UNIVERSIDAD ANDINA
“NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ”
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
TESIS
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y
CONTROL DE UNA PLANTA PILOTO ENVASADORA DE JUGOS
TETRA PAK EMPLEANDO CONTROL P.I.D.”.
PRESENTADA POR:
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRÓNICO
2019
JULIACA - PERÚ
Bach. CARLOS MARTIR TITO MOYA
UNIVERSIDAD ANDINA
“NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ”
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y CIENCIAS PURAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
TESIS
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE
SUPERVISIÓN Y CONTROL DE UNA PLANTA PILOTO
ENVASADORA DE JUGOS TETRA PAK EMPLEANDO CONTROL
P.I.D.”
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRÓNICO
APROBADA POR EL JURADO REVISOR CONFORMADO POR:
PRESENTADA POR:
DEDICATORIA
El presente trabajo lo dedico principalmente a Dios y, a mis apreciados padres por ser los primeros y mejores maestros, por su ejemplo de esfuerzo y dedicación para así lograr uno de los anhelos más deseados.
CARLOS MARTIR TITO MOYA
A Dios nuestro supremo creador, a mis queridos padres le dedico este trabajo con un profundo amor, cariño y esfuerzo, gracias a ustedes por estar en las buenas y malas y, todas las personas por su apoyo incondicional.
AGRADECIMIENTOS:
A nuestros padres por todo el soporte, el consejo y, más aún, por el amor y la comprensión durante cada momento de mi vida.
A nuestras familias, por la seguridad, por sus palabras de aliento y la preocupación que mostraron, especialmente en los momentos más difíciles.
A nuestros docentes, personal administrativo de nuestra Escuela Profesional, que supieron guiarnos con sus conocimientos teóricos – prácticos para el desenvolvimiento en nuestras vidas profesionales.
INDICE
RESUMEN ... viii
ABSTRACT ... ix
ACRÓNIMOS ... x
CAPITULO I : ASPECTOS GENERALES. ... 1
1.1 Planteamiento del Problema. ... 1
1.1.1. Problema General. ... 1
1.1.2. Problemas Específicos... 1
1.2 Objetivos del Estudio. ... 2
1.2.1 Objetivos Generales. ... 2
1.2.2 Objetivos Específicos. ... 2
1.3 Justificación del Estudio. ... 2
1.4 Hipótesis. ... 2
1.4.1 Hipótesis General. ... 2
1.4.2 Hipótesis Específicas. ... 3
1.5 Variables. ... 3
1.5.1 Variable Dependiente. ... 3
1.5.2 Variable Independiente... 3
CAPITULO II : MARCO TEORICO. ... 5
2.1. Antecedentes de la Investigación. ... 5
2.1.1. Antecedentes Internacionales. ... 5
2.1.2. Antecedentes Nacionales. ... 7
2.1.3. Antecedentes Locales. ... 7
2.2. Marco Teórico... 8
2.2.2. Tipos de Sistemas de Control. ...15
2.2.4. Sistemas SCADA. ...23
2.2.5. Redes de Comunicación Industriales. ...27
2.2.6. Controlador Lógico Programable. ...34
2.2.7. Lenguajes de Programación de PLC. ...43
2.2.8. Actuadores Neumáticos. ...48
2.2.9. Sensores. ...51
2.2.10. Envases Tetrapak. ...56
CAPITULO III : METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN. ... 59
3.1. Diseño de la Investigación. ... 59
3.2. Método o Aplicativos a la Investigación. ... 59
3.5. Validez y Fiabilidad del Instrumento. ... 61
3.6. Plan de Recopilación y Proceso de Datos. ... 62
CAPITULO IV : INGENIERÍA DEL PROYECTO. ... 63
4.1. Descripción General del Proyecto. ... 63
4.2. Desarrollo del Proyecto. ... 64
4.2.1. Diseño de la Estructura. ...64
4.2.2. Actuadores y Sensores. ...64
4.2.2.3. Solenoide. ...67
4.2.3. Sistema Eléctrico. ...71
4.2.4. Modelo Matemático. ...73
4.2.5. Cálculo del Control PID. ...84
4.2.6. Diseño del SCADA. ...87
4.2.7. Configuración del OPC. ...91
4.2.8. Análisis de Potencia Consumida. ...95
4.2.9. Configuración del PLC. ...96
4.2.10. Programación del PLC. ...97
4.2.11. Costos Y presupuesto. ...98
CAPITULO V : RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ... 101
5.1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES... 102
5.1.1. Conclusiones. ... 102
5.1.2. Recomendaciones. ... 103
BIBLIOGRAFÍA. ... 104
ANEXOS. ... 106
A. Diseño de Estructura. ... 106
B. Diagrama Estructural ... 107
C. Diagrama de Flujo del Programa de la Planta ... 108
D. Código Fuente del PIC Para Cruce por Cero. ... 111
E. Programa del PLC ... 114
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Variables de la investigación. ... 3
Figura 2. Regulador de nivel... 9
Figura 3. Representación esquemática de un sistema. ... 9
Figura 4. Elemento del sistema de control. ... 12
Figura 5. Sistema de lazo cerrado. ... 14
Figura 6. Sistema de lazo abierto. ... 15
Figura 7. Diagrama a bloques que representa el control encendido-apagado. ... 16
Figura 8. Diagrama en bloques del control PID. ... 17
Figura 9. Grados de amortiguamiento a la respuesta escalón unitario. ... 19
Figura 10. Configuración básica de control adaptativo. ... 21
Figura 11. Estrategia del control predictivo basado en modelos. ... 22
Figura 12. Formato de trama CAN (DLC = Data Length Code). ... 28
Figura 13. Clasificación de diversos buses de campo. ... 29
Figura 14. Estructura interna de un PLC. ... 37
Figura 15. Localización específica en el registro de entradas/ salidas. ... 40
Figura 16. Señal digital. ... 42
Figura 17. Señales analógicas. ... 43
Figura 18. Línea de programación en LADDER. ... 45
Figura 19. Semántica y operadores de Lista de instrucciones. ... 47
Figura 20. Operadores y comandos de texto estructurado. ... 47
Figura 21. Funciones, bloques y variables. ... 48
Figura 22. Clasificación genérica de actuadores. ... 48
Figura 23. Vista integral de un cilindro de simple efecto... 49
Figura 24. Cilindro de doble efecto. ... 50
Figura 25. Clasificación de los sensores por el principio de transducción. ... 51
Figura 26. Medidor de distancia Sharp. ... 52
Figura 27. Sensor inductivo. ... 53
Figura 28. RTD. ... 54
Figura 29. Final de carrera NA/NC. ... 56
Figura 30. Disposición de las capas de envases Tetrapak. ... 56
Figura 31. Puntuación media de elección de envase Tetra-pak. ... 57
Figura 32. Tipos de envase Tetra-pak. ... 58
Figura 33. Diagrama de bloques del proceso. ... 64
Figura 34. Esquema de la estructura del prototipo. ... 64
Figura 35. Cilindro de simple efecto. ... 65
Figura 36. Cilindro neumático... 66
Figura 37. Solenoide usado en el desarrollo del proyecto. ... 67
Figura 38. Sensores IR, usados en el proyecto. ... 68
Figura 39. Sensor inductivo. ... 68
Figura 40. Final de carrera. ... 70
Figura 41. Diagrama simplificado de la planta piloto. ... 71
Figura 42. Diagrama de bloques del sistema de potencia ... 71
Figura 43. Conexión de optoacoplador. ... 72
Figura 44. Salida de potencia 220v. ... 72
Figura 47. Diagrama del sistema PID. ... 75
Figura 48. Respuesta de la planta. ... 76
Figura 49. Escala de Tiempo del Twidosoft. ... 79
Figura 50. Herramienta "importa data" importación de datos hacia el Workspace... 80
Figura 51. Proceso de selección de datos para ser importados. ... 80
Figura 52. System Identification toolbox. ... 81
Figura 53. Pestaña para importar datos de la planta... 81
Figura 54. Selección de datos para identificar planta. ... 82
Figura 55. Ventana de estimación de modelo de proceso. ... 82
Figura 56. Modelo de planta estimada con Matlab. ... 83
Figura 57. Respuesta del modelo – planta. ... 83
Figura 58. Diagrama de simulación en Simulink. ... 84
Figura 59. Bloque de funciones del PID. ... 84
Figura 60. Respuesta del sistema una vez que se sintoniza el PID. ... 85
Figura 61. Respuesta del sistema con control PID y sin control. ... 85
Figura 62. Valores de las constantes del control PID. ... 86
Figura 63. Diagrama sintetizado del control PID en el proceso. ... 86
Figura 64. Señal de control PWM filtrada, vista con un osciloscopio DSO138. ... 87
Figura 65. Pantalla principal del SCADA en LabVIEW. ... 88
Figura 66. Menú de operaciones de cada equipo. ... 89
Figura 67. Tag de identificación de los instrumentos. ... 89
Figura 68. Estados del equipo (Encendido-Apagado). ... 89
Figura 69. SCADA, vía celular. ... 90
Figura 70. Estado de los dispositivos de campo. ... 91
Figura 71. Estructura básica de la red OPC del proceso. ... 91
Figura 72. Configuración del NI OPC, agregar un nuevo canal. ... 92
Figura 73. Selección de protocolo a usarse en el NI OPC. ... 92
Figura 74. Método de optimización. ... 93
Figura 75. Creación de la base de datos. ... 93
Figura 76. Tamaño de bloques. ... 94
Figura 77. Finalización de configuración. ... 94
Figura 78. Pantalla para crear los TAGs. ... 95
Figura 79. Selección de tipo de dato. ... 95
Figura 80. PLC TWIDO con su expansión analogica-PT100. ... 96
Figura 81. Respuesta de la planta con control PID. ... 102
Figura 82. Diseño de estructura en SolidWorks. ... 106
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Matriz de consistencia del proyecto de tesis. ... 4
Tabla 2. Entrada, salida y la planta de los ejemplos propuestos. ... 10
Tabla 3. Comparación de los diagramas Ladder. ... 44
Tabla 4. Especificaciones de RTD... 55
Tabla 5. Valides del instrumento. ... 61
Tabla 6. Confiabilidad del instrumento. ... 61
Tabla 7. Resumen de sensores y actuadores. ... 65
Tabla 8. Características del cilindro neumático de simple efecto. ... 66
Tabla 9. Características del cilindro neumático de doble efecto. ... 66
Tabla 10. Características del solenoide. ... 67
Tabla 11. Características del sensor IR. ... 68
Tabla 12. Características del sensor inductivo. ... 69
Tabla 13. Características del sensor PT100. ... 69
Tabla 14. Características de final de carrera. ... 70
Tabla 15. Características de final de carrera. ... 70
Tabla 16. Respuesta del sistema. ... 77
Tabla 17. Respuesta de la planta (tiempo de muestreo 1 seg). ... 78
Tabla 18. Características del osciloscopio DSO138. ... 87
Tabla 19. Balance de potencia del proceso. ... 96
Tabla 20. Datos del usuario. ... 97
Tabla 21. Programa de aplicación. ... 97
RESUMEN
Nuestro trabajo de investigación, se centra en el análisis de una planta envasadora
de jugos, con material Tetra pak. Haciendo uso del controlador PID para el control
de temperatura del proceso de sellado del material; etapa crítica y vital en el
proceso de envasado, puesto que los niveles de temperatura aplicado al material,
dependerá del tipo de material dentro de la familia Tetra pak.
Para evaluar la respuesta de la planta (sistema de temperatura), fue necesario
obtener el modelo matemático de nuestro sistema, usando la respuesta natural de
la planta y la herramienta digital IDENT toolbox propio de Matlab, con los cuales se
llegó a definir la función de transferencia.
Ya obtenida la función de transferencia se procede a realizar los cálculos del
controlador PID, usando la función TUNE del bloque PID en Simulink. Dentro de la
identificación de parámetros entre el valor real y el calculado se obtuvo un 93.36%
de fidelidad.
Con el controlador PID desarrollado se puede variar en un amplio rango de
consigna (50 °C a 250 °C), manteniendo una estabilidad al cambio de temperatura;
ABSTRACT
Our research work focuses on the analysis of a juice bottling plant, with Tetra pak
material. Using the PID controller for temperature control of the material sealing
process; Critical and vital stage in the packaging process, since the temperature
levels applied to the material will depend on the type of material within the Tetra pak
family.
To evaluate the response of the plant (temperature system), it was necessary to
obtain the mathematical model of our system, using the natural response of the plant
and Matlab's own IDENT toolbox digital tool, with which the function of defining
transfer.
Once the transfer function has been obtained, the calculations of the PID controller
are carried out, using the TUNE function of the PID block in Simulink. Within the
identification of parameters between the actual and calculated value, 93.36% were
obtained of fidelity
With the developed PID controller it is possible to vary in a wide setpoint range (50
° C to 250 ° C), maintaining a stability at the temperature change; sealing product
ACRÓNIMOS
API : Interfaz de Programación de Aplicaciones.
I/O : Entrada / Salida.
FUZZY : Lógica Borrosa.
LQR : Regulador Optimo Cuadrático.
LS : Mínimos Cuadrados.
MBPC : Control Predictivo Basado en Modelo.
MIMO : Múltiples Entradas, Múltiples Salidas.
MRAC : Control Adaptativo de Referencia de Modelo.
OLE : Incrustación y Enlazado de Objetos (Object Linking and Embedding).
OPC : OLE para Control de Procesos.
PI : Proporcional Integrativo.
PID : Proporcional Integrativo Derivativo.
PLC : Controlador Iógico Programable.
RC : Resistencia de Calor.
SISO : Una Entrada, Una Salida.
SCADA : Supervisión, Control y Adquisición de Datos.
CAPITULO I
: ASPECTOS GENERALES.
1.1 Planteamiento del Problema.
1.1.1. Problema General.
¿Cómo diseñar e implementar un sistema de supervisión y control PID de una
planta piloto envasadora de jugos Tetra pak?
1.1.2. Problemas Específicos.
• ¿Cómo diseñar el control PID para lograr una temperatura estable en las resistencias de calor de la planta envasadora de jugos Tetra pak?
• ¿Cómo diseñar e implementar el sistema de visualización y control SCADA, para el proceso de monitoreo de la planta piloto envasadora
1.2 Objetivos del Estudio.
1.2.1 Objetivos Generales.
Diseñar e implementar el sistema de supervisión y control PID de una planta
piloto envasadora de jugos Tetra pak.
1.2.2 Objetivos Específicos.
• Diseñar un control PID para lograr una temperatura estable en las
resistencias de calor de la planta envasadora de jugos Tetra pak.
• Diseñar e implementar el sistema de visualización y control SCADA,
para el proceso de monitoreo de la planta piloto envasadora de jugos
Tetra pak.
1.3 Justificación del Estudio.
En el ámbito industrial de nuestra región es necesario controlar los procesos de
producción, manufactura, en condiciones variables como: Tiempo de respuesta,
temperaturas extremas, posición aleatoria, velocidad, fuerza, etc. De forma que
en estos parámetros controlados se presente el mínimo de errores, la mayor
eficiencia y exactitud.
En el departamento de Puno existen plantas industriales no equipados con un
sistema de control y automatización completas, la automatización es muy
importante en la operación de nuestra planta piloto usando el sistema de control
PID para controlar la temperatura, para que opere correctamente y además esto
produzca un porcentaje mayor de credibilidad. Para el desarrollo de nuestra
planta piloto se hará el diseño de toda la estructura de la planta, el diseño del
hardware de automatización, también se desarrollará una interface de control y
supervisión, para la interacción de la planta con el hardware y la PC.
1.4 Hipótesis.
1.4.1 Hipótesis General.
El sistema de supervisión y control de la planta piloto de envase de
jugos Tetra pak contará con un monitoreo en tiempo real utilizando
sistema SCADA y, tendrá una respuesta más estable en la temperatura
1.4.2 Hipótesis Específicas.
• El control PID permite una respuesta estable de temperatura en las
resistencias de calor de la planta envasadora de jugos Tetra pak.
• El sistema SCADA permite controlar y visualizar la operación de la
planta piloto envasadora de jugos Tetra pak.
1.5 Variables.
1.5.1 Variable Dependiente.
• Temperatura.
Para lograr un óptimo sellado del material Tetra pak.
1.5.2 Variable Independiente.
• Control P.I.D.
Para lograr la temperatura de consigna.
En la Figura 1 observamos el diagrama de interacción entre la variable independiente y la variable dependiente.
Figura 1.
Tabla 1.
Matriz de consistencia del proyecto de tesis.
“DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE SUPERVISIÓN Y CONTROL DE UNA PLANTA PILOTO ENVASADORA DE JUGOS TETRA PAK EMPLEANDO CONTROL P.I.D.”
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
OBJETIVO GENERAL Y ESPECÍFICOS
HIPÓTESIS GENERAL Y
ESPECÍFICAS INDICADORES
DISEÑO DE
INVESTIGACIÓN MÉTODO
GENERAL: GENERAL: GENERAL:
Para contrastar la hipótesis se usará el diseño cuasi
experimental ya que no se manipulará las variables en estudio, estas se evaluarán tal
como se
presentan en la realidad. En cuanto a la información el
diseño es
prospectivo y de corte transversal
porque se
procura verificar
el mismo
desempeño del control PID
El método
empleado es aplicativo,
descriptivo y explicativo Para llevar a cabo el presente, se empleará un conjunto de procedimientos y técnicas que nos proporcionará un entregado final. ¿Cómo Diseñar e
implementar un sistema de supervisión y control PID de una planta piloto envasadora de jugos Tetra pak?
Diseñar e implementar un sistema de supervisión y control PID de una planta piloto envasadora de jugos Tetra pak.
el sistema de supervisión y control de la planta piloto de envase de jugos Tetra pak tiene una respuesta más estable con el control PID de temperatura y, el monitoreo en tiempo real utilizando SCADA.
Sistema de Supervisión y control.
ESPECÍFICOS: ESPECÍFICOS: ESPECÍFICOS:
a) ¿Cómo Diseñar un control PID para lograr una temperatura estable en las resistencias de calor de la planta envasadora de jugos Tetra pak?
a) Diseñar un control PID para lograr una temperatura estable en las resistencias de calor de la planta envasadora de jugos Tetra pak.
a) El control PID permite una respuesta estable de temperatura en las resistencias de calor de la planta envasadora de jugos Tetra pak
Temperatura.
b) ¿Cómo diseñar e implementar el sistema de visualización y control SCADA, para el proceso de monitoreo de la planta piloto envasadora de jugos Tetra pak?
b) Diseñar e implementar el sistema de visualización y control SCADA, para el proceso de monitoreo de la planta piloto envasadora de jugos Tetra pak.
b) El sistema SCADA permite controlar y visualizar la operación de la planta piloto envasadora de jugos Tetra pak.
Portabilidad.
CAPITULO II
: MARCO TEORICO.
2.1. Antecedentes de la Investigación.
2.1.1. Antecedentes Internacionales.
CALDERÓN (2009). Desarrolló la tesis de control y monitoreo SCADA de un
proceso experimental, empleando PLC siemens s7-300 y programa LabVIEW.
La tesis fue desarrollada en la Escuela Superior Politécnica del Litoral,
Guayaquil, Ecuador.
Según Calderon (2009) sus objetivos generales del proyecto era la
implantación efectiva y progresiva de un sistema de mejora continua bajo la
filosofía del TPM en la planta de fabricación y distribuidor de bebidas
gaseosas.
debido a fallas en el proceso, implicar a los empleados con la adaptación de
la filosofía TPM,
La descripción y análisis de resultado, se eligió el proceso para controlar el
campo que entregan información del mismo con el dispositivo siemens, Se
ejecuto el cableado correspondiente del dispositivo PLC, se empleó todos los
protocolos adecuada para realizar la comunicación con PLC Siemens y el con
software LabVIEW, Se empleó un lenguaje de programación apropiado para
el monitoreo y control del proceso. Para así complementar el sistema SCADA
con una arquitectura confiable para adaptación, seleccionando pautas para un
diseño accesible, así el registro de datos y acceso que garantizan la seguridad
para la obtención de información.
En conclusión, la tesis elaborada presentó complicaciones en el cambio de la
resistencia por parte de los operadores, a medida que se exhibían los
beneficios de la mejorar de sus funciones en el ambiente de trabajo sin la
exigencia de requerir mayor desempeño físico u horas adicionales al trabajo
diario, se inicia el aprendizaje y a practicar el conocimiento que se iban
entendiendo, la compañía practica los buenos hábitos de manufactura, el
estudio de la aplicación de mantenimiento autónomo no es complejo, los
operadores contaban con conocimientos de los beneficios de conservar todo
ordenado, organizando y limpio, es el requisito esencial para implementar este
objetivo, Al implementar este objetivo de capacitación y entrenamiento, se
pudo observar cómo los operadores se involucraban para aprender y
entender el funcionamiento de sus plantas o máquinas y mejorar sus
capacidades técnicas esto se demostró al realizar una prueba sobre el nivel
de habilidades de los operadores y se comprobó que todos incrementaron su
nivel operativo y técnico, una de las cosas que hizo más sencillo la enseñanza
fue el uso de lecciones simplificadas y básicas. Se minimizo la abundante
tarea de mantenimiento correctivo no programado. Estos resultados fueron
gracias a la utilización de tarjetas de reconocimiento de averías que se
de mantenimiento facilitó la observación de los potenciales daños y dar
soluciones eficientes sin necesidad de detención de procesos de producción,
con ello se pudo obtener la mejor confiabilidad de los mismos.
2.1.2. Antecedentes Nacionales.
Loayza (2014) desarrolló la tesis de programación con LabVIEW para el
sistema de adquisición de datos ultrasónicos. en la Universidad Católica del
Perú,
Según Loayza (2014) sus objetivos fueron diseñar un módulo gráfico que
verifique todo el sistema con el programa LabVIEW. El programa controlará
las características de adquisición de datos como frecuencia de muestreo,
tiempo de inicio y posición final, voltaje pico a pico, temperatura del agua. El
programa controlará el movimiento total del área, posiciones de muestreo,
velocidad de movimientos y posición inicial. Examinará la precisión de los
sensores ultrasonido y se implementará un sistema de protección para
prevenir deterior en el hardware de adquisición.
Sus conclusiones de Loayza (2014), el módulo gráfico es capaz de controlar
los dispositivos implementados de manera sincronizada. Permitiendo
controlar las funciones de la tarjeta DAQ, Se implementó un programa que
controla la tarjeta DAQ con la aplicación LabVIEW que es capaz de obtener
ecos ultrasónicos, El programa fue diseñado para funcionar con frecuencias
desde veinte hasta cuatrocientos MHz y una resolución de catorce bits. El
programa diseñado en la aplicación LabVIEW tiene un error de exactitud
menor al 1%.
2.1.3. Antecedentes Locales.
un horno esterilizador para productos alimenticios enlatados. La tesis fue
desarrollada en la Universidad Andina Néstor Cáceres Velásquez, Juliaca,
Perú.
Sus objetivos de Condori (2016) fue Desarrollar e implementar un sistema de
red industrial utilizando a un control PID con PLC’s Schneider, Allenbradley,
Siemens, Micrologix; aplicada a un proceso de cambio de temperatura a un
dispositivo esterilizadora de alimenticios enlatados. Realizando un control de
temperatura (T) del dispositivo esterilizadora de alimenticios enlatados, se diseñó un control SCADA sobre los PLC’s mencionados anteriormente, donde
se visualizó los datos obtenidos en tiempo real.
En conclusión la tesis desarrollada de control PID con PLC‘s Schneider,
Allenbradley, Siemens, Micrologix y programa SCADA para un horno
esterilizador de alimenticios enlatados se logró los objetivos
satisfactoriamente, de esta manera la máquina se encuentra ejecutando los
procesos de forma automática e independiente, Los niveles dentro del diseño
del control automático funcionan de manera exitosa, el prototipo del sistema
esterilizador permitió una óptima ejecución de la fase de implantación,
2.2. Marco Teórico.
2.2.1. Sistemas de Control.
2.2.1.1. Definición de Automatización y Control.
De un modo intuitivo se percibe el control automático, como la técnica que
tiene por objeto crear maquinas que funcionen automáticamente, es decir
que trabaje de manera autónoma. En todo proceso industrial a pequeña a gran escala, según Canales & Barrera (1976) afirma. “Se realizan una serie
de acciones que presuponen la dosificación de la aplicación de energía en
suministran al mismo, bien de una manera aleatoria por parte del medio en el que se halla inmerso” (p. 17,18).
La incertidumbre del control está en seleccionar de un bloque de elementos
arbitrarios (funciones de transferencia, parámetros, configuración, etc.),
aquellos que, empleados en un sistema estático, procuren que este sistema
se comporte de una manera deseada. Así, por ejemplo, un problema de
control es optar el punto de apoyo de la manija de un regulador de nivel
(Figura 2) para que el nivel del fluido permanezca constante pese a las variaciones de consumo de salida.
Figura 2. Regulador de nivel.
Otro ejemplo de problema de control se establece a continuación: La
estructura del fluido de salida de un proceso químico depende del ph, y
composición del fluido de entrada. ¿Cuál debe ser la taza de cambio de ph
para obtener otro producto a la salida? Las ciencias que examinan los
problemas mencionados son diferentes, tienen 3 elementos en común
como se muestra en la (Figura 3):
Figura 3.
Representación esquemática de un sistema.
o La entrada que puede ser modificada.
o La planta, que enlaza la entrada con la salida y teóricamente no puede
ser modificada.
La Tabla 2 muestra las entradas, salidas y las plantas de los ejemplos propuestos anteriormente. Resumiendo, el problema de control se centra
en escoger, para un sistema planteado, la planta responda de manera
deseada a una entrada o estímulo y obtener una salida. En el ejemplo 1 es
mantener constante la altura del fluido; en el 2do maximizar el capital a fin
de año; en el 3ro la máxima transformación de un producto final.
Tabla 2.
Entrada, salida y la planta de los ejemplos propuestos.
Problema Entrada Salida Planta
Control de nivel Ubicación del punto de apoyo.
Alteraciones en el
nivel del líquido
Enlaces
mecánicos del
sistema
Inversionista
Cantidad de
acciones a
comprar y vender
en cierta fecha
Cantidad de
efectivo al finalizar
el año
Trabajo de la
bolsa de valores
Reactor químico
Temperatura del
flujo de
alimentación
Composición del
torrente de salida
Enlaces de
balance y cinética
del proceso
Fuente: Canales & Barrera. Análisis de sistemas dinámicos y control automático [tabla 1]. Editorial Limusa, México.
2.2.1.2. Aspectos del Problema de Control
En el proceso de resolver un problema de control, ya mencionado surgen
las incógnitas: ¿Cómo modelar la planta? ¿Cómo analizar el
comportamiento de nuestro modelo? ¿Cómo proceder cuando el sistema
es desconocido y a su vez es alterada por fenómenos aleatorios? ¿Qué
acciones tomar para lograr que la planta se comporte de acuerdo a
nuestros requerimientos? Las interrogantes planteadas anteriormente
Modelo de la Planta.
Para realizar el análisis es preciso tener la representación de la planta; esto
se consigue con un modelo matemático. La selección del modelo
matemático pende básicamente del uso que se le dará y el costo de su
realización. Así, en la planta de la Figura 2, el flotador puede estimarse como una pieza con o sin masa, longitud variable, según sea el caso.
Simplificación.
Los modelos matemáticos de las plantas que son muy minuciosos son por
lo general muy complejos. Entonces es conveniente saber cuáles son las;
suposiciones simplificaciones posibles y sus efectos sobre la verosimilitud
del modelo. Por ejemplo, al estudiar un circuito eléctrico RLC y
considerando altas frecuencias, suelen asumirse algunas capacitancias
como cortocircuitos. De manera similar, al hacer un modelo económico de
una región, se agrupan las industrias de extracción de aluminio, platino, zinc, hierro, níquel, etc., en una ficticia industria de “minerales ferrosos”.
Simulación.
Ya obtenido el modelo matemático, es posible comprobar la respuesta por
medios metódicos o de simulación. La simulación se usa para adaptarse
con el comportamiento de la planta. Por ejemplo, antes de ensayar una
avioneta en el aire, se realizan en laboratorio simulaciones de vuelo. La
simulación se realiza en ordenadores, con modelos a escala, cálculos
manuales.
Estabilidad.
Un aspecto muy importante en el comportamiento de una planta es el
referido a su estabilidad. Una planta es estable si al aplicarle una pequeña
señal de entrada los efectos producidos en la salida son pequeños. Para
saber si una planta es estable pueden utilizarse métodos analíticos (ceros
Estimación.
En varias situaciones es necesario establecer el valor de las variables
internas de la planta en base del conocimiento de la entrada y la salida
respectivamente, debido a las decisiones de control deben tomarse en
función del valor de las variables internas. Un ejemplo de problema de
estimación, es hallar la temperatura en un punto de un reactor químico en
base a la salida y entrada.
Identificación.
Para estimar el valor de los parámetros desconocidos de una planta
sabiendo únicamente en los valores de la salida y entrada, ese es el
propósito de la identificación. La identificación de un parámetro, por
ejemplo, es determinar la posición del punto de apoyo del sistema de la
Figura 2, conociendo el caudal de ingreso y salida.
Regulación.
La regulación consiste en mantener la respuesta de la planta en un estado
ya establecido. Un claro ejemplo de regulación seria mantener la velocidad
de un motor a 48 Hz pese a las variaciones provocadas por la carga.
Optimización.
Si el problema de control tiene por objetivo minimizar o maximizar algún
parámetro de la planta, se tiene un problema de optimización. Un ejemplo
es aumentar la eficiencia de consumo de combustible en un motor de
combustión.
Figura 4.
Los componentes básicos que forman un sistema de control y hacen
posible su operación son los siguientes.
Controlador.
Usando los valores proporcionados por los sensores y la consigna
establecida, prevea la acción que debe emplear para variar las variables de
control en base a las estrategias de control.
Sensores.
Proporciona los valores de los parámetros medidos de la planta.
Actuador.
Es el mecanismo que realiza acción prevista por el controlador y que varía
las variables de control. La Figura 4 muestra el resumen de operación de un sistema de control genérico.
2.2.1.3. Configuraciones de un Sistema de Control.
Topológicamente hay 2 configuraciones básicas en los sistemas de control:
lazo cerrado y lazo abierto.
Sistemas de Control en Lazo Cerrado.
Los modos de control en lazo cerrado (Figura 5) llamados también sistemas de control retroalimentados. En la realidad, los términos control
retroalimentado y control en lazo cerrado se usan de manera indistinta. En
un sistema de control en lazo cerrado, se proporciona al controlador la
señal de error, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de
salida (que puede ser la misma señal de salida o en función de sus
derivadas y/o integrales), con el fin de minimizar el error y obtener la salida
del sistema en un valor determinado. La expresión control en lazo cerrado
Figura 5. Sistema de lazo cerrado.
Ejemplos:
• Calefactor eléctrico con termostato.
• Aire acondicionado.
• Refrigerador.
• Boiler.
Sistemas de Control en Lazo Abierto.
Son los sistemas en donde la salida no tiene consecuencia sobre la acción
de control y se llaman sistemas de control de lazo abierto. Dicho de otra
manera, en un sistema de control de lazo abierto no se menciona la salida
ni se retroalimenta para compararlo con la señal de entrada. Por ejemplo,
la lavadora, la licuadora, calefactor eléctrico, operan en un tiempo de
acuerdo a la tarea, La planta no mide la señal de salida. En todo sistema
de control de lazo abierto, la señal de salida no se compara con la señal de
referencia (SP). Así, para cada señal entrada de referencia le corresponde
una condición de operación establecida por la dinámica de la planta; por lo
cual, la precisión de la planta depende del proceso de calibración. Con la
presencia de perturbaciones externas o internas, un sistema de control de
lazo abierto no puede realizar las tareas deseadas. En la realidad, el control
de lazo abierto sólo se usa si se sabe la correlación entre la señal de
entrada y salida además si no existen alteraciones internas ni externas. Es
claro que estos sistemas de control no son retroalimentados. Queda claro
que todo sistema de control que funciones con una base de tiempo usa
control de lazo abierto. Por ejemplo, el control de tráfico vehicular mediante
semáforos operados con una base de tiempo es un ejemplo de control en
Figura 6. Sistema de lazo abierto.
Ejemplos.
• Motor de 1700 rpm.
• Terma eléctrica.
2.2.2. Tipos de Sistemas de Control.
Hay diferentes clases de sistemas de control, estas clases de control
optimizan el error en la respuesta transitoria y en estado estable. El modelo
de cualquiera de los sistemas que se escoja necesita de modelos
matemáticos que pueden ser muy difícil de analizar y además resultar ser
demasiado complejos.
• Control de dos posiciones (ON-OFF).
• Control PID.
• Control Óptimo.
• Control Adaptativo.
• Control Predictivo.
• Control Robusto.
• Control difuso o lógica difusa.
2.2.2.1. Control de Dos Posiciones.
Los sistemas de control de dos posiciones, el actuador final tiene dos
posiciones fijas que son, en muchas situaciones, apagado o encendido.
Esta clase de control es relativamente barata y simple, por ende, su uso es
muy amplio en sistemas de control a nivel industrial como doméstico.
constante en un valor ya sea mínimo o máximo, depende si la señal de
error es negativa o positiva. El diagrama de bloques de un controlador
Encendido- Apagado, se muestra en la Figura 7.
Figura 7.
Diagrama a bloques que representa el control encendido-apagado.
Donde:
u(t) = u1, para e(t) > 0
u(t) = u2, para e(t) < 0
Donde u1 y u2 son constantes. Generalmente, el mínimo valor de u2 es cero o es menor que u1.
2.2.2.2. Control PID.
La gama de controladores PID, que resultaron ser robustos en una amplia
gama de aplicaciones y por ende son tipos de control que más se usan en
la industria. La configuración de un controlador PID es simple, Pero su
estructura simple es también su punto débil, por que limita el rango de
plantas o sistemas que pueden controlar de manera satisfactoria (existe
una familia de plantas y sistemas que son inestables y no pueden ser
controladas con ningún tipo de control PID). Los tipos de controladores PID,
incluyen las tres acciones básicas inherentes a esta familia de
controladores: proporcional (P), integral (I) y derivativa (D) (Astrom &
Hagglund, 2009). Los controladores son llamados: P, I, PI, PD y PID. La
configuración de esta familia de controladores tiene de un bucle de
Figura 8.
Diagrama en bloques del control PID.
P: Acción de Control Proporcional:
La salida del controlador es proporcional al error, es decir:
U(t) = Kp∗ e(t)
La función transferencia resulta:
Cp(s) = Kp
Dónde: Kp es la ganancia proporcional que puede controlar cualquier
sistema estable, pero tiene una respuesta limitada y error en régimen
estable.
I: Acción de Control Integral:
La salida del controlador proporcional es igual al error acumulado, lo que
significa que es una forma de un controlador lento.
Ut = Ki∫ e(τ)dτt
0
Ci =Ki s
PI: Acción de Control Proporcional Integral.
Se define mediante:
u(t) = Kpe(t) +Kp
Ti ∫ e(τ)dτ
t
0
Donde Ti es llamado tiempo integral y se encarga de ajustar la acción integral. Por lo cual la función de trasferencia de la planta, resulta:
CPI(s) = KP(1 +T1 is)
Usando el control proporcional, se requiere que exista el error para obtener
una acción de control diferente de 0. La acción de control integral, pequeño
un error positivo siempre nos proporcionará una acción de control que
aumenta, si el error fuese negativo la señal de control disminuye. Este
argumento sencillo nos da entender que el error en régimen estable
siempre será 0. Varios controladores industriales contienen solo acción de
control PI. Se puede probar que el control PI es idóneo para todos los
procesos donde la función de transferencia es primordialmente de primer
orden (Mazzone, 2002). Lo anteriormente expresado puede ser probado
de una forma sencilla, por ejemplo, con la respuesta de la planta a la señal
de control del escalón.
PD: Acción de Control Proporcional Derivativa.
Es definido como:
u(t) = Kpe(t) + KpTdd e(t) dt
Donde Td es llamada constante de tiempo derivativo. Esta acción tiene por
finalidad la de previsión, la respuesta de acción de control es muy rápida,
pero tiene una importante desventaja: Que es la de amplificar las señales
de ruido, los cuales pueden provocar saturación en el actuador. La acción
de control derivativa jamás se usa por sí sola, porque es eficiente durante
los periodos transitorios. La FT de un controlador PD es:
Cuando una acción de control derivativa se asocia a un controlador
proporcional, se puede conseguir el cambio del error y brindar una acción
de corrección relevante, antes de que la dimensión del error se convierta
muy grande. No obstante, el control derivativo no modifica de manera
directa al error en estado estable, agrega amortiguamiento a la planta, por
lo tanto, concede un valor más alto que la ganancia K, lo cual genera una
mejora en la precisión en estado estacionario. Es un controlador de alta
susceptibilidad a los errores, es decir que responde a una rapidez elevada.
PID: Acción de Control Proporcional Integral Derivativa.
Este tipo de control combinado fusiona las principales virtudes de cada una
de las tres acciones de control individual. La ecuación del controlador PID
puede ser obtenido mediante:
CPID(s) = KP(1 +
1
Tis+ TDs)
Respuesta Escalón de los 3 Grados de Amortiguamiento.
CHARLES (2006), representa los grados de amortiguamiento en un
sistema de control, para una función de entrada escalón unitario:
➢ Sobre amortiguado
➢ Críticamente amortiguado
2.2.3. Otros Sistemas de Control.
2.2.3.1. Control Óptimo.
El control óptimo tiene por objetivo fijar el “mejor” sistema de control usando
un método óptimo de diseño. Este método asume el planteamiento de una
función matemática llamada la función de costo, conocida también como la
función de ganancia, índice de rendimiento o funcionamiento. El
procedimiento de diseño del sistema de control óptimo se centra en obtener
un extremo (un máximo o un mínimo, dado el caso) de una función de costo
con el fin de hallar los parámetros óptimos para una ley de control; de allí
que se denomina control óptimo.
En él mayor parte de los casos, la búsqueda de la función de costo implica
método ensayo de error y corrección; esto implica que no siempre
estaremos seguros referente a la forma exacta que debería tener la función
de costo. (Rojas Moreno, Control Óptimo, 2001)
Para los sistemas de control en tiempo discreto, la función de costo por lo
general tiene la siguiente forma:
J = ∑ L(x(k), r(k), u(k))
N
k=0
Control Adaptativo.
El vocablo adaptativo tiene la acepción de cambiar la respuesta conforme
a nuevas situaciones o señales. Un controlador adaptativo que ajusta su
respuesta o comportamiento a las propiedades cambiantes del proceso a
Los sistemas de control fijo, se caracterizan por tener de una ley de control
invariable con el tiempo. Las investigaciones sobre controladores
adaptativos se han centrado principalmente en dos grupos: controladores
adaptativos con modelo de referencia y controladores adaptativos con auto
sintonización (Rojas Moreno, Control Adaptivo, 2001)
Figura 10.
Configuración básica de control adaptativo.
La cualidad fundamental que distingue a los controladores adaptativos es
la existencia de un lazo de control en el que se confronta el índice de
funcionamiento
2.2.3.2. Control Predictivo Basado en Modelos.
El Control Predictivo fundamentado en Modelos es una técnica de control
que usa el modelo matemático de la planta para evaluar y optimizar las
predicciones de las medidas de control y la salida controlada. Esta técnica
se ha desarrollado en torno de ciertas normas, las dos principales son:
• Emplear un modelo matemático de la planta para predecir la salida a controlar, en momentos de tiempo futuro.
• Calcular la acción de control óptima centrado en la disminución de las funciones de costo, seguramente incluyendo las limitaciones en
las variables del proceso.
simbolizar el sistema con sus alteraciones, y en las funciones de costo
a disminuir (con o sin limitaciones).
Figura 11.
Estrategia del control predictivo basado en modelos.
Cabe resaltar que el control predictivo es esencialmente abierto y
cuenta con varias aportaciones, tanto en el rubro industrial y en lo
académico. Varias aplicaciones del control predictivo son empleados
hoy en todos los campos de la labor industrial. La alta productividad de
tales aplicaciones es muy apreciada; por ello, actualmente existe una
tendencia a el incremento de interés en este procedimiento, si bien es
cierto el trabajo pionero se inició alrededor de hace más de dos
décadas. (Rojas Moreno, Control Predictivo, 2001)
Un sistema de control diseñado utilizando los métodos y conceptos de
los capítulos precedentes asume que se entiende y se tienen
conocimiento del modelo matemático del sistema, controlador y los
parámetros continuos. El modelo matemático del sistema siempre será
una idea imprecisa del sistema físico real, por las siguientes causas:
• Alteración de parámetros.
• Dinámicas no modeladas.
• Dilación de tiempos no modelados.
• Modificación en el punto de equilibrio.
• Desplazamiento del cero en el sensor.
• Entradas de alteraciones no vaticinadas.
El motivo del diseño de sistemas robustos es consolidar el
comportamiento del sistema a pesar de la ambigüedad y cambio del
modificaciones admisibles en el comportamiento debido a la
alteración o imprecisiones del modelo matemático.
2.2.4. Sistemas SCADA.
Denominamos SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition. o Control
con Supervisión y Adquisición de Datos) a diversos softwares que permiten la
comunicación de datos remotos de un proceso. empleando las herramientas
esenciales de comunicación. No es solo un sistema de control, es una
aplicación de monitoreo y supervisión, que ejecuta las tareas de interface
entre las clases de control PLC y los de gestión, a una escala superior.
Los componentes necesarios para su instalación idónea son los siguientes:
• Sistema operativo Windows con funcionalidades completas en una PC estándar.
• Arquitectura libre que permita realizar las conexiones con aplicaciones estándar, que admitan a los integradores diseñar soluciones de mando
y supervisiones optimas (Active X para ampliaciones de prestaciones,
OPC para comunicación con terceros, OLE-08 para comunicaciones
con base de dato).
• Facilidad de instalación, sin requerimientos de hardware alta gama, sencillez de manejar, y con interfaces accesibles con el usuario.
• Admite la unión con las herramientas ofimáticas y de manufacturas.
• Permite sencillamente configurar y escalar, debe adaptarse conforme a las necesidades de diferentes empresas.
• Funciones de control y supervisión incorporada.
• Comunicaciones sencillas para poder conectarse con total simplicidad y de manera transparente al usuario con el ordenador de planta y con
los diferentes equipos de la empresa (administración y gestión de redes
2.2.4.1. Objetivos:
Los sistemas SCADA se diseñan básicamente como una herramienta de
control y supervisión. Entre sus principales objetivos denominamos:
Economía:
Es más accesible observar que sucede en las instalaciones de una planta
desde la sala de control, que requerir de un operario para llevar acabo la
tarea; algunas verificaciones se convertirán en innecesarias.
Accesibilidad:
En una central eólica disponen, la producción de electricidad y velocidad
de cada rotor, en la sala de control disponemos a un clic del mouse, La
visualización y control de los parámetros, el funcionamiento de cada rotor,
poniendo en descanso los aerogeneradores que den señales de
irregularidad, revisar el estado de los transformadores de la central,
suspender los rotores que no sean necesarios.
Mantenimiento:
La obtención de datos materializa la viabilidad de adquirir información de
un proceso, guardarlos y publicar de manera accesible para un usuario no
especializado, la aplicación se puede sistematizar de modo que nos alerte
cuando se aproxima las fechas de mantenimiento predictivo o cuando un
mecanismo tenga fallas de considerables.
Ergonomía:
Los últimos ordenadores, con beneficios gráficas de alta resolución,
intentan remplazar a los grandes tableros, atestado de cables, pilotos y
demás planos informativos. Pero hay una cuestión que todavía permanece:
Gestión:
La gran mayoría de datos reunidos pueden ser usados de múltiples modos
mediante herramientas de estadísticas, valores de tabulación, gráficos
estadísticos, etc., que permitan aprovechar óptimamente el sistema.
Flexibilidad:
Cualquier cambio de algunos valores del sistema de visualización, no
representa un gasto en tiempo y recursos, por consiguiente, no hay
cambios físicos que requieren el montaje de un tablero o de un cableado.
Conectividad:
Se necesita sistemas libres, aclarando, sin incognitos ni desconcierto para
el diseñador. Los expedientes de los protocolos de comunicación modernas
aceptan la interconexión softwares de distintos proveedores y evita la
existencia de cuantiosa información que puedan ocasionar desperfectos en
el trabajo de cada proceso o en la seguridad. Todos los softwares, de menor
o mayor dificultad, previamente mencionada, se presenta a menudo con los
nombres más frecuentes para establecer esta comunicación:
MMI: Interfase Hombre-Máquina (man machine interface).
HMI: Interfase Humano-Máquina (Human Machine Interface).
Según Rodríguez (2007) “El sistema a controlar aparece ante el usuario
bajo un número más o menos elevado de pantallas con mayor o menor
información. Podemos encontrar planos, fotografías, esquemas eléctricos, gráficos de tendencias, etc.” (p. 21)
2.2.4.2. Ventajas.
Cuando mencionamos un sistema SCADA, no obviar que hay más
elementos detrás de la pantalla que nos informan de cómo trabaja nuestras
instalaciones. Detrás se encuentran una gran cantidad de elementos de
control, medios de comunicación, diversas utilidades de software y así
Las ventajas más obvias de un sistema de automatización tales como
control y supervisión (SCADA). Se enumeran a continuación:
• Hoy en día el desarrollo de los programas de visualización permite la elaboración de aplicaciones más prácticos sin necesidad de ser
un entendido en la materia. Un dispositivo PLC está diseñado para
trabajar en condiciones desfavorables, otorgando robustez y
seguridad al proceso que controla.
• Los autómatas permiten adicionar diferentes módulos de control de acuerdo a las necesidades actuales.
• Todos los sensores y actuadores pueden agregarse en la programación del PLC, mediante los módulos de adquisición de
datos disponibles hoy en día, tales como son: voltaje, corriente,
sensores de temperatura, etc.
• Gracias a las utilidades de diagnóstico se obtiene una ubicación instantánea de errores. Esto nos facilita disminuir los periodos de
interrupción en las instalaciones de la planta y disminuye los costos
de mantenimiento.
• los sistemas de control remoto se determinan de forma que puedan operar independientemente, aún sin conexión con los servidores.
• La definición mantenimiento lógico permite desarrollar modificaciones de software en las plantas remotas desde la sala de
control.
• Las aplicaciones de control pueden adquirir información de forma conveniente para simple deducción de los técnicos de
mantenimiento.
• Los manuales de usuario y expediente técnico apropiado facilitaran el manejo correcto por personal incorporado recientemente.
• Las aplicaciones de visualización pueden mostrar toda clase de ayuda al usuario, desde el inicio de una alarma hasta la ubicación
comprometido en la misma. Esto nos permite disminuir los periodos
de ubicación de las averías al facilitar la información sobre la raíz de
dicha avería.
• La creación y entrega automática de los registros. El programa de visualización adquiere los datos del PLC y convierte en formatos
fáciles de exportar a diferentes programas de uso comercial, tales
como base de datos y hojas de cálculo.
• El manejo de la tecnología celular GSM, 3G, 4G, asiste a la aplicación de control para mantener informado sobre los sucesos
ocurridos en la planta por los operadores responsables, que se lleva
a cabo mediante llamadas telefónicas y mensajes de texto.
• Por intermedio de las redes de comunicación, la aplicación SCADA se incorpora en la red local de la planta, permitiendo la unificación
entre los niveles de la planta y gestión de redes locales.
2.2.5. Redes de Comunicación Industriales.
Las comunicaciones industriales se dividen en dos áreas importantes, la
primera es la comunicación a nivel de la planta y, la segunda es una
comunicación SCADA. En los dos casos la comunicación de datos se efectúa
en tiempo real, o con un mínimo retardo que no es considerable con relación
a los tiempos del proceso, siendo indispensable para el nivel de planta.
Conforme el área donde va a ser situado, en un ambiente industrial se
encuentran diversos tipos de redes:
2.2.5.1. Buses Orientados a Dispositivos.
Estos tipos de redes no proporcionan una alta fidelidad de transmisión de
datos, las transferencias de datos se realizan por bloques pequeños. Estas
transmisiones se consideran buses de nivel inferior, sin embargo, el caso
de protocolo CAN bus, no está diseñado para el área industrial, ya que sus
beneficios como, robustez y costos mínimos se encuentra en abundancia y
El estándar LANworks apareció para las aplicaciones en domótica y
automatizaciones de edificios. Asimismo, estos buses de dispositivo,
pueden encontrarse en otros equipos con un mínimo de inserción, o con
aplicaciones no vinculados directamente con las industriales de manera
que tenemos el bus EIB para las instalaciones.
CAN Bus Eléctricas.
El protocolo CAN bus proviene del estándar ISO 11898, anteriormente
desarrollado por la empresa alemán BOSCH para facilitar el cableado de
los vehículos. De esta manera se empleó considerablemente en la
automatización, donde se encuentra una gran cantidad de electrónica
vinculado a los componentes instalados en el motor, así como en las partes
del automóvil, bolsa de aire, correas de seguridad, iluminación, ambiente
climatizado, etc., y es indispensable el acceso a la distribución, por lo cual
CAN bus suministra una buena instalación para la conexión entre los
elementos.
El protocolo mencionado está centrado en el origen productor consumidor.
Cada ordenador está constantemente alerta a la recepción y las
transmisiones de datos, se ejecutan mediante el control de equipos
apropiados (el árbitro de bus). Los requerimientos de información se
elaboran conforme a las tablas de instrucciones que contiene registros de
variables. Al descifrar el nombre de la variable vinculados a los datos que
crea, un dispositivo emite los registros actuales. Estos datos actuales son
transmitidos para todos los receptores que tengan registrado el nombre de
la variable. De esta manera garantizamos el funcionamiento de todos los
dispositivos que están incorporados en la planta y de forma simultánea se
actualizan sus datos.
Figura 12.
Formato de trama CAN (DLC = Data Length Code).
Todas las uniones, implicado el transmisor están operativos en tanto se
(hasta 5 inspecciones de error) e impulsan la retransmisión si acontece un
error; todas las uniones deben admitir el mensaje, de lo contrario se
comprende que existe un error. Mientras tanto los receptores, remiten el
mensaje de (mensaje recibido) en el momento que llega el mensaje
correctamente.
La peculiaridad principal del CAN bus radica en la necesidad del uso de un
protocolo para las capas superiores capaces de realizar la conexión de la
aplicación. El protocolo CAN bus es un detalle de bajo nivel. Las
posibilidades de que el CAN bus son establecidos en gran medida por el
protocolo de las capas superiores; este protocolo se escoge mayormente
del mercado al que es orientado la aplicación, las pretensiones de tiempo
real, etc.
Buses de Campo: PROFIBUS, COMPOBUS.
Esta clase de buses es la que ha variado de manera amplía su oferta,
debido a que han figurado diversos estándares para la implantación a nivel
industrial. Por más se trate de estándares de código libre, cada protocolo
suele ser promocionado por diferentes fabricantes, por lo cual se manifiesta
una pequeña competencia enmascarada por querer obtener la primacía del
mercado a través de la filosofía de protocolos de código abierto. Entre los
diversos protocolos que tenemos en el mercado existen varias
divergencias, y por lo que usualmente se hace posible diseñar e
implementar el mismo tipo de protocolos sobre cualquiera de ellos. No nos
centraremos de manera profunda en los protocolos, para mayor detalle
En la Figura 13, se hace un análisis de FODA a los conceptos que se tiene de la amplia gama de buses de campo, el cual es analizado tomando en
cuenta las diversas características inherentes, como la complejidad, taza
de transferencia de datos que es enviada y recibida, el costo económico de
implementación y sobre todo la funcionalidad.
HART.
El protocolo HART brinda esencialmente la comunicación digital
bidireccional con elementos o dispositivos de campo, los cuales son
elementos inteligentes mientras conserva su compatibilidad y similitud con
los tradicionales sistemas que usan los 4-20 mA. En este protocolo
empleada la norma Bell 200, lo que ocasiona la superposición instantánea
que se usa en los niveles inferiores de una señal de comunicaciones digital
(el nivel alto es mostrado por 1.200 Hz, mientras que el nivel bajo es
mostrado con 2.200 Hz. El protocolo HART fue empleado para mejorar las
comunicaciones con los instrumentos de medición y control que se
enlazaban usando señales de 4-20 mA, y que es aplicado actualmente a
todo proceso industrial.
Al ser una superposición de una señal a un sistema ya establecido, HART
brinda una solución sin riesgos que puede ser usado sin amenaza y que
brindan una comunicación más variada y consistente con los dispositivos
inteligentes.
FIP y WORLDFIP.
La comunicación FIP es un protocolo de campo desarrollada inicialmente
en Francia. FIP se plantea ser un protocolo de gestión de datos de plantas
industriales, distribuidos en tiempo real, y que se basa en la estructura
PDC. De esta manera la estructura, los sistemas que se ejecutan en las
plantas desempeñan tres funciones importantes:
El software es encargado de la producción de una base de dato o
variable. Por ejemplo, el encargado de elaborar una base de datos es el
transmisor ya que está representa las variables de monitoreo, en tanto
un controlador es el encargado de la producción de una base de dato
que manifiesta el porcentaje de abertura de una válvula.
Consumidor de Datos:
La programación necesita un dato o una variable. Como en el caso del
actuador necesita conocer la proporción de la abertura para que precise
la válvula, en tanto un controlador multi-lazo es el adquiriente de
cuantiosas variables necesarias para ejecutar sus funciones.
Distribuidor:
El distribuidor es el encargado de la validación y entrega de datos, para
así realizar los lapsos de tiempo requeridos en el proceso.
Un elaborador puede crear una base de datos que sean de vital
importancia para muchos consumidores, un consumidor necesita más
datos de un elaborador. Particularmente las plantas son autónomas, con
una la condición de elaborar las variables de las que es creador cuando
el distribuidor lo requiere. De esta manera, el distribuidor es el mediador
de la red, determinado cuando se crea las variables, de acuerdo a las
solicitudes de los consumidores.
WorldFIP Europea son protocolos que ejecutan procesos por lotes y, de
elaboración discreta. Los programas importantes se incluyen en las
fábricas de automóvil, medicina, petroquímicas, alimentación y en las
industrias de papel. La simplicidad añadida el protocolo le brinda al
usuario entregas y aseguradas las respectivas variables de tiempo
crítico y ofrece la posibilidad de entregar una base de datos completo en
el mismo protocolo de trabajo sin necesidad de una programación
Foundation Fieldbus.
La fundación fieldbus está formado por un subconjunto normado IEC/ISA
(IEC61158_e_ISA_s50.02). Esta organización congrega 2 sociedades,
World_ FIP (World Factory Instrumentation Protocol) e ISP (Interoperable
Systems Project) desde los años 1994. Su más primordial propósito es
remplazar el cableado que esta junto a los elementos recluidos como
aquellos módulos que funcionan de 4-20 mA. La gran mayoría de sensores
neumáticos trabajan con este tipo de señales. Ya que estos protocolos son
capases de proporcionar una compatibilidad de manera que su inserción
de dispositivos con los módulos más pequeños de interfaz. Es
esencialmente seguro, cabe decir, establece su cualidad como un asistente
en medios agresivos como pueden ser de riesgo de explosión, mediadores
químicos, etc.
Este protocolo utiliza las capas 1, 2 y 7 del modelo OSI. Los datos de este
Bus se comunican mediante el cable par trenzado la modulación está
determinado sobre un voltaje continuo entre 9 y 32 V, suministrando
energía a los dispositivos en la misma red, a una velocidad de transmisión
de 31,25 kbit/s con una impedancia de 50 Ohms, es de vital importancia
instalar los conectores de red. Nos Permite gestionar la transmisión
mediante un dispositivo que establece el control del bus, de esa manera se
realiza las transmisiones asíncronas para las notificaciones con prioridad.
Ya que los módulos integran alguna inteligencia, su trabajo es probable que
sea autónomo a pesar de las interrupciones en la comunicación de datos.
Acepta un máximo de 32 elementos en el Bus de datos y una longitud
máxima de 1900 metros sin repetidores.
Modbus.
Los protocolos modbus son los más experimentados, sus inicios fuero en
el año 1979 con el propósito de transmisión y recepción de datos de control
entre los módulos y sensores mediante el puerto de comunicación RS-232,
metros. Este protocolo no fue estandarizado por ninguna compañía, sin
embargo, sus especificaciones están a disponibles.
Generalmente operan por medio de sistema Esclavo_Maestro, y dispone 2
modos principales de funcionamiento, modo ASCII, remití dos caracteres
es decir 2 bytes para cada remisión, existiendo hasta 1 segundo de
diferencia en el tiempo entre ellos, en tanto el modo RTU (Unidad Terminal
Remota), remiten 4 caracteres hexadecimales es decir 4 bits en cada
remisión de caracteres. Este modo último es más usado para la
comunicación inalámbrica. La versión MODBUS plus utiliza el puerto de
comunicación RS485, se puede transmitir hasta un máximo de 32 nodos y
alcanzar una distancia de 1500 metros con el método de transmisión paso
de testigo.
Los dos métodos utilizan para su instalación cables par trenzado
apantallado y los voltajes de alimentación son independiente para cada
módulo.
Estos protocolos poseen limitaciones debido a compatibilidad en el cual se
recomienda utilizar donde exista este tipo de instalaciones para así proveer
la compatibilidad, hoy en día es factible emplear estos protocolos de
transmisión con las más altas prestaciones y precios accesibles en el
mercado. En la Actualidad se está impulsando el protocolo MODBUS sobre
TCP/IP, para tener un beneficio, los equipos ya cuentan con la implantación
para el Internet, y de esta manera utilizar los protocolos industriales usando
la misma red de transmisión y agrupando mensajes MODBUS dentro de
las transmisiones TCP/IP, de manera que son indispensable los módulos
de encapsulado y des-encapsulado para unir con módulos habituales