de hilos que tenía que, a su vez, dependía del número de cables que tenía cada uno de los sensores o captadores conectados en su extremo. Esta situación podía provocar que en instalaciones de cierto tamaño hubiera que emplear una gran cantidad de hilos de cobre, con los costes de material, montaje y mantenimiento que conllevaba. No conviene olvidar que la ubicación y montaje del captador o sensor también influía en esos costes.
El bornero o conector dedicado, aunque se basaba en componentes convencionales electrónicos, era una implementación propia de cada fabricante, lo que lo relacionaba con el diseño de su correspondiente PLC, generalmente incompatibles con otros PLC.
Las características de estos dos elementos, mazos de cables y conectores, pueden obligar a disponer de armarios de montaje de cierta envergadura, con el coste equivalente. Otro incremento de coste se deriva de tomar las medidas necesarias para evitar los problemas generados por interferencias electromagnéticas, ruidos, etc., que dependen de las condiciones de instalación físicas de los conductores
El cambio de sistema multihilo a sistema basado en bus, reduce considerablemente los costes de la instalación, debido a las mejoras introducidas. Algunos de los cambios que se pueden destacar son los siguientes:
1 Los conductores están protegidos contra interferencias electromagnéticas y ruido.
2 El número de conductores empleado entre los dispositivos se reduce a dos o cuatro, según bus.
3 Empleo de conectores normalizados, por tanto, facilidad de montaje.
4 Facilidad para añadir nuevos dispositivos.
5 Independencia del fabricante del dispositivo.
Estas mejoras se traducen en una reducción de costes por explotación, montaje y mantenimiento de la instalación.
En la siguiente imagen se muestra cómo se interconexionan los buses de campo.
Las características técnicas de un sistema multihilo son parecidas a las empleadas en instalaciones eléctricas o de telecomunicaciones, mientras que las características técnicas de un sistema de bus están definidas por la norma correspondiente a ese bus.
Actividades
11. En un proceso pequeño, ¿qué tipo de bus de campo consideraría en función de costes?
