BI_TI_1_Introduc Diseño Estructurado
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CONTROL DISTRIBUIDO Universidad Politécnica de Valencia 1 TEMA: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURADO
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CONTROL DISTRIBUIDO
Universidad Politécnica de Valencia
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TEMA:
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO ESTRUCTURADO
CONTROL DISTRIBUIDO
Universidad Politécnica de Valencia
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OBJETIVOS:
Aprender a diseñar un automatismo de forma estructurada,considerando los diversos aspectos inherentes al mismo.
CONTENIDOS:
Introducción: Necesidades de la estructuración.
Tratamiento de Alarmas y Emergencias.
Ciclos de ejecución: Tipos.
Diseño estructurado.
Concepto de situación de un automatismo.
Orden de Forzado. Reglas de forzado.
Ejemplo de aplicación.
Indice
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Diseño Estructurado
Las necesidades de altos niveles de automatización en los procesosindustriales, asi como la dedicación en especial a tareas de seguridad,vigilancia y autodiagnóstico, imponen una complejidad creciente adichos sistemas. Dicha complejidad se manifiesta sobre todo en lasfases de concepción y diseño.
En estas fases del proceso de diseño, existen toda una serie deconceptos a considerar, teniendo en cuenta que el objetivo es obtenerla máxima disponibilidad y seguridad en el funcionamiento de lossistemas de control automático. Algunos de estos conceptos dependenen ocasiones de la naturaleza misma de dichos sistemas, pero engeneral existen unos que son comunes a casi todos ellos, tales como:la Seguridad, incluyendo con ello la posibilidad de que el sistemaejecute paradas de emergencia, los cambios de los Modos de Marchadel automatismo.
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La estructuración del modelo global
Por tanto, para un análisis inicial más adecuado y comprensible del
modelo global de estos sistemas, así como de su mantenimiento
posterior, es conveniente imponer su diseño de forma estructurada
teniendo en cuenta los diversos aspectos constitutivos del modelo
global.
La estructuración en diversos submodelos, permite realizar un diseño
más detallado de cada una de las tareas a atender por parte del
sistema de control, al tiempo que permite y facilita su representación
documentada de forma más comprensible y legible para su posterior
modificación o mantenimiento.
En el diseño de un sistema cualquiera la jerarquía entre los diversos
aspectos del modelo global viene dada por este orden, Seguridad,
Modos de Marcha y funcionamiento normal o Modo Producción.
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La Seguridad
Los dispositivos de control han de contar con los recursos necesarios
dedicados al objetivo de garantizar un buen comportamiento del
sistema en el caso de situaciones imprevistas, fallos, averías,
emergencias etc. Deben asegurar sobre todo, niveles adecuados de
seguridad para los operadores humanos al cargo de los sistemas, y de
las propias instalaciones industriales cuya reparación puede suponer la
dedicación de grandes recursos económicos.
Bajo el concepto genérico de la Seguridad, se engloba la capacidad
del sistema automatizado de minimizar la probabilidad de aparición de
fallos en su funcionamiento así como sus efectos. Definiciones más
precisas derivadas del concepto global definen :
• Seguridad: Ausencia de peligro para las personas e instalaciones.
• Fiabilidad: Es la probabilidad de funcionamiento del sistema en un instante
de tiempo determinado, en las condiciones especificadas.
• Disponibilidad: Ausencia de paradas como consecuencia de fallos del
sistema.
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La Seguridad : Tratamiento de Alarmas
En lo que respecta al tratamiento de alarmas y situaciones de
emergencia, es conveniente su clasificación a partir de criterios de
implementación tecnológica de los sistemas a tratar. Por ello las
alarmas atendiendo al grado de afectación pueden ser clasificadas
como:
• Alarmas Locales.
• Alarmas Generales.
Las alarmas locales, sólo afectarán parcialmente al sistema, de forma
que su efecto solo debe repercutir sobre un conjunto delimitado de
dispositivos tecnológicos o subsistema concreto.
Por el contrario, las alarmas de tipo general afectarán a la totalidad del
sistema y por lo general van a disponer de prioridad frente a las locales
anteriormente referidas.
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Tratamiento de Alarmas
Tanto las alarmas locales como las generales, pueden ser
implementadas mediante la introducción de una nueva variable
asociada según los siguientes casos:
a) Introducción de la variable asociada en las condiciones de
desactivación de la función lógica activadora/desactivadora de Etapa.
• En = Zp.Zt. (En-1.Tn-1 + En. En+1)
b) Introducción de la variable asociada en las funciones lógicas
asociadas a las receptividades.
c) Introducción de la variable asociada como condición adicional a la
ejecución de las acciones asociadas a las etapas.
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Tratamiento de Alarmas
Otra posible clasificación del tratamiento de alarmas de los sistemas
frente a situaciones de emergencia, se podría realizar si el sistema se
comporta utilizando los siguientes criterios:
• Sin secuencia de emergencia.
• Con secuencia de emergencia.
En el primero de ellos, el sistema ante una situación de alarma, se
limita a detener su evolución y suspende las operaciones básicas
asociadas a la etapa donde se produce la suspensión. Además,
pueden establecerse a partir de este criterio diversas variantes. Dos de
ellas serían:
• Inhibición de acciones.
• Congelación del automatismo.
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Tratamiento de alarmas en modo
“congelación”
En la modalidad de congelación del automatismo, la variable alarma participa
en las receptividades asociadas a las transiciones, de forma que su activación
impide su franqueamiento.Cuando la variable se desactiva, el sistema puede
continuar su evolución a partir de la etapa donde se produjo la alarma.
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Tratamiento de alarmas en modos
“inhibición” y forma combinada I/C
En la modalidad de inhibición de acciones, la aparición de la señal de alarma,
no detiene directamente la evolución del automatismo, sino que inhibe a las
propias acciones asociadas a las etapas.
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Secuencia de Emergencia
En ocasiones es conveniente forzar la evolución del sistema hacia una
secuencia de emergencia, constituida por una o más etapas, cuyas acciones
están orientadas a situar a los operadores y al proceso mismo en las mejores
condiciones posibles. Esta secuencia de emergencia, deberá ejecutarse ante la
activación de la señal de alarma asociada.
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Modos de Marcha
Bajo esta definición, se describen los diversos modos de
funcionamiento que pueden realizarse en los sistemas automatizados,
teniendo en cuenta que éstos han sido concebidos y establecidos en la
propia fase de diseño del sistema. Se excluye de esta definición todo
comportamiento no determinista del mismo.
El funcionamiento normal del automatismo es generalmente cíclico,
una clasificación es posible realizar a partir de que el sistema funcione:
• (a) Ejecutando el ciclo de forma indefinida a partir de una
autorización del operador.
• (b) Ejecutando el ciclo uno a uno con requerimiento de autorización
por parte del operador en cada ocasión.
• (c) Ejecutando por parte del operador un control permanente
permitiendo la activación de una o más etapas en cada autorización.
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Marcha ciclo a ciclo - Ciclo único.
En este modo de funcionamiento, cada ciclo necesita la autorización del
operador para ejecutarse. El control sobre la ejecución de cada uno de los
ciclos se lleva a cabo mediante la variable AC (arranque de ciclo), por lo que
se suele introducir en la receptividad asociada
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Funcionamiento Automático: Marcha ciclo
automático - Ciclos continuos.
En este modo de funcionamiento,
cuando se ejecuta la orden de
arranque de ciclo (AC), el sistema
permanece funcionando de forma
ininterrumpida, hasta que una
orden de parada normal, sea
efectuada.
La parada normal, en este modo de
funcionamiento detiene el sistema
al final del ciclo en curso a
diferencia de las paradas de
emergencia cuyo objeto es parar de
inmediato la ejecución del ciclo sea
cual sea su situación.
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Marchas de intervención
En este modo de funcionamiento se ejerce
un control estricto no ya sobre la ejecución de
un ciclo, sino sobre la ejecución de una etapa
o conjunto de ellas en un mismo ciclo.
Resulta ser la forma de operación utilizada
sobre todo en los procesos de ajuste y puesta
a punto de los sistemas automatizados,
mediante el cual se corrigen funcionamientos
imprevistos, fallos, averías o simplemente
asincronismos debidos a la distinta tecnología
utilizada en el funcionamiento de máquinas o
dispositivos de control.
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Diagramas de complejidad creciente
Debido a la
incorporación de
diversos objetivos en
el funcionamiento de
los sistemas
automatizados, sus
modelos tienden a
incrementar su
complejidad.
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Diseño mediante estructura jerarquizada
Representación jerarquizada del modelo de la parte de control.
• Realizar un diseño estructurado del sistema de control automático, consiste
en realizar una representación separada de los diversos aspectos del
funcionamiento del sistema, tales como paradas de emergencia asociadas
a la seguridad, modos de marcha, funcionamiento normal de producción,
etc., mediante la utilización de diagramas parciales que, de la forma más
exhaustiva posible modelan cada uno de estos aspectos.
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Partición de un Grafcet
Grafcet conexo:
• Se denomina Grafcet conexo, a un diagrama grafcet tal, que siempre
existe una unión orientada explícita entre dos de sus elementos
cualesquiera, etapa ó transición.
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Partición de un Grafcet
Grafcet parcial:
• Se denomina grafcet parcial a un
subconjunto de varios grafcets
conexos.
• Considerando las siguientes figuras:
• Cada uno de los grafcets: G1, G2 ó
G3 tomados aisladamente pueden
constituir un grafcet parcial.
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Situaciones de un grafcet
Concepto “Situación”
• Se corresponde al concepto de “marcado” utilizado en RdP.
Situación inicial:
• La situación inicial de un grafcet parcial se corresponde al conjunto de etapas activas en el instante inicial.
Situación corriente:
• La situación corriente de un grafcet parcial se corresponde con el conjunto de etapas activas en el instante considerado.
La situación corriente se anota {*}.
Situación vacia:
• La situación vacia de un grafcet parcial se corresponde con la situación en la que ninguna de sus etapas está activa.
La situación vacía se anota { }.
Situación dada:
• Se corresponde con la situación en la que sólo las etapas i,j,.... son activas.
La situación dada se anota {i,j,....}
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Variables de Situación
Resulta conveniente poder denominar una situación de forma que se
pueda hacer referencia en una orden de forzado.
La notación utilizada es:
• NS: GRn, {LE}
donde,
– NS es el nombre de la situación.
– GRn es el número de grafcet al cual pertenece NS.
– LE es la lista de etapas activas de GRn correspondientes a esa situación.
Ejemplo:
• RETORNO:G12, {10,11,17}
• Significa que la situación denominada RETORNO pertenece al grafcet
G12, en la cual sólo las etapas 10, 11 y 17 están activas.
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Representación jerarquizada mediante Grafcet
La representación jerarquizada de la parte de control puede realizarse
mediante un conjunto de grafcets parciales, cada uno de ellos
modelando los conceptos de Seguridad, Modos de Marcha y Modo
Producción.
El grafcet global debe describir exhaustivamente el comportamiento de
todo el sistema.
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Jerarquía y Forzado de situaciones
La jerarquía se establece por este orden, Seguridad, Modos de Marcha
y Modo Producción.
La jerarquía entre Grafcets parciales se establece mediante las
Ordenes de Forzado.
Las denominadas Ordenes de Forzado, permiten modificar la situación
de un grafcet parcial, estableciendo las condiciones de dependencia
entre los diversos grafcets, o mejor, entre los conceptos que estos
modelizan.
Una coherencia de conjunto, por la aplicación de dicha jerarquía,
asegurará el caracter determinista del sistema.
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Simbología gráfica de la Orden de Forzado
La orden de forzado se
corresponde con una orden de
carácter interno, de carácter
diferente de las salidas del sistema
descrito.
En la figura, la etapa En, del grafcet
jerárquico superior, ejecuta una
orden de forzado sobre el grafcet
parcial G3, al cual obliga a la
situación en la que las etapas 8 y
10 estarán activas.
Se mantendrá esa situación
mientras se encuentre activada la
etapa n. Se define como forzado de
tipo mantenido.
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Tipos de forzado
En la figura, la etapa En-1, ejecuta una orden de forzado múltiple de tipo mantenido sobre el grafcet parcial G5, al cual obliga a la situación en la que las etapas 4,8 y 10 estarán activas.
La etapa En, ejecuta una orden de forzado de tipo mantenido sobre el grafcet parcial G9, al cual obliga a la situación en la que todas sus etapas estarán desactivadas.
La etapa En+1, ejecuta una orden de forzado de tipo mantenido sobre el grafcet parcial G8, al cual obliga al bloqueo y mantenimiento de la situación alcanzada en ese momento.
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Forzado impulsional
Frente al forzado de tipo mantenido,
visto anteriormente, también se
considera el forzado de tipo
impulsional, que se indica
mediante la inclusión de una flecha
ascendente junto al símbolo F.
El forzado impulsional permite
posteriormente a la ejecución de la
orden de forzado, una evolución
dinámica propia en completa
libertad del grafcet forzado G5,
aunque permanezca activada la
etapa n.
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Orden de Forzado
La orden interna de forzado se aplica de un grafcet parcial sobre otro
grafcet parcial.
La orden de forzado, debe estar bien definida, con objeto de evitar
cualquier ambigüedad.
El concepto de jerarquía asociado a la orden de forzado, le confiere un
carácter prioritario sobre las reglas de evolución.
La coherencia de la jerarquía impone que:
• Si un grafcet fuerza a otro grafcet, lo recíproco es imposible.
• En todo instante de funcionamiento, un grafcet sólo puede ser forzado más
que por un único grafcet diferente.
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Reglas de evolución del Forzado
Regla nº1:
• El forzado es una orden interna, consecuencia de una evolución. Para una
situación que comporta una o varias ordenes de forzado, los grafcets
forzados tomarán inmediatamente y directamente la o las situaciones
impuestas.
Regla nº2:
• a) A toda aparición de una situación nueva, la aplicación del forzado es
prioritaria frente a toda actividad del modelo (evolución, afectación de las
salidas, etc.).
• b) Las reglas de evolución solo se aplicarán más que en una situación en la
cual el grafcet parcial forzado está en la situación impuesta por el grafcet
forzante.
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Estructura genérica de un Grafcet global
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Ejemplo de Diseño Estructurado
Se propone un sistema de taladrado simplificado donde los accionamientos proporcionan la rotación, el ascenso y el descenso. El posicionamiento de la pieza a taladrar se supone manual, al igual que el posicionamiento de un capó de protección.
Las especificaciones de funcionamiento se requieren funciones de producción y de seguridad, planteándose dos Modos de Marcha:
Modo Automático y Modo en Fallo, que deben incluir un estado de inicio y otro de producción normal para el primero, y un estado de fallo y otro de rearme para el segundo.
Al estado de fallo se debe poder ir desde cualquiera de los demás estados.
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Proceso de taladrado
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Especificaciones de funcionamiento
La descripción de los modos de marcha han de tener en cuenta las vertientes de producción y de seguridad, con dos modos principales:
1 – Modo ciclo a ciclo: Estado 1 y Estado 2
2 – Modo de fallo: Estado 3 y Estado 4.
Estado 1:
En este estado ha de ser posible la deposición y la reposición de la pieza, la parte de control deberá asegurar la seguridad de descenso de la broca en tanto en cuanto el capó de protección estará abierto.
Estado 2:
El pulsador “Arranque de Ciclo” permitirá la transición al estado 2 en el cual se efectuará el taladrado de la pieza. El fin de ciclo provocará el regreso al estado 1.
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Especificaciones de funcionamiento
Estado 3:
La activación de la “Parada de Emergencia”, debe conducir al estado
3, desde cualquiera que pudiera encontrarse el sistema. En este
estado los accionamientos son conducidos a la parada obligatoria.
Estado 4:
Si el capó esta cerrado la activación de la orden de “Rearme”
conducirá al sistema al estado 4, donde se reunirán las condiciones
iniciales necesarias cuya verificación conducirá al sistema al estado 1.
