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

nando_siles@hotmail.com

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

ing.javierandrade@gmail.com

Escuela Politécnica del Ejército Tapia Fausto

fausto_tapia@hotmail.com

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: bmvallejod@unal.edu.co

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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