UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA
PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA
MECÁNICA, MECÁNICA ELÉCTRICA Y
MECATRÓNICA
APLICACIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN:
CONTROL POR PLC
Asignatura: SISTEMAS AUTOMÁTICOS DE CONTROL
Autor: Ing. Fernando David Siles Nates
AREQUIPA- 2013
APLICACIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN:
CONTROL POR PLC
Autor:
Ing. Fernando David Siles Nates
Una publicación de:
Universidad Católica de Santa María
www.ucsm.edu.pe
Primera Edición
Correo Electrónico
Teléfono/Celular
Telf. : 054-255744
Cel.: 958796358
Junio de 2013
Arequipa-Perú
ÍNDICE
PROLOGO .................................................................................................................... I
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... II
1. DEFINICIONES .............................................................................................. 1
1.1. SISTEMA DE CONTROL ................................................................................ 1
1.1.1. DEFINICIÓN ................................................................................................... 1
1.2. TÉRMINOS IMPORTANTES Y OBJETIVO DEL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS .............. 2
1.3. BASES NECESARIAS PARA EL CONTROL ................................................ 3
1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICOS ....... 4
1.4.1. SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO .......................................... 4
1.4.2. SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO ............................................ 5
1.5. ESTRATEGIAS DE CONTROL ...................................................................... 6
1.5.1. CONTROL PROPORCIONAL ........................................................................ 6
1.5.2. CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL ..................................................... 7
1.5.3. CONTROL PROPORCIONAL- INTEGRAL –DERIVATIVO (PID) .................. 7
1.6. MÉTODO DE ZIEGLER NICHOLS CON IDENTIFICACIÓN EN BUCLE CERRADO ............. 9
1.7. EL PLC, CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES ...................................... 10
1.7.1. QUE ES UN CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE ........................ 10
1.7.2. VENTAJAS GENERALES DE LOS PLC ...................................................... 12
1.7.3. CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS PLC’S .................................................. 13
1.7.4. DISPOSITIVOS TÍPICOS DE ENTRADA Y SALIDA PARA PLC ................. 14
1.8. USO DE LOS HMI EN EL TRABAJO CON LOS PLC .................................. 21
1.8.1. INTERFACES DE CONEXIÓN AUTÓMATA – USUARIO(H.M.I) ............... 21
1.8.2. TIPOS DE HMI .............................................................................................. 22
1.8.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS HMI ............................................. 22
1.8.4. PROTOCOLO TCP ....................................................................................... 23
1.8.5. CARACTERÍSTICAS DEL PROTOCOLO TCP ............................................ 23
1.8.6. PROTOCOLO IP .......................................................................................... 24
1.8.7. ENLACE ISO - ON - TCP ............................................................................. 24
1.8.8. COMPORTAMIENTO DEL PROTOCOLO TCP .................................................. 24
2. PROGRAMACIÓN Y APLICACIONES DEL PLC EN EL CONTROL DE PROCESOS. ....... 25
2.1. PROGRAMACIÓN CON PLC SIEMENS S7-300 MEDIANTE STEP 7 ........ 25
2.2. APLICACIÓN DEL CONTROL DE FLUJO .................................................. 56
2.3. APLICACIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL EN EL SECTOR INDUSTRIAL .. 68
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA No. 1: PROCESO A CONTROLAR ................................................ 1
FIGURA No. 2: CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL ........ 4
FIGURA No. 3 : SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO ................. 5
FIGURA No. 4: ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO
ABIERTO .............................................................................. 6
FIGURA No. 5 CONTROL PROPORCIONAL .............................................. 6
FIGURA No. 6 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL ........................... 7
FIGURA No. 7: PARÁMETROS DEL CÁLCULO DE CONTROL PID ......... 8
FIGURA No. 8 DIFERENTES TIPOS DE PLC ........................................... 11
FIGURA No. 9: CUADRO DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS
PLC’S ................................................................................. 12
FIGURA No. 10 : CUADRO DE LOS CAMPOS DE APLICACIÓN DE LOS
PLC’S ................................................................................. 13
FIGURA No. 11 : CUADRO DE DISPOSITIVOS DE ENTRADA DISCRETOS ..... 14
FIGURA No. 12 : DISPOSITIVOS DE ENTRADA ANALÓGICOS ................. 16
FIGURA No. 13 : CUADRO DE DISPOSITIVOS DE SALIDA DISCRETOS .. 18
FIGURA No. 14: CUADRO DE DISPOSITIVOS DE SALIDA ANALÓGICOS 19
FIGURA No. 15: TIPOS DE H.M.I. ................................................................. 22
FIGURA No. 16: ESQUEMA DE BLOQUES DE UN PANEL TÁCTIL ........... 23
INDICE DE TABLAS
TABLA I TABLA DE AJUSTE EN BUCLE CERRADO DE LOS PARAMETROS
DE UN REGULADOR PIDE PROPUESTA POR ZIEGLER NICHOLS
.......................................................................................................... 10
I
PRÓLOGO
El presente trabajo contiene información sobre el control de Procesos
Industriales mediante el uso del PLC y sus principales aplicaciones.
Se ha visto por conveniente dividir este texto en dos partes, la primera contiene
toda la información previa , conceptos , definiciones y tratados, que permitirán
al lector recordar y reforzar los conceptos sobre el control de Ingeniería , la
parte final contiene las aplicaciones mediante el uso de herramientas como
son los software de programación para PLC y el cálculo matemático para
efectuar la comprobación del procedimiento.
Este Texto está por lo general dirigido a estudiantes y/o profesionales de las
carreras de Ingeniería y en esencial las que aplican el Control de Procesos ,
por lo que se recomienda tener conocimientos previos sobre el manejo de
componentes electrónicos , neumáticos , eléctricos y mecánicos, así como el
Control Continuo y Discreto de Procesos.
La finalidad de la Obra es servir de ayuda como material complementario en la
asignatura de Sistemas Automáticos de Control, de tal manera que el
estudiante lo utilice como una guía de consulta durante el desarrollo del curso
y le permita comprender el estudio del Control por PLC.
Se ha considerador para esta producción a autores de diversos Textos de
Ingeniería de control como es el caso de Armando Corripio, y Carlos Smith,
Richard DORF y Robert BISHOP, Antonio Creus, Enrique Mandado y Ubaldo
ORDAZ, entre otros.
II
INTRODUCCIÓN
El avance en implementación de sistemas automatizados en la Industria ha
significado la necesidad de conocer y manejar las principales aplicaciones y
beneficios que poseen, dentro de ellas se encuentra el uso del PLC, el cual nos
permite tener formas de control de manera secuencial y cíclica por medio de la
Programación y Simulación de Procesos Industriales.
Es por ello que su estudio y aplicación son importantes en distintas materias de
la Ingeniería de Control dentro de ellas los Sistemas Automáticos de Control
que permitirán al estudiante simular y controlar procesos reales, para ello es
recomendable utilizar un software de aplicación que por lo general es propio
de la marca o patente del PLC con el cual se está trabajando.El presente
trabajo contiene una recopilación de definiciones , cuadros de texto y figuras
de los diversos autores sobre el uso de los PLC en el control de Procesos, así
como artículos de investigación con aplicaciones en Ingeniería de control por
PLC , que permitirán comprender mejor el estudio , aplicación y uso del PLC.
1
1. DEFINICIONES
1.1. SISTEMA DE CONTROL
1.1.1. DEFINICIÓN1
Un sistema de control es una interconexión de componentes que
forman una configuración del sistema que proporcionará una
respuesta deseada la base de un análisis del sistema es el
fundamento proporcionado por la teoría de los sistema lineales que
supone una relación entra causa y efecto para sus componentes. Por
tanto, un componente o proceso que vaya a ser controlado puede
representase mediante un bloque tal como se muestra en la figura 8.
La relación entrada salida representa la relación causa y efecto del
proceso que a su vez representa un procedimiento de la señal de
entrada para proporcionar una señal de salida, frecuentemente con
una amplificación de potencia.
Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo
cumpliendo los siguientes requisitos:
Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a
perturbaciones y errores en los modelos.
Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio
preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la
acción de control sobre las variables de entrada sea realizable,
evitando comportamientos bruscos e irreales.
1 DORF, Richard y BISHOP, Robert. ʻʻSistemas de Control Moderno’’. 10 ma. Ed. Madrid. Pearson Education
2005 .pp. 2-3
PROCESO ENTRADA
SALIDA
FIGURA No. 1: PROCESO A CONTROLAR
Fuente: .Sistemas de Control Moderno
Autores: DORF, Richard y BISHOP, Robert
2
1. Ser fácilmente implementado y cómodo de operar en tiempo real con
ayuda de un ordenador.
El sistema de control de un sistema automatizado permite ejecutar el
programa y lograr que el proceso realice su función definida.
1.2. TÉRMINOS IMPORTANTES Y OBJETIVO DEL CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS2
Ahora es necesario definir algunos de los términos que se usan en el
campo del control automático de proceso. El primer término es variable
controlada, ésta es la variable que se debe mantener o controlar dentro
de algún valor deseado. En el ejemplo precedente la variable controlada
es la temperatura de salida del proceso T(t). El segundo término es
punto de control, el valor que se desea tenga la variable controlada. La
variable manipulada es la variable que se utiliza para mantener a la
variable controlada en el punto de control (punto de fijación o de
régimen); en el ejemplo la variable manipulada es el flujo de vapor.
Finalmente, cualquier variable que ocasiona que la variable de control se
desvíe del punto de control se define como perturbación o trastorno; en
la mayoría delos procesos existe una cantidad de perturbaciones
diferentes, por ejemplo, en el intercambiador de calor.
Las posibles perturbaciones son la temperatura de entrada en el
proceso, T(t), el flujo del proceso, q(t), la calidad de la energía del vapor,
las condiciones ambientales, la composición del fluido procesa, la
contaminación, etc. Aquí lo importante es comprender que en la industria
de procesos, estas perturbaciones son la causa más común de que se
requiera el control automático de proceso; si no hubiera alteraciones
prevalecerían las condiciones de operación del diseño y no se
necesitaría supervisar continuamente el proceso.
Los siguientes términos también son importantes. Circuito abierto o lazo
abierto, se refiere a la situación en la cual se desconecta el controlador
del sistema, es decir, d controlador no realiza ninguna función relativa a
2 CORRIPIO, Armando y SMITH, Carlos. ‘ʻControl Automático de Procesos Teoría y Práctica’’ .1ra. Ed. México.
Limusa Noriega Editores. 1996. pp. 20-22
3
como mantener la variable controlada en el punto de control; otro
ejemplo en el que existe control de circuito abierto es cuando la acción
(A) efectuada por el controlador no afecta a la medición (M). De hecho,
ésta es una deficiencia fundamental del diseño del sistema de control.
Confrol de circuito cerrado se refiere a la situación en la cual- se conecta
el controlador al proceso; .el controlador compara el punto de control (la
referencia) con la variable controlada y determina la acción correctiva.
Con la definición de estos términos, el objetivo del control automatizado
de proceso se puede establecer como sigue:
El objetivo del sistema de control automático de proceso es utilizar la
variable manipulada para mantener a la variable controlada en el punto
de control a pesar de las perturbaciones.
1.3. BASES NECESARIAS PARA EL CONTROL3
Para tener éxito en la práctica del control automático de proceso, el
ingeniero debe comprender primero los principios de la Ingeniería de
proceso. Por lo tanto, en este libro se supone que el lector conoce los
principios’ básicos de termodinámica, flujo de fluidos transferencia de
calor, proceso de separación procesos de reacción, etc.
Para estudiar el control de proceso también es importante entender el
comportamiento dinámico de los procesos por consiguiente., es
necesario desarrollar el sistema de ecuaciones que describe diferentes
procesos esto se conoce como modelación; para desarrollar modelos es
preciso conocer los principios que se mencionan en el párrafo
precedente y tener conocimientos matemáticos, incluyendo, ecuaciones
diferenciales. En el control de proceso se usan bastante las
transformadas de Laplace, con ellas se simplifica en gran medida la
solución de las ecuaciones diferenciales y el análisis de los procesos y
sus sistemas de control.
3 CORRIPIO, Armando y SMITH, Carlos. ‘ʻControl Automático de Procesos Teoría y Práctica’’ .1ra. Ed. México.
Limusa Noriega Editores. 1996. pp. 25-26
4
1.4. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICOS4
Los sistemas de control automáticos se clasifican de dos maneras:
1.4.1. SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO CERRADO
Un sistema de control en lazo cerrado usa una medida de la salida y la
realimentación de esta señal para compararla con la salida deseada
(referencia de orden).
En un sistema de control en lazo cerrado se alimenta al controlador la
señal de error de actuación que es la diferencia entre la señal de
entrada y la señal de realimentación (que puede ser la propia señal de
salida o una función de la señal de salida y sus derivadas y/o
integrales) con el fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a
un valor deseado. El término control en lazo cerrado siempre implica el
uso de una acción de control realimentado para reducir el error del
sistema.
4 DORF, Richard y BISHOP, Robert. ʻʻSistemas de Control Moderno’’. 10 ma. Ed. Madrid. Pearson Education
2005 .pp. 2-3.
SISTEMAS DE
CONTROL
AUTOMÁTICO
CONTROL AUTOMÁTICO EN LAZO
ABIERTO
CONTROL AUTOMÁTICO EN LAZO
CERRADO
FIGURA No. 2: CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL
Fuente: Sistemas de Control Moderno
Autores: DORF, Richard y BISHOP, Robert
5
1.4.2. SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO
Un sistema de control en lazo abierto utiliza un dispositivo de actuación
para controlar el proceso directamente sin emplear realimentación.
En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se
compara con la entrada de referencia. Así, a cada entrada de
referencia le corresponde una condición de operación fija; como
resultado de ello, la precisión del sistema depende de la calibración.
Ante la presencia de perturbaciones, un sistema de control en lazo
abierto no realiza la tarea deseada. En la práctica el control en lazo
abierto solo se usa si se conoce la relación entre la entrada y la salida y
si no hay perturbaciones internas ni externas.
Los elementos de un sistema de control en lazo abierto se pueden
dividir en dos partes:
E CONTROLADOR PROCESO
CONTROLADO
REALIMENTACIÓN
r e u
y
-
+
Fuente: Sistemas de Control Moderno
Autores: DORF, Richard y BISHOP, Robert
FIGURA No. 3 : SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO
6
1.5. ESTRATEGIAS DE CONTROL 1.5.1. CONTROL PROPORCIONAL5
En el sistema de posición proporcional, existe una relación lineal
continua entre el valor de la variable controlada y la posición del
elemento final de control (dentro de la banda proporcional). Es decir, la
válvula se mueve el mismo valor por cada unidad de desviación. En la
figura 9.11 puede verse la forma en que actúa un controlador
proporcional cuyo punto de consigna es 1500 C y cuyo intervalo de
actuación es de 1002000 C. Cuando la variable controlada está en 1000
C o menos la válvula está totalmente abierta; a 2000 C o más está
totalmente cerrada y entre 100 y 200° C la posición de la válvula es
proporcional al valor de la variable controlada. Por ejemplo, a 1250 C
está abierta en un 75 %; a 1500 C en un 50 %.
5 CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. Editorial Marcombo- Alfaomega. 8a Ed. Barcelona, 2011.pp.507-5010
CONTROL AUTOMÁTICO EN LAZO
ABIERTO
El Controlador
El Proceso
Controlado
FIGURA No. 4: ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO ABIERTO
Fuente: .Sistemas de Control Moderno
Autores: DORF, Richard y BISHOP, Robert
FIGURA No. 5 CONTROL PROPORCIONAL
Fuente: Instrumentación Industrial
Autores: CREUS ,Antonio
7
1.5.2. CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL6
En el control integral, el elemento final se mueve de acuerdo con una
función integral en el tiempo de la variable controlada.
En la figura 9.15 puede verse un controlador neumático típico
proporcional más integral. Se observará que se diferencia con relación al
controlador proporcional de la figura 9.12 en la adición de un segundo
fuelle dotado de una restricción variable que realimenta positivamente la
señal de salida.
1.5.3. CONTROL PROPORCIONAL- INTEGRAL –DERIVATIVO (PID)7
Algunas veces se añade otro modo de control al controlador PI, este
nuevo modo de control es la acción derivativa, que también se conoce
como rapidez de derivación o pre-actuación; tiene como propósito
anticipar hacia dónde va el proceso, mediante la observación de la
rapidez para el cambio del error, su derivada. La ecuación descriptiva es
la siguiente:
6 CREUS, Antonio. Instrumentación Industrial. Editorial Marcombo- Alfaomega. 8a Ed. Barcelona, 2011.p . 510
7 CORRIPIO, Armando y SMITH, Carlos. ‘ʻControl Automático de Procesos Teoría y Práctica’’ .1ra. Ed. México.
Limusa Noriega Editores. 1996. pp. 203-214
FIGURA No. 6 CONTROL PROPORCIONAL INTEGRAL
Fuente: Instrumentación Industrial
Autores: CREUS,Antonio
8
( ) ̅ ( ) ∫ ( )
( )
Donde = rapidez de derivación en minutos.
Por lo tanto, el controlador PID tiene tres parámetros, Kc o PB, o
y , que se deben ajustar para obtener un control satisfactorio. Nótese
que sólo existe un parámetro para ajuste de derivación, el cual tiene
las mismas unidades, minutos, para todos los fabricantes.
Como se acaba de mencionar, con la acción derivativa se da al
controlador la capacidad de anticipar hacia dónde se dirige el proceso,
es decir, “ver hacia adelante”, mediante el cálculo de la derivada del
error. La cantidad de “anticipación” se decide mediante el valor del
parámetro de ajuste, .
Un PID es un mecanismo de control por realimentación que se utiliza
en sistemas de control industriales. Un controlador PID corrige el error
entre un valor medido y el valor que se quiere obtener calculándolo y
luego sacando una acción correctora que puede ajustar al proceso
acorde. El algoritmo de cálculo de control PID se da en tres parámetros
distintos:
FIGURA No. 7: PARÁMETROS DEL CÁLCULO DE CONTROL PID
ACCIÓN DE
CONTROL
EL PROPORCIONAL EL INTEGRAL EL DERIVATIVO
El valor proporcional
determina la reacción del
error actual.
El Integral genera una
corrección proporcional a
la integral del error, esto
nos asegura que
aplicando un esfuerzo de
control suficiente, el error
de seguimiento se reduce
a cero.
El derivador
determina la
reacción del tiempo
en el que el error se
produce
Fuente: Control Automático de Procesos
Autor: SMITH y CORRIPIO
9
Ajustando estas tres constantes en el algoritmo de control del PID, el
controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el
proceso a realizar. La respuesta del controlador puede ser descrita en
términos de respuesta del control ante un error, el grado al cual se
controla llega al ‘’set point’’ y el grado de oscilación del sistema.
1.6. MÉTODO DE ZIEGLER NICHOLS CON IDENTIFICACIÓN EN BUCLE
CERRADO8
El objetivo que se persigue al sintonizar el regulador PID mediante el
método ZN en bucle cerrado , conocido también como el método de
oscilación , es el mismo que el método ZN en bucle abierto , es decir
ajustar mediante el uso de tablas los parámetros del regulador para
conseguir que el sistema en bucle cerrado responda con una razón de
amortiguamiento de ¼ .
Mediante este método se determinan dos parámetros denominados
ganancia última Ku, y periodo último Tu, a partir de los cuales se
obtienen los valores Kp, Ti y Td.
La sintonía del PID mediante el método consiste en :
1. Ajustar con el bucle cerrado, la ganancia proporcional Kp a un
valor inicial pequeño y anular las ganancias integral (Ti→∞) y
derivativa (Td=0).
2. Incrementar paulatinamente la ganancia proporcional Kp hasta
que el sistema presente una oscilación permanente de amplitud
constante. Puede ser necesario realizar cambios en el punto de
consigna para obtener la oscilación.
3. Asignar a Ku el valor de Kp que origina la situación del punto
anterior.
4. Medir el periodo de oscilación .Este periodo es el periodo último
Tu.
8 MANDADO, Enrique, MARCOS, Jorge, FERNÁNDEZ, Celso, ARMESTO, José. “Autómatas Programables y
Sistemas de Automatización’’. 2 da .Ed. México. Marcombo-Alfaomega. 2009 .p. 404
10
5. Ajustar los parámetros del regulador de acuerdo a la Tabla
siguiente.
TABLA I
TABLA DE AJUSTE EN BUCLE CERRADO DE LOS PARÁMETROS DE UN
REGULADOR PID PROPUESTA POR ZIEGLER NICHOLS
REGULADOR Kp Ti Td
P 0.5 Ku - -
PI 0.4 Ku 0.8 Tu -
PID 0.6 Ku 0.5 Tu 0.125 Tu
1.7. EL PLC, CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES
1.7.1. QUE ES UN CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE 9
Hablando generalmente un PC (Programmable Logic Controller ) es un
sistema de control de estado sólido que tiene una memoria programable
de usuario que almacena instrucciones [para la implementación de
tareas específicas , como lógica de control de entrada/ salida , tiempo ,
conteo , aritmética y manipulación de datos.
El alto grado de aceptación de los PLC’s originó que la Asociación
Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA-National Electrical
Manufacturer Association ) de Estados Unidos diera una definición
formal de ellos.
Tal definición, que se incluye en la norma ICS3-1978 , parte ICS3-304,
dice que un PLC es :
Un aparato electrónico digital que usa una memoria programable para el
almacenamiento interno de instrucciones para implementar funciones
específicas , como lógicas , de secuencia , de temporización , conteo y
aritméticas , para controlar a través de módulos de entrada y/o salida ,
digitales y/o analógicos , varios tipos de máquinas y de procesos.
9 ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo, ORDAZ Damián. ʻʻControladores Lógicos Programables’’. 1ra .Ed. México.
Trillas 2009 .pp. 9-10
Fuente: Autómatas Programables y Sistemas de Automatización
Autor: MANDADO Enrique, ACEVEDO Marcos, ARMESTO José
11
FIGURA No. 8 DIFERENTES TIPOS DE PLC
El PLC es un desarrollo de fran importancia en el campo del control industrial .
Parece ser muy complicado a primera vista , mas los PLC’S no son difíciles de
entender , reparar o programar. Debido a que los PLC’S son el resultado de la
evolución de un simple componente de control , como lo es el revelador
electromagnético , es necesario conocer antes que nada este eficaz elemento
de control Electrónico.
Fuente: Controladores Lógicos Programables
Autores: ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo y ORDAZ, Damián
12
1.7.2. VENTAJAS GENERALES DE LOS PLC10
Según Ordaz-Ríos-Ordaz consideran que un Controlador Lógico
Programable (PLC) posee las siguientes ventajas e inconvenientes:
FIGURA No. 9: CUADRO DE LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PLC’S
VENTAJAS DESVENTAJAS
Menor costo con un alto rendimiento. Costo Inicial. Puede o no ser una
desventaja, esto dependerá del sistema por
automatizar.
Capacidad de Entrada/Salida
Remota.
Diseño Modular para facilitar el
cambio de hardware.
Comunicación Serial.
Funciones Matemáticas Extensas.
Menor Tiempo en el diseño de un
proyecto.
Modificaciones a la operación sin
cambiar el cableado.
Ocupa poco espacio.
Menor Costo de la mano de obra de
instalación.
Facilidad de Montaje.
Fiabilidad del sistema al eliminar
contactos móviles.
Requiere poco o nulo mantenimiento
Posibilidad de controlar varias
máquinas con un solo PLC.
Incorpora indicadores de estados
para facilitar el diagnóstico de fallas.
Menor tiempo en la puesta en
marcha del sistema automatizado.
Se requiere personal capacitado en la
instalación y programación.
Posibilidad de poder reutilizarlo en
otra aplicación.
10
ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo, ORDAZ Damián. ʻʻControladores Lógicos Programables’’. 1ra .Ed. México. Trillas 2009 .pp. 18-19
Fuente: Controladores Lógicos Programables
Autores: ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo y ORDAZ, Damián
13
1.7.3. CAMPO DE APLICACIÓN DE LOS PLC’S 11
Debido a sus características de diseño, el PLC tiene un concepto de
aplicación muy extenso. Además, la continua evolución de su hardware y
software hace que constantemente se amplíe su campo de aplicación,
ya que satisface las necesidades que se tienen en el campo industrial en
las áreas siguientes:
FIGURA No. 10 : CUADRO DE LOS CAMPOS DE APLICACIÓN DE LOS
PLC’S
PR
OC
ES
OS
DE
MA
NIO
BR
A
Maquinarias en la industria Refresquera
Maquinarias en la industria de Muebles
Maquinarias en la industria del Plástico
Maquinaria en la industria Vidriera
Maquinaria de control Numérico
Maquinarias de industrias Textil y de Confección
Maquinaria de la industria Automotriz
Maquinarias de la industria de Ensamblaje
PR
OC
ES
OS
DE
IN
DIC
AC
IÓN
Y
CO
NT
RO
L
Calderas
Aire Acondicionado
Calefacción
Refrigeración
Seguridad
Embotelladoras
Tratamiento Térmicos
PR
OC
ES
OS
PO
R
LO
TE
S
O
BA
TC
H
Columnas de Destilación
11
ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo, ORDAZ Damián. ‘’Controladores Lógicos Programables’’. 1ra .Ed. México. Trillas 2009 .pp. 18-19
14
Mezcladoras
OT
RO
S
Petroquímicas
Alumbrado Público
Semáforos
Automatización de edificios
Automatización Residencial
1.7.4. DISPOSITIVOS TÍPICOS DE ENTRADA Y SALIDA PARA PLC12
A continuación mediante un cuadro se mostraran los principales
dispositivos analógicos y discretos de entrada y salida al PLC.
FIGURA No. 11 : CUADRO DE DISPOSITIVOS DE ENTRADA
DISCRETOS
DISPOSITIVOS DE ENTRADA
DISPOSITIVOS DISCRETOS
NOMBRE FIGURA
Botón de empuje (Push
Button)
Relevador de contactos
Interruptor Selector
12
ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo, ORDAZ Damián. ʻʻControladores Lógicos Programables’’. 1ra .Ed. México. Trillas 2009 .pp. 18-19
Fuente: Controladores Lógicos Programables
Autores: ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo y ORDAZ, Damián
15
Interruptor de Límite
Interruptor de Presión
Interruptor de Temperatura
Sensor capacitivo
Sensor Inductivo
Sensor Magnético
Sensor Fotoeléctrico
Sensor Fototransistor
Sensor Ultrasónico
Sensor Rayo Laser
16
Fotocelda
FIGURA No. 12 : DISPOSITIVOS DE ENTRADA ANALÓGICOS
DISPOSITIVOS DE ENTRADA
DISPOSITIVOS ANALÓGICOS
NOMBRE FIGURA
Transductor de Vibración
Transductor de Fuerza
Transductor Óptico
Transductor de Vacío
Transductor de Presión/Corriente
Fuente: Controladores Lógicos Programables
Autores: ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo y ORDAZ, Damián
17
Transductor de Presión/Voltaje
Transmisor de Presión
Transmisor de Temperatura
Transmisor de Nivel
Transmisor de Punto de Rocío
Termómetro Infrarrojo
Medidor de flujo
Galga extensiométrica
18
Celda de Carga
FIGURA No. 13 : CUADRO DE DISPOSITIVOS DE SALIDA DISCRETOS
DISPOSITIVOS DE SALIDA
DISPOSITIVOS DISCRETOS
NOMBRE FIGURA
Válvula Solenoide
Arrancado de motor
Panel Indicador
Contador de fuerza
Bobina de Relevador
Fuente: Controladores Lógicos Programables
Autores: ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo y ORDAZ, Damián
19
Indicador LED
Bocina
Timbre
FIGURA No. 14: CUADRO DE DISPOSITIVOS DE SALIDA ANALÓGICOS
DISPOSITIVOS DE SALIDA
DISPOSITIVOS ANALÓGICOS
NOMBRE FIGURA
Variador de CA
Variador de Velocidad
Variador de frecuencia
Fuente: Controladores Lógicos Programables
Autores: ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo y ORDAZ, Damián
20
Transductor de I/P
Transductor de E/P
Posicionador Electro-neumático
Controlador de Temperatura
Controlador Multilazos
Variador de CD
Fuente: Controladores Lógicos Programables
Autores: ORDAZ, Ubaldo, RÍOS Edmundo y ORDAZ, Damián
21
1.8. USO DE LOS HMI EN EL TRABAJO CON LOS PLC
1.8.1. INTERFACES DE CONEXIÓN AUTÓMATA – USUARIO(H.M.I)13
HMI significa “Human Machine Interface”, es decir es el dispositivo o
sistema que permite el interfaz entre la persona y la máquina.
En la actualidad, dado que las máquinas y procesos en general están
implementadas con controladores y otros dispositivos electrónicos que
dejan disponibles puertas de comunicación, es posible contar con
sistemas de HMI bastantes más poderosos y eficaces, además de
permitir una conexión más sencilla y económica con el proceso o
máquinas.
Los usuarios de los autómatas necesitan comunicarse con ellos para
llevar a cabo dos funciones principales:
Utilizar las herramientas de diseño asistido por computador (CAD
TOOLS) que el fabricante del PLC pone a su disposición para lo cual
se necesita una unidad de programación.
Modificar parámetros y observar el estado de determinadas
variables (Visualización ) , en especial cuando el proceso controlado
es complejo , para lo cual es necesaria una unidad de
acoplamiento (interfaz) entre el usuario y la máquina H.M.I. , a ello
está asociado el programa SCADA.
13
MANDADO, Enrique, MARCOS, Jorge, FERNÁNDEZ, Celso, ARMESTO, José. ‘ʻAutómatas Programables y Sistemas de Automatización’’. 2 da .Ed. México. Marcombo-Alfaomega. 2009 .pp. 635-646
22
1.8.2. TIPOS DE HMI
A Continuación veremos los principales tipos de Interfaces Hombre
Máquina:
1.8.3. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS HMI
La utilización de los sistemas H.M.I es necesaria cuando la aplicación
exige que el usuario pueda:
Modificar parámetros del programa de control y dar órdenes a
los actuadores a través de él.
Recibir información del estado del proceso controlado por el
autómata programable.
Detectar fallos en el conjunto formado por el autómata
programable y el proceso controlado por él, que dan lugar a
alarmas ante las cuales el operador debe realizar las acciones
oportunas.
En el caso de los paneles o pantallas táctiles conocidos por las siglas
TP (Touch Panel) utilizan una pantalla gráfica que posee elementos
TIPOS DE H.M.I
Terminal de Operador PC + Software
Consistente en un dispositivo, generalmente construido para ser instalado en ambientes agresivos, donde pueden ser solamente de despliegues numéricos, o alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además con pantalla sensible al tacto (touchscreen).
Constituye otra alternativa basada en un PC en donde se carga un software apropiado para la aplicación. Como PC se puede utilizar cualquiera según lo exija el proyecto, en donde existen los llamados Industriales (para ambientes agresivos), los de panel (Panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia de terminal de operador.
FIGURA No. 15: TIPOS DE H.M.I.
Fuente: Autómatas Programables y Sistemas de Automatización
Autores: MANDADO, Enrique, MARCOS ,Jorge, FERNÁNDEZ Celso y ARMESTO, José
23
sensores sensibles al tacto. De esta forma la pantalla realiza la función
de entrada y de salida.
1.8.4. PROTOCOLO TCP14
El protocolo TCP es el responsable de enlazar los datagramas para
constituir un paquete (segment) y viceversa. También se encarga de
detectar los paquetes perdidos y de reenviarlos. Opera en los nodos
externos de un canal de comunicación de una red de datos y
complementa al protocolo IP que selecciona la ruta más adecuada para
cada uno de los paquetes que forman parte de una transacción.
1.8.5. CARACTERÍSTICAS DEL PROTOCOLO TCP
TCP es un protocolo que proporciona un servicio de transporte de datos
que ofrece:
Fiabilidad
Control de Flujo
Orientación a conexión
Multiplexación
Orientación a flujo de octetos
Transferencia con almacenamiento
14 MANDADO, Enrique, MARCOS, Jorge, FERNÁNDEZ, Celso, ARMESTO, José. ‘ʻAutómatas Programables y
Sistemas de Automatización’’. 2 da .Ed. México. Marcombo-Alfaomega. 2009 .pp. 635-646
FIGURA No. 16: ESQUEMA DE BLOQUES DE UN PANEL TÁCTIL
Fuente: Autómatas Programables y Sistemas de Automatización
Autores: MANDADO Enrique, MARCOS Jorge, FERNÁNDEZ Celso y ARMESTO, José
UNIDAD DE
INTERFÁZ
CONTROLADOR
DE PANTALLA
PANTALLA
TÁCTIL El Automata
Programable
24
1.8.6. PROTOCOLO IP
Su función es la del suministro de paquetes de información mediante
mensajes llamados datagramas, por lo que se dice que no es un
protocolo que no está orientado a la conexión. Este protocolo se
especifica mediante un conjunto de campos, la red y el computador al
que se envía información.
1.8.7. ENLACE ISO - ON - TCP
ISO-ON-TCP está previsto para transferir datos de forma segura a
través de diferentes redes.
El servicio ISO-ON-TCP cumple con la norma TCP/IP con la
conexión RFC 1006 de acuerdo al nivel 4 del modelo de referencia
ISO.
La seguridad de la transferencia es muy alta gracias a los
mecanismos de repetición automática y de verificación adicionales.
El interlocutor tiene que confirmar la recepción de los datos; al emisor
la señalización es en el interface SEND/RECEIVE.
1.8.8. COMPORTAMIENTO DEL PROTOCOLO TCP
Si se transfieren datos con ayuda del protocolo TCP, la transferencia se
realiza orientada a datos. No se transfiere ninguna información sobre la
longitud de los datos o sobre el inicio o fin de los mismos. Esto no
representa ningún problema en el envío, ya que emisor conoce los bytes
de datos que quiere enviar. Pero el receptor no reconoce donde termina
un paquete de datos y dónde empieza el siguiente.
25
2. PROGRAMACIÓN Y APLICACIONES DEL PLC EN EL CONTROL DE
PROCESOS.
2.1. PROGRAMACIÓN CON PLC SIEMENS S7-300 MEDIANTE STEP 7 15
2.1.1. CREACIÓN DEL PRIMER PROYECTO
Vamos a realizar el primer proyecto en STEP 7. Para ello se necesita
disponer de un software STEP 7 con su licencia o una versión demo.
También es posible tener una copia de un software STEP 7 sin licencia.
El inconveniente de esto es que cada vez que intentemos guardar algún
cambio nos saldrá un mensaje advirtiéndonos que el software utilizado
no tiene llave. Dependiendo de qué versión del software estemos
utilizando también puede ser que no nos deje ni siquiera abrir el
programa si no tenemos licencia. Los ejercicios expuestos en este
manual están resueltos con la versión 5.3 del software con el SP 2.
También es posible realizar los mismos ejercicios con versiones
anteriores. Algunas pantallas han cambiado de aspecto pero las
instrucciones y opciones explicadas en este manual también son válidas
para las otras versiones.
Dentro de un proyecto de STEP 7 introduciremos todos aquellos equipos
que va-yan a formar parte de nuestra instalación. Introduciremos tanto
los equipos de SIEMENS que estemos gastando, como los equipos de
otras marcas que formen parte del proyecto. También los PC, los
equipos de visualización y las diferentes redes en caso de que las
hubiera. De este modo, podremos comunicarlo todo de modo sencillo y
podremos visualizar todos los equipos de la instalación con un solo PC
desde un solo punto de la instalación.
Además, con el software NETPRO (incluido en el STEP 7 a partir de la
versión 5.x) podremos visualizar de forma gráfica, las redes y
conexiones entre los diferentes equipos. Además podremos manejar
estos enlaces de los equipos a las redes existentes con el ratón del PC
de forma gráfica e intuitiva.
15
MENGUAL, Pilar. Step 7. Una manera fácil de Programar PLC de Siemens .Editorial Marcombo-Alfaomega. 1a Ed.
México, 2010. Pp 50-71
26
En el primer proyecto que vamos a realizar en el curso, vamos a insertar
un solo equipo (un PLC de SIEMENS). En siguientes capítulos se
insertará más de un equipo incluyendo PLC, reguladores de frecuencia,
sistemas de visualización, ordenadores, etcétera.
Dentro del equipo de SIEMENS que vamos a insertar en este primer
ejemplo, vamos a incluir tanto el hardware que estemos utilizando, como
los bloques de programación (programa propiamente dicho).
La inclusión del hardware en el proyecto nos aportará varias ventajas. El
ordenador "sabrá" el equipo que vamos a gastar en nuestro trabajo.
Además "sabrá" las tarjetas que tenemos instaladas y las opciones de
las que dispone cada tarjeta. Si intentamos utilizar alguna instrucción
que no soporta nuestra CPU, nos avisará indicándonos que aquella
instrucción es imposible que sea utilizada en este proyecto. Además
cuando entremos en la opción "Propiedades del objeto" de cualquier
módulo que tengamos en la instalación, tendremos disponibles las
propiedades de ese equipo en concreto.
Además tendremos la posibilidad de ajustar desde el software
propiedades del propio hardware. Por ejemplo nos permitirá cambiar las
alarmas, el tiempo de ciclo de sean preestablecido para la propia CPU,
las direcciones de cada uno de los objetos de periferia, etc. Se explicará
mejor todos estos puntos en los ejercicios dedicados a ello.
Cada vez que hagamos un proyecto nuevo tendremos que definir un
hardware nuevo para cada uno de los equipos que tengamos en la red.
Este paso no es estrictamente necesario. Veremos en este mismo
manual que es posible crear y programar proyectos sin necesidad de
definir un hardware. El único inconveniente de esto es que no podremos
acceder o modificar las propiedades de cada módulo.
Veamos cómo haríamos esto en la práctica.
Abrimos el Administrador de SIMATIC. Si es la primera vez que se utiliza
el software, automáticamente se abrirá el asistente de nuevo proyecto.
27
Si hemos utilizado el software más veces, se abrirá mostrando el último
proyecto que se utilizó y no se cerró expresamente. También puede ser
que en la ventana del asistente se haya seleccionado la pestaña de
visualizar el asistente al arrancar el Administrador de SIMATIC y la
veamos siempre. Si tenemos un proyecto abierto, el aspecto del
Administrador de SIMATIC será algo parecido a la figura que vemos a
continuación:
En el ejemplo vemos que se ha abierto el STEP 7 y el proyecto
"Pruebas". Esto quiere decir que la última vez que se cerró STEP 7, se
hizo sin cerrar previamente la ventana del proyecto "Pruebas".
28
Si se utilizó el STEP 7 y se cerró el Administrador después de haber
cerrado el proyecto en uso, veremos una pantalla en blanco (o gris)
desde la cual podremos abrir un proyecto existente o crear uno nuevo.
También podremos abrir el asistente si así lo queremos. Si no se abre
el asistente pero queremos utilizarlo, deberemos acceder al menú
"Archivo -> Asistente 'Nuevo proyecto'...", después de haber cerrado el
proyecto abierto en caso de que lo hubiese.
Si queremos utilizar el asistente, no tenemos más que ir contestando a
lo que se nos pregunta. Si queremos, podemos cancelar el asistente y
generar nosotros nuestro nuevo proyecto.
Si hacemos el proyecto con el asistente, no tendremos en él las tarjetas
de entradas y salidas que estamos gastando. Tampoco tendremos
incluidos otros equipos que queramos utilizar o comunicar. Se generará
29
un proyecto estándar en el que no dispondremos de los equipos reales
con los que vamos a trabajar. Es posible programar con un proyecto
generado así si nos adaptamos a la configuración estándar de los
equipos. Si queremos cambiar alguna de las opciones configurables en
los equipos, deberemos incluirlos de forma manual en nuestro proyecto.
Veamos cómo quedaría el proyecto generado con el asistente.
Posteriormente crearemos uno manualmente y observaremos las
diferencias.
Si pulsamos el botón "Siguiente >" en la primera pantalla del asistente,
observaremos el siguiente menú:
En esta ventana deberemos seleccionar la CPU que vamos a utilizar en
el proyecto. En el ejemplo hay seleccionada una CPU 315-2DP.
También podemos asignarle una dirección MPI y un nombre. De
momento mientras sólo tengamos una CPU la dirección MPI es
irrelevante. Podemos dejar la 2 que es la que viene por defecto. El
nombre lo dará el usuario. Se recomienda utilizar un nombre que
identifique a la CPU dentro de la instalación. En el ejemplo le hemos
dejado el nombre por defecto ya que de momento no estamos
programando nada en concreto.
30
Aquí se nos permite seleccionar los bloques que queremos tener en el
proyecto a priori. En principio por defecto viene seleccionado el bloque
OBI (bloque principal). De momento empezaremos trabajando los
primeros proyectos sólo con este bloque. En posteriores capítulos se
explicará para qué sirven los demás bloques y se realizarán ejemplos
utilizándolos.
También se nos da la opción de seleccionar el tipo de lenguaje que
queremos utilizar. Por defecto viene seleccionado AWL (listado de
instrucciones). En próximas páginas explicaremos los tres lenguajes
incluyendo ejemplos. Aunque aquí seleccionemos uno de los tres
lenguajes disponibles, siempre podremos cambiarlo una vez entremos
en el bloque para programar. Incluso si se respetan unas sencillas
reglas podremos cambiar de lenguaje los bloques una vez hayan sido
programados. Conforme vayamos avanzando en la teoría de
programación, se irán explicando estas pequeñas normas con las
cuales siempre se tendrán los bloques traducibles a los tres lenguajes.
De momento en el ejemplo dejamos seleccionado el lenguaje AWL.
Si pulsamos "Siguiente >" accedemos a la pantalla que vemos a
continuación:
31
En esta última ventana se nos permite dar un nombre al proyecto. En el
ejemplo se ha llamado "Proyecto_con_asistente". En la ventana
inferior se observan los proyectos de STEP 7 existentes en el
ordenador en el que estamos trabajando y que se encuentran
almacenados en la misma carpeta que vamos a guardar el proyecto
que estamos creando.
Una vez tengamos escrito el nombre que queremos para el proyecto,
pulsamos el botón "Finalizar" y veremos el proyecto que se ha
generado con la ayuda del asistente.
32
Esto es una ventana típica de un proyecto en STEP 7. De momento
tenemos un proyecto sencillo en el que sólo tenemos un PLC con una
CPU y un solo bloque de programa. Aunque en el futuro tengamos más
equipos y más bloques de programa en los proyectos, la estructura de
esta ventana veremos que será la misma. En una misma ventana de
proyecto visualizaremos todos los equipos.
Ya hemos visto como se crea un proyecto con el asistente del STEP 7.
Ahora vamos a cerrar este proyecto y vamos a generar uno
manualmente. A la hora de cerrar el proyecto observaremos que
tenemos abiertas dos ventanas. Una es el Administrador de SIMATIC y
otra es el proyecto que acabamos de crear. Ahora queremos cerrar el
proyecto pero dejar abierto el Administrador de SIMATIC. A lo largo de
este curso veremos que dentro del Administrador podremos abrir
muchas subventanas con diferentes aplicaciones dentro del
Administrador SIMATIC.
Una vez tengamos los dos proyectos creados, analizaremos las
diferencias.
Para generar un nuevo proyecto, podemos ir bien al menú "Archivo ->
Nuevo...", o bien al botón que tiene como icono una hoja en blanco j Q j
Aparece una ventana en la que podemos decir si queremos crear un
proyecto nuevo de usuario, una librería nueva o un multiproyecto.
En nuestro caso decimos que queremos un proyecto de usuario.
33
En la parte superior de la ventana vemos un listado de los proyectos
que ya existen en el ordenador que estamos utilizando y que hemos
abierto alguna vez desde el STEP 7. En la parte inferior deberemos dar
un nombre al proyecto que vamos a crear. En el ejemplo le llamaremos
"Primer_ proyecto". También podemos indicar la carpeta en la cual
queremos que se quede almacenado. La que vemos en el ejemplo es
la que utiliza la aplicación por defecto. Si queremos guardarlo en otra
carpeta, no tenemos más que pulsar el botón "Examinar" y seleccionar
la carpeta que nos interese.
Una vez introducido el nombre del proyecto, observaremos que
tenemos una ventana con el nombre de nuestro proyecto en la parte
izquierda y con la red MPI en la parte derecha. Ya tenemos un proyecto
creado el cual de momento está vacío en cuanto a equipos y programa
se refiere.
34
El icono de la red MPI aparece por defecto. Es necesario que
tengamos al menos una red MPI porque la primera programación de la
CPU se hace a través del puerto MPI de la misma. En el primer
proyecto que vamos a realizar tendremos una red MPI que constará de
la CPU del PLC que queremos programar y el ordenador que
utilizaremos para programarla.
Posteriormente podremos insertar tantas redes y equipos como nos
haga falta.
Si observamos esta ventana, podemos apreciar que tiene el mismo
aspecto que el proyecto que generamos con el asistente. Todas las
ventanas de proyectos son iguales. La diferencia radica en los
elementos que hayamos introducido en el proyecto.
Vamos a rellenar el proyecto con los elementos que vamos a utilizar en
este manual de ejercicios. Para poder resolver los ejercicios de este
manual, deberemos tener como mínimo una CPU 300, una tarjeta de
16 entradas digitales, una tarjeta de 16 salidas digitales y una tarjeta
con 4 entradas y 2 ó 4 salidas analógicas.
Lo primero que tenemos que hacer es insertar los equipos que van a
formar parte de nuestro proyecto. En este caso vamos a insertar un
solo equipo. Para ello, vamos al menú de "Insertar" y elegimos el
equipo con el que vayamos a trabajar. En los primeros ejemplos
utilizaremos un equipo de la gama 300. En posteriores ejemplos
utilizaremos una CPU 400 y veremos las diferencias entre un tipo y
otro de CPU a la hora de realizar los proyectos.
35
Veremos que en nuestra ventana del proyecto se ha creado un equipo.
Hacemos doble clic sobre el equipo, y en la parte derecha de la
ventana, veremos que aparece un ¡cono que se llama "Hardware".
Hacemos doble clic sobre él y entramos en el editor de hardware. En
principio veremos que está todo en blanco. Para insertar los módulos
que nosotros tenemos en nuestro equipo, tendremos que abrir el
catálogo. Suele estar abierto por defecto. Si no lo está, podemos abrirlo
con el botón que representa un catálogo o desde dentro del menú de
"Ver", con la opción "Catálogo" (también funciona con la combinación
de teclas Ctrl + K).
Una vez tengamos el catálogo abierto, desplegamos la cortina del
equipo que tengamos que definir. En este caso desplegamos la cortina
de SIMATIC 300.
Lo primero que tenemos que insertar es un bastidor o perfil soporte. Es
la pieza donde irán colocadas las tarjetas que utilizaremos en nuestro
36
autómata programaba. Desplegamos la cortina de los bastidores y
vemos que tenemos un perfil soporte.
Hacemos doble clic sobre el perfil soporte. Veremos que en la
instalación del hardware se sitúa en la posición cero.
A continuación tenemos que ir rellenando el resto de posiciones que
tengamos ocupadas.
Nos situamos en la posición 1 y vamos a insertar la fuente de
alimentación que es lo primero que tenemos en nuestro equipo. Es
posible que en una instalación con más equipos, no tengamos la fuente
37
de alimentación en el mismo bastidor que la CPU. La CPU se tiene
que alimentar con una fuente de 24v., pero no es necesario que esté
situada en el mismo bastidor que ella. En caso de no tener una fuente
en el bastidor, dejaríamos esta posición 1 en blanco.
Si tenemos que introducir una fuente de alimentación, desplegamos la
cortina de las PS y elegimos la que tengamos en cada caso. En el
ejemplo se toma una fuente de 24v. de 5 amperios.
A continuación nos situamos en la posición 2 para insertar la CPU.
Desplegamos la cortina de las CPU. Vemos que en algunos casos
existen varias del mismo modelo. Si pinchamos una sola vez encima de
cada una de las CPU (o cualquier otro elemento del catálogo), vemos
que en la parte inferior del catálogo, tenemos una pequeña explicación
sobre el elemento seleccionado y además la referencia del elemento.
38
39
Tenemos que comprobar que esta referencia coincida con la referencia
del elemento que tenemos nosotros. En los equipos de SIEMENS suele
venir la referencia del elemento en la parte inferior delantera del mismo.
También podemos ver que dentro de la misma referencia existen varias
versiones. Deberíamos seleccionar el equipo con la misma versión que
el equipo del que disponemos. Hay que tener en cuenta que no en
todas las referencias existen versiones. Si no se especifica nada, es
porque sólo existe una.
En el ejemplo hemos seleccionado una CPU 315-2DP. Si
seleccionamos una CPU que tiene algún puerto de red adicional
además del MPI, el sistema nos preguntará acerca de los datos de esta
nueva red. Veamos el ejemplo al seleccionar una CPU 2DP (con un
segundo puerto PROFIBUS).
En esta ventana se nos pregunta por la dirección PROFIBUS del puerto
de la CPU y nos da la opción de dejarla sin conexión a ninguna red o
generar una nueva red para conectar la CPU. Dejaremos la dirección 2
por defecto. Al existir el puerto PROFIBUS, necesariamente tenemos
que asignarle una dirección. Si recordamos anteriormente también
asignamos la dirección 2 al puerto MPI. Al ser redes diferentes no hay
40
ningún problema en que coincida la dirección. En cuanto a la red, de
momento para el primer proyecto la dejaremos sin conectar a nada. En
ejercicios posteriores volveremos a esta pantalla y crearemos redes y
conexiones. Pulsamos el botón de aceptar y tendremos la CPU
colocada en la posición 2 del bastidor.
Si la CPU de la que disponemos no tiene ningún puerto adicional
además del MPI, no veremos esta pantalla. Simplemente quedará
colocada la CPU en la posición 2 del bastidor.
En la posición 3 no podemos insertar cualquier módulo. Es una
posición "reservada" para los módulos IM. Estos módulos sirven para
realizar configuraciones en más de una línea de bastidor. Si nos
fijamos en la ventana que tenemos abierta de hardware, veremos que
sólo existen 11 posiciones. Esto es porque en un bastidor podemos
tener una fuente de alimentación, una CPU y 8 tarjetas de periferia
como máximo. La fuente siempre se colocaría en la posición 1, la CPU
en la posición 2 y las tarjetas de periferia en las posiciones de la 4 a la
11. En nuestro caso vamos a tener una única línea de bastidor. Como
hemos explicado anteriormente sólo vamos a trabajar con 3 tarjetas de
periferia. No tenemos tarjeta IM. En este caso tenemos que dejar la
posición 3 libre.
En caso de tener más de 8 tarjetas de periferia, deberíamos insertar un
segundo bastidor de la misma forma que hemos insertado el primero.
En el segundo bastidor no tendríamos CPU puesto que serían tarjetas
de periferia correspondientes a la misma CPU. Deberíamos colocar dos
tarjetas IM en la posición 3 de ambos bastidores y a través de ellas es
por donde estarían conectadas las tarjetas de periferia del segundo
bastidor con la CPU situada en el primer bastidor. Físicamente
deberíamos hacer lo mismo. Habría que montar dos bastidores y
comunicarlos mediante cable eléctrico a través de las tarjetas IM.
En nuestro caso en el ejemplo, como no tenemos IM, pasamos a la
posición 4. Si algún día tuviésemos que hacer una ampliación de la
41
instalación, siempre tendríamos la posición 3 libre para añadir la tarjeta
IM. No cambiaríamos el direccionamiento inicial del resto de las
tarjetas. En la posición 4 y en las siguientes posiciones, tenemos que
insertar los módulos de entradas/salidas que tengamos. Las tarjetas de
señales las encontraremos en el desplegable llamado SM 300. Si
encontramos en el catálogo varias del mismo modelo, tendremos que
comprobar para cada caso que la referencia del elemento coincide con
la tarjeta que tenemos físicamente.
El hardware que utilizaremos para los ejemplos, constará de una tarjeta
de 16 entradas digitales, una tarjeta de 16 salidas digitales y una tarjeta
de 4 entradas analógicas y 2 salidas analógicas de 8 bits de resolución.
Con estas tarjetas podrán realizarse todos los ejercicios que se
explican en este manual. En caso de tener una configuración diferente,
habría que realizar el hardware con arreglo a lo que se tiene en la
realidad. Una vez insertadas todas las tarjetas que tenemos, el
hardware quedaría como se ve en la figura 18.
Esto corresponde a una configuración real como la que vemos en la
fotografía siguiente:
42
Veremos que en la parte inferior de la pantalla, se va creando otra tabla
en la que podemos ver los elementos que vamos creando con sus
referencias y además con las direcciones que se le van asignando a
cada uno de los módulos.
Una vez hemos terminada la configuración, tenemos que guardarla.
Tenemos que tener en cuenta que estamos trabajando con dos CPU a
la vez. Estamos trabajando con el ordenador y con el PLC que tiene su
propia CPU y su propia memoria. Deberemos guardar la información en
ambos sitios si queremos que el PLC tenga su configuración y además
poderla tener almacenada en nuestro PC.
Con el icono que representa un disquete, guardamos la información en
el ordenador y con el icono que representa un PLC y una flecha que
entra, guardaremos la información en el PLC.
Para guardar la información en el PC simplemente pulsamos el botón
de guardar. También existe un icono que representa un disquete con
unos ceros y unos debajo.Este botón nos sirve para guardar y compilar
el hardware generado.
43
Si en lugar de guardar pulsamos el botón de guardar y compilar, nos
guardará el hardware que acabamos de hacer y además el programa
analizará si todo lo que hemos puesto en la configuración es coherente.
Nos avisará en caso de intentar guardar una configuración imposible o
con errores diagnosticares.
Para guardar la información en el PLC tenemos que estar comunicados
con su CPU. Vamos a ver cómo hacemos esta primera comunicación
con el PLC. Posteriormente se podrá establecer la comunicación por
diferentes protocolos y a través de diferentes redes. La primera vez que
se establece la comunicación tiene que ser a través del puerto MPI. En
esta primera transferencia de información, podemos decir a la CPU si
bene diferentes redes conectadas y las direcciones de cada uno de los
puertos de red. A partir de este momento sería posible la conexión a
través de otras redes y otros protocolos.
Para la primera conexión necesitamos tener una conexión MPI entre el
ordenador y el PLC. Para esto tenemos varias posibilidades. Si el
ordenador con el que trabajamos dispone de puerto MPI, tan solo
necesitaremos un cable RS-485 (o cable MPI) que conecte ambos
puertos. Si por el contrario no disponemos de este puerto en el PC,
necesitaremos un cable con conversor a MPI. Existen cables para
conectar al puerto serie o al puerto USB. Dependiendo de lo que
tengamos, tendremos que hacer una configuración diferente.
Para hacer esta configuración en el STEP 7 vamos al menú:
Herramientas -> "Ajus-tar interface PG/PC" (de momento dejamos la
ventana del hardware abierta hasta que enviemos la información al
PLC). Tenemos que acceder al menú Herramientas desde la ventana
del Administrador de SIMATIC. Podemos observar que existe este
menú tanto en el Administrador como en el hardware, pero el contenido
de ambos es diferente.
44
Veremos una ventana como la que se muestra:
A esta misma ventana también podemos llegar desde el panel de
control. Una vez tengamos instalado el software STEP 7 en el panel de
control del ordenador aparecerá un nuevo ¡cono llamado "Ajustar
interface PG/PC". Si entramos desde allí llegamos a la misma ventana
de configuración.
En esta ventana nos aparece un listado de los drivers que tenemos
instalados en la máquina para establecer la comunicación con el PLC.
En el ejemplo, seleccionamos CP5611 (MPI). La CP 5611 es el puerto
MPI / PROFIBUS del ordenador que se está utilizando para la
resolución de los ejemplos. Entre paréntesis le decimos qué protocolo
vamos a utilizar, puesto que por este puerto podemos establecer
comunicaciones en varios protocolos ("Idiomas de comunicación").
Una vez instalado, volvemos a la ventana anterior y ya podremos
seleccionarlo.
Una vez seleccionado el puerto y el protocolo y conectado el cable
físicamente, deberíamos tener comunicación con el PLC. Para
45
comprobar si existe dicha comunicación podemos hacerlo con el icono
de "Estaciones accesibles" desde el Administrador de SIMATIC.
Si pulsamos este botón, nos saldrá una ventanita con todas las
estaciones que son accesibles por el puerto y el protocolo
seleccionado. En este caso nos saldrá una ventana con las estaciones
accesibles en MPI. Si hemos hecho todo correctamente deberemos ver
una ventana similar a la que se muestra a continuación en la que
vemos el PLC que tenemos conectado.
Con esto nos aseguramos de que tenemos comunicación con el PLC.
Podemos cerrar esta ventana y continuar con lo que estábamos
haciendo. Habíamos creado un hardware y lo teníamos guardado en el
PC. Ahora teníamos que guardarlo en el PLC. Para ello pulsamos,
desde la ventana de hardware, el botón que simula un PLC y una
flecha que entra.
Al pulsar este botón sale un menú diálogo que nos pregunta a quien
queremos enviar esta información. Con el hardware que hemos creado
nosotros, sólo tene-mos la posibilidad de enviar datos a la CPU. Los
demás módulos no son progra-mables. El diálogo que vemos es el
siguiente:
46
Aceptamos y con esto ya hemos pasado la información a la CPU.
Podemos cerrar la ventana del hardware y volver al Administrador de
SIMATIC.
Una vez cerrada la ventana de hardware veremos que volvemos a la
misma ventana en la que estábamos antes, es decir, volvemos al
Administrador de SIMATIC. En nuestro proyecto, tenemos el equipo.
Vemos que al lado del equipo hay un signo +. Si desplegamos todo lo
que tenemos, vemos que dentro del equipo está la CPU, la carpeta
para el programa, los bloques y las fuentes. Si pinchamos encima de
los bloques, vemos que en la parte derecha tenemos el OB 1.
Esta ventana es muy parecida a la que obtuvimos generando el
proyecto con el asistente del STEP 7. Las diferencias las observamos
dentro del hardware. Si comparamos las dos ventanas del hardware,
veremos que en el proyecto que hemos hecho a mano, tenemos tanto
la CPU como las tarjetas que estamos utilizando perfectamente
47
definidas. Podemos hacer clic sobre cada una de ellas con el botón
derecho del ratón y podremos acceder a sus propiedades. En
posteriores ejemplos en este manual veremos para que nos puede ser
útil modificar dichas propiedades. Si vemos la pantalla del hardware
generada por el asistente, veremos que sólo existe CPU. No tenemos
las tarjetas que vamos a utilizar. Además la CPU que existe en el
software es una CPU genérica dentro del modelo elegido.
Posiblemente no sea la misma que tenemos instalada eléctricamente.
De momento vamos a trabajar con el proyecto creado a mano.
El OBI es el primer bloque que vamos a programar. Aparece por
defecto, aunque está vacío. Ahora deberemos entrar en él y generar el
programa. Una vez creado nuestro primer programa, deberemos
guardarlo en el PC y en el PLC. No siempre es obligatorio guardar las
cosas en arribos sitios. Guardarlo en el PC nos sirve para que cuando
apaguemos nuestro ordenador, lo que hemos programado nos quede
en la memoria y lo podamos abrir o consultar en cualquier momento.
Guardarlo en el PLC nos sirve para poder probar lo que hemos hecho
en el autómata. Si por ejemplo estamos haciendo unas pruebas que no
sabemos si van a funcionar o no, tenemos la posibilidad de guardarlo
sólo en el PLC y probarlo. Podemos hacer tantas pruebas como sea
necesario y cuando estemos seguros de que funciona lo que hemos
programado, podemos entonces guardar el programa en el PC.
También puede ocurrir al revés. Por ejemplo que estemos
programando y no tengamos la CPU en este momento. Podemos
guardar los programas en el PC y ya los enviaremos al PLC cuando
tengamos la posibilidad de conectarnos.
Antes de empezar a programar, hagamos una puntualización. Estando
en la pantalla del Administrador de SIMATIC vemos que tenemos
abierta una ventana con nuestro proyecto que acabamos de crear
("Primer_proyecto"). En los iconos de la parte superior vemos que
tenemos seleccionado el ¡cono de OFFLINE.
48
A su lado vemos que tenemos otro ¡cono que representa un PC y un —
SJ PLC pero unidos con una línea azul. Este es el icono de ONLINEy
en este momento no lo tenemos seleccionado.
En este momento tenemos apretado el ¡cono de OFFLINE. Si
apretamos también el ¡cono de ONLINE vemos que en el Administrador
de SIMATIC tenemos dos ventanas parecidas. Con May. F2, nos
organizamos las ventanas en forma de mosaico horizontal. Lo que
visualizaremos será lo siguiente:
Siempre que estemos en OFFLINE, estamos trabajando en el
ordenador. Estamos leyendo del disco duro del PC. Vemos que en los
bloques sólo tenemos el OB 1 que es el que ha creado el proyecto por
defecto.
Siempre que estemos en ONLINE, estamos trabajando directamente
en el PLC. Estamos leyendo directamente lo que tenga el PLC. Vemos
que tenemos otros bloques. Son los bloques que lleva integrados y
protegidos la CPU. Dependiendo de la CPU con la que estemos
trabajando, tendremos unos bloques diferentes. Estos bloques no los
podemos borrar. Tampoco podemos ver lo que hay programado en
ellos. Sólo podemos utilizarlos. Tenemos una ayuda de cada uno de
ellos en la que nos explica como se llama cada uno de los bloques, lo
que hace, cómo debemos utilizarlo y rellenarle sus parámetros. Para
ver esta ayuda, sólo tenemos que seleccionar el bloque que queremos
y en esta posición pulsar la tecla Fl.
49
También tenemos la opción de coger el ¡cono que tiene forma de
interrogante en la parte superior de la barra de herramientas y, con él
seleccionado, hacer clic sobre el bloque del cual queremos obtener la
información.
En posteriores ejemplos en este mismo manual, se verá cómo
podemos utilizar estos bloques, tanto las ayudas que nos proporciona
el sistema como la propia programación y utilización de los mismos.
Si aparecen bloques que no sean los de sistema (SFC o SFB) quiere
decir que en el PLC tenemos algún programa. Antes de empezar con
nuestro programa vamos a borrar todo lo que tenga el PLC.
Para ello pinchamos encima de la CPU de ONLINE. En esta posición
vamos al menú "Sistema Destino", "Diagnóstico / Configuración" y
elegimos la opción "Borrado Total".
Con esto borramos todos los bloques que tuviera la CPU excepto los
de sistema (que ya hemos dicho que de ninguna manera podemos
borrarlos).
Si volvemos a pinchar en bloques veremos que sólo tenemos los de
sistema (los que empiezan por S).
También tenemos la opción de hacer un borrado total de la CPU desde
el propio PLC. Para ello tenemos que realizar una secuencia especial
con la llave azul que lleva insertada la CPU. Se hace mediante esta
50
secuencia especial para que nadie haga un borrado de la CPU sin
querer. Si nos fijamos en las posiciones de dicha llave, vemos que
tiene 4. La primera RUN-P. En esta posición tenemos la CPU
funcionando, es decir, ejecutando el programa que tenga cargado y
además tenemos la posibilidad de conectarnos con el PC para hacer
modificaciones. La segunda opción es RUN. En esta posición tenemos
al PLC funcionando, es decir, ejecutando el programa que tenga
cargado, pero no podemos hacer modificaciones ONLINE. Sólo
podríamos hacer operaciones de visualización. La tercera opción es
STOP. En esta posición tendríamos el PLC parado. Es decir, su CPU
no estaría leyendo ningún programa. En esta posición si que podemos
conectarnos con el ordenador y hacer modificaciones en el programa.
La cuarta posición es la que nos servirá para hacer un borrado total de
la CPU. Es la posición MRES. La llave no se mantiene sola en esta
posición. Debemos mantenerla nosotros con la mano. Para proceder al
borrado total del PLC deberemos llevar la llave a esta posición y
mantenerla mientras la luz de STOP se apaga y enciende dos veces.
En cuanto haya hecho este parpadeo, sin esperar apenas nada de
tiempo, soltamos la llave y la volvemos a llevar a la posición de MRES.
Ahora la luz de STOP deberá parpadear de un modo más rápido. En
cuanto deje de parpadear, podem os soltar la llave y ya habremos
borrado la CPU del PLC.
Después de haber hecho un borrado total, deberemos volver a enviar el
hardware para tener la CPU tal y como queríamos. Con el borrado
total, se borra tanto el programa como las propiedades de hardware
que hayamos configurado con antelación.
A la hora de trabajar sobre los distintos bloques, lo podemos hacer
tanto en OFFLINE como en ONLINE. A la hora de guardar lo que
hemos programado, lo podemos guardar tanto en la programadora
como en la CPU, tanto si estamos trabajando en ONLINE como si
estamos trabajando en OFFLINE. Siempre el icono que muestra un
disquetseré para guardar el programa en el ordenador y el icono que
muestra un PLC será para guardar en el PLC.
51
A la hora de trabajar con los distintos bloques, tenemos que tener en
cuenta que en un momento dado podemos llegar a estar trabajando
con tres bloques con el mismo nombre a la vez. Podemos tener en un
momento dado tres OBI conteniendo diferente programa a la vez. Por
ejemplo, supongamos que estamos trabajando con un OBI. Podemos
escribir unas instrucciones y enviarlas al PLC. Luego hacemos una
modificación y guardamos en el ordenador. Luego hacemos otra
modificación y no la guardamos en ningún sitio. De este modo,
tendremos el primer bloque programado dentro del PLC. Con una
modificación en el ordenador y con la segunda modificación es lo que
estaremos viendo en la pantalla del ordenador pero no está guardado
en ningún sitio. Esto no supone ningún problema a priori. Simplemente
tendremos que tener claro lo que queremos guardar en cada sitio y
saber cómo mirar lo que tenemos en cada CPU.
Tras todas estas explicaciones, vamos a proceder a realizar nuestro
primer programa dentro de un OBI.
Una vez tenemos el proyecto creado y el ordenador conectado al PLC,
estamos en disposición de empezar a programar. Comenzaremos
programando el bloque OBI que es el que viene creado por defecto. En
posteriores ejercicios veremos cómo se van creando y para que sirven
otros bloques.
El OBI es el bloque principal. Todos los programas que hagamos
deberán constar al menos de un OBI. Es un bloque necesario aunque
luego añadamos más. Cuando la CPU va a leer el programa, siempre
va a leer el OBI. Empieza desde la primera instrucción y lee hasta la
última. Una vez ha terminado de leer el bloque vuelve a empezar por la
primera instrucción. Es un bloque cíclico. Es la base de todos los
demás bloques. Cuando queramos que la CPU ejecute otros bloques,
deberemos llamarlos desde el OBI (a excepción de otros OB que más
adelante explicaremos cómo se utilizan).
¿Cuántos tipos de bloques podemos programar?
52
OB Bloques de organización.
FC Funciones.
FB Bloques de función.
DB Bloques de datos.
UDT Tipos de datos de usuario.
Veamos lo que podemos hacer con cada uno de estos bloques.
OB: Son bloques de organización. Cada OB tiene una función
determinada. El OB 1 es el único bloque de ejecución cíclica. Es el que
ejecuta la CPU sin que nadie le llame. Los demás OB tienen una
función determinada. Se ejecutan cuando les corresponda sin que
nadie les llame desde ningún sitio del programa. Tenemos OB
asociados a diferentes errores de la CPU, a alarmas, etcétera.
FC: Funciones. Son trozos de programa que crea el usuario. Realizan
una función determinada dentro del proyecto. Se ejecutan cuando se
las llama desde algún punto del programa. Pueden ser parametrizables
o no. Además de las FC que yo me creo, existen FC hechas en
librerías. Se utilizan exactamente igual que las que yo programo. No
podemos entrar en ellas para ver la programación. Las funciones que
ya existen dentro de las CPU se llaman SFC.
FB: Bloques de función. En principio funcionan igual que las FC. La
diferencia está en que las FB se guardan la tabla de parámetros en un
módulo de datos. Esto tiene dos ventajas. Una es que podemos
acceder a los parámetros desde cualquier punto del programa. Otra es
que cada vez que llamemos a la FB no es necesario que le demos
todos los parámetros. Los parámetros que no rellenemos, se tomarán
por defecto los últimos que hayamos utilizado o los que existen en el
DB correspondiente. También existen FB creadas dentro de cada una
de las CPU. En estas FB no podremos entrar y ver el código, pero si
podremos llamarlas y utilizarlas. Las FB de sistema se llaman SFB.
53
DB: Módulos de datos. En estos bloques no realizamos programa. Son
tablas en las que guardamos datos. Luego podremos leerlos o escribir
sobre ellos.
UDT: Tipo de datos. Nos podemos definir nuestros propios tipos de
datos para luego utilizarlos en los DB. Serán adicionales a los tipos de
datos ya existentes para el STEP 7.
Veremos que en el PLC existen bloque SFC y SFB. Son bloques
protegidos a los que no podremos acceder. No podremos ver el código
programado pero en cambio sí que los podremos utilizar. Las SFC son
lo mismo que las FC pero ya vienen programadas en el sistema. Las
SFB son lo mismo que las FB pero ya vienen programadas en el
sistema.
Comenzaremos programando el OBI como habíamos dicho
anteriormente.
Abrimos el OBI de la pantalla de OFFLINE. Una vez abierto, el bloque
que estamos viendo en la pantalla de la programadora, mientras no lo
guardemos en ningún sitio, lo tenemos únicamente en la RAM del
ordenador. Si teniendo el bloque en la pantalla pinchamos el ¡cono de
"guardar" o el ¡cono de "transferir al autómata", estaremos guardando
el disco duro o en el autómata lo que tengamos en la pantalla. Pero si
volvemos a la pantalla principal (Administrador de SIMATIC) sin haber
guardado previamente el bloque en disco duro y transferimos algún
bloque arrastrándolo, con ayuda del ratón desde la pantalla de
OFFLINE hasta la pantalla de ONLINE, vamos a transferir lo último que
hubiésemos guardado en disco duro y no las últimas modificaciones
que hemos hecho en el bloque que veíamos en pantalla.
Vamos a empezar a programar. Para ello abrimos el bloque OBI. Si es
la primera vez que lo abrimos, nos saldrá una ventana similar a ésta:
54
En esta ventana podemos asignar un nombre simbólico al bloque y
podemos decir nuevamente en que lenguaje queremos programar. De
momento por defecto viene seleccionado AWL. Es el que vamos a
utilizar para el primer ejemplo. Si pulsamos el botón de aceptar se nos
abre el OBI que tiene este aspecto:
Hemos abierto otra ventana más adicional al Administrador. Le
llamaremos "editor de bloques".
Sabiendo todo esto y teniendo el bloque OBI abierto, vamos a pasar a
la resolución de ejercicios que es la parte principal de este manual. En
cada ejercicio se aprenderá algo nuevo sobre instrucciones o bloques
programados. Se intentará que cada ejercicio sea corto y sencillo y se
55
centre únicamente en uno o dos conceptos para que se vayan
adquiriendo conocimientos poco a poco.
También a lo largo del manual habrá algún ejercicio en el que no se
trate nada nuevo sino que se haga un pequeño resumen de lo
aprendido anteriormente. Será un ejercicio un poco más extenso y se
tratará de utilizar todas las instrucciones y conceptos aprendidos en
ejercicios anteriores.
56
2.2. APLICACIÓN DEL CONTROL DE FLUJO 16
MODELADO DE CONTROL PID PARA LA VARIABLE FLUJO
Andrade Javier
Escuela Politécnica del Ejército Tapia Fausto
Escuela Politécnica del Ejército
Resumen
Los transmisores de presión diferencial, en conjunto con una platina de orificio
como elemento primario de flujo, son instrumentos muy comunes para registrar
flujo, la dificultad del sistema es que no tiene linealidad, obligando a los
controladores incluir subrutinas para este tipo de señales. En este trabajo se
linealiza el flujo en función de presión diferencial y un lazo PID para un sistema
de bombeo hidráulico regulado por un variador AC. Como resultado de la
práctica, se registró curvas del sistema en función del tiempo, para control P, PI
y PID, frente a cambios de set y perturbaciones de entrada.
Palabras claves: Escuela Politécnica del Ejército sede Latacunga ESPEL,
Contol PID, Liberalización de flujo, Control de bombeo hidráulico.
1 INTRODUCCIÓN
El equipo para el estudio de la variable flujo, cuenta con un sistema de bombeo
instrumentado, que permite manipular el caudal mediante la variación de la
velocidad del motor de la bomba, utilizando un variador AC, comandado por
una entrada 4-20mA, en línea se dispone de un elemento primario de medición
de flujo acoplado hidráulicamente a un manifold de un transmisor de presión
diferencial, según el diagrama de tubería e instrumentación P&ID adjunto en el
anexo B.
16
ANDRADE ,Javier ; TAPIA Fausto. MODELADO DE CONTROL PID PARA LA VARIABLE DE FLUJO. Revista
de Investigación de la Escuela Politécnica Nacional.
57
2 OBJETIVO
Desarrollar un modelo de linealización y control PID para flujo utilizando una
señal de presión diferencia y poder ser aplicado por un controlador sencillo.
3 PROCEDIMIENTO
Para poner en marcha el control sobre el equipo es preciso documentar el
proceso, las funciones involucradas y los modelos de control que se van a
configurar en el controlador. Primero se realiza el diagrama de tubería e
instrumentación P&ID existente, luego se analiza la función, para nuestro caso
es flujo en función de presión diferencial, luego se configura el sistema de
control en el controlador, paralelamente se calibra el instrumento de medición
de presión diferencial, se configura el variador de velocidad, finalmente se
establece la comunicación entre los dispositivos.
4 DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN PID (DTI)
En la siguiente figura se muestra la disposición de los equipos, tanque, bomba,
válvulas e instrumentos, su función es un sistema sencillo de bombeo
hidráulico donde la bomba succiona agua del tanque de almacenamiento, a la
descarga de la bomba se tiene un elemento primario de flujo que permite
conectar un transmisor de presión diferencial y un rotámetro en línea, para
finalmente retornar al tanque.
58
5 ANÁLISIS FUNCIONAL DEL PROCESO
El proceso de flujo o caudal es medido de manera indirecta por presión
diferencial y la manipulación de la variable es mediante la modificación de la
velocidad del rotor lo que se asumió como relación directamente proporcional.
En la siguiente figura se aprecia la curva del sistema en azul y los puntos de
operación a tres velocidades diferentes, se aprecia la relación proporcional
entre la velocidad y el flujo sin presentar problemas si se asume una relación
lineal.
59
Por otro lado, la medida de presión diferencial no es lineal con respecto al flujo, tiene una
relación cuadrática de la siguiente forma:
Para ello existen dos maneras de linealizar la función, la primera y la más
directa es extrayendo la raíz cuadrada a cada lado de la ecuación, pero esto
implica que el controlador tenga en sus funciones la subrutina para sacar una
raíz, la ecuación quedaría de la siguiente manera:
La segunda manera es una linealización de la función en cuestión, utilizando
las dos primeras expresiones de la serie de Taylor alrededor de un valor inicial,
se expresa de la siguiente manera:
Para el caso de este estudio se tiene la ecuación del sistema:
Aplicando series de Taylor a la Ecuación del sistema se tiene:
60
Reemplazando la Ecuación 4 en la Ecuación 5 se obtiene:
donde:
Finalmente se obtiene la expresión linealizada reemplazando la Ecuación 7 en
la Ecuación 6:
Despejando F se obtiene:
Nótese que la expresión linealizada requiere de un valor inicial F0 que puede
ser la misma lectura de presión diferencial, éste método es útil cuando se
61
requiere trabajar con microcontroladores que no tengan una subrutina de raíz
cuadrada.
Donde:
6 CALIBRACIÓN DEL INSTRUMENTO La salida analógica del instrumento se la ajustó según el rango de lectura que
permite el rotámetro en línea, los datos de los instrumentos se describen a
continuación:
Rotámetro
Campo: 0 a 8 GPM
Alcance: 8 GPM
Resolución: 0.2 GPM
Precisión: 2.5%
Transmisor de Presión Diferencial
Salida: 4-20mA
Alimentación: 15 a 60Vdc
Para la calibración se tomaron valores de 1.5GPM (4mA) y 7.75GPM (20mA),
como se mencionó antes el instrumento de presión diferencial no presenta
linealidad con respecto a la variable flujo por lo cual la linealización se lo realizó
dentro del programa del PLC, extrayendo la raíz cuadrada del diferencial de
presión.
62
7 CONFIGURACIÓN DE LAZO PID Para la configuración del control PID es preciso definir la función a ser implementada:
Resolviendo la ecuación 9 para configurar el sistema de control en el PLC
quedaría de la siguiente manera:
Donde:
8 SINTONIZACIÓN DEL PROCESO Para la sintonización se ha utilizado el método Ziegler-Nichols de ganancia
límite, que recomienda iniciar con un ajuste proporcional, para ello es preciso
encontrar la constante proporcional crítica ajustando el tiempo integral en +INF
(un valor muy grande), el tiempo derivativo en cero e incrementar la ganancia
63
proporcional hasta que el sistema se torne totalmente oscilatorio con período y
amplitud constante, se procede a obtener el período de oscilación y se calculan
las ganancias y los tiempos según la siguiente tabla para un criterio de
estabilidad de área mínima:
9 RESULTADOS Una vez configurado todo el sistema de comunicación, calibración y puesta en
marcha del equipo, se procedió a tomar las curvas de tendencia que el sistema
muestra, para ello se inició con hallar la constante proporcional crítica, luego el
período de oscilación para finalmente poner en sintonía el sistema y someterlo
a perturbaciones y a cambios de referencia.
Se obtuvo del proceso de búsqueda de la constante crítica y el período de
oscilación los siguientes resultados:
Kpo = 4.0
T = 4.4 seg
En la siguiente figura se muestra el sistema totalmente oscilatorio:
64
Se aprecia la oscilación constante del sistema, nótese que la consigna se
encuentra en 60% y la variable de proceso tiene una oscilación sostenida.
Realizando los cálculos correspondientes para el criterio de estabilidad de área
mínima se obtuvieron los valores indicados en la tabla siguiente:
Se configuró el control proporcional, luego el control PI y el control PID, se
sometió permanentemente a un cambio escalón y luego a rampa, finalmente se
procedió a realizar una perturbación cambiando de posición la válvula de
descarga.
La consigna cambia de 30% a 60% en menos de un segundo, nótese la
oscilación de la variable de proceso.
65
Frente al cambio escalón la consigna oscila menos que en el caso anterior
donde se aplicó únicamente el control proporcional.
La misma perturbación anterior pero con escalón descendente y escalón
ascendente, nótese que la variable de proceso demora más que los casos
anteriores en alcanzar la consigna pero es menos oscilatoria.
66
La perturbación ocasiona que el sistema alcance un nuevo equilibrio y el
sistema de control ajusta la salida para mantener la variable de proceso sobre
la consigna.
Nótese que la variable de proceso sigue la curva de consigna en escalones,
esto es característico en el modelado PID, puesto que requiere de períodos de
tiempo para ser resuelto.
Nótese el desfase en el tiempo entre la consigna y la variable de proceso.
67
10 CONCLUSIONES
La implementación de un control continuo para un proceso de flujo
conlleva la respectiva selección del elemento primario y su transmisor
que para el caso se trata de una placa orifico y un transmisor de presión
diferencial que exigen calibración de acuerdo a los valores de la variable
a ser medida. Por otra parte se selecciona el elemento de control final
siendo una variador de velocidad para una bomba de agua, la cual
permite variar en forma continua el caudal de acuerdo a una consigna
dada.
La linealización permite incorporar en un microcontrolador este tipo de
control, utilizando las funciones elementales de suma y resta, con ésta
herramienta de cálculo se pueden producir transmisores de presión
diferencial para flujo que generen señales lineales en función de flujo
con la incorporación de un micro controlador que realice la linealización
El método de sintonización de lazos de control de Ziegler-Nichols de
ganancia límite permite un procedimiento sencillo para una optimización
del lazo de control cuando no se tiene la respectiva modelación
matemática del sistema a sintonizarse. En este caso en particular se
obtuvo muy buenos resultados con los datos obtenidos de la
sintonización del lazo para todos los tipos de control P, PI, PID.
La realización del método de sintonización requiere la respectiva
visualización de las tendencias de la consigna, variable de proceso y
carga de proceso en el tiempo, para lo cual se recomienda obtener un
sistema que nos permita tales observaciones para el óptimo desarrollo
de la sintonización.
Una vez que el sistema se ha estabilizado, se procedió a cerrar la
válvula de descarga, ocasionando una restricción que incrementó la
caída de presión, moviendo la curva del sistema hacia la izquierda (Ver
figura 1) situando al punto de operación en un nuevo equilibrio de mayor
68
presión y menor caudal, obligando al sistema de control mover la curva
de la bomba (la velocidad del impulsor) hasta ubicar el caudal sobre la
consigna de caudal.
2.3. APLICACIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL EN EL
SECTOR INDUSTRIAL 17
ASPECTOS GENERALES DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL DEL SECTOR FARMACÉUTICO Bibiana M. Vallejo1 y Sandra B. Vallejo
1 Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ciencias, Departamento de Farmacia, A.A. 14490, Bogotá D.C., Colombia. Correo electrónico: [email protected]
Recibido para evaluación: noviembre 22 de 2005 Aceptado para publicación: abril 10 de 2006
RESUMEN
El presente artículo recopila la información sobre las tendencias
mundiales en automatización de procesos industriales, aplicados al
campo de los procesos de transformación de materiales en el sector
farmacéutico. Se plantean los diferentes niveles de automatización que
pueden ser de interés para la industria farmacéutica nacional
y se hace una reflexión sobre el grado de avance para nuestra industria,
seleccionando información sobre casos exitosos de automatización
llevados a cabo desde la academia para el sector.
Palabras clave: automatización, sistemas de manufactura, transformación de materiales, producto farmacéutico.
17 BALLEJO Viviana ,BALLEJO Sandra . Aspectos Generales de la Automatización Industrial del Sector
Farmacéutico, 35 (1): 47-63, Abril 2006.
69
SUMMARY GENERAL ASPECTS ABOUT THE INDUSTRIAL AUTOMATION IN PHARMACEUTICALS In this article, information about general world trends in pharmaceutical
manufacturing automation intended for material processing are reviewed.
Nowadays, different levels in automation have been developed, which
would be interesting and useful in the local pharmaceutical industry. For
this reason, a general analysis about their possible development and
implementation in the Colombian pharmaceutical industry was done.
Finally, some successful automation’s cases proposed by several local
universities are showed.
Key words: automation, manufacturing systems, materials processing,
pharmaceutical product.
INTRODUCCIÓN
La automatización se ha entendido como una tecnología en la cual
se aplican los sistemas mecánicos, electrónicos y computarizados, con
el fin de operar y controlar la producción, de bienes físicos de consumo,
además involucra una gran variedad de sistemas y procesos que se
ejecutan con mínima o ninguna intervención del ser humano (1-3).
Se ha clasificado la automatización en tres procesos diferentes de
acuerdo a los requerimientos del proceso productivo, los volúmenes
de producción y la variedad de productos que se fabrican: a)
automatización fija, se caracterizan por la secuencia única de
operaciones de procesamiento y ensamble; b) automatización
programable o “batch”, la secuencia de operaciones es controlada
por un programa y cambia para diferentes configuraciones del
producto; y c) automatización flexible, en donde es posible fabricar
productos de diferentes especificaciones sin pérdidas de tiempo,
atribuibles a los cambios y ajustes de los equipos de proceso entre un
producto y otro (Figura 1) (1).
70
Un proceso automatizado está compuesto por los siguientes elementos (4-6).
Fuentes de energía, necesarias para ejecutar el proceso y los controles, la
principal fuente es la electricidad, la cual es convertida a formas alternas de
energía: mecánica, térmica, lumínica, acústica e hidráulica.
Infraestructura de equipos: ejecutarán las operaciones de transformación
necesaria sobre los materiales para obtener los productos que se requieren.
Programa de instrucciones: donde se definen las acciones a desarrollar de
acuerdo con el diagrama de flujo del proceso.
Arquitectura del sistema de control: en este se definen los requerimientos de
sensórica, instrumentación, controladores lógicos programables (PLC) y
sistemas de supervisión, necesarios para ejecutar el proceso.
Sistema de control: ejecuta el programa de instrucciones del sistema
automático y permite la realización del proceso; se definen los ciclos de trabajo,
en el que para cada uno se establece el mismo número de pasos asociados
con los cambios en los parámetros del proceso, sin variaciones de un ciclo a
71
otro. Así, el programa de instrucciones es repetido durante cada ciclo de
trabajo sin desviaciones.
TIPOS DE CONTROLES Los controles pueden ser de lazo cerrado o de lazo abierto, en el control de
lazo cerrado o de retroalimentación, las variables de salida son comparadas
con los parámetros de entrada y alguna diferencia entre los dos es usada para
corregir la salida de acuerdo con la entrada. Este sistema de control es el más
empleado y está constituido por: parámetros de entrada, proceso a ejecutar,
variables de salida, sensores controladores y actuadores (4, 7, 8).
El parámetro de entrada del sistema es el valor de referencia, o punto fijo, para
la salida del sistema y éste representa el valor de operación que se espera
para la salida. El sensor, cuantifica la variable de salida y cierra el circuito. El
controlador compara la salida con la entrada y hace el ajuste requerido en el
proceso, reduciendo la diferencia entre ellos. Los actuadores, son los
dispositivos físicos del hardware, que llevan a cabo las acciones de control (1,
9).
En la Figura 2 se representa matemáticamente un diagrama de control de lazo
cerrado, en donde las funciones de transferencia de envío y transferencia de
retorno, ejecutan la actividad de control sobre el sistema.
72
LA AUTOMATIZACIÓN DE UN PROCESO INDUSTRIAL Cuando se plantea la posibilidad de automatizar un proceso productivo en la
industria farmacéutica, se ha encontrado que uno de los puntos críticos es la
clasificación de los productos; por esta razón, se ha considerado que los
productos deben agruparse de acuerdo con la similitud en el diseño y
requerimientos del proceso de manufactura, excepto las formas parenterales,
que por su criticidad, conllevan requisitos muy específicos para su producción
(10-12).
Para automatizar los procesos de producción en esta industria, los expertos
han utilizado una clasificación por líneas de producción, de la siguiente forma:
Formas de dosificación sólida: en este grupo se incluyen tabletas, cápsulas,
formas sólidas de liberación controlada, polvos y granulados, polvos para
inhalación, píldoras y supositorios.
Formas de dosificación líquidas: se incluyen los jarabes, elixires, soluciones
orales, suspensiones y emulsiones. Formas de dosificación semisólidas: se
encuentran ungüentos, cremas, geles y pastas.
Productos parenterales: se incluyen productos biotecnológicos, inyecciones,
fluidos estériles y liofilizados.
Una vez que se establece el tipo de productos que elabora una planta de
producción y se definen los procesos que se desean automatizar, se puede
seleccionar entre las siguientes posibilidades para sistematizar e integrar las
operaciones de la planta de producción:
Sistemas de Manufactura Flexible (Flexible Manufacturing Systems
FMS).
Manufactura Integrada por Computador (Computer Integrated
Manufacturing CIM).
Un FMS está constituido por un grupo de estaciones de proceso
(especialmente máquinas de control numérico), interconectadas por medio de
manipuladores de material automatizados y sistemas de almacenamiento, que
son controlados por un sistema integrado a un computador. La denominación
de FMS es debida a su capacidad para procesar una gran variedad de
73
diferentes tipos de partes simultáneamente, bajo un programa de control
numérico en varías estaciones de trabajo (13-17).
La manufactura integrada por computador (CIM) ayuda a la compañía en la
flexibilización, y el mejoramiento de la calidad, la reducción de inventarios,
optimización de espacios físicos en planta, disminución de tiempos de
elaboración e incremento de la productividad, a través de la integración de las
funciones de negocio como: organización, planeación y control (15, 18, 19).
Una vez se ha seleccionado e implementado el sistema de control de un
proceso, surge la necesidad de administrar los datos que se generan a partir de
este, siendo necesaria la aplicación de tecnologías de información (TI), las
cuales permiten crear estructuras de datos de forma ordenada y accesible para
su utilización en diferentes niveles de la planta y/o organización (20, 21).
TECNOLOGÍAS DE AUTOMATIZACIÓN EMPLEADAS EN LA INDUSTRIA
FARMACÉUTICA
A nivel mundial el empleo de estas tecnologías por la industria farmacéutica se
ha clasificado de acuerdo con el nivel de la organización en donde se utilizan,
bien sea en funciones administrativas, en el diseño integrado de producto y
proceso, en la planeación de la producción, o en el control de esta (10-12, 22,
23).
Grupo 1: Administración de tecnologías que apoyan la integración de los
departamentos funcionales de la compañía. Entre estas se encuentran:
planeación de requerimientos de manufactura (Material Requirements
Planning, MRP), planeación de recursos de manufactura (Material Resources
Planning, MRPII), justo a tiempo (Just in Time, JIT), tecnología de grupo (Group
Technology, GT), inteligencia artificial (Artificial Intelligence, AI), intercambio
electrónico de datos (Electronic Data Interchange, EDI).
Grupo 2: Tecnologías que soportan las actividades de la planta para diseño,
planeación y control del proceso y de productos. En este grupo están: diseño
asistido por computador (Computer Aided Design, CAD), diseño y bosquejos
asistidos por computador (Computer Aided Design Draft, CADD), ingeniería
asistida por computador (Computer Aided Engineering, CAE), control de
74
procesos por computador (Computer Process Monitoring), planeación de
procesos asistida por computador (Computer Aided Process Planning, CAPP).
Grupo 3: Tecnologías basadas en el computador que son directamente
empleadas en la planta para la producción, manipulación y transporte de
materiales y productos. Aquí se encuentran: robots, máquinas de visión
artificial, máquinas de control numérico (Computer Numerical Control, CNC),
controladores lógicos programables (Programming Logic Controller, PLC),
manipuladores automatizados de materiales (AMH), sistemas automatizados
de transporte (Automated Guided Vehicle Systems, AGVS), sistemas
automatizados de almacenamiento y recuperación (AR/AS).
RAZONES PARA AUTOMATIZAR PLANTAS DE PRODUCCIÓN
FARMACÉUTICA Los beneficios de incorporar tecnologías de automatización en el campo
farmacéutico (11, 23-25), se reflejan en:
Flexibilización de los procesos de producción para la elaboración de
diferentes productos que den respuesta a las demandas actuales y
futuras de la organización.
Disminución de la manipulación manual y almacenamiento intermedio de
Materiales en proceso.
Mejoramiento y aseguramiento de la calidad y reproducibilidad de
productos y posibilidad de verificar el estado del material en proceso; así
como confiabilidad en la información que se administra.
Reducción de los niveles de inventario concepto JIT, disminución de
inventarios en proceso.
Aumento en la velocidad y eficiencia para la transferencia entre etapas
del proceso, incrementando la productividad.
Reducción en los tiempos de limpieza y optimización en el empleo de
sistemas de apoyo crítico.
Mayor seguridad por la eliminación de la contaminación cruzada en los
alrededores y protección para el personal.
75
Eliminación de contaminación por derrames de producto en el proceso.
Manejo eficiente de la documentación en planta.
Integración en computador y control de todos los procesos y
operaciones de producción incluyendo almacenamiento y control
ambiental.
Disminución de los niveles de accidentalidad, por sustitución de personal
en tareas de alto riesgo.
Mejoramiento del nivel de calificación del personal que opera las tecnologías.
Aunque las razones que justifican llevar a cabo un proceso de automatización
en el sector farmacéutico industrial son suficientemente válidas, para algunas
organizaciones la decisión de incorporar tecnologías de automatización a sus
procesos productivos se pueden ver condicionadas por argumentos como (11, 24,
25):
La gran variabilidad entre los principios activos y auxiliares de
formulación procesados en los distintos lotes y la necesidad de emplear
el mismo equipo y línea de producción, requiere estrictos procedimientos
de limpieza radical entre unos y otros lotes de fabricación.
El tipo de producción por lotes, característico de esta industria hace
necesaria la realización de análisis y controles de calidad tipo “off line”,
entre cada uno de estos.
Los requerimientos en sistemas de apoyo crítico, necesarios para la operación
de las tecnologías, elevan los costos de empleo de las mismas.
En el caso de las materias primas empleadas en las líneas de producción de
sólidos, se pueden presentar dificultades de manipulación en los equipos que
conllevan a cambios radicales en las formulaciones.
Los tiempos de alistamiento de equipos en algunos casos resultan superiores,
por tratarse de tecnologías más complejas para su puesta a punto.
Se suelen presentar diferencias en el desarrollo del equipo periférico
automatizado de soporte, frente al desarrollo de las líneas de producción,
76
dando lugar a diferencias en las velocidades de producción de las líneas y muy
frecuentemente a la generación de cuellos de botella en la producción.
APLICACIONES DE LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL FARMACÉUTICA
La posibilidad de diseñar una planta farmacéutica de producción
completamente automatizada, permite la operación con mínima participación
de operarios en piso, los movimientos de material dentro de las instalaciones
de producción se lleva a cabo utilizando sistemas de transporte automatizados
entre cada una de las etapas del proceso, las áreas de bodega, empaque y
despacho (26, 27).
El empleo de vehículos guiados automáticamente (AGV), facilita el transporte
de contenedores con graneles o recipientes conteniendo materiales en proceso
y componentes de empaque, justo al lugar en donde se requieren, sobre la
base del concepto JIT; con esto se eliminan las áreas de almacenamiento
temporal o áreas de tránsito y se mejora el proceso en flujos y trayectorias de
los materiales en la planta (28-30).
Los dispositivos contenedores, con dimensiones estandarizadas, están
diseñados para el transporte y mezcla de polvos secos y granulados, entre
diferentes etapas del proceso, para el almacenamiento de tabletas y en el
llenado de cápsulas. Este desarrollo ha permitido la simplificación de las
características de manipulación
automatizada para transferencia y el ajuste a las máquinas de proceso, la
carga y descarga, estaciones de recepción, lavado de recipientes y mezcla de
material.
Los recipientes pueden estar provistos con tiquetes de identificación
permanentes, que permiten una verificación automatizada, mediante códigos
de barra, identificación y seguimiento de estos en la planta aumentando la
seguridad, ante riesgos de confusión y/o contaminación cruzada entre lotes
(26, 27, 31).
Los contenedores con materiales, son conducidos por los AGV en la estación
de trabajo, mediante rutas preestablecidas, donde son posicionados y la
estación de sellado automático es activada, garantizando un ajuste perfecto
entre la descarga y el recipiente donde se recibe.
La automatización en islas de producción, es un concepto que en este tipo de
77
industria se desarrolla a través de la localización de las máquinas de proceso
en cuartos limpios individuales, unidos mediante descargas por gravedad y
retorno por vacío a contenedores dedicados para descarga y estaciones de
recepción respectivamente (32).
Cada isla de producción automatizada puede estar equipada con un
controlador lógico programable (PLC), responsable del proceso y control
automatizado de otros PLC en ese grupo. El PLC maestro, provee el control
directo para la comunicación en el sistema de la planta de proceso.
Este sistema maneja todas las facetas de las operaciones de producción y
controla directamente los sistemas PLC de bajo nivel, en esta forma se integran
y organizan todas las operaciones de producción (29, 32, 33).
Un sistema de manejo y control de procesos (PMCS) controla directamente los
AGV y los computadores de las bodegas, emitiendo bloques de órdenes de
transporte y requerimientos de planeación de la producción, también permite
planear e implementar requerimientos de producción, almacenamiento de datos
de producción programas de procesamiento por lotes, seguimiento de
materiales en planta, así como la identificación y verificación de todas las
etapas del proceso (34-36).
Finalmente, el concepto de calidad que caracteriza este tipo de producción dio
lugar al desarrollo de las buenas prácticas de manufactura automatizada
(GAMP), en las cuales se orienta a los proveedores de sistemas automatizados
en su desarrollo y mantenimiento y se presentan los lineamientos para los
usuarios, en los aspectos relacionados con el personal, las validaciones y el
aseguramiento de calidad de software y la documentación necesaria para
respaldar las validaciones
de estos sistemas (30, 34).
TECNOLOGÍAS DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL UTILIZADAS EN EL DISEÑO INTEGRADO
DE PRODUCTOS Y PROCESOS
Las tecnologías de inteligencia artificial (IA) son desarrollos de software cuyo
objetivo es incorporar el conocimiento de un dominio particular en un sistema
de computador, para llevar a cabo tareas en áreas específicas, que
generalmente son realizadas por humanos altamente entrenados en el tema.
Estos sistemas deben tomar la información del experto humano en términos del
78
lenguaje usado por este y convertirlo en variables que puedan ser procesadas
computacionalmente; adicionalmente, son capaces de tomar las mismas
decisiones y llegar a iguales resultados y conclusiones que un experto humano
(37, 38).
El diseño integrado de producto y proceso (IPPD), es la tendencia actual para
llevar cabo la materialización de necesidades de la sociedad a soluciones en
forma de productos, incluyendo el desarrollo integral de un producto, desde que
se percibe su necesidad en el mercado, hasta que se encuentran los primeros
prototipos funcionales de este (40). En la aplicación de este concepto para el
diseño es necesario considerar la forma como se ha de procesar la información
que se genera en cada una de las etapas (Figura 3).
En el desarrollo de un nuevo medicamento se busca un sistema de entrega
estable, basado en las formas farmacéuticas conocidas; el proceso comienza
con la definición de una idea, expresada en términos de parámetros de diseño
y termina con la generación de una o más formulaciones que cumplen con los
requerimientos (41, 42).
Para adelantar la actividad de desarrollo de productos dentro de una planta de
producción, se encuentran alternativas en el campo de la automatización que
79
facilitan el trabajo al diseñador; tal es el caso de los sistemas expertos, las
redes neuronales y los algoritmos genéticos, entre otras.
Los sistemas expertos están constituidos por programas de computador que
ayudan en la toma de decisiones, se basan en el conocimiento de los expertos
en la materia. El desarrollo de este software consta de una base de datos
donde se almacena la información y conocimiento representativo del área y un
motor de inferencia del cual se extraen y manipulan los conocimientos que se
encuentran almacenados en la base de datos, simulando el proceso para la
resolución del problema (42-46).
Las redes neuronales artificiales son un desarrollo de software que trata de
emular el proceso de aprendizaje humano, basado en el comportamiento de las
neuronas biológicas. La unidad neuronal toma una o más entradas y produce
una salida. Las neuronas se organizan mediante una arquitectura de red, que
consta de una serie de capas de neuronas en las cuales la salida de cada
neurona se constituye en la entrada a otra neurona de la siguiente capa. Las
redes neuronales son entrenadas con ejemplos previos, este método se
conoce como “algoritmo de entrenamiento” (38, 39, 42, 45- 47).
Las redes neuronales son útiles para modelar relaciones no lineales entre
variables dependientes e independientes, por esto pueden ser utilizadas
satisfactoriamente en campos como la pre formulación y la formulación de
medicamentos, donde la complejidad entre las variables dificulta la solución
rápida de un problema de desarrollo.
Las ventajas de las redes neuronales se basan en la posibilidad de tratar aplicaciones del mundo real, facilidad para trabajar con el menor número de variaciones en los datos, facilidad de aprendizaje y adaptación, capacidad para generalizar, alta tolerancia a la falla, rapidez y eficiencia, flexibilidad y fácil mantenimiento. Otra alternativa disponible en este campo, la constituyen los algoritmos genéticos, una técnica de optimización efectiva, utilizada en procesos cíclicos, en los cuales una secuencia de operaciones se ejecuta con rapidez en un intento por conducir a la búsqueda del nivel óptimo. Cuando se usan algoritmos genéticos en la optimización , se establece una función de “deseabilidad” que proporciona la solución óptima para un diseño de formulación específico (39, 45). Los algoritmos genéticos pueden utilizar algoritmos estocásticos, en los cuales
se establece la búsqueda de las condiciones que mejor satisfacen una función
definida; no son susceptibles al punto de partida, son rápidos y eficientes,
tienen la capacidad de hallar un punto global mínimo y máximo dentro de un
80
conjunto de información que procesan. Emulan el proceso de selección natural
y la combinación de diferentes funciones, llevan a establecer los resultados que
se aproximan a los mejores valores.
La interacción entre las redes neuronales y los algoritmos genéticos en el
modelamiento y optimización de formulaciones de productos, permite en primer
lugar crear un modelo mediante redes neuronales, éste puede ser consultado o
empleado para los experimentos “si”, condicionales. El modelo puede ser
optimizado usando algoritmos genéticos, así es posible aplicarlo para encontrar
la mejor formulación dentro de un rango de posibilidades (44, 59).
EL SECTOR INDUSTRIAL COLOMBIANO, UNA MIRADA DESDE LA
AUTOMATIZACIÓN
En un estudio llevado a cabo durante el año 2004 (48-50), se indagó
preliminarmente sobre el grado de automatización de la industria farmacéutica
de la ciudad de Bogotá, representativo del comportamiento general de la
industria en el país y se encontró que la mayoría de los procesos que se
adelantan en las plantas de producción son de tipo semiautomático; esto indica
que algunas líneas de producción cuentan con equipos de alto grado de
instrumentación, acompañado por operaciones que se realizan de forma
manual, como ocurre en las líneas de acabados (empaque y embalaje de
producto) y en las áreas de suministro de materias primas. El panorama es
preocupante porque se encontró que apenas el 3,45% de la población en
estudio, cuenta con líneas de producción completamente automatizadas.
De otra parte desde la academia (9, 24, 51-54), se han adelantado estudios
tendientes a identificar algunas soluciones puntuales para el sector
farmacéutico colombiano, basadas en aplicaciones de la automatización
industrial, no sólo para el manejo del proceso productivo, sino para la
administración de la información que en ellos se genera, dando la posibilidad
de incluir los componentes de una cadena de abastecimiento para el sector
farmacéutico, que en esencia se soporta sobre dos premisas: mantenimiento
del concepto de aseguramiento de calidad y la fluencia de la cadena de
abastecimiento frente al aumento de las presiones del mercado.
Esta situación se ha reflejado en que la industria se vea avocada a adoptar
nuevas tecnologías para dinamizar el comportamiento de la cadena de
81
abastecimiento (55-58) y a la vez optimizar los costos de sus procesos de
transformación.
CONCLUSIONES De lo expuesto anteriormente se puede concluir que la automatización debe ser
vista como una oportunidad para el mejoramiento de los procesos productivos,
en tanto que su correcta aplicación contribuye a la optimización de la totalidad
de los recursos que intervienen en un proceso de transformación de materiales.
Además, es de resaltar que la mayoría de los aspectos del control en la
producción farmacéutica se orientan hacia la documentación, cumplimiento de
buenas prácticas de manufactura, y seguimiento de un proceso productivo,
para la generación de productos con especificaciones definidas. La
incorporación de sistemas de ejecución de manufactura permite la integración y
organización lógica y secuencial de las actividades de producción, así como la
posibilidad de seguir el proceso y mantenerlo controlado, registrando la
ejecución de cada una de las operaciones que se lleven a cabo.
La implementación de sistemas de control y adquisición de datos va a permitir
la estandarización de procesos en la empresa, cumplir exigencias de calidad,
optimizando tiempos y costos. Adicionalmente, se tienen ventajas como la
generación de reportes, registro de datos, manejos de formulaciones, control
de inventarios, reducción de duplicidad de información, constituyéndose en la
oportunidad de replantear los procesos de la organización y obteniendo como
beneficio la agilidad en la toma de decisiones a todos los niveles.
Para la industria farmacéutica colombiana la automatización de procesos
puede constituirse en una herramienta de competitividad, siempre y cuando se
lleve a cabo la selección basada en el conocimiento sobre el fundamento y
aplicabilidad de cada una de las alternativas tecnológicas disponibles en el
mercado y su pertenencia en cada caso particular.
82
Finalmente, se evidencia la necesidad de realizar un diagnóstico detallado del
grado de automatización del sector farmacéutico industrial colombiano, con el
fin de establecer mejores alternativas para incorporar nuevas tecnologías en
sus procesos de producción y mantener al sector con un nivel actualizado,
acorde con las necesidades y posibilidades, que le permitan mantener su
competitividad en el mercado local y regional.
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