Texto 1 de Redes industriales

Tecsup

Generalidades sobreEquipos Industriales y

Automatizacin

Tecsup Virtu@l ndice

ndice1. INTRODUCCIN ...................................................................................................................12. OBJETIVOS ............................................................................................................................13. CONTENIDO ..........................................................................................................................13.1. CONCEPTO DE AUTOMATIZACIN ................................................................................13.2. EL PLC COMO ALTERNATIVA AL AUTOMATISMO ....................................................23.2.1. VENTAJAS DEL USO DE PLCs. .................................................................................43.3. PANELES DE OPERADOR (OP)..........................................................................................63.3.1. TIPOS DE PANELES DE OPERADOR........................................................................73.4. VARIADORES DE FRECUENCIA.......................................................................................93.4.1. preguntas ms comunes sobre VARIADORES DE FRECUENCIA. ..........................103.4.2. VENTAJAS DE USAR VARIADORES DE FRECUENCIA. ....................................113.5. PCS industriales ....................................................................................................................123.6. CONTROLADOR DE CAMPO ...........................................................................................134. RESUMEN.............................................................................................................................155. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN......................................................................156. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN................................157. GLOSARIO DE TRMINOS................................................................................................16

Tecsup Virtu@l Redes Industriales con PLC

- 1 -

UNIDAD 1

GENERALIDADES SOBRE EQUIPOS INDUSTRIALES YAUTOMATIZACIN

1. INTRODUCCIN

Todos somos conscientes que en nuestro pas la eficiencia en la produccin es uno de losprincipales requisitos para alcanzar el ansiado desarrollo; siendo, por tanto, necesarioimpulsar la modernizacin de nuestras industrias. Gracias al constante avance de latecnologa, dicha modernizacin es posible, ya que hemos llegado a un alto grado deespecializacin en las estrategias de control automtico, asistidas stas por poderosasherramientas de cmputo. Un elemento muy importante, para lograr una verdadera mejoraen la productividad de una industria, es la operacin integrada de la maquinaria y losequipos del proceso empleados en esta operacin, as como la unin de esas unidades deproduccin con la informacin de soporte requerida por la planta y por los sistemas demanufactura y administracin. Para poder comprender cmo funcionan estas operacionesintegradas, es necesario tener una precisin conceptual sobre aspectos relacionados a estas,de all que la presente unidad definir conceptos sobre automatizacin y descripcin de losprincipales equipos utilizados en una instalacin industrial. Esto nos permitir, ms adelante,conocer cmo funcionan las redes no solamente para la comunicacin industrial, sinotambin las ofimticas.

2. OBJETIVOS

El objetivo de esta unidad es definir los conceptos sobre automatizacin y descripcin de losprincipales equipos utilizados en una instalacin industrial, que permitir comprender lamanera cmo estos dispositivos se integran en una red de comunicaciones.

3. CONTENIDO

3.1. CONCEPTO DE AUTOMATIZACIN

Qu es automatizar?

Automatizar es llegar a controlar un procesoindustrial de manera automtica haciendo usode herramientas hardware y softwareexistentes. Sin embargo, el llegar a unaautomatizacin general slo es posiblerealizndolo por pasos con elementos bsicos.

Fig. 1.1 Automatizacin de un refinera.Ud. se preguntar, cul es elemento que nos permite dar el primer pasopara empezar a automatizar?

El primer elemento bsico que permite dar el primer paso y progresivamente lossiguientes en el camino de la automatizacin es el controlador lgico programable omejor llamado PLC.


- 2 -

3.2. EL PLC COMO ALTERNATIVA AL AUTOMATISMO

Muchas veces, en ms de una oportunidad, hemos escuchado hablar de PLC o lo quees lo mismo, el CONTROLADOR LGICO PROGRAMABLE.

Fig. 1.2 PLC SIEMENS modelo SIMATIC S7-300.

Pero .... qu es un PLC?

El PLC es la denominacin dada al Controlador Lgico Programable y lapodramos definir como un dispositivo electrnico digital con memoria programablepara almacenar instrucciones que implementan funciones como: lgica secuencial, detiempo y de cuenta, clculos aritmticos, etc. Usado para el control de mquinas yprocesos.

.... y cmo funciona?

La unidad de control del PLC lee una tras otra las instrucciones almacenadas,interpreta su contenido y se encarga de su ejecucin. Al hacerlo el controladorconsulta los estados de los SENSORES y produce resultados a los ACTUADORES, talescomo conexin o desconexin de bobinas, lmparas, etc.

Fig. 1.3 Control por PLC.

SensoresActuadores


- 3 -

... y qu es un sensor?

Son aquellos elementos encargados de entregar TODA la informacin proveniente deun proceso. Proporcionan el estado de las variables a controlar.Ejemplos de sensores:

Finales de carrera. Selectores y conmutadores. Pulsadores. Presostatos. Termostatos. Termocuplas y RTDs. Transmisores de nivel, presin, flujo, pH.

Fig. 1.4 Sensores digitales y analgicos.

... y qu es un actuador?Son los elementos finales, encargados de recibir la informacin proveniente de unsistema de control.Ejemplos de actuadores:

Electrovlvulas Solenoides Lmparas de sealizacin Bobinas de los contactores Vlvulas proporcionales, Entre otros ...

Fig. 1.5 Posicionador I/P para vlvulas proporcionales.


- 4 -

Pero .... Eso es todo de un PLC? ... NO

Los PLCs fueron concebidos inicialmente como una alternativa ms eficiente a lalgica de control en sistemas discretos; es decir, aquellos en los que las variables sonvariables discretas binarias (on/off); inclusive, de all el origen del nombrecontrolador lgico. Sin embargo, actualmente su campo de accin abarca elprocesamiento, totalizacin o regulacin de variables continuas y analgicas. Paraesto, el PLC utiliza algoritmos de control como el PID (proporcional-integral-derivativo)o el control de lgica difusa (fuzzy logic).

Entonces podemos concluir que ....

Ms que un controlador lgico estamos ante un avanzado y flexible Controlador deProcesos. Vale la pena recalcar que la instalacin de un PLC no requiere decondiciones especiales de trabajo. Su construccin fsica est hecha para soportar lasduras condiciones ambientales que existen normalmente en un complejo industrial.

3.2.1. VENTAJAS DEL USO DE PLCS.

Son muchas las ventajas existentes dadas por el uso de los PLCs para laautomatizacin de procesos industriales. En la actualidad, su uso es tandifundido que no se requiere analizar demasiado para decidir cundo usarlo.

Sin embargo, a continuacin enumeraremos las principales ventajas, con elpropsito que el lector reconozca mejor el panorama.

Reduccin de costos de cableadoEl uso de PLCs como alternativa a la lgica decontrol convencional cableada, nos haceprescindir del uso de elementos electromecnicosy electrnicos, tales como: rels auxiliares,temporizadores y contadores, algunoscontroladores, etc, ya que estos dispositivossimplemente deben ser programados en el PLCsin realizar inversin adicional.

Ahorro de espacio

Los diversos elementos del hardware queintervienen en la lgica cableada como relsauxiliares, temporizadores, contadores, etc. sonsustituidos por estructuras software dentro delPLC.


- 5 -

Flexibilidad

Un cambio en la lgica de control actual suponesolamente un cambio en el programa y realizarmnimos cambios de cableado.

Confiabilidad

La probabilidad para que un PLC pueda fallarpor razones constructivas es insignificante,exceptuando errores humanos que puedensurgir en algunas partes vulnerables (tarjetasde salida). Adems, por su propiaconstruccin, es decir, el uso de componentesintegrados de estado slido (carece de partesmecnicas y mviles), hacen que el equipotenga una elevada confiabilidad.

Facilidad en la prueba y puesta en marcha

La lgica de control se prueba por secciones o en su totalidad con la ayudadel programador y ah mismo se hacen las modificaciones necesarias. Loslenguajes de programacin usados son familiares y siguen las normasindustriales.

Rpida deteccin de fallas y averas

Existen utileras software que facilitan la deteccin defallas, tanto del programa de control, como delcontrolador.

Menor consumo de energa

Cualquier equipo electromecnico y electrnico requiere un consumo deenerga para su funcionamiento, siendo dicho consumo representativocuando se tiene una gran cantidad de ellos; sin embargo, el consumo de PLCes muy inferior, lo que se traduce en un ahorro sustancial.

CONOCIENDO LOS PLCS, YA HEMOS DADO EL PRIMER PASO PARALA INTEGRACIN DE SISTEMAS


- 6 -

3.3. PANELES DE OPERADOR (OP)

Saber qu sucede, en dnde y poder reaccionar correctamente.

En la produccin automatizada, esta cuestin ha dado origen a una tecnologa propiacuya importancia crece sin cesar: manejo y visualizacin significa dominar el proceso,significa mantener plenamente operativas las mquinas e instalaciones, significadisponibilidad, significa productividad...

Simplificar cada vez ms lo cada vez ms complejo.

Esta es una cuestin de dos caras. Por un lado, los procesos se hacen cada vez mscomplejos y crecen las exigencias impuestas a la funcionabilidad de las mquinas einstalaciones. Naturalmente, el operador conoce su mquina como nadie, pero ltambin es humano.

Como debe tener muchas cosas a la vista, en su cabeza y en sus manos, la interfazhombre-mquina (HMI) deber ofrecerle el mximo de transparencia.

Simplificar cada vez lo ms complejo, ste es el desafo que encaramos cada vez queiniciamos una innovacin en este sector.

... Y qu es un panel de operador?

Son dispositivos electrnicos diseados para el manejo y la vigilancia de mquinas.

Los paneles de operador son apropiados para su montaje en armarios y pupitres dedistribucin al lado de la mquina.

Gracias al elevado grado de proteccin (frontalmente IP65), los equipos resultantambin apropiados para su aplicacin en rudos ambientes industriales.

... Un panel de operador se programa?

No .... Los grficos y los textos que deba visualizar en el panel de operador debernconfigurarse previamente en una PC con el software de configuracin del fabricante.

Para transferir los datos de configuracin hacia el panel de operador (OP), esnecesario conectar la PC de configuracin a dicho OP.

Una vez efectuada con xito la transferencia de la configuracin, conectar el OP alcontrol y LISTO.... el PLC reacciona, de acuerdo con los datos proyectados, ante losdesarrollos del programa en el control.


- 7 -

Fig. 1.6 Fase de configuracin y de direccin de procesos.

3.3.1. TIPOS DE PANELES DE OPERADOR

3.3.1.1. VISUALIZADORES DE TEXTO

Permiten visualizar estados de servicio, valores actuales delproceso y las anomalas de un control acoplado. Tambinpueden ejecutarse algunas funciones para el diagnstico de lasmquinas.

Fig. 1.7 Visualizador de texto.

Las siguientes funciones de visualizacin y manejo se puedenproyectar para los visualizadores de texto: Imgenes. Avisos de servicio. Alarmas. Textos de informacin. Recetas (en algunos). Protocolizacin. Idiomas.

Una imagen consta de varias entradas ya que, por ejemplo. para ladescripcin de un estado de la mquina, son necesarios,

normalmente, ms datos correspondientes de los que se puedenrepresentar en un recorte del display.

PC

OP

Control

Fase deconfiguracin.

Crear los datos deconfiguracin.Almacenar los datosde configuracin.

Transferir los datosde configuracin.

Acoplamiento alcontrol.

Fase de direccinde procesos.


- 8 -

3.3.1.2. INTERFACES GRFICAS

Permiten representar grficamente los estados de servicio, losvalores actuales del proceso y las anomalas de un controlacoplado y manejar confortablemente la mquina o instalacina supervisar.

Fig. 1.8 Interfaz grfica.

Se pueden configurar las siguientes funciones de visualizacin ymanejo:

Imgenes. Entrada/salida de valores del proceso. Barras y curvas. Listas de smbolos para texto y grficos. Avisos. Protocolos. Impresin. Textos. Recetas. Idiomas. Entre otros.

Estas interfaces pueden representar mquinas e instalacionescomo imgenes totalmente grficas, lo cual facilita la orientacin

del usuario.


- 9 -

3.4. VARIADORES DE FRECUENCIA

El mtodo ms eficiente de controlar la velocidad de un motor elctrico es por mediode un variador electrnico, variando la frecuencia.

El variador de frecuencia regula la frecuencia de la tensin aplicada al motor, lograndocon ello modificar su velocidad. Sin embargo, se debe tener presente que el cambiode frecuencia debe estar acompaado por un cambio de tensin aplicado al motorpara no saturar el flujo magntico dentro del rotor.

Pero cmo determinamos si es factible el empleo de un variador defrecuencia?

Para ello es necesario tener un profundo conocimiento del proceso a ser controlado;as como conocer las ventajas y limitaciones comparado con otros sistemasalternativos.

Esto es un trabajo conjunto y coordinado que involucra tanto a ingenieros deproduccin, de proceso, mantenimiento mecnico, elctrico y electrnico,instrumentistas, etc. Con el objetivo de obtener una ventaja de calidad y economa.

Instalar un variador de frecuencia es hacer a un motor elctrico "inteligente.

... Cmo definira un variador de frecuencia?

Es un dispositivo que toma una onda alterna prefijada tanto en tensin como enfrecuencia y la transforma en una tensin y frecuencia ajustables, que permitencontrolar la velocidad de los motores de corriente alterna.

Algunas aplicaciones se ajustan mejor que otras a los variadores de frecuencia.Dandosuficiente tiempo, dinero y opciones, un variador puede ajustarse probablemente acualquier aplicacin; pero hay casos en los cuales no es la mejor opcin. Losvariadores son dispositivos electrnicos, muchos de ellos compuestos pormicroprocesadores y son poco tolerantes a las condiciones de operacin fuera de suslmites.

La industria tiene, ahora, que resolver algunos problemas tales como: excesivastensiones transitorias en la alimentacin, temperatura extrema e inadecuada seleccindel equipo.


- 10 -

3.4.1. PREGUNTAS MS COMUNES SOBRE VARIADORES DE FRECUENCIA.

Para entender esta tecnologa podramos preguntarnos y respondernos losiguiente ...

Fig. 1.9 Familia de variadores de velocidad SIEMENS.

Es un inversor lo mismo que un variador de frecuencia?

Un inversor es realmente una parte del variador de frecuencia, pero seacostumbra intercambiar los trminos.

Por qu se necesita tener una tensin y una frecuenciaajustables?

Un suministro de energa con tensin y frecuencia ajustables permiten quelos motores de induccin operen a diferentes velocidades casi con el mismorendimiento que a su velocidad nominal. Esto permite que se usen motoresAC para reemplazar otros sistemas de variacin de velocidad ms costosos ono disponibles.

Cmo afectan a la velocidad de operacin de un motor AC unavariacin de tensin y frecuencia?

Para que un motor AC vare su velocidad de operacin tan solo se necesitaun cambio en la frecuencia de suministro:

polosfsncronan

#120=

Dado que el nmero de polos del motor est definido por su construccin,un cambio en la frecuencia producir un cambio en la velocidad.La tensinse ajusta para permitir que la razn voltios/hertz (V/Hz) se mantengaconstante y permitir, tericamente, que el motor no pierda rendimiento.


- 11 -

Qu sucede si no se mantiene la relacin V/Hz constante?

Si la relacin V/Hz no es la misma de diseo, el desempeo del motor noser el deseado.

Un aumento de esta relacin hace que el motor se vuelva ruidoso y serecaliente. La disminucin causar una reduccin del torque del motor, ascomo un sobrecalentamiento.

El valor de V/Hz de diseo se obtiene dividiendo los datos de placaadecuados.

3.4.2. VENTAJAS DE USAR VARIADORES DE FRECUENCIA.

Las mayores ventajas son:

Uso de motores AC estndar. Reduccin del costo de mantenimiento. Bajo costo de operacin debido a la optimizacin del consumo de

energa.

ENTONCES YA PUEDO EMPEZAR A CONFIGURAR VARIADORES DEFRECUENCIA


- 12 -

3.5. PCS INDUSTRIALES

En los tiempos actuales, la recoleccin y evaluacin de datos de produccin de unaplanta en tiempo real es muy importante para la optimizacin de la produccin. Elsistema nace de la necesidad de adaptarse a los cambios modernos, tal como evaluarla data de inters en tiempo real y tomar medidas correctivas en el menor tiempoposible; estos datos manejados adecuadamente llevan a elaborar planes deproduccin eficiente y mantenimiento preventivo y correctivo de los equiposinvolucrados.

... Qu es una computadora industrial?

Las computadoras personales son herramientas muy verstiles para aplicaciones decontrol y automatizacin, tanto el hardware como el software de soporte sonvariados, por lo que es posible una cantidad muy grande de aplicaciones diferentes.Se han convertido en una herramienta importante de adquisicin de datos,supervisin y control de procesos en las que el uso de hardware especializadocontribuyen a solucionar problemas en la industria y actividades econmicas conexas.

Fig. 1.9 Computadora industrial.

... Pero cules son sus aplicaciones?

Las microcomputadoras personales han incursionado con bastante xito en el reaproductiva, tanto en los laboratorios como en la planta misma. La razn fundamentaldel xito de las PC's es su versatilidad, capacidad para ser programadas de acuerdo anecesidades particulares y su capacidad de presentacin grfica.

Las aplicaciones utilizando PC's tienen mltiples matices en cuanto a temas,arquitectura y forma de implementarse. En cuanto a dichos matices tenemos: (1)supervisin de procesos, en el que se utilizan, fundamentalmente, los recursos delprocesador para mostrar dinmicamente el funcionamiento de un proceso, (2) Elcontrol, en el que el procesador, a travs de interfaces de control especficas permitemanipular directamente el proceso y (3) El sistema SCADA, Control Supervisado yAdquisicin de Datos, en el que se realizan las dos funciones anteriores para sistemasrelativamente complejos en los que, generalmente, estn involucradas lascomunicaciones. Cada una de estas tres categoras puede aplicarse en cualquieractividad, sea manufacturera o no, tanto en el laboratorio como en la planta o eltaller.


- 13 -

... y cmo son?

Su construccin compacta y robusta, adems de su elevado grado de proteccin IP65,los convierten en auxiliares ejemplares para la visualizacin y el tratamiento de lasoperaciones de produccin. Esto permite utilizarlos en entornos industriales rudos conalto nivel de suciedad, polvo y vibraciones, pudiendo instalarse directamente en lamquina si hay poco espacio libre.

Potentes, robustos y compactos. Utilizables en rudas condiciones de ambiente. Funcionabilidad y prestaciones escalables.

3.6. CONTROLADOR DE CAMPO

Los controladores de campo son instrumentos digitales diseados para resolver tareasmedianas y complejas de un sistema de automatizacin. Son usados en procesosindustriales como:

Industria del alimento y bebidas. Industria qumica. Industria petroqumica. Industria del acero. Industria del vidrio. Entre otras.La gran flexibilidad que tienen significa que los controladores pueden ser usados paraprocesos de control simples y complejos

Fig. 1.10 Controlador de procesos PID.


- 14 -

... Pero qu es un proceso?

Un proceso es identificado como poseedor de una o ms variables asociadas con l,sobre las cuales es importante conocer sus valores de modo que stos puedan sercontrolados.

... Y de cuntas variables estamos hablando?

Podemos dividirlas en tres grupos:

Variables controladas : Todo parmetro que indica la calidad de un producto o lascondiciones de operacin de un proceso son llamadas variables controladas, como lapresin, nivel, temperatura, pH, gravedad especfica o densidad, composicin,contenido de humedad, peso y velocidad y otras variables, dependiendo del proceso.

Variables manipuladas : Incluyen la posicin de una vlvula, la posicin de undmper o la velocidad de un motor; un lazo de control es usualmente manipuladopara controlar una variables en esquemas de control ms complicados. Por ejemplo,la variable flujo es manipulada para controlar temperatura o nivel.

Cargas : Denominadas as a todas las otras variables que afectan a la variablecontrolada, diferente de las variables manipuladas. Ambas, las variables de carga y lasmanipuladas, pueden influenciar a la controlada desde el lado del suministro odemanda del proceso.

La relacin entre las diferentes variables: controladas, manipuladas y de carga hacennecesario el control del proceso. Generalmente, el problema del control es determinarcul es el valor de la variable manipulada que establece un balance entre todas lasinfluencias sobre la variable controlada y mantiene a esta ltima estable en undeterminado valor. Otros factores como la velocidad de respuesta, forma de larespuesta y la interfase con el operador son tambin importantes en el diseo de unsistema de control.

Fig. 1.11 Control tipo relacin aplicado en control de combustin.


- 15 -

4. RESUMEN

El PLC es el elemento bsico que nos permite dar el primer paso para la automatizacine integracin de sistemas.

Cuando hablamos de manejo y visualizacin en un panel de operador, hablamos dedominar el proceso, es decir, significa mantener plenamente operativas las mquinas einstalaciones, significa disponibilidad, significa productividad.

El variador de frecuencia regula la frecuencia de la tensin aplicado al motor, lograndocon ello, modificar su velocidad.

Actualmente las computadoras industriales se han convertido en poderosas herramientaspara la adquisicin de datos, supervisin y control de procesos.

La gran flexibilidad de los controladores de campo, nos permite utilizarlos desdeprocesos de control simples hasta los ms complejos

5. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN

P1.- Cules son los elementos que nos entregan la informacin proveniente de un proceso osistema?

P2.- Cundo decimos que un cambio en la lgica de control supone solamente un cambio enel programa, nos referimos a qu ventaja del PLC?

P3.- Es correcto decir que para la puesta en operacin de un panel de operador, esnecesario programarlo antes?

P4.- Es lo mismo decir inversor que variador de frecuencia?

P5.- Cules son las ventajas de usar computadoras industriales en ambientes industriales?

P6.- Dentro de un control de procesos, cules son las variables que indican la calidad de unproducto o las condiciones de operacin de un proceso?

6. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIN

S1.- Sensores.

S2.- Flexibilidad.

S3.- Falso. Los paneles de operador se configuran, no se programan.

S4.- No. El inversor es parte de un variador de frecuencia.

S5.- Por su robusta construccin, puede ser utilizada en entornos industriales rudos, con altonivel de suciedad, polvo y vibraciones, pudiendo instalarse directamente en la mquina si haypoco espacio libre.

S6.- Son las variables controladas.


- 16 -

7. GLOSARIO DE TRMINOS

AC Corriente alterna.

Actuador Elemento encargado de recibir la informacin proveniente de unsistema de control.

Automatizar Controlar un proceso industrial de manera automtica

Cargas Se denominan as a todas las otras variables que afectan a lavariable controlada.

Configuracin Composicin de componentes hardware y/o software especficode una instalacin.

DC Corriente continua.

Equipo Unidad conexa que puede conectarse a una o varias subredes,por ejemplo un PLC o sistema de automatizacin, una unidad deprogramacin, una estacin de operador.

Frecuencia Medida de la cantidad de ciclos por unidad de tiempo. Esexpresada en Hz.

Instalacin Totalidad del material elctrico y electrnico utilizado.

OP Panel de operador.

PC Computadora personal.

PLC Controlador Lgico Programable.

Proceso Poseedor de una o ms variables asociadas con l, sobre lascuales es importante conocer sus valores de modo que stospuedan ser controlados.

SCADA Supervisin control y adquisicin de datos.

Sensor Elemento encargado de brindar informacin proveniente de unproceso.

Variable controlada Parmetro que indica la calidad de un producto o las condicionesde operacin de un proceso

Variable manipulada Incluyen la posicin de una vlvula, la posicin de un damper ola velocidad de un motor

FIN DE LA UNIDAD

Texto 1 de Redes industriales

Documents

Transcript of Texto 1 de Redes industriales