Automatizacion De Procesos Industriales

Automatizaci´on de Procesos Industriales

Ingeniero de Organizaci´on. Curso 1o

Jose Mari Gonz´alez de Durana

Dpto. I.S.A., EUITI e ITT - UPV/EHU

Vitoria-Gasteiz

Febrero 2004

2

Indice

1 Introducci´on 7

1.1 Perspectiva hist´orica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 La empresa productiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.1 El proceso productivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.2.2 Operaciones b´asicas de fabricaci´on . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2.3 Tipos de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2.4 Ubicaci´on de los procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3 El proceso en feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3.1 El regulador de Watt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3.2 Esquema de regulaci´on en feedback . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3.3 El significado del control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3.4 El control en la empresa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4 La automatizaci´on industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.1 T´ecnicas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.4.2 Estructuras de automatizaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.4.3 Ventajas e inconvenientes de la automatizaci´on . . . . . . . . 22

1.4.4 Elementos de la automatizaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.5 Modelos matem´aticos de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.6 Modelado y simulaci´on de sistemas complejos . . . . . . . . . . . . . 25

1.6.1 Importancia del modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.7 Estructura del curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.7.1 Control de procesos continuos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.7.2 Control de procesos de eventos discretos . . . . . . . . . . . . 30

1.7.3 Automatizaci´on local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.7.4 Automatizaci´on global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

I Control de procesos continuos 33

2 Dise˜no de Controladores 35

2.1 Introducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2 Tipos de controladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.1 Controlador tipo proporcional P . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.2 Controlador tipo integrador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.2.3 Controlador tipo derivativo D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3

4 INDICE

2.2.4 Controladores PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.2.5 Controladores de adelanto y de retraso de fase . . . . . . . . . 39

2.3 M´etodos de dise˜no basados en el lugar de las ra´ıces . . . . . . . . . . 41

2.3.1 Dise˜no de una red de adelanto de fase . . . . . . . . . . . . . . 43

2.3.2 Dise˜no de un controlador PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.4 Dise˜no en el Lugar de las Ra´ıces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.4.1 Compensador de adelanto de fase . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.4.2 Consideraciones de dise˜no . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.4.3 Re-dise˜no. Compensador en serie . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.4.4 Compensador en realimentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.4.5 Compensador de retraso de fase en serie . . . . . . . . . . . . 56

2.4.6 M´axima fase de un controlador de adelanto . . . . . . . . . . . 56

2.5 Dise˜no en la respuesta de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2.5.1 El problema del dise˜no de feedback . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.6 Dise˜no en el Espacio de Estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.6.1 Asignaci´on de polos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.7 Sinton´ıa de controladores PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.7.1 Ajuste de los par´ametros del PID . . . . . . . . . . . . . . . . 67

II Control de procesos de eventos discretos 69

3 Sistemas booleanos 71

3.1 Dispositivos l´ogicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.2 Algebra de Boole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.2.1 Funciones booleanas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.2.2 Simplificaci´on de funciones booleanas . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3 Sistemas combinacionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.4 Sistemas secuenciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.5 M´aquinas de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.5.1 Aut´omata de Mealy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.5.2 Aut´omata de Moore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

3.5.3 Tablas de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.5.4 Diagramas de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.5.5 Dispositivos biestables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4 Sistemas reactivos 89

4.1 Modelos de sistemas productivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.2 Grafcet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.2.1 Reglas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.2.2 Estructuras b´asicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.2.3 Posibilidades avanzadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.2.4 Jerarqu´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.2.5 Comunicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.3 Cartas de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

INDICE 5

4.3.1 Stateflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

4.4 Creaci´on de un modelo con Stateflow–Simulink . . . . . . . . . . . . . 97

4.4.1 Elementos de una carta de estado . . . . . . . . . . . . . . . . 98

III Automatizaci´on Local 103

5 Automatismos 105

6 Automatismos el´ectricos 107

6.1 El rel´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.2 Funciones l´ogicas con rel´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.2.1 Funci´on l´ogica identidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.2.2 Funci´on l´ogica negaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.2.3 Funci´on l´ogica AND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.2.4 Funci´on l´ogica NAND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7 Aut´omatas programables 111

6 INDICE

Cap´ıtulo 1

Introducci´on

La Automatizaci´on se compone de todas las teor´ıas y tecnolog´ıas encaminadas de

alguna forma a sustituir el trabajo del hombre por el de la m´aquina. En este

cap´ıtulo daremos unas ideas muy generales sobre esta ´area, tan amplia y compleja,

y posteriormente las desarrollaremos a lo largo del curso.

Conceptualmente, la automatizaci´on se basa en una reiterada aplicaci´on del mecanismo

de feedback y, por ello, est´a en ese sentido relacionada con las Teor´ıas de

Control y de Sistemas. En cuanto a su aspecto tecnol´ogico, puede decirse que siempre

ha estado “a la ´ultima”, adoptando en cada momento hist´orico los m´as recientes

avances.

Siendo nuestro objetivo automatizar ciertos procesos, parece claro que primero

hemos saber c´omo funcionan esos procesos. Como veremos, el tipo de automatizaci

´on a implantar depende del tipo de porceso a automatizar: no da lo mismo

automatizar un proceso continuo que un proceso gobernado por eventos. Debido a la

gran cantidad de procesos distintos que funcionan actualmente, consideraremos s´olo

los m´as importantes desde el punto de de la automatizaci´on, y obtendremos modelos

con sus caracter´ısticas esenciales. Los procesos y modelos que iremos estudiando en

cap´ıtulos posteriores son:

• Procesos continuos (tiempo continuo y/o discreto)

• Procesos comandados por eventos

• Procesos de fabricaci´on

Aparte de las explicaciones dadas en clase sobre los procesos industriales y de su

estudio, puede ser un complemento interesante su observaci´on real, in situ, realizando

visitas a algunas empresas.

Pero no es suficiente con aprender a automatizar cada proceso. En una moderna

factor´ıa todos los procesos est´an conectados entre s´ı y desde la gesti´on de la empresa

se pueden controlar y supervisar algunos o todos los procesos, a trav´es de redes

locales y buses de comunicaci´on. Tambi´en pueden estar en conexi´on los diferentes

departamentos de la empresa, e incluso empresas diferentes a trav´es de redes propias

o de Internet. Es por ello interesante describir cada proceso como inscrito en el marco

7

8 CAP´ITULO 1. INTRODUCCI ´ON

jer´arquico que representa la estructura completa de la empresa. En este marco, las

redes locales y los buses de comunicaci´on cobran especial

...