PSAFM04. Control y supervisión de sistemas automáticos

En esta Unidad de Trabajo aprenderás lo relacionado al control y supervisión de los sistemas automáticos, tales como:

• Parámetros de control en las instalaciones.
• Configuración de sistemas automáticos.
• Gestión de las instalaciones automatizadas.
• Sistemas SCADA .
• Diagnósticos y resolución de problemas.

En las instalaciones automáticas hay que tener en cuenta una serie de parámetros, tanto en la puesta a punto como en el posterior funcionamiento del sistema.

La velocidad, el recorrido y el tiempo son variables que dependen de otras variables como pueden ser la presión y caudal.

Y para un ajuste correcto de estos parámetros es necesario, en alguno de ellos, que utilices algunas herramientas de medida y verificación.

En los sistemas automáticos hay ciertos parámetros que tendrás que tener en cuenta tanto en la puesta a punto. En el apartado hidráulico y/o neumático prestarás atención a la presión y caudal y en el apartado eléctrico, a la tensión.

Si no se tuvieran bien ajustados estas variables el sistema automático no funcionaría correctamente.

La tensión, como pudiste observar en un apartado anterior, se mide mediante polímetros. En cambio, la medición de la presión y el caudal se realiza con manómetros y caudalímetros.

• Manómetro: el manómetro es una herramienta que se emplea para la medición de la presión en los fluidos (líquidos y gases). Normalmente funciona comparando la presión del fluido y la presión atmosférica local, es decir, determinando la presión relativa del fluido. A pesar de que sirven para medir fluidos, dentro de los fluidos se hace una distinción, los que son para la medición de la presión de los gases y las que son para la medición de la presión de los líquidos.

En las instalaciones automáticas suele haber tomas para conectar el manómetro para saber cual es la presión del circuito en ese punto.

El manómetro solamente se utiliza para la medición de la presión pero nunca como parte del automatismo, para eso se utilizan los presostatos, los elementos que controlan la presión y convierten esa señal en una señal eléctrica.

• Caudalímetro: el caudalímetro es una herramienta que se emplea para la medición del flujo o caudal de fluido (líquido o gas). Estos elementos se suelen colocar en la misma tubería o línea por donde pasa el fluido. Existen muchos tipos de caudalímetros, pero los que habitualmente se utilizan en los sistemas automáticos son las de presión. Este tipo de caudalímetro es capaz de conocer el caudal que circula a través de él comparando la presión de su entrada con la de su salida.

Los caudalímetros que se utilizan en los sistemas automáticos generan una señal eléctrica al paso del caudal, utilizando después esa señal dentro de la automatización del sistema. De la misma manera que ocurre con los presostatos con la presión, convierten una señal, en este caso de caudal, en una señal eléctrica. Pero también existen caudalímetros que solamente visualizan la cantidad de caudal que circula, siendo el exponente más conocido los contadores de agua instalados en casa.

Manómetro

Caudalímetro

Cuando se realiza la puesta a punto de un sistema automático es necesario ajustar las la presión y caudal, tanto del sistema hidráulico como del neumático.

En algunos sistemas hidráulicos y neumáticos, suele haber manómetros montados en los propios sistemas, con lo que cuando se quiere ajustar a una presión determinada lo único que hay que hacer es visualizar el valor que marca el manómetro para saber a qué valor se necesita ajustar.

El caudal se regula mediante estranguladores.  La regulación se realiza observando la velocidad del elemento cuando avanza y/o retrocede el actuador y se deja en la posición más adecuada.

El procedimiento de medición y ajuste o regulación también se realiza una vez que el sistema automático lleva tiempo trabajando, porque con el tiempo pueden aparecer problemas en el funcionamiento del sistema, porque la presión de entrada haya bajado o por cualquier otra circunstancia. Con lo que es necesario saber medir y regular las presiones y caudales.

Los sistemas automáticos pueden funcionar independientemente o en conjunto con otros sistemas automáticos, compartiendo información entre ellas.

Por lo tanto, según su configuración, podrás distinguir dos tipos de sistemas automáticos:

• Los de configuraciones simples
• Los de configuraciones complejas

Los sistemas automáticos de configuración simple son aquellos sistemas que realizan su trabajo sin compartir información con otros sistemas automáticos de ese trabajo realizado. Su misión es realizar el trabajo para lo que están programados continuamente sin que otros sistemas automáticos sepan si ha empezado, ha terminado o cualquier otra información que podría compartir en caso de necesitarlo.

Configuración simple

Los sistemas automáticos de configuración compleja son aquellos sistemas (de configuración simple) que además de realizar el trabajo para lo que están programados, comparten información con otros sistemas automáticos para un trabajo en cadena u otro tipo de trabajo en el que es necesario saber cierta información de sistemas automáticos cercanos.

A todo este sistema formado por esos sistemas automáticos que comparten información se le denomina un sistema de configuración compleja.

La forma de compartir información en los sistemas de configuración compleja suele ser variada, aunque actualmente se tiende a utilizar redes informáticas basadas en el protocolo TCP/IP.

Configuración compleja

Como has podido ver en el apartado anterior, las instalaciones automatizadas pueden estar formadas por una o más instalaciones.

Conexionado CNC

La gestión de las instalaciones automatizadas simples se realiza normalmente mediante un PLC o autómata. Éste es el cerebro del sistema, el que permite o no una acción, el que ordena o no una acción, o el que avisa o no al usuario si hay algún problema.

Para eso es necesario enlazar los sistemas hidráulicos, neumáticos y eléctricos con el autómata mediante las entradas y salidas de ésta.

Normalmente estas instalaciones automatizadas de configuración simple suelen llevar una pantalla, ya sea conectado a un PC o una pantalla programable conectado a un autómata o una pantalla de CNC, desde el cual se comunica el usuario con la máquina. Desde ahí se dan las órdenes de marcha o de movimientos, por ejemplo, y se visualizan los mensajes que se envían desde el autómata. Es decir, las pantallas son parte de una interconexión entre el usuario y la máquina.

En algunas instalaciones automatizadas de configuración compleja, además de la que tiene cada instalación, suele haber otra pantalla en otro lugar de la instalación en el cual es posible visualizar el estado de todas las máquinas o estaciones que están conectadas en esa red. Este sistema se conoce como SCADA.

A día de hoy, en las máquinas que llevan autómatas y/o CNC está muy extendido el teleservicio, es decir, utilizando la conexión de internet se puede conectar al control y así poder realizar las gestiones como si se estuviera delante del control.

En las instalaciones automatizadas de configuración simple las instrucciones de control u órdenes se ejecutan desde el propio panel de control que lleva la propia máquina.

En las instalaciones automatizadas de configuración compleja no se ejecutan de esa manera. Cada instalación no trabaja independientemente de las otras. Todas están unidas mediante una red y aunque cada instalación o estación tenga su propia trabajo a realizar, es necesario que todos estén coordinados. En cada unidad o estación de una instalación de configuración compleja es posible realizar movimientos independientemente, incluso en algunas instalaciones se permite que realicen su trabajo de ciclo automático, pero el modo de funcionamiento habitual de estas estaciones suele ser trabajar coordinados . Ese suele ser el modo habitual de funcionamiento en las instalaciones de configuración compleja.

Instalación automatizada de configuración compleja

Como puedes observar en la figura adjunta, en algunas instalaciones de configuración compleja suele haber una estación que ejerce de maestro, cuya misión no suele ser realizar alguna operación de trabajo, sino lo que hace es controlar y ordenar a las estaciones para que todo funcione de manera coordinada.

En esa estación maestra suelen haber pulsadores y demás elementos de mando, como por ejemplo el pulsador de marcha que hace que toda la instalación se ponga en marcha, enviando desde la estación MAESTRO la orden necesaria para que las estaciones se pongan en marcha y ejecuten el ciclo de trabajo programado.

Los programas de trabajo suelen estar almacenados en cada estación. Cada estación suele llevar un CNC o simplemente un PLC que se encarga de controlar esa estación de trabajo, ejecutar el programa de mecanizado y de enviar información a otras estaciones. En la estación que ejerce de maestro es posible observar el proceso que están ejecutando todas las unidades o estaciones, además de las alarmas y avisos que pueden surgir en cada unidad.

La palabra SCADA viene de "Supervisory Control And Data Acquisition", es decir, adquisición de datos y control de supervisión.

Se trata de una aplicación software diseñado para funcionar sobre un ordenador, al cual están conectados PLCs y controladores, controlando así el funcionamiento de todo el proceso automático de la instalación automatizada desde la pantalla del ordenador. Junto al control del funcionamiento del sistema automático, el sistema SCADA da la posibilidad de obtener información del proceso: el estado en cual se encuentra, productividad, etc.

El sistema SCADA es aquel que engloba a todas las estaciones automatizadas conectadas al ordenador que contiene la aplicación software para realizar la supervisión de dichas estaciones.

Lo que hace que los sistemas SCADA sean especiales respecto a otros sistemas de control es la capacidad de supervisado que tienen. El control de las estaciones no se diferencia de otros tipos de sistemas, ya que realmente el que realiza el control de las estaciones son los PLCs de cada uno de ellos.

Las siguientes imágenes, realizadas por la empresa Epro, representan un sistema SCADA:

Sistema SCADA de un Grupo de Presión de Agua Sanitaria

Sistema SCADA de un Paletizador Automático

Como puedes observar en las dos imágenes, en el software viene dibujado una representación del funcionamiento de la instalación automática. Realmente, estas imágenes suelen ser animaciones. Animaciones que simulan el movimiento y funcionamiento de la instalación automática, gracias a las señales de diferentes detectores y sensores (de presión, temperatura, voltaje, nivel, etc.) que envían los PLCs o dispositivos de control. Esas señales se almacenan en el ordenador y se muestran en la pantalla al usuario del sistema u operario. El operario, viendo la información recibida, puede ordenar una acción al ordenador para que la instalación automatizada lo realice. En ese caso, esa orden se convierte en una señal eléctrica que realizaría el viaje inverso a los que han realizado las señales de los detectores y sensores, es decir, iría desde el ordenador hacia los PLCs. Y una vez recibida la señal en el PLC, ejecutaría las órdenes enviadas.

En los siguientes enlaces a vídeos puedes ver dos sistemas SCADA:

Ciclo Grafcet

En esta imagen puedes visualizar, esquemáticamente, el ciclo de un automatismo. Esta pantalla es una aplicación simple realizado para pantallas HMI .

En él puedes observar el Grafcet de una secuencia que ejecuta el automatismo. Todas las etapas o estados de la secuencia están representados por casillas de color blanco. El color amarillo representa el estado actual de la secuencia.

El autómata, que hace que se ejecute y controle esa secuencia, envía información al ordenador donde se está ejecutando esta aplicación. Gracias a esa información recogida, se consigue que se vaya cambiando el color de cada etapa, pasando de blanco a amarillo, para señalizar al operador en que situación se encuentra el ciclo.

Como es lógico, aunque en esta pantalla no puedas verlo, cuando haya problemas se visualizarán los mensajes y alarmas que se produzcan.

En resumen, se puede decir que esta pantalla es una pantalla de monitorización del estado del proceso.

Panel de mando

En esta imagen puedes observar la pantalla desde el cual se podría poner en marcha la automatización de la secuencia de movimientos representada en GRAFCET del apartado anterior.

Desde aquí se enviaría la orden de ponerse en marcha al autómata. Y desde ese momento el autómata sería el encargado de hacer que se ejecutara el ciclo. Cada vez que se ejecutara un ciclo, el autómata enviaría una señal hasta este ordenador y en la casilla donde pone "Ciclos Realizados" iría incrementando el valor, hasta que ese valor fuese igual a la cantidad de ciclos que se le ordenó que hiciera. Cantidad que habría que haber introducido en la casilla que se encuentra encima de esta.

De la misma manera que puedes visualizar estos datos, también podrías visualizar la cantidad de piezas mecanizadas, la herramienta de trabajo que está utilizando (siempre que la máquina tuviese la oportunidad de trabajar con más de una herramienta, gracias a un cambiador de herramientas), los tiempos de mecanizado, etc.

Todos los datos expuestos se controlan desde el autómata y se envían al ordenador.

Cuando una máquina funciona de manera diferente o no funciona para la cual está diseñada deberás de ver a qué es debido.  Tendrás que averiguar la razón del mal funcionamiento.  Una vez identificada la causa procederás a su corrección o correcciones. 

A continuación podrás ver unas tablas en las que se analizan unos elementos de un sistema neumático, hidráulico y eléctrico. Se analizan las posibles causas que pueden generar los problemas y se exponen unas posibles soluciones a esos problemas.

Resolución de problemas para un sistema neumático.

Resolución de problemas para un sistema hidráulico.

Resolución de problemas para un sistema eléctrico.

Los problemas que se han descrito en el apartado anterior se suelen registrar en documentos para tener un histórico de que tipo de problema se ha tenido, en que parte de la máquina, como se ha arreglado, cuando ha surgido el problema, cuanto tiempo se ha tardado en arreglarlo...

En la industria es de uso general registrar este tipo de información pero también se analiza una máquina antes de que esta llegue a pararse. Conjuntamente con el fabricante de la máquina, se analizan las diferentes partes de una máquina y el uso que tienen. Con esto se decide qué partes se tienen que analizar y cada cuanto tiempo. Se suelen utilizar informes de control y seguimiento en los que se registran los datos más importantes. Esto también es conocido como mantenimiento preventivo.

Hasta ahora se ha realizado un diagnóstico de la máquina para saber si está dentro de los parámetros que se han definido como los correctos para que el proceso sea el correcto, se han registrado estos documentos y se ha buscado la causa de la aparición de los problemas junto con su resolución.

Pero si una empresa quiere ser competitiva esto no es suficiente, se debe dar un paso más. Se debe mejorar para que el sistema falle menos aportando alternativas de mejora. Existen diferentes herramientas de calidad que ayudan a mejorar los procesos, máquinas, aparatos,... pero las más fáciles de utilizar y que suelen dar muy buenos resultados son el diagrama de Pareto y el Brainstorming.

El diagrama de Pareto también es conocido como el diagrama 80-20, esto significa el 20% de las causas generan el 80% de los problemas. Por ello es importante llevar un control y registrar los datos.