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Introducción a la Automática
Dpto. Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Automática y Física Aplicada
www.elai.upm.es
Automática
Automática es la disciplina que trata de los métodos y
procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador
humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea
física o mental previamente programada.
la Ciencia que trata de sustituir en un proceso el operador humano por
dispositivos mecánicos o electrónicos.
Máquinas herramientas robots Máquinas transfer
Historia (época clásica)
Anhelo de la Humanidad
Estratón, Arquímedes, Ctesibio, Filón, Herón,… “Cuando hacemos algo contra la naturaleza, hemos de llamar a la Mecánica”
Edad Media
Oriente, Árabes, tradición clásica
Papel, pólvora, brújula, imprenta,
Álgebrá
Universidades
Revolución científica
Copérnico, Kepler, Galileo, Descartes, Newton,…
Época contemporánea
Euler, Laplace, Fourier, Faraday, Maxwell, Plank, Einstein,…
17 ecuaciones que cambiaron el mundo
El teorema de Pitágoras, porque conectó el álgebra y la geometría.
La suma de logaritmos, porque permitió simplificar operaciones muy complejas
El teorema fundamental del cálculo, porque toda las matemáticas de la física reposan sobre
él.
La teoría de la gravitación de Newton, porque unificó en una sola ecuación fenómenos en
apariencia tan diferentes como la caída de una manzana y las órbitas de los planetas.
El cuadrado de la unidad imaginaria, porque el análisis complejo es esencial para resolver
muchos problemas.
La fórmula de Euler para los poliedros, porque representa el nacimiento de la topología.
La distribución Gaussiana, uno de los pilares de la estadística.
La ecuación de onda, porque unifica fenómenos tan dispares como la luz, el sonido o los
terremotos.
La transformada de Fourier, esencial en el tratamiento de señales.
La ecuación de Navier-Stokes, la base de la aerodinámica y la hidrodinámica.
Las ecuaciones de Maxwell, que describen el electromagnetismo.
La segunda ley de la termodinámica y el incremento de la entropía.
La identidad masa-energía de Einstein, que unifica masa y energía.
La ecuación de Schrödinger, que describe la evolución de un sistema cuántico
La entropia de la información de Shannon, que describe el límite hasta el que se puede
comprimir la información.
El modelo logístico, quizás el sistema más simple donde aparece el caos.
El modelo de Black-Scholes, que se utiliza en banca para calcular el precio de productos
financieros derivados.
Historia del Control
Ramificaciones del saber en la automatización
¿Qué es automatizar?
Hacer que la planta funcione automáticamente
Objetivos de la automatización
Incrementar la productividad y flexibilizar las herramientas
Producir con calidad constante
Dedicar a los humanos a las tareas creativas
Campos de la automatización
Manufacturado (discreto) & proceso (continuo)
Disposición en la fabricación (Lay-out)
Piezas en posición
Agrupamiento por lotes
Línea de producción
Grados de automatización
Serie Grado Lay-out
Corta Manual Pieza fija
Media Flexible Agrupamiento por procesos
Alta Rígida Línea de producción
Recomendación
Exámenes pasados
M
VA VB
Producto A Producto B Taponadora
SA SB ST
TP
Alimentador
de botes
A
B
RA RB
Niveles de automatización
Nivel I: elemental
Nivel II: Máquina
Nivel III: Proceso
Nivel IV: Gestión integrada
Arquitectura de un sistema de producción
Parte Operativa
(Proceso)
MATERIAS PRIMAS
MATERIAS ELABORADAS
ENERGÍA
Arquitectura de un sistema de producción automatizado
La automatización podría ser definida cono la sustitución del
operador humano tanto en sus tareas físicas como mentales,
por máquinas o dispositivos.
Parte Operativa
(Proceso)
MATERIAS PRIMAS
MATERIAS ELABORADAS
ENERGÍA
Parte de Control
(Controlador)
Sistema de control Las teorías y técnicas de Regulación de procesos tiene como objetivo
conseguir que las variables controladas sigan la señales de mando y sean
resistentes a las perturbaciones
Parte operativa
(proceso) Parte de Mando
(control)
Potencia Accionadores
Transductores
Supervisión
Elementos de los sistemas de control
Planta
Conjunto de actividades que se desean automatizar
Unidad de control
Decide las operaciones a realizar
Reles, PC, PLC,..
Potencia + accionamientos
El sistema de control gobierna a la planta mediante los equipos de potencia + accionamientos.
Contactores, electroválvulas, …
Motores, cilindros neumáticos,
Sensores + Interfaces
Adquisición de los datos de la planta mediante la conversión de las magnitudes físicas en señales eléctricas.
Comunicación entre el sistema de control y los usuarios.
Ejemplo de parte operativa
Ejemplo de parte de control
Distribuidor Módulos para lógica cableada
electroválvulas
Cilindro de doble
efecto Sensores de posición
(electromecánicos)
Ejemplo de interfaces
Dispositivos y tecnologías de Automatización
Automatización implica la utilización y el conocimiento de
la Mecánica, Electrónica y de los Sistemas Informáticos
esComputador
oladoresMicrocontr
(PLC´s) Autómatas
Programada Tecnología
sPLD' relés, de Sistemas
modulares oselectrónic Sistemas
neumática Lógica
Cabledada Tecnología
Control de Parte
etc. ratones, Teclados,
botoneras cuadros, Pupitres,
ssipnóptico control, de Pantallas
M-H Interfaz
...
Bobinas
eléctricos Motores
shidráulico motoresy Cilindros
neumáticos motoresy Cilindros
Actuadores
presión... de sLimitadore
ACmotor de esArrancador
neumáticos oresDistribuid
relés ,eléctricos Contadores
velocidadde Variadores
Potencia
ros...Caudalímet
ra temperatude Sensores
Cámaras
Preostatos
posición de Detectores
presencia de Detectores
Sensores
Operativa Parte
Soluciones a los problemas de automatización
Cableada: el automatismo se realiza a base de uniones físicas (cableado)
Programada: el automatismo se realiza mediante la confección de un
programa
Tecnología cableada
No están adaptadas a funciones de control complejo
Poco flexible ante modificaciones o ampliaciones
Difícil la identificación y resolución de averías
Ocupan en general mucho espacio
Ejemplo de tecnología cableada
Ejemplo de tecnología programada (S5)
Ejemplo de tecnología cableada
Tecnologías programables
Inconvenientes de las tecnologías programables:
Poco aptas para el entorno industrial
Personal especializado
Elevado coste del equipo y mantenimiento
Superación de los inconvenientes: PLC
Adaptado al entorno industrial
Programable por el personal de operación
Reutilizable
Fácil mantenimiento
Autómatas programables
Autómatas programables
Ejemplo de tecnología programable
ROBOTS
INDUSTRIALES
Transición cableada/programable
Transición cableada/programable
Mercado internacional de PLCs – S7
Sistema es una entidad formada por un conjunto de elementos o componentes básicos del sistema, y por las relaciones existentes entre ellos, así como con el entorno. Estas relaciones se expresan formalmente empleando lenguaje matemático.
Sistemas
Sistema
x1(t) x2(t) x3(t)
xn(t)
y1(t) y2(t) y3(t)
ym(t)
(y1(t), y2(t),…, ym(t)) = f (x1(t), x2(t),…, xn(t))
Un sistemas de control es aquel que las variables de salida se comportan según las órdenes dadas por las variables de entrada
Sistemas de control
Control por realimentación
Componentes principales:
• Sistema
• Regulador
• Actuador
• Sensor
Regulador Actuador Sistema
Sensor
-
+ Referencia Salida
Perturbaciones
Acción de control
Flujo de energía
Control en serie
Componentes principales:
• Sistema
• Modelo
• Actuador
Modelo inverso
Actuador Sistema + Referencia Salida
Perturbaciones
Acción de control
Flujo de energía
Tipos de señales de control
Analógico
Señales continuas
Discretización
Binarias
Todo/nada (0/1)
C. D/A PLANTA
T
ku k
yx(t) y(t)
CONT. kU
Sensor
T -
ky
Tipos de señales de control
Analógico
Señales continuas
Discretización
Binarias
Todo/nada (0/1)
Control secuencial & digital directo
C o m p u ta to r
(s is te m a d is c re to )
P la n ta
(d is c re ta )
C a p ta d o re s
d ig ita le s
A c tu a d o re s
d ig ita le s
E /S d ig ita le s
Tipos de control
Control todo-nada versus control continuo