TEMA 1_2_Automatizacion y Control Conceptos

8/18/2019 TEMA 1_2_Automatizacion y Control Conceptos

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GRADO EN ARQUITECTURA NAVALE INGENIERÍA MARITIMA

ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA DE

CONTROL APLICADA AL BUQUE

CONCEPTOS DE

AUTOMATIZACIÓN Y SISTEMAS

DE CONTROL


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Contenido

1. AUTOMÁTICA Y AUTOMATIZACIÓN ......................................................... 3 2. FUNCIONES Y FACTORES QUE FAVORECEN LA APARICIÓN DELA AUTOMATIZACIÓN ............................................................................................ 4 3. EVOLUCIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓNNAVAL Y SITUACIÓN ACTUAL ............................................................................. 5 4. SISTEMAS DE CONTROL ............................................................................ 7 4.1. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO .......................................... 8 4.2. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO ....................................... 8 5. SEÑALES DE ENTRADA / SALIDA DE UN SISTEMA DE CONTROL . 9 6. TECNOLOGÍAS Y MODELOS .................................................................... 10

7.

AUTOMATISMOS CABLEADOS Y AUTOMATISMOSPROGRAMABLES ................................................................................................... 11 8. FASES DEL PROYECTO DE UN SISTEMA DE CONTROL ................ 18


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1. AUTOMÁTICA Y AUTOMATIZACIÓN

La automática es el estudio de los métodos y procedimientos para sustituir aloperador humano por un operador artificial, en la generación de una tarea física

o mental, previamente programada. (Real Academia de Ciencias Exactas,Físicas y Naturales)

La automatización es el estudio y aplicación de la automática al control de losprocesos.

La automatización supuso una segunda fase en el desarrollo de las máquinas.Primero aparecen las máquinas para sustituir y eliminar el esfuerzo del hombre,y en segundo lugar aparece la necesidad de realizar su puesta en marcha,regulación, control y parada.

El objetivo de la automatización es incorporar un dispositivo tecnológico que seencargue de controlar el funcionamiento de una máquina, instalación o sistema.

La automatización establece un LAZO CERRADO entre los elementos decontrol y la instalación.

Mediante sensores y capatadores se miden los parámetros a controlar de lainstalación, maquinaria o sistema. Las señales de los sensores y captadores seconectan a las entradas del sistema de automatización, donde son analizadas.El sistema de automatización determina las ordenes a enviar a la instalación,mediante un software (sistemas programables) y/o hardware específico(sistemas eléctricos/electrónicos clásicos) que contiene el algoritmo de control.Estas órdenes son enviadas a la planta a través de los correspondientesactuadores y accionadores, conectados a las salidas del sistema deautomatización.

Supongamos una instalación de aire comprimido, donde se desea mantenerdentro de unos límites establecidos la presión del aire comprimido dentro de

una botella a presión.


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La presión de la botella se mide mediante los correspondientes sensores /transmisores de presión (captadores) instalados en la botella de aire, los cualesse conectan a las entradas del sistema de automatización. Si la presión cae pordebajo del límite inferior, el sistema de automatización ordena la puesta enmarcha del compresor de aire que rellena la botella. El compresor arranca

mediante un motor eléctrico, controlado por un contactor eléctrico (actuador),comandado por una salida del sistema de automatización. Si la presión subepor encima del límite superior, el sistema de automatización para el compresor,desactivando el contactor eléctrico (actuador) que controla el motor eléctricodel compresor.

2. FUNCIONES Y FACTORES QUE FAVORECEN LAAPARICIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN

Los principales factores que favorecieron la aparición de la automatizaciónfueron:

- Económicos: Mediante los sistemas de automatización se reduce lamano de obra, ya que son sistemas capaces de actuar automáticamente

sin necesidad de intervención continua de un operador.

- Calidad: La respuesta de un sistema automático previamenteprogramado o diseñado para una determinada tarea, evita los erroreshumanos que se pueden ocasionar por la toma de decisiones sobre lamarcha de un operador. El automatismo siempre está operativo al 100%,ejecutando una tarea fija previamente programada. En cambio, unoperador humano puede estar condicionado por factores sociales,fisiológicos y de salud, que pueden conllevar a errores de manipulación.


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- Seguridad laboral: Los sistemas automáticos potencian la seguridadlaboral, ya que evitan la operación directa del operador sobre lamaquinaria a controlar.

Por lo tanto, en función de estos factores, las funciones básicas de un sistema

de automatización son:

- Aumento y control de la producción.

- Mejora de la calidad.

- Supresión de trabajos peligrosos.

- Información de los procesos en tiempo real

3. EVOLUCIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN EN LACONSTRUCCIÓN NAVAL Y SITUACIÓN ACTUAL

Los primeros sistemas de automatización se desarrollaron con la revoluciónindustrial, basados casi exclusivamente en componentes mecánicos yelectromecánicos, básicamente engranajes, palancas, relés y pequeñosmotores.

La complejidad creciente de la maquinaria y de los sistemas en el buque obliga

a automatizar su vigilancia y control.

Los sistemas de automatización en los buques han ido evolucionandoconforme al avance tecnológico de la rama de la ingeniería de la electrónica yautomática de control:

- Lógica de relés. Permiten implementar automatismos sencillos en elnivel más bajo de control

- Tarjetas electrónicas con componentes discretos (Transistores,diodos,...). Permiten establecer circuitos de control y regulación

sencillos, con una función específica para una determinada aplicación.Se desarrollaron a partir de los años 50 del siglo XX, con el desarrollo delos componentes discretos basados en semiconductores. Permitieron eldesarrollo de sistemas de menor tamaño, más rápidos y de menordesgaste que los primitivos sistemas basados en componenteselectromecánicos (relés, contactores, motores ..).

- Tarjetas electrónicas con C.I. de baja densidad (TTL, CMOS,...).Permiten establecer circuitos de control y regulación sencillos, con unafunción específica para una determinada aplicación. Los circuitosintegrados discretos permitieron reducir considerablemente el tamaño de

los equipos electrónicos de regulación y control. En la década de lossetenta del siglo XX, la complejidad y las prestaciones de los sistemas


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de automatización se incrementaron gracias al empleo de los circuitosintegrados.

- Tarjetas electrónicas con C.I. de alta densidad (Micros, ASIC,...).Permiten establecer circuitos de control y regulación complejos, con una

función específica para una determinada aplicación. El desarrollo de loscircuitos integrados tipo programable basados en microprocesadorespermitieron implementar complejos algoritmos de cálculo en los sistemasde automatización.

- Ordenadores Industriales. Permiten implementar sistemas integrados decontrol, adaptables a los cambios de la planta. Requerían de expertos enprogramación, y tenían un coste elevado.

- Autómatas Programables. Sistemas flexibles de automatización,programables por el usuario, fácilmente integrables en grandes sistemas

de automatización y control, igualmente adaptables a los cambios de laplanta. Son fácilmente programables por personal no experto eninformática. La demanda de sistemas económicos, robustos, flexibles,fácilmente modificables y adaptados a ambientes industriales, hizo quese desarrollasen los autómatas programables industriales (API), o PLC.Los autómatas actuales han mejorado sus prestaciones respecto a losprimeros, a base de incorporar juegos de instrucciones más potentes,alta velocidad de respuesta y capacidad de comunicación. Los juegos deinstrucciones incluyen, aparte de las operaciones lógicas de bits,temporizadores y contadores, otra serie de operaciones lógicas conpalabras, operaciones aritméticas, tratamiento de señales analógicas,funciones de comunicación y una serie de funciones de control nodisponibles en la tecnología clásica con relés. Las principales virtudes delos autómatas programables son: su robustez, su facilidad deinterconexión con el proceso, facilidad de adaptarse a los cambios delproceso, la comunicación con otros autómatas y con los ordenadores degestión y control de la planta.

Por otro lado, las Sociedades de Clasificación determinan el nivel deautomatización de un buque para poder obtener una determinada notación de

clasificación, como puede ser la notación de máquina desatendida: AUT Bureau VeritasUMS Lloyd’s Register ACC American Bureau of ShippinigEO Norske Veritas

El desarrollo tecnológico, y en especial el empleo de los autómatasprogramables, han permitido maximizar la automatización de los buques, con lacual se obtienen las siguientes ventajas:

- Aumento de la seguridad.


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- Disminución del trabajo exigido al personal.

- Mejor conocimiento del estado del buque.

- Mejor rendimiento de la instalación.

- Mejor empleo de la maquinaria.

- Mayor vigilancia del buque y flete.

- Reducción de gastos de explotación.

- Según el nivel de control automático requerido, se utiliza una de lastecnologías descritas anteriormente:

o Lógica de relés, para funciones primarias.o Autómatas Programables, para funciones complejas.o Redes industriales de ordenadores y autómatas programables

para el control y monitorización de sistemas.

4. SISTEMAS DE CONTROL

Podríamos definir el control como la manipulación indirecta de las magnitudesde un sistema denominado planta a través de otro sistema llamado sistema decontrol.

El objetivo de un sistema de control es el de gobernar la respuesta de unaplanta, sin que el operador intervenga directamente sobre sus elementos desalida. Dicho operador manipula únicamente las magnitudes denominadasconsigna y el sistema de control se encarga de gobernar dicha salida a travésde los accionamientos.

El sistema de control, en general, opera con magnitudes de baja potencia,llamadas genéricamente señales, y gobierna unos accionamientos que son losque modulan realmente la potencia entregada a la planta.


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4.1. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO

En un sistema de control en lazo abierto el conjunto de sistema de control y

accionamientos se limita a ser un convertidor amplificador de potencia, queejecuta las órdenes dadas a través de las magnitudes de consigna. Este tipo desistemas de control se denominan en lazo abierto, por el hecho que no recibeningún tipo de información del comportamiento de la planta.

4.2. SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO

Lo habitual, sin embargo, es que el sistema de control se encargue de la tomade ciertas decisiones ante determinados comportamientos de la planta,hablándose entonces de sistemas automáticos de control, o sistemas en lazocerrado. Para ello se requiere la existencia de unos sensores que detecten el

comportamiento de dicha planta y de unas interfaces para adaptar las señalesde los sensores a las entradas del sistema de control.

Este tipo de sistemas se denominan en lazo cerrado ya que como se muestraen el siguiente esquema tienen una cadena directa de control y un retorno orealimentación, formando un lazo de control.


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Así pues, en el caso más general, podremos dividir el sistema de control en lossiguientes bloques:

- Unidad de control.- Accionamientos.

- Sensores.- Interfaces.

5. SEÑALES DE ENTRADA / SALIDA DE UN SISTEMA DECONTROL

Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso, los sistemasde control pueden dividirse en los siguientes grupos:

- Sistemas analógicos.- Sistemas digitales.- Sistemas híbridos, analógicos-digitales.

Los sistemas analógicos trabajan con señales de tipo continuo, con un margende variación determinado. Dichas señales suelen representar magnitudesfísicas de la planta, tales como presión, temperatura, velocidad, etc .., medianteuna tensión o corriente proporcionales a su valor (0-10V, 4-20 mA, etc ..).

Los sistema digitales, en cambio, trabajan con señales todo o nada, llamadastambién binarias, que sólo pueden representar dos estados o niveles: abierto /cerrado, conduce / no conduce, mayor / menor, marcha / paro … Estos niveles

o estados se suelen representar por variables lógicas o bits, cuyo valor sólopuede ser 1 ó 0, empleando la notación binaria del álgebra de Boole.

Dentro de los sistema digitales podemos distinguir dos grupos: los que trabajancon variable de un solo bit, denominados habitualmente automatismoslógicos, y aquellos que procesan señales de varios bits, para representar, porejemplo, valores numéricos de variables o contenido de temporizadores,contadores, etc. A estos últimos se les denomina genéricamenteautomatismos digitales.

Los sistemas de control actuales con un cierto grado de complejidad son casi

siempre híbridos. No obstante, se tiende a que la unidad de control seatotalmente digital y basada en microprocesadores, que aporta la capacidad decálculo necesaria para tratar las señales todo o nada en forma de bits y lasseñales analógicas en forma numérica, varios bits (conversiónanalógica/digital).

Las interfaces de estas señales analógicas deben realizar una conversiónanalógico-digital (A/D), para que puedan ser tratadas por la unidad de control.

Puede ser necesario también disponer de señales analógicas de salida, paraciertos indicadores o para el control de ciertos servosistemas externos. En tal

caso el sistema de control debe disponer también de interfaces para conversión


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digital-analógica (D/A), capaces de suministrar dichas señales a partir de losvalores numéricos obtenidos por la unidad de control.

La siguiente figura muestra esquemáticamente los tipos de señales que nospodemos encontrar en un sistema de control digital:

6. TECNOLOGÍAS Y MODELOS

Tecnologías:

En los automatismos encontramos habitualmente una diversidad decomponentes o subsistemas de tipo mecánico, hidráulico, neumático, eléctrico,

electrónico o de cualquier otra índole física o química.

De forma que los automatismos combinan múltiples tecnologías, con lo cual esnecesario manejar un lenguaje común para la coordinación e integraciónóptima de todas ellas en el sistema.

La ligazón entre todos los subsistemas tecnológicamente distintos la realizanlos sensores, actuadores e interfaces.

Modelos:

El ingeniero necesita un modelo independiente de la tecnología, que le permitatratar todos los subsistemas con una metodología común, sea cual sea suprincipio tecnológico.

El modelado de los subsistemas permite tratar cada componente o subsistemacomo una “caja negra” a la que se le asocia una función de transferencia querelaciona las magnitudes de salida de interés con las magnitudes de entrada yque, por tanto, permite predecir su comportamiento una vez conocido su estadoinicial y las señales de entrada aplicadas.


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El modelado permite representar mediante un simbolismo común elementos dediversas tecnologías, que a pesar de su diversa índole, para el diseñadorparecen homogéneos.

Para automatismos lógicos se estudia el modelo común del Álgebra de Boole

y del GRAFCET.

Los sistemas de control puramente analógicos se analizan mediante laherramienta matemática de la Transformada de Laplace.

La siguiente figura muestra a modo de ejemplo la tecnología neumática y sueléctrica equivalente, así como su correspondiente modelado mediante el Álgebra de Boole:

7. AUTOMATISMOS CABLEADOS Y AUTOMATISMOSPROGRAMABLES


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Los autómata programables se han impuesto a la lógica clásica con relés, eincluso a los equipos construidos con circuitos integrados, debido a laposibilidad de realizar funciones muy diversas con un mismo equipo (hardwareestándar) cambiando únicamente un programa (software).

Podemos entonces clasificar los sistemas de control en dos grandes grupos:

- Sistemas cableados (poco adaptables): Realizan una función de controlfija, que depende de los componentes que lo forman y de la forma enque se han interconectado. Por lo tanto la única forma de alterar lafunción de control es modificando sus componentes o la forma deinterconectarlos.

Esquema típico de lógica cableada

Armario de control implementado con lógica cableada a base de relés


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- Los sistemas programables, en cambio, pueden realizar distintasfunciones de control sin alterar su configuración física, sino sólocambiando el programa de control.

Arquitectura de un sistema de control basado en autómatas programables

Armario de control implementado con autómata programable

En el autómata, el atributo programable hay que interpretarlo comoprogramable por el usuario, con lo cual se obtiene los beneficios de un equipo

multifunción con un hardware fijo.


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Su base es un equipo basado en microprocesadores, al cual se le haincorporado un programa intérprete, capaz de alterar la función detransferencia salida / entrada en base de un programa de usuario.

Las ventajas e inconvenientes de los automatismos programables frente a los

automatismos cableados son las siguientes:

CARACTERISTICA LOGICACABLEADA

LOGICAPROGRAMABLE

Flexibilidad de adaptación al proceso Baja AltaHardware estándar para distintas aplicaciones No SíPosibilidades de ampliación Bajas AltasInterconexiones y cableado exterior Mucho PocoTiempo de desarrollo del proyecto Largo CortoPosibilidades de modificación Difícil Fácil

Mantenimiento Difícil FácilHerramientas para pruebas No SíStocks de mantenimiento Medio BajoModificaciones sin parar el proceso “on-line” No SíCoste para pequeñas series Alto BajoEstructuración en bloques independientes Difícil FácilVolumen Alto BajoConsumo Alto BajoVelocidad Baja AltaInterconexión de varios procesos Difícil FácilDesgaste Alto Bajo

Robustez Alta Baja Ampliación Difícil FácilFlexibilidad Poca AltaPersonal especializado Poco MedioFunciones Lógica

combinacional ysecuencial debits.

Lógicacombinacional ysecuencial debits.Instruccionesaritméticas.

Reguladores.Textos.Gráficos.Comunicaciones.Softwareestándar.

El autómata programable es la unidad de control, incluyendo total oparcialmente las interfaces con las señales del proceso. Se trata de un sistemacon un hardware estándar, con capacidad de conexión directa con las señales

de campo (niveles de tensión y corriente industriales) y PROGRAMABLE POREL USUARIO (no requiere expertos en informática).


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Al conjunto de señales de consigna y de realimentación que entran en elautómata se les denomina genéricamente entradas, y al conjunto de señalesde control obtenidas se las denominan salidas, pudiendo ser ambasanalógicas o digitales.

El concepto de hardware estándar que se viene indicando para el autómata secomplementa con el de modularidad, entendiendo como tal el hecho de queeste hardware está fragmentado en partes interconectables que permitenconfigurar un sistema a medida.

Hay autómatas compactos que incluyen una unidad de control y un mínimo deentradas y salidas, y que disponen de unidades de expansión que le permitenllegar hasta 128/256 entradas/salidas.

Autómata compacto

También hay autómatas modulares, construidos sobre un rack, conposibilidades de manejar más de 2000 entradas/salidas controladas por una o

varias CPU.

Autómata modulas con una CPU

Autómata modulas multi CPU


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La siguiente tabla resume a grandes rasgos las características de estas dosopciones:

AUTOMATAS COMPACTOSMODULARES

CPU UNICA VARIAS CPU

Nº DE CPU 1 1 VariasNº DE E/S 8 a 256 128 a 1024 >1024INSTRUCCIONES < 100 100PASOS DEPROGRAMA

< 2000 2000

UNIDADES DEEXPANSIÓN

Digitales y Analógicas

Digitales y Analógicas

Digitales, Analógicas yReguladores

FUNCIÓN EN RED Esclavo Esclavo Maestro oEsclavo

La modularidad de los autómatas programables ha evolucionado hacia elconcepto de inteligencia distribuida, gracias a las comunicaciones entreautómatas y a las redes autómatas-ordenadores. Esta técnica sustituye un granautómata, con una CPU y muchas E/S controlando todo el proceso(inteligencia centralizada), por varios autómatas, con menor número de E/S,conectados en red y controlando cada uno una parte del proceso, todos bajo lacoordinación de una o varias CPU centrales.

La siguiente tabla compara la inteligencia distribuida con la inteligenciacentralizada:

CARACTERISTICA AUTOMATAUNICO

INTELIGENCIADISTRIBUIDA

Capacidad de procesamiento Buena ÓptimaEstructuración en bloques Buena ÓptimaFacilidad de mantenimiento Buena Óptima Almacenajes de mantenimiento Altos MenoresDisponibilidad del sistema frente a averíaslocales

Baja Alta

Cableado Grande Reducido

Modularidad Poca MuchaCoste de la instalación Óptimo BuenoPosibilidades de modificación y ampliación Buenas Óptimas Acceso a recursos compartidos Rápido Más lentoRapidez de procesamiento Buena Óptima


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Inteligencia distribuida de un sistema de control de un buque


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8. FASES DEL PROYECTO DE UN SISTEMA DE CONTROL

La siguiente figura muestra un diagrama con los principales pasos a seguir enel desarrollo del proyecto de un sistema automático de control:

Estudio de las necesidades:

Leer comprensivamente las especificaciones del sistema que se pretendeautomatizar e identificar los requisitos que se deben cumplir:

- Funcionamiento dictaminados por el cliente.- Normas y reglamentos aplicables.

- Presupuesto del sistema.- Plazo de ejecución.- Planificación del proyecto.

Identificación de las variables del sistema:

Identificar las distintas señales del sistema que se pretende automatizar.Clasificarla y desarrollar una tabla de variables, que debe indicar al menos:

- Nombre de la variable.- Código o nemotécnico de la variable.

- Descripción de la variable- Dirección de memoria si se va a desarrollar un sistema programable.


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- Tipo de variable: Entrada / Salida. Y dentro de estas, indicar si sonbinarias (lógicas), palabras (digitales) o analógicas.

- Rango de la variable en la interface de E/S (binaria, 4-20 mA, 0-10V …). - Rango físico de la variable (0-10 bar, 0-500 V, 0-200 ºC ..).- Niveles de alarma si procede:

o LL --> Bajo Bajoo L --> Bajoo H --> Altoo HH --> Alto Alta

- Para las binarias indicar si trabaja a contacto normal abierto (NO) onormal cerrado (NC).

- Dispositivo que da o recibe la señal.- Canal físico al que va conectada la señal si se va a desarrollar un

sistema programable.- Subsistema al que pertenece.- Grupo de alarma al que pertenece (si se trata de una alarma).

Asignación de las E/S del controlador

En función del número de señales de E/S, determinar la capacidad del control,nº de canales necesarios, y asignar cada E/S física a un canal de las interfacesde entradas/salidas de los controladores.

Elección de los sensores y actuadores

Para cada una de las señales de entrada, elegir el sensor apropiado, enfunción de la magnitud física a medir y del tipo de señal del canal de entrada.(PT-100, presostato, detector de nivel, detector de proximidad, pulsador …)

Para cada una de las señales de salida, elegir el actuador o pre-actuadorapropiado, en función de la magnitud física a controlar y del tipo de señal delcanal de salida (contactor, relé, motor, válvula eléctrica motorizada, válvulasolenoide …)

Determinación de los algoritmos de control

Establecer mediante el modelado apropiado el algoritmo de control del sistema

que se pretende automatizar.Se emplearán las técnicas de modelado de álgebra de Boole, grafcet otransformada de Laplace en función de la naturaleza del problema.

Simulación de los algoritmos de control

Probar en el laboratorio o en el taller los algoritmos establecidos, mediante lasherramientas de simulación del laboratorio:

- Software específico de programación de los autómatas (Unity Pro).

- Software de simulación matemático (Ej: Mathlab)- Simuladores de entradas / salidas físicas.


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- Montaje físico de los armarios de control, y prueba con las herramientasarriba citadas.

Si la simulación resulta satisfactoria se pasa a la siguiente etapa, en cambio, sisurge algún problema, hay que volver a estudiar los algoritmos de control.

Elección de la tecnología

Elegir la tecnología con la que se va a implementar cada uno de lossubsistemas en los que se ha dividido el sistema automático de control que seestá proyectando:

- Neumática.- Hidráulica.- Eléctrica mediante lógica cableada.- Electrónica mediante componentes discretos y circuitos integrados.

- Eléctrica / electrónica mediante autómatas programables, terminalesHMI y ordenadores con sistemas SCADA.

Diseño del hardware y software

Diseñar los armarios de control. Obtener sus esquemas eléctricos y listas demateriales. Construir o mandar a construir los mismos.

Implementar el software en los armarios de control si es que se ha optado porlógica programable.

Instalación e implementación

Instalar físicamente el sistema automático de control en la planta o buque quese desea automatizar. Coordinar la instalación con el resto de gremiosimplicados en el montaje de la planta o buque.

Pruebas

Probar el sistema de control en la planta o buque. Probar cada una de losrequisitos del sistema. Probar todas y cada una de las señales del sistema, así

como los algoritmos de control que las relaciona.Si la simulación resulta satisfactoria se pasa a la fase de explotación, encambio, si surge algún problema, hay que volver a estudiar los algoritmos decontrol y repetir todo el proceso hasta las pruebas.

Explotación

Durante la explotación de la planta o buque pueden surgir vicios ocultos ocondiciones no probadas en la puesta en marcha que requieran una nuevaintervención y/o modificación del sistema. Entonces hay que volver a estudiar

los algoritmos de control y repetir todo el proceso hasta que todas las pruebassean satisfactorias.

TEMA 1_2_Automatizacion y Control Conceptos

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