Basics function of AS – task1_1 Sistemas Automatizados Módulo 1 – Funciones básicas, características y arquitectura de los sistemas automatizados Tarea

Basics function of AS – task1_1

Sistemas Automatizados

Módulo 1 – Funciones básicas, características y arquitectura de los sistemas automatizados

Tarea 1.1: Esencia y objetivos del proceso de automatización.

Funciones básicas y características de un sistema automatizado.

Por Anton Petrov, Plovdiv University, Departamento ECIT

Funciones básicas de AS – tarea 1_1


Temas principales

1. Objetivos generales y específicos del proceso de automatización

2. Esencia y principales etapas de la investigación previa a la automatización.

3. Efecto económico resultado del proceso de automatización

4. Fases de desarrollo de un Sistema Automatizado (AS)

5. Formas de automatización

6. Funciones principales y directrices para el desarrollo de un AS

7. Parámetros y características de un AS


Basics function of AS – task1_1Basics function of AS – task1_1

Qué es la automatización?

Definición: - Uso de medios técnicos, métodos económico-matemáticos y sistemas de control con el fin

de liberar parcial o completamente a las personas de su participación directa en el proceso de conversión, transmisión y uso de energía, materiales o información.

Producción automática consiste en conseguir que máquinas, equipamientos y procesos de producción (materiales y/o de información) operen de manera independiente (automática) gracias a la utilización de medios técnicos.

Qué requiere la automatización?- Uso adicional de sensores, dispositivos de entrada, controladores , actuadores, así como

métodos y algoritmos de computación.

3Funciones básicas de AS – tarea 1_1


Qué puede ser automatizado?

La automatización es posible en: - Procesos de producción (automatización industrial);

- Diseño de unidades de ingeniería, circuitos y sistemas electrónicos, arquitecturas complejas, etc.;

- Organización y planificación de actividades de producción y económicas;

- Actividades y operaciones militares;

- Investigación y experimentos;

- Medicina y técnicas de diagnóstico;

- Redacción y procesamiento de datos estadísticos;

- Programación;

- Cálculos de ingeniería; etc.

La automatización de un proceso dado esta siempre precedida de una investigación previa. La siguiente diapositiva presenta los pasos de una investigación científica y aplicada, junto con la posibilidad de un cierto nivel de automatización en cada uno de la etapas de la investigación.



Principales etapas de una investigacion científica (SI) – A



Principales etapas de las investigaciones científicas (SI) – B



Objetivos del proceso de automatización – 1

Incremento de la productividad y eficiencia;

Mejoras en la calidad de la producción;

Optimización de la planificación y el control;

Evitar condiciones de trabajo arriesgadas y peligrosas para los seres humanos. El proceso de automatización, exceptuando el caso más simple, requiere una

aproximación compleja y sistemática para resolver los problemas. De este modo las complicaciones de resolver los problemas, de cara a la automatización, son denominadas normalmente sistemas, tales como:- Automatización de sistemas de control;

- Automatización de sistemas de diseño;

- Control automatizado de procesos tecnológicos, etc.




- Lo que puede automatizarse en un SI teórico es el modelo matemático y los diferentes cálculos. Actualmente, el análisis teórico de las hipótesis no es adecuado para la automatización.

- El proceso de automatización en SI experimentales debe incluir todos los procesos laboriosos no creativos. facilitar la máxima creatividad de procesos; y ser extremadamente eficiente y económico.

- La automatización de procesos creativos es cada vez más complicada aunque no queda totalmente excluida.

- (En su naturaleza este es un problema de Inteligencia Artificial y de un nivel elevado de problemas enfocados a los lenguajes de programación para ordenadores donde la tarea se formula y el sistema del ordenador es el que elige el algoritmo para resolverlo.)




En el proceso de automatización podemos distinguir:

- Control automático – cuando el control se lleva a cabo sin una intervención directa del ser humano.

- Control automatizado – cuando el control se realiza sin una intervención humana considerable.

- Conseguir un buen control automático es posible gracias al desarrollo de sistemas para la regulación y el control automático.

- La teoría, relacionada con los principios del desarrollo y los métodos de análisis y síntesis de los sistemas para la regulación y el control automático se denomina Teoría del Control Automático (TAC).



Desventajas de la automatización

Amenazas en seguridad/vulnerabilidad: los sistemas automatizados solo pueden poseer un nivel limitado de inteligencia y, consecuentemente, pueden dar errores en contingencias.

Costes inpredecibles/excesivos para investigación y desarrollo, los cuales pueden exceder los beneficios fruto de la automatización.

Elevados costes iniciales: la automatizacion de un proceso nuevo requiere normalmente una cantidad de inversión elevada.



Cuando es necesario automatizar un proceso dado?

1. La potencia física y mental del ser humano es insuficiente para la realización del proceso;

2. El proceso se realiza en un entorno complicado y peligroso;

3. El proceso requiere un elevado nivel de cualificación (especialistas únicos – trabajadores cualificados);

4. Es necesaria elevada exactitud/precisión.

5. Existe una escasez de recursos laborales (especialistas);

6. Posibles situaciones críticas y emergencias debidas a reacciones inesperadas por parte de las personas.



Quién es mejor? Cuando?

El ser humano:

1. A la hora de encontrar señales bajo condiciones de ruido fuerte.

2. Cuando es necesario encontrar objetos bajo condiciones variables (reconocimiento de objetos a partir de fotografías).

3. Mientras se actúa bajo condiciones de eventos inesperados.

4. Con razonamiento inductivo – conclusiones sobre la condicion general basada en los síntomas individuales.

5. Auto-formación basada en la experiencia si es necesario.

6. Originalidad (nuevas soluciones)

7. Flexibilidad y adaptabilidad para condiciones variables.

8. Bajo condiciones de información saturada (filtrado).

La máquina:

1. Respuestas rápida- s e incluso ns.

2. Precision en la realización de acciones repetitivas (las personas cometen errores).

3. Adquisicion y procesamiento de grandes cantidades de datos.

4. Control de eventos extraños (de naturaleza estadística).

5. Con razonamiento deductivo - si una pieza pertenece a una clase (clasificación, ordenación).

6. Sensibilidad a formas de energía, no perceptibles por el ser humano (IR, ionización radiacion etc.).

7. Uso de aparatos de potencia.

8. Conversión rápida, codificación y transmisión de datos a distancia.

9. Trabajar en entornos peligrosos.



Fuentes de ahorro con automatización – 1

1. Reducción del tiempo de realización del proceso;

2. Reducción de los costes de la preparación y realización del proceso;

3. Reducción de los costes de energía eléctrica y otras componentes necesarias para realizar una actividad reduciendo los tiempos para su optimización;

4. Reducción del número de personas empleadas para una determinada actividad;



Fuentes de ahorro con automatización - 2

6. Creación de oportunidades para realizar nuevos tipos de investigaciones experimentales y de ahí encontrar la solución óptima de los problemas formulados:

- Uso de tecnologías altamente desarrolladas (High Tech);

- Máquina e instrumentos con parámetros de alto nivel tecnológico;

- Calidad elevada y materiales baratos etc.;

7. Elevada fiabilidad, y confianza para tiempos mínimos;

8. Flexibilidad estructural, adaptabilidad para tiempos cortos y menor coste;

9. Elevado grado de capacidad informativa (reducción adicional del tiempo);

10. Automatización de todas las labores-intensivas de los procesos;



Etapas de desarrollo de AS – 1

1) Falta de aparatos automáticos y manuales para la adquisición de los datos principales (PD). Procesamiento de los datos por medio de aparatos de cálculo semi-automáticos (aritnómetros, calculadoras, etc.)

2) Uso de aparatos de registro y regulación automáticos, artefactos automáticos para realizar mediciones indirectas. Procesamiento por medias y aparatos de cálculo semi-automáticos.

3) Empleo de sistemas con control centralizado. Procesamiento de datos por medio de aparatos de computación programables – ordenadores, trabajando bajo modos sin conexión física directa con el equipo experimental (off-line) y con cierta conexión (on-line).



Etapas de desarrollo de AS – 2

4) Utilización de: convertidores de analógico a digital (ADC) para datos de tipo analógico (multicanal), sistemas de medida de información (IMS) con CS embebidos CS (sistemas de computadores), automatizacion compleja para complejos indirectos y medidas combinadas, automatización del diseño gráfico y representación de los resultados de salida con diagramas, impresoras, etc.

5) Uso de redes de ordenadores miniaturizadas, embebidas y con PC, desarrollo de sistemas para logística, amplio uso de lo siguientes principios de técnicas cibernéticas: - Auto-regulación, auto-organización, auto-perfección y:

- Compresión automática de los datos,

- Acumulación y sistematización de las bases de datos

- Sistemas de cálculo y bases de datos distribuidas para una mayor fiabilidad.

- Comunicación simplificada con ordenadores.



Medios de automatización

Hoy en día, se utilizan para automatización principalmente métodos de control numérico y, específicamente, métodos de control por computación. Además, han ido apareciendo conceptos, tales como CAD (Diseño de Ordenadores Asistido), CAM (Manufactura gracias a los ordenadores) y, en general, Tecnologías asistidas con Ordenadores (CAx).

A continuación se presentan los principales modos de automatización:

- ANN – Sistemas Neuronales Artificiales

- DCS – Sistemas de Control Distribuido

- HMI – Interfaz hombre - máquina

- SCADA – Control de supervisión y Adquisición de Datos

- PLC – Controladores Logísticos Programable

- PAC – Controladores Programables Automáticos

- Robótica.



Funciones básicas de la AS

1. Señales de medida procedentes de los convertidores iniciales (sensores, calibradores) y su correspondiente conversión.

2. Adquisición, transmisión e introducción de los datos al sistema de ordenadores.

3. Procesamiento inicial de los datos.

4. Visualización de los datos en tablas, gráficos, histogramas.

5. Agrupamiento de los datos (por codificación, embalaje y otros algoritmos).

6. Salida, acumulación y mantenimiento de las bases de datos (DB).

7. Regulación automática de parámetros (temperatura, presión, composición gaseosa, etc.).

8. Programación y lógica de control de tanto los objetos investigados, como de la condiciones ambientales con el propósito de modelar físicamente el modo de investigación proporcionado.



Indicaciones para el desarrollo de AS

Acciones rápidas y una productividad elevada;

Mejora de la precisión;

Elevada fiabilidad y confianza;

Elaboración de algoritmos de operación del equipamiento y de la proteccion matemática del CS empleado;

Creación de nuevas medidas, convirtiendo y multiplexando equipamientos basados en los nuevos principios de calidad elevada;

Elaboracion de la arquitectura con el propósitio de asegurar una máxima flexibilidad estructural del AS.



Parámetros Basicos a partir de los AS – 1. Productividad

Estructura Tasa ejecución:

· Multiplexores de señales analógicas:

transmisión 100-1000 posiciones/sec;

semiconductores (MOS) 104-105 posiciones/sec;

· amplificadores de medición (0-100mV) 100-400 conversiones/sec;

· ADC 104-106 conversiones/sec;

· voltímetros digitales 102-103medidas/sec;

· matrices de impresión 80-260 símbolos.(2-3ppm);

· impresoras láser 20-25 ppm.;

· modems 56 Kbit/s;

· líneas de alta velocidad Т1 и Т3 1.54 – 44.18 Mbit/s;

· conexiones rápidas de Ethernet btw CS 100 Mbit/s;

· tasa de cambio entre CPU y RAM 2 Gbit/s.



Aumento de la productividad y reducción de la información redundante – métodos

Reemplazamiento de instrumentos lentos por otros más rápidos;

Utilización a la par de instrumentos lentos con el uso consecutivo de elementos rápidos;

Desarrollo de algoritmos optimos de ejecución;

Seleción estricta de la información útil;

Procesamiento preliminar y extracción de la informacion;



Aumento en la productividad...(2)

Reducción racional de la precisión a expensas de aumentar las acciones rápidas;

Uso de aparatos con buffer de tipo acumulativo;

Uso de procesadores locales junto con instrumentos lentos;

Incremento en la productividad de operadores humanos a través de:- Dialogo óptimo; funciones simplificadas; limitación de la información redundante.



Métodos organizativos utilizados para aumentar la productividad

Medidas organizativas para uniformizar la complejidad y carga de los AS;

Reducción del tiempo de preparación;

Automatización de las operaciones de ajuste, calibración, diagnostico de fallos, reparaciones etc.



2. Eficiencia de los AS

La eficiencia está caracterizada por la proporción:

- Tiempo útil del AS

Respecto

- Tiempo total cuando el AS se encuentra en condiciones de trabajo (pero no siempre se trabaja) o cuando se realiza profilaxis, ajustes, etc.

- La carga normal de AS tiene una eficiencia igual a 0,15-0,25.

- En ciertos AS, muy raramente utilizados en los experimentos científicos, la eficiencia es <0,03.

- El valor de la eficiencia es raramente cercano a 1 – solamente en estaciones automáticas para usos prolongados (cósmico, meteorológico), así como para la automatización de procesos tecnológicos continuos etc.



3. Precisión de los AS

La precisión de la reproducción depende del modo proporcionado así como de la precisión en la medida de varias cantidades.

Cuando tenemos medidas combinadas se resuelve tratando de obtener la misma precisión para cada una de las medias individuales.

Una medición muy exacta no mejora considerablemente la precisión.

Una medida inexacta (para medidas relacionadas) puede devaluar el resto de las medidas que si se han obtenido con alta precisión (efecto de introducir una cuchara con alquitrán en un bote de miel).

De este modo nuestro propósito para aumentar la precision de una determinada medida sera conseguir precisión en las siguientes mediciones.

Excepto los instrumentos de medida, los instrumentos de impacto también poseen una gran influencia en la precisión del control de un proceso. Se ha demostrado que la frecuencia de los errores en un control automático puede reducirse en un orden 3-4 en comparación con el control manual (http://en.wikipedia.org/wiki/Automation ).


http://en.wikipedia.org/wiki/Automation


4. Fiabilidad de los AS

Para una fiabilidad elevada de los AS no debe haber: - Pérdidas en la precisión de los datos procedentes de mediciones y control;

- Distorsiones intolerables de los datos;

- Eliminación del objetivo de la investigación;

- Caer en el desuso cualquier equipamiento experimental o tecnológico.

El incremento de la fiabilidad esta relacionada con la resolución de tres problemas principales: - Seguridad óptima;

- Control óptimo de la fiabilidad;

- Profilaxis óptima del trabajo con AS.



Clasificación de

los AS

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AS

Parámetro matemático Parámetro Secundario

І. Automatización de objetos

Procesamiento industrial

Construcciones

Ingeniería de diseño

Organización y planificación

Investigación y entrenamiento

Militar y objetos cósmicos

Medicina y técnicas de diagnóstico

Procesamiento de datos

Programación

Cálculos de ingeniería etc.

ІІ. Grado de universalidadUniversal

Especializado

ІII. Principio de la operación

Digital

Analógico

Digital-analógico

IV. Modo de utilización

Continua

Regular

Irregular

V. Grado de automatizaciónAutomatico

Semi-automatico

VІ. Estacionalidade invariancia

Estacionario

Semi-estacionario

Portátil

Modular

VІІ. Energy utilizada

Electrica

Hidraúlica

Neumática

Mixta


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