Automatización de procesos agroindustriales - Introducción

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Automatización de
procesos agroindustriales
Francisco Casares
Profibus
ASI
Ciclo de SCAN
LON-WORK
CAN
SCADA
Transmisión
serie
RS-485
BUS DE CAMPO
ASI
HART
Señal
analógica
4-20 mA
ETHERNET
Bloque
de Función
OPC
Modulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Módulo II: Integración total en la automatización.
Módulo III: Visión general de sistemas abiertos.
Automatización de procesos agroindustriales
Programa Teórico:
Jerarquía de niveles en la tecnología de automatización
Estado actual: Automatización distribuida
Módulo I. Introducción : Sistemas de automatización.
Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida
Automatización Total o Integral
Una metodología de trabajo y una
filosofía de diseño de los sistemas de
automatización, producción y gestión
orientados a la mejora de los niveles de
calidad y la optimización de los
procesos
Módulo II: Integración total en la automatización.
Automatización
del Sistema
Análisis de la
gestión
Planificación
y Control
Arquitectura
Integradora
del Sistema
Automatización
Total

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Características de la solución buscada:
•Alta disponibilidad y recuperación entre caídas.
• Posibilidad de escalar en forma horizontal y
vertical.
• Administración centralizada.
• Fácilmente implementable.
• Alto nivel de modularidad.
Desventajas:
Solución de costoso crecimiento si no se acierta en
la elección de los componentes
Módulo III: Visión general de sistemas abiertos.
Módulo I.
Introducción : Sistemas de automatización.
Francisco Casares
- PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:
- CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN.
- TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN.
- TIPOS DE CONTROLES EN UN PROCESO.
- NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
- ESTANDARES DE SEÑALES ANÁLOGICAS
- FUNCIONAMIENTO DIGITAL DE UN SISTEMA: EL SISTEMA BINARIO
PRINCIPIOS DE AUTOMATIZACIÓN:
La AUTOMATIZACIÓN es la sustitución de la
acción humana por mecanismos, movidos por una
fuente de energía exterior, capaces de realizar
ciclos completos de operaciones que se pueden
repetir indefinidamente.
NECESIDAD DE AUTOMATIZACIÓN
• EVITAR TAREAS TEDIOSAS PARA EL SER HUMANO
• ABARATAR COSTES DE PRODUCCIÓN
• INCREMENTAR LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS
(ESTANDARIZACIÓN)
• ACORTAR LOS TIEMPOS DE INTRODUCCIÓN
DE UN NUEVO PRODUCTO EN EL MERCADO
Un sistema automático supone la existencia de:
Fuentes de energía
Órganos de mando ----> ordenan el ciclo a realizar.
(ordenadores, autómatas, etc)
Órganos de trabajo ----> ejecutan las acciones.
(Motores, pistones, resistencias, etc)
La utilización correcta de estos elementos presupone el
conocimiento de los elementos individuales y su funcionamiento,
así como las posibilidades de unión

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TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN
Según la naturaleza del automatismos empleado se
puede hablar de automatización:
- MECÁNICA
- NEUMÁTICA
- OLEOHIDRAULICA
- ELÉCTRICA
- ELECTRÓNICA
- MIXTA
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN
Según la naturaleza del automatismos empleado se
puede hablar de automatización:
- MECÁNICA
- NEUMÁTICA
- OLEOHIDRAULICA
- ELÉCTRICA
- ELECTRÓNICA
- MIXTA
AUTOMATIZACIÓN MECÁNICA
Compuesta por: Ruedas Dentadas, Poleas, Cremalleras,
Levas, Palancas, etc.
Inconvenientes: Sistemas complicados y de escasa
flexibilidad.
Ventajas: Montaje y mantenimiento económico.
Ejemplos típicos: Motores de combustión, relojes
mecánicos, etc.
TÉCNICAS DE AUTOMATIZACIÓN:
MÁQUINA DE VAPOR DE WATT (1819)
AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA
Generacion de movimientos lineales:
- Muy simple y económicos
- Longitud de trabajo 1-2 m máximo
- Fuerza limitada a 1000-2000 kg debido a la baja presión utilizado en el aire
comprimido (10 bares máximo).
Generacion de movimientos rotativos
- Simple y económico (eléctrica < neumática < hidráulica)
- Velocidad de rotación elevada
- Par disponible relativamente débil
- Rendimiento menor que los eléctricos equivalentes
- Compite con los motores eléctricos en el accionamiento de herramientas
manuales

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AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA
Inconvenientes: Mantenimiento del estado del aire.
Desembolso económico grande en la
instalación.
Ventajas: Sencillez.
Economía una vez instaladas.
Seguridad (interesante en zonas ATEX)
Ejemplos Típicos: Prácticamente la Totalidad de las
Automatizaciones Industriales, Tienen
Instalaciones Neumáticas .
AUTOMATIZACIÓN Hidráulica
Generacion de movimientos lineales:
- Muy simple
- Velocidad de trabajo pequeña (0,5 m/s)
- Fuerzas disponibles muy grandes de fácil regulación
- Instalación cara
- Longitud de trabajo desde algunos milímetros hasta decenas de metros.
Generacion de movimientos rotativos
- Simple
- Velocidad de rotación limitada
- Buen rendimiento y par elevado
- No son sobrecargables
- Campo definido en el cual son indiscutibles:
pocas revoluciones y gran par de torsión.
AUTOMATIZACIÓN HIDRÁULICA
Diferencias: Ejecución de las ordenes más lenta.
Desarrolla más trabajo.
Ejemplos Típicos: Prensas, Frenos y Dirección
de Automóviles.
AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA
Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste
reducido acumulación difícil
Órganos de mando: Relé, contactor, temporizador.
Órganos de trabajo:
Movimientos rotativos motor Excelente rendimiento
Velocidad limitada
Movimientos lineales electroimanes
Motores lineales
Ejemplos Típicos: apagados/encendidos de luces.
AUTOMATIZACIÓN ELÉCTRICA-ELECTRONICA
Fuente de energía: Transmisión fácil y rápida, coste
reducido acumulación difícil
Órganos de mando: Ordenador, Autómata programable.
Órganos de trabajo:
Movimientos rotativos motor Excelente rendimiento
Velocidad limitada
Movimientos lineales electroimanes
Motores lineales
Ejemplos Típicos: Cualquier proceso industrial.
AUTOMATIZACIÓN MIXTA
En un campo de actuación concreto no se encuentra una
técnica de automatización en solitario, funcionan varias
técnicas a la vez íntimamente relacionadas, unas como
órganos de mando, otras como órganos de trabajo, siendo la
propia aplicación quien efectúa la selección.

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Criterio Neumática Hidráulica Electricidad
Fuerza lineal Fuerzas limitadas, debido a
la baja presión y al
diámetro del cilindro
(50.000 N). Produce fuerza
en reposo sin consumo de
energía.
Grandes fuerzas
utilizando alta presión.
Produce fuerza en
reposo con consumo
de energía.
Mal rendimiento; gran
consumo de energía en la
marcha en vacío. No
produce fuerza en reposo.
Fuerza
rotativa
Par de giro en reposo
también sin consumo de
energía.
Par de giro también en
reposo, originándose
consumo de energía.
Par de giro más bajo en
reposo.
Seguridad
frente a las
sobrecargas
Sí, se para. Vuelve a
moverse cuando se elimina
la sobrecarga.
Sí, se para. Vuelve a
moverse cuando se
elimina la sobrecarga.
No, se estropea.
Movimiento
lineal
Generación fácil; alta
aceleración; alta velocidad
(1,5 m/s y más).
Generación fácil
mediante cilindros;
buena regulabilidad.
Complicado y caro.
Movimiento
rotativo u
oscilante
Motores neumáticos con
muy altas revoluciones
(500.000 min
-1
); elevado
coste de explotación; mal
rendimiento; movimiento
oscilante por conversión
mediante cremallera y
piñón.
Motores hidráulicos y
cilindros oscilantes
con revoluciones más
bajas que en la
neumática; buen
rendimiento.
Rendimiento más
favorable en
accionamientos rotativos;
revoluciones limitadas.
Regulabilidad Fácil regulabilidad de la
fuerza y de la velocidad,
pero no exacta.
Regulabilidad muy
buena y exacta de la
fuerza y la velocidad
en todo caso
Posible sólo
limitadamente siendo el
gasto considerable
Acumulación
de energía y
transporte
Posible, incluso en
apreciables cantidades sin
mayor gasto; fácilmente
transportable en conductos
(1.000 m) y botellas de aire
comprimido.
Acumulación posible
sólo limitadamente;
transportable en
conductos de hasta
unos 100 m.
Acumulación muy difícil y
costosa, fácilmente
transportable por líneas a
través de distancias muy
grandes.
Comparación de los medios de trabajo
entre las diversas técnicas
Influencias
ambientales
Insensible a los cambios de
temperatura; ningún peligro
de explosión; hay peligro
de congelación existiendo
elevada humedad
atmosférica.
Sensible a las
fluctuaciones de
temperatura; fugas
significan suciedad y
peligro de incendio.
Insensible a las
fluctuaciones de
temperatura; en los
ámbitos de peligrosidad
hacen falta instalaciones
protectoras contra
incendio y explosión.
Gastos de
energía
Alto en comparación con la
electricidad; 1 m
3
de aire
comprimido a 6 bar cuesta
de 0,006 a 0,012 euros.
Alto en comparación
con la electricidad.
Gastos más reducidos de
energía.
Manejo No requiere de
especialistas ni en
ejecución ni en
mantenimiento. No
presenta peligros.
Requiere de
especialistas. Precisa
conducciones de
retorno.
Sólo con conocimientos
técnicos; peligro de
accidente; la conexión
errónea causa a menudo
la destrucción de los
elementos y del mando.
Criterio Neumática Hidráulica Electricidad
Fuerza lineal Fuerzas limitadas, debido a Grandes fuerzas Mal rendimiento; gran
Comparación de los medios de trabajo
entre las diversas técnicas
Las señales de mando son independientes de los órganos receptores
TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO:
OPERARIO
CONSIGNAS
ORDENES
SISTEMA DE
CONTROL ACTUADORES
PROCESO
Producto de
entrada
Producto
terminado
Control en lazo abierto:
perturbaciones
El sistema de control no recibe información del
comportamiento del proceso
Las señales de mando dependen de los órganos receptores
TIPOS DE CONTROLES DE UN PROCESO:
OPERARIO
CONSIGNAS
ORDENES
SISTEMA DE
CONTROL ACTUADORES
PROCESO
Producto de
entrada
Producto
terminado
Control en lazo cerrado:
perturbaciones
sensores
Existe una realimentación a través de los sensores al sistema de control

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NIVELES EN LA AUTOMATIZACION DE PROCESOS
Ejemplo: Almazara
PATIO
Batidora
Ejemplo: Almazara
PATIO
Batidora
Islas de
automatización
Gestión ?
Control ?
Todos los dispositivos y sistemas deben estar
integrados en una solución automatizada
conjunta, donde se alcance la uniformidad en
el almacenamiento de datos, configuración,
programación e incluso la comunicación.
Ejemplo: Almazara
Arquitectura
integradora
Automatización
del Sistema Gestión
Arquitectura
Integradora
del Sistema
Planificación
y Control
Debe de haber una arquitectura integradora que enlace los diferentes
aspectos que nos podamos encontrar mediante uno/ o varios sistemas
de comunicación que permita la interrelación entre ellos
Es, decir si se desea tender a una gestión integral es necesario que
todos y cada uno de los aspectos de la gestión sean concebidos para
su intercomunicación con el resto.
Arquitectura
Integradora del
Sistema

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Niveles de Automatización en la Arquitectura distribuida
Jerarquía descentralizada con inteligencia distribuida
Nivel de Célula
Nivel de campo
“Situacion actual”
de la tecnología de automatización
Ejemplo: Almazara genérica
Fabrica
Áreas
Células
Maquinas
- Se subdivide la fabrica en Áreas funcionales.
- Cada área se divide en tareas coherentes
autónomas (células).
- Cada célula se puede dividir en células más
pequeñas hasta llegar a nivel de maquina.
Así se puede diseñar el control de cada parte para que tenga una
respuesta eficiente y la existencia de fallos no haga caer al
sistema
- Se describe el funcionamiento de cada áreas, con
entradas y salidas eléctricas, así como las
necesidades de comunicación con otros elementos.
- Se define la arquitectura integradora
ALMAZARA
ÁREASFÁBRICA
Ejemplo: Almazara genérica Áreas
Caldera
Oficinas
Bodega
Fábrica
Patio
ALMAZARA
CÉLULASÁREASFÁBRICA
Ejemplo: Almazara genérica Áreas Células
Línea de
recepción
patio
Área patio
Línea de
recepción
patio
Varias líneas en paralelo haciendo la misma función células

8
Célula de CalefacciónCaldera
Célula de AdministraciónOficinas
Célula de Almacen. de AceiteBodega
Célula de Aclarado
Línea de Extracción n
........
Línea de Extracción 2
Fábrica
Almacen. previo Molturación
Báscula de Pesaje de Camiones
Línea de Recepción n
........
Línea de Recepción 2
Patio
ALMAZARA
Ejemplo: Almazara genérica Áreas Células
Célula de CalefacciónCaldera
Célula de AdministraciónOficinas
Célula de Almacen. de AceiteBodega
Célula de Aclarado
Línea de Extracción n
........
Fábrica
Almacen. previo Molturación
Báscula de Pesaje de Camiones
Línea de Recepción n
........
Patio
ALMAZARA
Ejemplo: Almazara genérica Áreas Células Maquinas
Célula: Línea de recepción patio
Máquinas Lavadora
Limpiadora
etc
xx xx xx
xx xx xx
Xx xx xx
Sensores Actuadores TAG
Célula: Línea de recepción patio
Lavadora
Limpiadora
etc
xx xx xx
xx xx xx
xx xx xx
Sensores Actuadores TAG
Total xx xx xx
Se elige el autómata que controla la célula
Se planifica las comunicaciones
PLANO DE LA INSTALACION
FLUJO DE DATOS
Se debe describir el flujo de datos de las
diferentes estaciones conectadas.
Para cada flujo:
- Mostrar el volumen y la frecuencia
- Calcular el ancho de banda necesario
Para crear grupos y, de este modo, determinar el
uso de los conmutadores, se debe crear una
tabla con todas las estaciones
redundancia

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Jerarquía de niveles en la tecnología de
automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
automatización
CELULA
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto
sobre el que se articulan las estrategias de automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
(Nível de fabrica)
(Nível de Área)
Características de la solución buscada:
•Alta disponibilidad y recuperación entre caídas.
• Posibilidad de escalar en forma horizontal y
vertical
• Administración centralizada
• Fácilmente implementable
• Alto nivel de modularidad

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Necesario la realización de un estudio de implantación
previo, ya que se deben identificar los procesos
autónomos, asignar elementos a cada proceso y diseñar el
modelo de intercomunicación para responder a las
necesidades del problema planteado.
Solución de costoso crecimiento si no se acierta en la
elección de los componentes.
Desventajas:
automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
Fabrica
Áreas
Células
Maquinas
automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
Sistemas participantes diferentes mas
importantes:
Autómatas programables
Comunicación industrial
SCADA
Software industrial (de programación autómatas, etc)
1970-1980 control centralizado
Grandes autómatas
E/S
E/S
•Lógica solo en el controlador
•No hay ninguna tolerancia a fallos del PLC
•Posibilidad de escalar limitada
E/S
Área 3Área 2
Área 1
Historia del control
PLC
1990’s Aparecen islas de automatización
PLC
PLC
1997 Empiezan a aparecer buses de comunicación Industrial.
La tolerancia a fallos aumenta.
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas
simples
Se puede escalar
horizontalmente y
verticalmente
PLC
2000 Se desarrollan los
ordenadores industriales.
PLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas
simples
Nivel: Gestión
Ethernet Industrial

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PLC
PLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas
simples
Nivel: Gestión
Ethernet Industrial
ASI HART
Nivel:
Actuador/Sensor
PLC
PLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Proceso
Nivel: Maquinas
simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel:
Actuador/Sensor
Estado
de la
automatización:
Control
descentralizado con
Inteligencia
distribuida
PLCPLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Maquinas
simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel:
Actuador/Sensor
Mantenimiento
Produccion
Sistemas
Distribuidos PLCPLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Maquinas
simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel:
Actuador/Sensor
Mantenimiento
Produccion
PLCPLC
PLC
Modbus
Profibus
Nivel: Maquinas
simples
Nivel: Gestión
Ethernet
ASI HART
Nivel: Actuador/
Sensor
Mantenimiento
Produccion
Los sistemas de comunicación proporcionan el esqueleto
sobre el que se articulan las estrategias de automatización
automatización
Nivel de Célula
Nivel de campo
¿Qué elementos principales participan en esta arquitectura?

12
automatización
Sistemas participantes diferentes más
importantes:
Autómatas programables
Comunicación industrial
SCADA
Software industrial
Nivel Físico
Protocolo
Sensores

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