Automatización de procesos mediante la guía GEMMA

Durante años se han publicado diversas obras de carácter docente sobre la automatización, centradas en el autómata programable y en las tareas de programación de casos prácticos. Este libro presenta una propuesta complementaria mediante el desarrollo sistemático de la guía GEMMA como metodología de uso genérico para cubrir aspectos de supervisión y automatización. Esta metodología permite el tratamiento de complejos problemas de automatización mediante una estructura modular ordenada. Además, la guía GEMMA comporta el estudio de algunos aspectos tecnológicos como, por ejemplo, el diseño del panel de mando. Por tanto, no se expone simplemente una metodología teórica, sino que el lector utiliza los conocimientos previamente adquiridos de sensórica, neumática, interacción persona-máquina, mantenimiento y seguridad. El libro presenta situaciones básicas para comprender la guía GEMMA, así como un caso práctico completo para ilustrar cómo esta guía puede ser una herramienta de trabajo útil para los profesionales de la automatización. Pere Ponsa es Licenciado en Ciencias Físicas por la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) y Doctor por la UPC. Actualmente es profesor del programa de Doctorado del Departamento de Ingeniería de Sistemas, Automática e Informática Industrial e imparte docencia en la Escola Politècnica Superior d’Enginyeria de Vilanova i la Geltrú (EPSEVG), en diversas titulaciones en las que se aborda el control de procesos mediante autómatas programables y la interacción persona-ordenador. Sus áreas de interés principal son la supervisión de procesos y la automatización industrial. Ramon Vilanova es Licenciado y Doctor en Informática por la UAB. Es catedrático de escuela universitaria en el área de ingeniería de sistemas y actualmente imparte docencia en la Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de dicha universidad, en diversas materias relacionadas con la ingeniería de sistemas. Entre sus áreas de interés destacan la teoría de control, la automatización de procesos, el control mediante reguladores PID y la monitorización de procesos mediante métodos estadísticos. 102 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA P. Ponsa R. Vilanova AULA POLITÈCNICA / COMPUTACIÓN Y CONTROL Pere Ponsa Asensio Ramon Vilanova Arbós Automatización de procesos mediante la guía GEMMA EDICIONS UPC 9 788483 018118 AULA POLITÈCNICA 102 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA EDICIONS UPC AULA POLITÈCNICA / ENGINYERIA CIVIL Pere Ponsa Asensio Ramon Vilanova Arbós Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Primera edición: noviembre de 2005 Diseño de la cubierta: Jordi Calvet © los autores, 2005 © Edicions UPC, 2005 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es E-mail: [email protected] Producción: TECFOTO Ciutat de Granada 55, 08005 Barcelona Depósito legal: B- 50930-2005 ISBN: 84-8301-811-X Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos. Presentación 7 Presentación Durante años se han publicado diversas obras que tratan la automatización. Buena parte de estos libros se centran en el controlador lógico programable. Uno de los problemas de este tipo de obras es el cambio tecnológico en esta área, lo que conlleva que los modelos de controladores que se detallan queden rápidamente superados. Algunas obras están centradas en la representación gráfica mediante GRAFCET y la programación de controladores mediante lenguajes de programación como, por ejemplo, el esquema de contactos. En los últimos años, el uso de GRAFCET se ha extendido y es de uso común en el ámbito docente universitario y en aplicaciones industriales. Este libro propone un salto cualitativo en esta área de conocimiento mediante el desarrollo sistemático de la guía GEMMA como metodología de uso genérico a utilizar para cubrir aspectos de supervisión y automatización. El enfoque planteado es complementario al que se ofrece en otras obras de automatización. Cabe destacar que la guía GEMMA planteada por algunos autores se centra en los conocimientos teóricos, con algún ejemplo básico. Entendemos que, para la mejor difusión y uso de la guía GEMMA, conviene desarrollar un conjunto extenso de ejemplos y problemas. De hecho, en las siguientes páginas se potencia la reflexión del lector sobre cuál es el problema y cómo abordarlo; es muy probable que en el desarrollo de proyectos industriales los problemas sean más complejos y conviene tener una metodología clara que permita enfrentarse a ellos con un mínimo de rigor. Con ello se pretende aprovechar los conocimientos sobre GRAFCET y ofrecer una metodología aplicada sobre las posibles contingencias de un sistema y su gobernabilidad. Esta metodología permite el tratamiento de complejos problemas de automatización, mediante una estructura modular ordenada. Además, la guía GEMMA comporta el estudio de algunos aspectos tecnológicos como, por ejemplo, el diseño del panel de mando. Ello incide en el detalle de que no se trata tan sólo de una metodología teórica, sino que se utilizan de forma profunda los conocimientos adquiridos de sensórica, neumática, interacción persona-máquina, mantenimiento y seguridad. El libro está estructurado ofreciendo la combinación de los contenidos básicos teóricos de GRAFCET y la guía GEMMA, junto a ejemplos elementales, problemas de complejidad mediana y finalmente mediante un caso ilustrativo del ámbito industrial. Con este enfoque, los autores consideran que la guía GEMMA se ajusta tanto al ámbito del estudiante de ingeniería como al profesional del sector de la automatización. El capítulo 1 (Fundamentos) presenta el marco genérico teórico que engloba la evolución histórica del control de procesos industrial; aborda diversas definiciones sobre supervisión y automatización, y conduce finalmente a la necesidad de contribuir al desarrollo de metodologías integradoras y necesarias como la guía GEMMA. El capítulo 2 (GRAFCET) aborda la representación estándar que se utiliza en automatización. GRAFCET es una representación del control secuencial que permite abordar un gran número de problemas de automatización y es fácilmente traducible a algoritmos de programación. De ahí que se © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 8 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA haya difundido en el área de automatización como un estándar de facto y se muestra muy manejable para tareas docentes. El capítulo se complementa con algunos ejemplos didácticos. El capítulo 3 (Aspectos básicos de la guia GEMMA) introduce los aspectos elementales de la metodología para el estudio de los modos de marcha y paradas de los sistemas automatizados. El enfoque presentado en este capítulo pretende hacer reflexionar al lector para que aprenda mientras utiliza la guía (learning by doing), de manera que pueda ser útil para aquellos profesionales de la automatización que llevan muchos años trabajando en proyectos en los que intervienen autómatas programables, estudiantes de ciclos formativos de grado superior, ingenieros técnicos industriales o, en general, usuarios interesados en la automatización de sistemas. El capítulo 4 (Diseño estructurado con la guía GEMMA) introduce los aspectos avanzados de la metodología para el estudio del tratamiento de situaciones que deterioran el funcionamiento normal de máquina o proceso: en concreto, la presencia de defectos y/o fallos. El enfoque presentado en este capítulo es del tipo top-down en el que la visión global de cómo los GRAFCET parciales se integran jerárquicamente entre ellos prevalece frente al enfoque bottom-up, qué centra únicamente la atención en el GRAFCET parcial de producción. El capítulo se complementa con un ejemplo de bobinado de cable suministrado por la empresa Pirelli Cable y que pretende ilustrar cómo la guía GEMMA puede aplicarse en el sector industrial. El capítulo 5 (Estudio aplicado sobre estación trituradora-mezcladora) es un caso práctico en el que, previa definición de las especificaciones, se aplica la metodología explicada en el capítulo 3 y se procede de forma iterativa a completar la guía GEMMA. El capítulo 6 (Conclusiones) aborda los comentarios finales del libro, junto con algunas ideas de discusión para favorecer un debate de mejora de la utilización de la guía GEMMA. El anexo A (Diseño del panel de mando) aporta aspectos complementarios obtenidos de otras áreas como la ergonomía, la interacción persona-máquina y la seguridad en máquinas, para la obtención de un panel de mando acorde con las especificaciones indicadas en la guía GEMMA. El panel de mando diseñado con los criterios aquí mencionados es el que se ha seguido a lo largo del libro. El anexo B (Representación alternativa de la guía GEMMA) aporta una relectura efectuada por los autores de la representación gráfica convencional de la guía, de manera que, mediante la reorganización de los modos/estados, se facilite la comprensión de la guía. Los autores expresan su agradecimiento a la empresa Pirelli Cable, y en concreto al Sr. Joan Rovira, jefe de producción de la citada empresa, por ceder amablemente fotos y detalles de procesos de bobinado que han permitido ilustrar la guía GEMMA con un escenario industrial. Los autores agradecen también a todos aquellos autores referenciados en la bibliografía su aporte continuado en un área como es la automatización industrial, en continuo cambio, pues de alguna manera han sido tomados como patrones en muchas páginas de este libro. Pere Ponsa y Ramón Vilanova Octubre de 2005 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Índice 9 Índice 1 Fundamentos......................................................................................................................................11 1.1 Automatización.........................................................................................................................11 1.2 Supervisión ...............................................................................................................................13 1.3 Necesidad de herramientas de representación y programación................................................. 17 2 GRAFCET.........................................................................................................................................21 2.1 Introducción. Reseñas históricas...............................................................................................21 2.2 Elementos de GRAFCET y terminología..................................................................................22 2.3 Receptividades. Notación..........................................................................................................24 2.4 Reglas de evolución del GRAFCET.........................................................................................25 2.5 Estructuras básicas....................................................................................................................25 2.5.1 Secuencia lineal................................................................................................................26 2.5.2 Convergencia y divergencia en “O”................................................................................. 26 2.5.3 Convergencia y divergencia en “Y”................................................................................. 27 2.6 Macroetapas..............................................................................................................................29 2.7 Ejemplo 1: Transporte y procesado de material........................................................................29 2.8 Ejemplo 2: Movimiento cíclico de un objeto............................................................................31 2.9 Ejemplo 3: Selección de cajas...................................................................................................32 2.10 Ejemplo 4: Automatización de una empaquetadora................................................................ 34 3 Aspectos básicos de la guía GEMMA................................................................................................................. 37 3.1 Introducción..............................................................................................................................37 3.2 Metodología..............................................................................................................................39 3.3 Representación..........................................................................................................................43 3.3.1 Representación gráfica convencional...............................................................................44 3.4 Utilización.................................................................................................................................51 3.4.1 Estudio de situaciones elementales...................................................................................51 4 Diseño estructurado con la guía GEMMA.......................................................................................................... 57 4.1 Forzado de GRAFCET..............................................................................................................57 4.1.1 Reglas de jerarquía........................................................................................................... 57 4.1.2 Reglas de forzado.............................................................................................................58 4.1.3 Representación del forzado ..............................................................................................59 4.2 GRAFCET parcial de Seguridad............................................................................................... 60 4.3 Conectividad de GRAFCET parciales...................................................................................... 60 4.4 Estudio de caso práctico de posicionador de cable de un bobinador......................................... 64 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 16 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Fig. 1.2 Aplicativo de supervisión de una planta de mezcla mediante el SCADA All-Done (Freixas y Ros) una avería interna. Sobre este punto existe abundante literatura acerca de los sistemas tolerantes a fallos en el ámbito académico, y hoy en día se estudian metodologías de diseño de sistemas de control tolerante a fallos en los cuales la supervisión forma parte de la arquitectura propuesta. A escala industrial, los llamados sistemas SCADA incluyen actualmente las fases de adquisición, monitorización y control supervisor, y uno de los grandes retos para los próximos años es potenciar en el diseño del aplicativo de supervisión, las funciones de detección, diagnóstico y reconfiguración con la finalidad de garantizar la seguridad en el manejo de los procesos industriales. Cuando se utiliza el concepto de detección de fallos, se pretende determinar la presencia de fallos en el sistema, es decir, aquellas desviaciones no permitidas, debidas, por ejemplo al malfuncionamiento de sensores, válvulas y actuadores. El diagnóstico pretende la determinación del tipo, el tamaño, la localización y el instante de aparición del fallo. Incluye la detección, el aislamiento y la estimación del fallo. Existen técnicas cuantitativas y cualitativas para realizar el diagnóstico pero ya se aprecia que es una tarea ardua, sobre todo en el caso de complejos sistemas, como por ejemplo la supervisión de turbinas, en las que la aparición simultánea de alarmas en pantalla ante fallos en elementos físicos dificulta efectuar el análisis de las causas y averiguar en qué orden se producen. Finalmente, la reconfiguración significa un cambio en las entradas y/o salidas del controlador a través de un cambio en la estructura del controlador y sus parámetros. Como vemos, en todas estas actividades que se llevan a cabo en la supervisión de un proceso, se pretende su automatización con el fin de generar herramientas de ayuda a la decisión. En este sentido, hoy en día existen múltiples posibilidades como las arquitecturas en las que la supervisión es humana, es decir llevada a cabo por un supervisor, o bien las arquitecturas automatizadas, llevadas a cabo por un supervisor experto artificial. En ambos tipos de arquitecturas, no se puede olvidar que el gran objetivo es evitar pérdidas económicas debidas al malfuncionamiento de la planta, y evitar el daño físico tanto para operarios como para las máquinas que intervienen. En este sentido, la automatización © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 1. Fundamentos 17 y la supervisión se complementan con otras áreas del conocimiento como el mantenimiento y la seguridad industrial. No podemos dejar de citar el caso de estudio de la sala de control en planta nuclear, objeto de investigaciones llevadas a cabo durante años, con el fin de salvaguardar el buen funcionamiento de este tipo de plantas en las que ante un fallo humano o el fallo de algún componente, las consecuencias son desastrosas. 1.3 Necesidad de herramientas de representación y programación Existe una tradición consolidada en el desarrollo de herramientas de programación en automatización y supervisión de procesos industriales. Veamos algunos ejemplos significativos: - Gráficos de función secuénciales (SFC). Esta herramienta permite la representación del control secuencial y hoy en día es utilizada para procesos discretos y procesos batch. Una de las versiones más populares en Europa se conoce con el nombre de GRAFCET y es muy utilizada actualmente en automatización. - Gráficos de función continuos (CFC). Esta herramienta permite la representación de la regulación continua de variables. Es característica la construcción de bloques modulares que pueden conectarse mediante la lógica básica (funciones AND, OR, NAND). Los bloques están elaborados para ser utilizados rápidamente, por ejemplo utilizando un bloque PID predefinido, aunque mediante una sintaxis derivada de los lenguajes estructurados como PASCAL permite crear bloques propios al usuario. - Lenguajes de programación de controladores. En el caso de autómatas programables, los más usados hoy en día son el esquema de contactos o LADDER y el lenguaje mnemónico derivado del lenguaje ensamblador. En el caso de los reguladores industriales, la programación se realiza mediante la selección y configuración de un listado de instrucciones propias que permiten identificar la consigna SP, o el valor de los parámetros del PID, aunque hoy en día están ganando terreno los lenguajes basados en bloques funcionales, en alusión a la herramienta de la casa Addlink denominada SIMULINK - SCADA. En este caso las siglas hacen referencia a la parte de software del sistema SCADA que permite la generación del aplicativo y la configuración de controladores comerciales, entre otras tareas. Existe gran diversidad de productos en el mercado, y la mayoría están orientados al uso en la industria de procesos, aunque poco a poco van apareciendo librerías de objetos adecuadas para la industria manufacturera (es el caso de Lookout de Nacional Instruments, que incorpora objetos como robots, máquinas herramienta o sistemas de transporte). - Lenguaje de programación estructurado. Ante las exigencias presentes en la norma internacional IEC 1131-3, se recomienda en el apartado 3, referido a los lenguajes de programación en automatización, la necesidad de incorporar un lenguaje de programación de alto nivel para la programación de autómatas programables. Dicho lenguaje pretende ser una mejora de los lenguajes convencionales de autómatas; en todo caso, el usuario puede escoger hoy en día el tipo de programación básico o avanzado. - Configurador de dispositivos de campo. Ante la implantación de sistemas de control distribuido mediante la utilización de buses de campo (MODBUS para la industria de procesos, PROFIBUS o DEVICE NET para la industria manufacturera, por ejemplo), es necesaria la conexión física de controladores y su posterior configuración mediante una © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 18 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA herramienta de software que permita rápidamente el acceso al nodo de la red y el acceso a la información de cualquiera de los controladores de la red. Observando el abanico de herramientas y tras los comentarios realizados en los apartados anteriores, sería interesante desarrollar herramientas para la detección y el diagnóstico de fallos, y la reconfiguración de controladores. Para ello, hay que facilitar la transición entre supervisión y automatización y saber discernir en todo momento cuál es el mejor nivel de toma de decisiones ante problemas en el funcionamiento del proceso. Una vez dentro del nivel de automatización, hay que facilitar el cambio de control automático a control manual, en aquellas situaciones en las que el operario de planta puede reconducir el funcionamiento a una situación estable. En las siguientes líneas, presentamos dos casos prácticos que ilustran la necesidad de incorporar elementos de diagnóstico y reconfiguración dentro de herramientas de programación. Tan sólo es una aproximación al problema, pero puede servir para sentar las bases de capítulos posteriores del libro. CASO 1 Contexto: En sistemas automatizados, es útil la aplicación de tareas de mantenimiento ante la posibilidad de desgaste de componentes, falta de material de aprovisionamiento o cambio en el tipo de producto, por ejemplo. Problema: Fallos en dispositivos; mantenimiento de los equipos. Solución: Estructura de control en la que el operario pueda participar dentro del control secuencial. Una vez resueltos los problemas, el operario sitúa de nuevo el funcionamiento en modo automático. CASO 2 Contexto: En sistemas automatizados, hay que estar pendientes de los indicadores de alarma (objetos gráficos en la pantalla del ordenador, balizas señalizadoras en la planta, señales acústicas, etc.). En algunas situaciones extremas de emergencia en previsión de posibles daños, hay que incluir la posibilidad de paro de las actividades. Problema: Seguridad del funcionamiento del proceso controlado. Solución: Estructura de control en la que el operario pueda detener el funcionamiento del proceso o subproceso, y parar momentáneamente el algoritmo de control. Una vez resueltos los problemas, el operario reconduce el funcionamiento en modo automático. Ante la magnitud del problema, existen diversos grados de dificultad. Si el problema afecta localmente a un componente o a un subproceso, es factible bloquear el funcionamiento de la unidad sin el paro de toda la planta. Si el problema afecta a unidades que están conectadas secuencialmente, el problema puede ser más grave. En sistemas industriales complejos, el paro general puede llevar a una reconfiguración difícil de llevar a cabo, en cuanto a seguir la producción allí donde se había aplazado, o restituir el sistema a las condiciones iniciales. Estas ideas parecen sugerir que se necesitan dos niveles de programación: el primer nivel correspondería al algoritmo de control en funcionamiento correcto, y el segundo nivel, al nivel de vigilancia del algoritmo anterior. Esta suposición presenta el handicap de que los sistemas industriales presentan una dinámica compleja, con integración de muchos factores, y con el problema añadido de que es difícil prever las situaciones problemáticas de forma determinista. Como aproximación al problema, disponemos de la guía GEMMA, que aporta una metodología que puede tratar algunos de los problemas planteados en supervisión y automatización. Hay que añadir que, si bien no incluye la detección de fallos, sí que apunta en la dirección al diagnóstico de fallos y a © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 1. Fundamentos 19 la reconfiguración realizadas manualmente por el operario. Para concretar el marco de trabajo a desarrollar en capítulos posteriores de este libro, se detalla: - Tipo de arquitectura de supervisión: supervisión humana - Tipo de automatización: control secuencial - Tipo de representación: - En supervisión: guía GEMMA - En automatización: GRAFCET La supervisión humana indicada se caracterizará por la vigilancia del algoritmo de control en sus facetas: - Puesta en marcha o paro del algoritmo de control - Intervención en actividades semiautomáticas - Diagnóstico y/o tratamiento de fallos Todas estas facetas, o combinaciones de las mismas, se implementarán en función de la complejidad del problema. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2. GRAFCET 21 2. GRAFCET En este capítulo se introducirá el GRAFCET como metodología de automatización básica que servirá de base a partir de la qual plantear una automatización más completa mediante GEMMA. Por otra parte, la metodología GRAFCET es suficientemente importante en el mundo de la automatización de procesos por sí sola como para que merezca un tratamiento detallado y extenso. 2.1 Introducción. Reseñas históricas Cuando nos hallamos ante la tarea de automatizar un proceso, nos encontramos con que la naturaleza de este proceso es, en la práctica totalidad de situaciones, secuencial. Una serie de actividades y operaciones a realizar conforme a una determinada secuencia, que determinan el proceso productivo en sí. A pesar de la elevada diversidad de tecnologías y dispositivos que puedan estar implicados en la realización de estas operaciones, desde el punto de vista de automatizar su operación, es esta ordenación secuencial lo que es importante. De esta forma, se tratará de tener claro, en cada caso, que és lo que determina que haya terminado una operación (en el fondo, una condición lógica), así como la actividad a realizar durante esta operación. De hecho, nos estamos refiriendo a un sistema secuencial, y la automatización de un sistema de este tipo la llevaremos a cabo mediante un automatismo que será una combinación de sistema secuencial y combinacional –secuencia de acciones/operaciones de control reguladas por expresiones lógicas. A pesar de la existencia de métodos de diseño de sistemas lógicos (REF), la complejidad creciente de los automatismos industriales planteó, en la segunda mitad de los setenta la necesidad de definir de una manera clara las especificaciones funcionales de este tipo de sistemas -y unificar así la descripción de estos sistemas lógicos, sobre todo la parte secuencial-. De esta manera, surge en 1975, desde el grupo de trabajo Logical Systems de la Association Française de Cybernétique Economique et Technique (AFCET), un comité, formado tanto por miembros académicos como de la industria, para la estandarización de los requerimientos de representación para la automatización de sistemas lógicos. Después de analizar diferentes herramientas (entre ellas, flowcharts, Petri Nets, etc.), surge en 1977 la definición de GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Etape-Transition) como una nueva herramienta de modelado de este tipo de procesos. El resultado de este trabajo se recoge en un informe interno de la AFCET en agosto de 1977 y, por otro lado, como publicación oficial en Automatique et Informatique Industrielle, en diciembre de 1977. Esta fecha está considerada hoy en día como la fecha de nacimiento de GRAFCET. Dos años más tarde, el 13 de diciembre de 1979, se plantean unas jornadas para el estudio del uso y la difusión de GRAFCET. Al mismo tiempo, se propone GRAFCET a la Agencia Nacional Francesa para la Estandarización (AFNOR). De esta forma, despues de introducirse en el ámbito educativo y en vistas de la rápida evolución de los lenguajes de programación para permitir la implantación de GRAFCET en los controladores lógicos industriales, GRAFCET se convierte, en 1982, en estándar AFNOR con la referencia NF C03190. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 22 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA A partir de este punto, GRAFCET se extiende con rapidez, tanto en el ámbito educativo como en el industrial, a escala internacional, hasta que en 1988 resulta reconocido por la IEC como estándar internacional bajo el nombre de Sequential Function Chart (SFC), con referencia IEC 848. En la actualidad, algunos autómatas programables incorporan la posibilidad de introducir el grafo de GRAFCET o, en otros casos, se ofrece la posibilidad de trasladar el GRAFCET a código ejecutable. En cualquier caso, GRAFCET no se reconoce como un lenguaje de programación, y no debe confundirse con éste. 2.2 Elementos de GRAFCET y terminología En definitiva, GRAFCET es un diagrama funcional en el que se describe el proceso a automatizar. Esta descripción considera que el proceso a automatizar y el autómata forman un único sistema. Se indican las diferentes acciones que hay que realizar sobre el proceso, así como la información a tener en cuenta para desencadenar, o obtener, estas acciones. El GRAFCET se construye sobre la base de un conjunto de símbolos normalizados: • Etapas: asociadas a las acciones a realizar sobre el proceso • Transiciones: asociadas a las receptividades (en definitiva, información a partir de la cual se toman decisiones) • Líneas de evolución: unen las etapas a las transiciones y las transiciones a las etapas. En GRAFCET, no se admite unir dos etapas o dos transiciones. La etapa es el elemento básico mediante el cual el automatismo realiza acciones sobre el proceso. De esta forma, en una primera aproximación se puede dividir el proceso en macroetapas (tratadas mas en detalle en un punto posterior), que posteriormente serán refinadas en operaciones más elementales. Al final, deben obtenerse acciones muy simples que queden determinadas por las entradas y salidas del sistema – podríamos decir que, entre ellas, existe una relación puramente combinacional. Cada etapa se representa por un cuadrado, con un número en su interior a modo de etiqueta que la identifica. Aquellas etapas en las que se posiciona el sistema al arrancarse por primera vez se denominan etapas iniciales y se representan mediante un cuadrado con doble línea. Una etapa puede estar activa o inactiva. En caso de que sea necesario determinar las etapas activas del GRAFCET en un instante determinado, éstas se identifican mediante un punto en la parte inferior del cuadrado. 1 01 Fig. 2.1 Etapas GRAFCET A las etapas podemos asignarles una o varias acciones a realizar mientras están activas. Estas acciones se describen en reactángulos unidos al símbolo de la etapa a que están asociadas. La descripción de estas acciones puede realizarse en dos niveles: • Nivel 1: Se especifica la acción tan sólo desde el punto de vista funcional, sin ninguna referencia a la tecnología empleada para su implementación. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2. GRAFCET 23 • Nivel 2: Se detallan aspectos operativos para la implementación de la acción. Generalmente, qué salida del autómata hay que activar, o detener. Abrir válvula 1 1V1+ 1 Fig. 2.2 Acciones asociadas a GRAFCET En cualquier caso, conjuntamente con una descripción puramente simbólica de las acciones debemos tener una tabla en la que se asocie cada símbolo con la acción a realizar: Tabla 1. Relación entre símbolo y descripción Acción Descripción V1+ Abrir válvula 1 Las transiciones recogen las condiciones necesarias para que cese la actividad asociada a una etapa y pase a activarse la de la etapa siguiente. Gráficamente se representan por una línea perpendicular a la línea que une dos etapas. Puede darse también la posibilidad de que haya varias etapas conectadas a una sola transición. De esta forma, se dice que una transición está validada cuando todas las etapas unidas inmediatamente a esta transición están activas; en caso contrario, la transición está no validada. De la misma forma que tenemos acciones asociadas a las etapas, tenemos receptividades asociadas a las transiciones. Estas receptividades son expresiones lógicas que evalúan como cierto o falso y en función de variables externas (entradas, sensores) y, posiblemente, internas (estados internos del automatismo, temporizadores, contadores, etc.) Esta receptividad se representa a la derecha del símbolo asociado a la transición y, al igual que las acciones, puede hacerse de forma literal o simbólica. Fig. 2.3 Estructuras GRAFCET Por supuesto, mediante las líneas de evolución podemos obtener estructuras de grafo con estructuras no necesariamente lineales. Obsérvese que, por convención, las líneas de evolución van orientadas hacia abajo. En caso de que indiquen un retorno hacia arriba, lo indicaremos con la flecha correspondiente. 2 Sensor final carrera émbolo 1 1 2 FC E1 1 2 FC E1 + FC E2 1 4 FC E1 123 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 24 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA 2 /t1 1 t1 Inicio 0 t2 3 t3 4 /t4 t4 Fig. 2.4 Estructura GRAFCET 2.3 Receptividades. Notación Tal como se ha visto, las receptividades asociadas a las transiciones constituyen una expresión lógica expresada en términos de variables ligadas al sistema que estamos controlando (ya sean directamente variables ligadas a sensores o a estados internos). Como expresión lógica, expresaremos operaciones del tipo OR, AND y NOT sobre estas variables. Por tanto, es conveniente establecer la notación en base a la cual escribiremos estas expresiones. Denotaremos una operación AND entre dos variables mediante el producto de ambas. Asimismo, la suma denotará una operación OR y la negación la indicaremos mediante una barra inclinada asociada a la variable que negamos. Tabla 2. Relación entre expresión lógica y receptividad Expresión lógica Receptividad X1 OR (X2 AND X3) X1 + X2 X3 X1 AND (NOT X2) X1 /X2 X1 OR NOT (X2 AND (X3 OR X4)) X1 + /(X2 (X3 X4) © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2. GRAFCET 25 2.4 Reglas de evolución del GRAFCET Una vez disponemos del GRAFCET que representa la secuencia de acciones de nuestro proceso, veamos cuáles son las reglas de ejecución o evolución del mismo. Esto es, puesto que el hecho de que una etapa esté activa o no es lo que determina que se lleven a cabo las acciones asociadas a la misma, se debe establecer de manera clara qué etapa o etapas están activas en cada instante de tiempo. Las reglas de ejecución del GRAFCET nos determinan sobre la base de qué situación se activa/desactiva una etapa. En el instante inicial, cuando arranca el automatismo, el GRAFCET se sitúa en la etapa inicial. Empezando con esta etapa como etapa activa, a partir de este instante seguiremos las reglas siguientes: • Franqueo de una transición: La evolución del GRAFCET, franqueando una transición, tan sólo puede producirse cuando, de forma simultanea, la transición está validada y la receptividad asociada a la misma evalúa a cierto. Cuando estas situaciones se dan, la transición debe franquearse de forma obligatoria. • Evolución de etapas activas: Cuando se franquea una transición, este hecho lleva asociada la desactivación automatica de todas las etapas inmediatamente anteriores y la activación de todas las etapas inmediatemente posteriores. En la figura siguiente se muestran posibles situaciones: 1 2 t1 1 3 t1 21 3 t1 2 (a) (b) (c) Fig. 2.5 Evolución de la etapa activa (a) La etapa 1 está activa. La transición se franqueará si t1 evalúa a cierto. (b) Las etapas 1 y 2 están activas; por tanto, t1 está validada. La transición se franqueará si t1 evalúa a cierto. (c) La transición no está validada puesto que no tiene todas las etapas inmediatamente anteriores activadas. La transición no se franquearía. 2.5 Estructuras básicas A partir de los elementos presentados hasta el momento, obtenemos diagramas de flujo relativamente simples. No obstante, hay muchos procesos que requieren construcciones más complejas, con iteraciones, decisiones, tareas en paralelo que deben sincronizarse, etc. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 32 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Fci P /E Md 0 M Espera puesta en marcha 1 Fci Mi 2 Fcf /E E Md 3 Fci /P /E 1 2 Desactivar Md, Mi 4 R 0 E 4 Fig. 2.13 GRAFCET movimiento cíclico 2.9 Ejemplo 3: Selección de cajas En este ejemplo, vemos como extendemos la idea planteada en el ejemplo anterior para realizar la automatización de un proceso de selección de cajas. El esquema del proceso está indicado en la figura siguiente: Fig. 2.14 Esquema del proceso de selección de cajas P RA a0 a1 a2 c0c1 b0b1 P1P1 B C P2 P3 s0s1 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2. GRAFCET 33 Partimos de los cilindros A, B y C en reposo (situación determinada por la activación de los sensores a0, b0, c0) y al pulsar un pulsador P se activan los motores de las plataformas (P1, P2, P3). El funcionamiento es el siguiente:  Al detectarse una caja delante del cilindro A por la plataforma P1, mediante los sensores s0 y s1 conocemos si la caja es grande o pequeña (grande si s1 está activo; pequeña si s0 está activo). En este momento, paramos el motor de la plataforma P1.  Si la caja es pequeña, hay que evacuarla por la plataforma P2, activando previamente el cilindro A hasta su primer final de carrera (a1), y después actuar sobre el cilindro B hasta su primer final de carrera (b1) para evacuar la caja. A continuación, ponemos los cilindros A y B en su posición de reposo y activaremos otra vez el motor de la plataforma P1.  Si la caja es grande, hay que evacuarla por la plataforma P3, activando previamente el cilindro A hasta su segundo final de carrera (a2), y después actuar sobre el cilindro C hasta su primer final de carrera (c1) para evacuar la caja. A continuación, ponemos los cilindros A y C en su posición de reposo y activaremos otra vez el motor de la plataforma P1.  Una vez evacuada la caja, el automatismo vuelve al inicio, donde espera detectar una nueva caja delante del cilindro A. 3 P 2 5 a1 a0 b0 c0 0 Espera puesta en marcha A-, B-, C- Espera llegada de caja A+, P1-, P2- so /s1 5A+, P1-, P3- s1 /s0 a2 5B+ b1 5B-, P2+ b0 5C+ c1 5C-, P3+ c0 5A- a0 Fig. 2.15 GRAFCET para el proceso de selección de cajas © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 34 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA 2.10 Ejemplo 4: Automatización de una empaquetadora La máquina que se pretende automatizar realiza la agrupación de elementos por empaquetar y su introducción posterior en una caja. El operador se encargará de preparar la caja y situarla en la máquina. El resto de operaciones se realizan de manera automática. Las figuras 2.16 y 2.17 muestran el detalle de la máquina empaquetadora. El proceso que realiza es el siguiente: El producto va llegando y se sitúa en línea, formando grupos de tres productos sobre el cilindro B. Mediante este cilindro, elevamos el grupo de tres productos a la altura del cilindro A. Puesto que esto lo realizamos a través de una parte elástica que permite el ascenso pero no el descenso del producto, podemos retirar el cilindro B dejando el grupo de productos a la altura del cilindro A. Una vez disponemos de un grupo de nueva productos (tres filas) situados delante del cilindro A, éste los ha de introducir dentro de la caja (nótese que el plato del cilindro B le sirve de guia para empujar el grupo de productos). El pistón D mantiene la caja en posición horizontal, de manera que, una vez la caja se ha llenado (dos hileras de nueve productos), éste ha de liberar la caja y soltarla sobre la cinta transportadora. Los sensores y actuadores disponibles son los siguientes: − t1: Permite detectar un producto. Sirve para indicar que se ha formado una hilera de tres productos. − t2: Permite detectar un producto. Sirve para indicar la formación de un grupo de nueve productos (tres filas de tres productos cada una). − t3: Es un sensor de presión. Juntamente con a2 nos indica que la caja está llena. − a2: Sensor que marca el fin de recorrido del cilindro A. − a0: Sensor que marca el inicio de recorrido del cilindro A. − b0: Sensor que marca el fin de recorrido del cilindro B. − b1: Sensor que marca el inicio de recorrido del cilindro B. − d1: Indica la posición del cilindro D (caja en posición horizontal). Para los actuadores utilizamos el nombre del cilindro seguido, del signo ‘+’ o ‘–‘, según proceda. Disponemos también de un pulsador M para poner en marcha la máquina. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2. GRAFCET 35 Fig. 2.16 Máquina empaquetadora Fig. 2.17 Máquina empaquetadora. Detalle de la instrumentación A B D D- d1 b1 b0 t2 t3 a2 a0 t1 A+ © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 36 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA 3 M t1 4 b1 2 6 a2 t3 a0 b1 0 Espera A- B- Espera B- A+ b0 t2 4 B+ b0 /t2 a2 /t3 8 a0 A- 7 a0 b0 A- B- Fig. 2.18 GRAFCET para la máquina empaquetadora © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA 37 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA En este capítulo, se detallan los conceptos básicos de la guía GEMMA asociados a la automatización de procesos complejos. La exposición se divide en una introducción, en la que se describe el marco del diseño estructurado de sistemas de automatización, seguida de la metodología, en la que se incluye la guía. A continuación, se procede a la representación gráfica estándar junto a la descripción de los estados que la forman. Finalmente, se escenifica la utilización de la guía mediante situaciones didácticas. 3.1 Introducción La guía GEMMA procede de los trabajos llevados a cabo durante dos años por la ADEPA (Agence nationale pour le DEveloppement de la Productique Appliquée à l’industrie), agencia nacional francesa para el desarrollo de la producción aplicada a la industria. Las siglas GEMMA (Guide d’Etude des Modes de Marches et d’Arrets) designan guía de estudio de los modos de marcha y paro. En el contexto de su creación, en 1993, se concibe para que esté en consonancia con las normas de seguridad de la Unión Europea. Bajo la norma nacional francesa UTE C 03-191, se complementa con la representación GRAFCET y pretende dar cabida a una metodología que incluya los modos de marcha y paro del control secuencial, el funcionamiento correcto del proceso controlado, junto con el funcionamiento deteriorado ante anomalías e incluso el tratamiento de situaciones de emergencia en previsión de posibles daños humanos o materiales. La primera idea asociada a la guía GEMMA que conviene matizar es que se trata de un enfoque de diseño estructurado. Ante la complejidad de los factores que intervienen en la automatización de procesos, es conveniente utilizar el diseño estructurado con el fin de modelar, de forma parcial, las tareas. En el diseño estructurado de un sistema automatizado, aparecen tres módulos: - Módulo de seguridad - Módulo de modos de marcha - Módulo de producción La representación de la guía GEMMA tiene en cuenta la presencia de estos módulos, junto con las relaciones internas existentes entre módulos. La jerarquía ilustrada en la figura 3.1 pretende intensificar la atención en el aspecto de seguridad de los sistemas automatizados en entornos productivos, como por ejemplo en situaciones de emergencia, en situaciones de fallos de dispositivos, o en situaciones de producción defectuosa, de forma que, ante estas contingencias, el módulo de seguridad es prioritario respecto a los otros módulos. En segundo lugar, es notoria la intervención del operario como parte integrante del sistema, pues aporta experiencia en el cambio de modo automático a modo manual cuando el funcionamiento del proceso lo requiere. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 38 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Módulo MODOS DE MARCHA Módulo SEGURIDAD Módulo PRODUCCIÓN Fig. 3.1 Estructura modular del diseño estructurado de sistemas Es decir, el control global del proceso puede ser debido a fragmentos de control intermitentes entre control automático y control manual. En tercer lugar, aparece el módulo de producción, que se entiende que está supeditado a los módulos precedentes, y en el que tenemos el funcionamiento de ejecución secuencial de activación y desactivación de estados mediante la lectura lógica de las transiciones. Analizando estos módulos de forma inversa, la guía GEMMA pretende conservar la metodología de modelado GRAFCET pero teniendo en cuenta que en el diseño estructurado de un sistema automatizado coexisten diversos GRAFCET parciales, los cuales hay que relacionar y jerarquizar convenientemente. Así, en el módulo de producción se concibe el organigrama de control básico en condiciones idóneas de funcionamiento, organigrama que se conoce como el GRAFCET de producción o GRAFCET de base; en el módulo de modos de marcha, el operario vigila el GRAFCET de producción y puede llegar a intervenir, si la situación lo requiere, mediante el cambio de control automático a manual (o viceversa, para reestablecer la situación) en este módulo, el organigrama se conoce como GRAFCET de conducción; finalmente, en el módulo de seguridad se procede al tratamiento de emergencias, fallos y defectos, con la posibilidad, por ejemplo, de que, se realice paradas de emergencias sobre el sistema, con las convenientes fases de solución de problemas y reconfiguración para volver a la condición de reinicio de la marcha y producción. En este último módulo, el organigrama se conoce como GRAFCET de seguridad. La representación de la guía GEMMA permite enlazar dichos modelos mediante la secuencialización de estados y transiciones. Internamente, ello se traduce en la utilización de las reglas de forzado y las reglas de evolución del GRAFCET, tal como se detallará en el capítulo siguiente. Uno de los objetivos principales de la guía GEMMA es la utilización de una metodología sistemática y estructurada que ofrezca a los expertos en automatización información precisa del sistema en clave de estados posibles; de ahí que habitualmente se presente en el formato de la descripción completa de todos los posibles estados que puede llegar a tener el sistema. Al ser la guía GEMMA una metodología que incorpora el módulo de seguridad, así como la vigilancia del operario sobre el módulo de producción se acerca a las características fundamentales presentes en © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA 39 las referencias bibliográficas que tratan el tema de supervisión de procesos. Así pues, la relevancia de la guía GEMMA radica en que promueve claramente la integración entre dos áreas de conocimiento complementarias como la supervisión y la automatización. 3.2 Metodología Atendiendo a los comentarios anteriores cabe ubicar la guía GEMMA en un marco metodológico genérico, ya que están implicados una serie de conceptos que habitualmente se tratan en las referencias bibliográficas de forma separada. El marco metodológico consta de las fases siguientes, que el operario debe realizar: - Automatización - Supervisión - Interacción - Implementación - Pruebas En el caso de llevar a la práctica un proyecto de automatización, es necesario seguir las fases de la metodología presentada, así como indicar el operario o grupo de ellos encargados de llevar a cabo las fases por separado o el conjunto de ellas. En todo caso, este marco metodológico genérico escapa a las pretensiones del libro, pero puede servir para especificar el contexto en el que la guía GEMMA debe desarrollarse. La figura 3.2 ilustra la secuencia ordenada de fases. Es decir, si la metodología quiere llevarse a la práctica hay que seguir paso a paso el método de forma secuencial. Cabe destacar el rol del operario en este esquema. El operario lleva a cabo cada una de las fases; hace la transición entre una fase y la siguiente, y, finalmente, se encarga de proceder a una iteración para rehacer el primer ciclo para introducir mejoras. Las fases que aparecen en el marco metodológico no son conceptos puntuales; cada uno de ellos puede tratarse en profundidad. A continuación, se presenta tan sólo un breve resumen de cada una de las fases, ya que lo que se quiere constatar es la relación entre las fases y los aspectos dinámicos intrínsecos de cada fase. Automatización En esta fase elemental hay que desarrollar los pasos siguientes relacionados con el GRAFCET y la puesta en marcha de automatismos: - Observación del proceso a controlar y generación del GRAFCET de primer nivel en su descripción funcional. - Selección del automatismo (autómata programable, regulador digital autónomo). - Selección y cableado físico de sensores y actuadores, con las secciones de entradas y salidas del automatismo. - Generación del GRAFCET de segundo nivel en su descripción tecnológica. En estas líneas, la fase de automatización coincide con todas las propuestas que hacen las referencias bibliográficas básicas de automatización y autómatas programables. En la fase de automatización aparecen diversas tecnologías, entre ellas la sensórica y la neumática, supeditadas a su conexión física con el automatismo (autómata programable, por ejemplo). © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 40 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA AUTOMATIZACIÓN SUPERVISIÓN INTERACCIÓN IMPLEMENTACIÓN PRUEBAS Operario Fig. 3.2 Marco metodológico genérico La representación del control secuencial sobre el proceso se representa mediante GRAFCET. A partir de estas líneas, el GRAFCET generado pasa a denominarse GRAFCET de producción, en asociación con el módulo de producción. Una vez la fase de automatización ya está consolidada, hay que establecer la fase de supervisión. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA 41 Supervisión A continuación, en esta segunda fase, hay que desarrollar los pasos siguientes: - Hay que reunir el máximo de especificaciones a priori sobre los estados posibles en las que se puede encontrar una máquina o un proceso, según la experiencia del agente encargado de la automatización o según las peticiones del cliente. - Hay que definir los módulos a utilizar según la complejidad del problema (seguridad, modos de marcha, producción) y representar gráficamente el caso de estudio mediante los estados y las transiciones de la guía GEMMA. - Para cada módulo, hay que generar un GRAFCET parcial. Cabe destacar que en el caso de producción, el GRAFCET de producción ya se ha generado en la fase de automatización, de manera que lo que hay que establecer aquí es la relación con el resto de módulos. En el caso del módulo de modos de marcha el GRAFCET de conducción promueve la activación y desactivación del módulo de producción, que normalmente presenta un desarrollo secuencial cíclico. Finalmente, mediante el módulo de seguridad, el GRAFCET de seguridad pertinente vigila los dos módulos anteriores ante la posible aparición de fallos o situaciones de emergencia en el sistema automatizado. - Los GRAFCET parciales se integran de forma modular y estructurada en un solo GRAFCET general que contemple todos los módulos enunciados en función de la complejidad del problema, mediante las reglas de forzado y las reglas de evolución. - El operario procede a la supervisión cuando está vigilando la evolución del proceso controlado automáticamente, y está atento a la presencia de posibles imprevistos que merezcan activar el módulo de seguridad e intervenir directamente en el mismo. Una vez la fase de supervisión ya está consolidada, hay que establecer la fase de interacción. Interacción En la interacción entre la supervisión humana llevada a cabo por el operario y el proceso controlado por parte del automatismo, hay que concretar la intervención del operario mediante el diseño del panel de mando en función de las acciones físicas sobre dispositivos y la recepción de señales informativas visuales o acústicas. Los dispositivos concretos a utilizar dependen de los módulos definidos en la fase denominada supervisión. En cualquier caso, presentamos una disposición básica de dispositivos en el panel de la figura 3.3. Para el diseño del panel de mando se utilizan conceptos que aparecen en la normativa de seguridad en máquinas, así como especificaciones ergonómicas y el conjunto de situaciones a tratar mediante la guía GEMMA. El anexo A muestra en detalladamente esta integración. En función de la complejidad del problema, el operario debe conocer qué dispositivos necesita y si el panel es el adecuado o conviene hacer mejoras. En automatización industrial, existe una gran diversidad de dispositivos, que se engloban en lo que se conoce como interfaz persona-máquina (HMI human-machine interface) de manera que aquí no se pretende abordar el tema en detalladamente sino tan sólo ofrecer un panel de mando apto para su uso con la guía GEMMA. La comprensión de la fase de interacción es vital para que el usuario pueda clasificar las diversas situaciones que se dan en el sistema automatizado y procesar la información e intervenir con coherencia. El detalle de cada uno de los dispositivos se comentará con más detalle cuando se aborde la utilización de la guía GEMMA. Baste decir aquí que el panel de mando está formado por un conjunto de dispositivos informativos visuales DIV situados en la parte superior del panel, y por un conjunto de controladores situados en la parte inferior del panel. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 48 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA F6: Marcha de test Para la realización de operaciones de ajuste y mantenimiento sobre la instrumentación de control (comprobación de la activación de sensores, reajuste por desgaste, etc.). A: Procedimientos de Parada A1: Parada en el estado inicial Estado inicial de reposo de la guía GEMMA. Se suele corresponder con el estado inicial del GRAFCET; de ahí que se represente con un rectángulo doble. A2: Parada a final de ciclo Cuando se solicita este paro, la máquina debe completar el ciclo y luego detenerse en el estado inicial. Al no solicitar este paro, no se produce interrupción alguna y el ciclo se repite automáticamente. Se trata de un estado transitorio hacia A1. Tanto en la producción de piezas discretas como en la producción de material continuo, hay que establecer el inicio y el fin de ciclo; de ahí la importancia de los modos A1 y A2. Cuando la producción es continua y no es necesario finalizar el ciclo que se desarrolla en F1 sino repetirlo indefinidamente, el modo A2 no es relevante. Por otro lado, en algunas ocasiones se puede proceder a una parada, sin que sea necesariamente la de inicio, por lo que se desea una parada intermedia para luego reanudar el ciclo allí donde se había detenido. A3: Parada en un estado determinado Estado transitorio en el que la máquina debe continuar hasta detenerse en un estado diferente del final. Se trata de un estado transitorio hacia A4. A4: Parada en un estado intermedio La máquina está detenida en un estado distinto del inicial y el final. Una vez comentados los modos A1, A2 y A3, los modos de la familia de procedimientos de parada deben completarse con los modos A5, A6 y A7, que son necesarios si se ha producido una situación que requiere la activación del modelo de seguridad. A5: Preparación para la Puesta en Marcha después de un Fallo En este estado, deben efectuarse las operaciones necesarias para una nueva puesta en marcha después de un fallo/defecto (vaciado, limpieza, reposición de producto, etc.). Se trata de reconfigurar el sistema y, una vez concluida la preparación, habitualmente se asocia a un pulsador con la finalidad de rearme. A6: Puesta del sistema en el estado inicial Operaciones necesarias para llevar el sistema al estado inicial desde situaciones diferentes a la de producción: manual, parada de emergencia, etc. El resultado final es A1. A7: Puesta del sistema en un estado determinado Operaciones necesarias para llevar el sistema, que no está en producción, a un estado distinto del inicial para su puesta en marcha. El resultado final es A4. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA 49 Subsanadas todas las posibles contingencias, los modos A6 y A1 son consecutivos si se desea volver al inicio, mientras que los modos A7 y A4 son consecutivos si se desea reemprender el ciclo en estados intermedios. D: Procedimientos de fallo D1: Parada de emergencia (o parada para asegurar la seguridad) Estado al que evoluciona el sistema después de accionar el paro de emergencia. Deben preverse un cese de actividades lo más rápido posible y las actuaciones necesarias para limitar las consecuencias del paro (tanto en la producción como para los operarios). D2: Diagnóstico de fallos/defectos y/o tratamiento de fallos/defectos Acciones a ejecutar para determinar el origen del fallo o el origen del defecto. Pueden realizarse con la ayuda del operario. D3: Producción pese al defecto Corresponde a casos en que se debe continuar produciendo a pesar del defecto (en una cadena de producción: sustituir transitoriamente parte del trabajo por el de un operario). Cuando se accede a D2 a partir del modo D1, se está considerando la presencia de un fallo que conviene tratar de forma inmediata. Cuando se accede a D2 a partir del modo D3, se está considerando la presencia de un defecto como una contingencia a resolver cuando finaliza el ciclo actual; de ahí que se acceda posteriormente a los procedimientos de parada. En estas líneas, se quiere distinguir entre fallo y defecto, pues se entiende que se trata de diversas degradaciones del funcionamiento normal, y es prioritario en la guía GEMMA el tratamiento de fallos frente al l tratamiento de defectos. Una vez explicitado el conjunto de 16 modos de las familias F, A y D, la representación gráfica convencional de la guía GEMMA consiste en la representación superpuesta de los dos diagramas mencionados. Falta añadir el conjunto de transiciones entre estados, que permite entender la representación gráfica a modo de ciclo en el que se integran el funcionamiento normal junto con la aparición de anomalías en secuencias cerradas. Llegados a este punto, corresponde al usuario la tarea de adaptar la guía GEMMA e implementarla al sistema automatizado en cuestión. Sin duda, es una tarea compleja, ya que algunos modos no son tan sólo conceptos puntuales. Así, por ejemplo, en el modo D2, el diagnóstico de fallos/defectos ha evolucionado hasta el desarrollo de sistemas de control tolerantes a fallos, de manera que ya se dispone de aportaciones teóricas de nivel. Y el modo D1 de parada de emergencia esconde todo el tema de la seguridad en máquinas y las normativas asociadas. Para finalizar estos comentarios sobre la representación gráfica, se puede hacer hincapié en el detalle de que la guía GEMMA ofrece de forma estática todos los posibles estados y transiciones, de la misma manera que el GRAFCET, en su descripción tecnológica, nos ofrece la representación estática del control secuencial. En este sentido, los diseñadores quisieron facilitar el aprendizaje de esta guía a los usuarios ya familiarizados con GRAFCET. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 50 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Demandas de parada Demandas de marcha Demandas de parada Reanudación de la marcha Detección fallo Conexión control Conexión control Desconexión control Desconexión control F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Parada Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo (f) Preparación para la puesta en marcha después del fallo A5 Parada pedida a fin de ciclo A2 Parada pedida en un estado determinado A3 Diagnóstico f/d Tratamiento f/d D2 Producción pese al defecto (d) D3 Parada de emergencia D1 Puesta del sistema a un estado determinado Parada obtenida Puesta del sistema en el estado inicial A4 A7 A6 Marchas de verificación sin orden Marcha de preparación Marcha de cierre Producción normal Marcha de verificación con orden Marcha de test F1 F2 F3 F5 F4 F6 Parada en el estado inicial A1 Fig. 3.6 Representación convencional de la guía GEMMA, únicamente con los 16 modos © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA 51 3.4 Utilización La utilización de la guía GEMMA pasa por dos etapas. La primera etapa es la comprensión y el uso práctico de la metodología a nivel básico, mientras que la segunda etapa corresponde a la aplicación a casos complejos, como los que se ilustran en los capítulos siguientes. En este apartado se lleva a cabo la primera etapa, con algunos de las situaciones a estudio más significativas. 3.4.1 Estudio de situaciones elementales Sin duda alguna, la guía GEMMA empieza a mostrar su funcionalidad cuando se aplica al estudio de situaciones concretas. En las líneas siguientes se concreta la metodología únicamente en las fases de supervisión e interacción. Las situaciones a tratar son las siguientes: - Situación 1: Marcha por ciclos y paro a final de ciclo - Situación 2: Marcha de verificación con orden Situación 1. Marcha por ciclos y paro a final de ciclo En la fase de supervisión sólo intervienen el módulo de modos de marcha y el módulo de producción (figura 3.7). En la fase de interacción, el panel de mando está compuesto, en la parte de servicio, por el selector de servicio y el led indicador de servicio; en la parte de modos de marcha se dispone del selector (0, CaC, AUT) y el pulsador para validar la decisión. La intervención del operario se traduce de forma que, en condiciones normales de funcionamiento, inicia el ciclo de actividades seleccionando el modo automático AUT y validando con el pulsador, mientras que finaliza las actividades de un ciclo en ejecución seleccionando el modo ciclo a ciclo (CaC) y validando con el pulsador (figura 3.8). Obsérvense las mismas ideas desde el punto de vista de la conectividad de GRAFCET parciales en la figura 3.9. Cuando el operario selecciona AUT y acciona el pulsador de validación en el GRAFCET de conducción G100, pasa a ejecutarse el algoritmo de control secuencial presente en el módulo de producción, GRAFCET de producción G0. El GRAFCET de conducción G100 está estructurado en forma de estados (X) y transiciones. El GRAFCET de producción G0 está estructurado en forma de etapas (E) y transiciones (t). Para aclarar la nomenclatura utilizada, sirva este ejemplo: el estado X101 está compuesto por la etiqueta 101 y la etapa 101, mientras que el estado X1 está compuesto por la etiqueta 1 y la etapa 1 y ésta a su vez puede contener una o más acciones. Habitualmente en el GRAFCET de conducción aparecen transiciones asociadas a los dispositivos del panel de mando, mientras que en el GRAFCET de producción aparecen transiciones asociadas al GRAFCET de conducción ya que existe una clara dependencia horizontal. Si, mientras se desarrolla el GRAFCET de producción G0, el operario selecciona CaC y acciona el pulsador de validación, se conduce el algoritmo global al estado de parada en el estado inicial al finalizar el ciclo de ejecución actual (G0 al estado X0 y G100 al estado X100). En caso de que entremos en la etapa n+1 valoramos si el operario ha seleccionado CaC y ha validado, con lo que G0 se reanuda en la etapa 0, o bien si el operario tenía seleccionado AUT y ha validado sin ordenar paro a fin de ciclo, con lo que G0 se reanuda en la etapa 1. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 52 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA De esta forma, el operario introduce condiciones de marcha y paro dentro del control secuencial de un proceso, y ello puede ser útil para el seguimiento adecuado del proceso controlado. Cabe indicar que la situación 1 es genérica y que, con matices, se puede aplicar en general a sistemas productivos, ya que, como se aprecia en la guía (figura 3.7) la descripción de los estados y las transiciones es independiente del tipo de proceso particular expresado en el GRAFCET de producción. Ello hace que esta situación sea intrínseca a la utilización de la guía GEMMA. Situación 2. Marcha de verificación con orden En esta situación, en la fase de supervisión sólo intervienen el módulo de modos de marcha y el módulo de producción (figura 3.10). En la fase de interacción, el panel de mando está compuesto por tres partes: en la primera se dispone del selector de puesta en servicio (0, 1), junto con el LED informativo correspondiente; en la segunda se dispone el selector de modos (MAN, 0, CaC, AUT), junto con el pulsador de validación y el LED informativo de funcionamiento; finalmente, se dispone del selector de verificación con orden (Orden, 0) junto con el pulsador de verificación y el LED informativo correspondiente (figura 3.11). En primer lugar, hay que indicar que la situación 2 expresa la modularidad en la construcción de la guía GEMMA. En la situación 2 se incorpora de forma natural la situación 1, tal como se aprecia en las figuras precedentes, tanto en la representación de la guía, como en el diseño del panel de mando y en la representación del GRAFCET. La intervención del operario puede acontecer al inicio de ciclo o en pleno desarrollo del mismo. En todo caso, cuando el operario selecciona el modo MAN y valida la decisión mediante el pulsador, se entra en el control manual (tanto si se trata del principio del ciclo como de cualquier momento del mismo). Si el operario selecciona MAN, a continuación el operario selecciona el modo orden y finalmente valida su decisión, y ya se está en disposición de ejecutar F5: la marcha de verificación con orden. Para la transición de una etapa a la siguiente, en el GRAFCET de producción no basta con las transiciones habituales sino que es el propio operario el que interviene en la transición y debe accionar el pulsador de verificación. Una vez ejecutados diversos estados mediante el estado F5 de la guía, el operario puede poner el primer selector en modo AUT y el segundo selector en modo 0, y accionando el pulsador de validación se reanuda el control automático. Se deja para el lector la ampliación de la situación ilustrada en la figura 3.10 si se supone que el operario también puede ejecutar el estado F4: Marcha de verificación sin orden. Obsérvese que debe corregirse el selector (Orden, 0) considerando (Desorden, Orden, 0) y que el GRAFCET de conducción G100, después del estado 100 X100, presentará una tercera rama dentro de la estructura de secuencias excluyentes (lo que se conoce como paralelismo interpretado), con una transición del tipo val·MAN·Desorden. Nótese que, en sistemas productivos continuos, la disposición del selector en cuatro modos (MAN, 0, CaC, AUT) puede simplificarse a tres (MAN, 0, AUT). Por ejemplo, en el llenado, la puesta de tapón y etiqueta de botellas, no es necesario el modo CaC, por lo que sencillamente poniendo el selector en el modo 0 y validando la decisión se detiene el proceso sin más problemas, y se reinicia seleccionando AUT y validando la decisión. En el caso de máquinas de extrusión de plástico en las que el operario repone, de forma continua, material para que la máquina genere piezas discretas, quizás tampoco es necesario el modo CaC. En máquinas-herramienta de control numérico computerizado CNC en las que la producción se realiza por lotes de piezas mecanizadas, el modo CaC es necesario para valorar aquellas situaciones (cambio de herramienta, mantenimiento preventivo) en las que el ciclo debe interrumpirse si el operario conoce la vida útil de la herramienta, o el desgaste de componentes en función del número de lotes producidos por la máquina. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA 53 Reanudación de la marcha Demandas de marcha Demandas de parada Detección de fallo Conexión control Conexión control Desconexión control Desconexión control Paro en el estado inicial F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Paro Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo Parada pedida a fin de ciclo A2 Producción normal F1 Marcha y condiciones marcha Fin ciclo Paro Parada en el estado inicial A1 Fig. 3.7 Marcha por ciclos y paro a final de ciclo © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 54 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Marcha / Paro Servicio AUT OCaC O 1 Validar Selector Selector en funcionamientoen servicio Fig. 3.8 Panel de mando para la situación 1 val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 Xn+1 E0 0 E1 1 c.i.·X101 En n En+1 n+1 G0G100 X101 10 val·CaC t1·(X101+X102) tn-1·(X101+X102) tn·(X101+X102) X102 Fig. 3.9 GRAFCET de conducción G100 y GRAFCET de producción G0 para la situación 1 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3. Aspectos básicos de la guía GEMMA 55 Reanudación de la marcha Demandas de marcha Demandas de parada Detección de fallo Conexión control Conexión control Desconexión control Desconexión control F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Parada Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo Parada pedida a fin de ciclo A2 Producción normal F1 Marcha normal Marcha etapa a etapa Fin ciclo Paro Marcha normal Marcha etapa a etapa Parada en el estado inicial A1 Marcha de verificación con orden F5 Fig. 3.10 Marcha de verificación con orden © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 56 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Marcha / Paro Servicio AUT MAN OCaC O 1 Validar Selector Selector en funcionamientoen servicio Verificación en verificación O Orden Verificar Selector Fig. 3.11 Panel de mando para la situación 2 val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 val·CaC A2 102 Xn+1 E0 0 E1 1 c.i.·(X101+X103) t1·(X101+X102+ ver·X103) En n En+1 n+1 tn·(X101+X102 + ver·X103) tn+1·(X101+X102+ ver·X103) val·MAN·Orden X103 F5 103 val·(AUT+CaC) X101 val·MAN·Orden X101 G0G100 10 X102 Fig. 3.12 GRAFCET de conducción G100 y GRAFCET de producción G0 para la situación 2 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4. Diseño estructurado con la guía GEMMA 57 4. Diseño estructurado con la guía GEMMA En este capítulo se detallan los aspectos avanzados de la guía GEMMA asociados a la automatización de procesos complejos. La exposición se inicia con una introducción, en la que se describe el forzado de GRAFCET, y a continuación se describe su utilización en el módulo de seguridad para establecer claramente la jerarquía superior respecto al módulo de Modos de marcha y al módulo de producción. Al forzado de GRAFCET le sigue la coordinación horizontal entre GRAFCET parciales, lo que permite establecer la conectividad global para un conjunto de GRAFCET parciales en el marco del diseño estructurado de sistemas de automatización. El capítulo concluye con un ejemplo práctico, que ilustra las grandes posibilidades de aplicación de la guía GEMMA en entornos industriales. 4.1 Forzado de GRAFCET En el diseño estructurado de sistemas automatizados, se utiliza la representación de GRAFCET mediante diversos GRAFCET parciales. La relación entre GRAFCET puede establecerse, en una primera aproximación, mediante la inserción de estados en la receptividad de una transición. En esta situación, la evolución de las etapas de los GRAFCET parciales sigue las reglas de evolución ya conocidas cuando se detallan las reglas de GRAFCET en automatización. Estas apreciaciones sirven cuando la conexión entre GRAFCET parciales es lo que se conoce como coordinación horizontal. En este apartado, se detalla el forzado de GRAFCET con unas reglas específicas a detallar, las cuales serán útiles en la relación jerárquica entre GRAFCETs parciales que van unidas al diseño estructurado de sistemas automatizados, y en lo referente a la relación entre el módulo de seguridad y los módulos restantes (módulo de modos de marcha, módulo de producción). 4.1.1 Reglas de jerarquía Consideramos que el lector ya está familiarizado con el GRAFCET y las reglas de evolución convencionales explicadas previamente en el capítulo 2. En este apartado, se añaden reglas de jerarquía y conviene establecer la relación con las reglas convencionales. Las reglas de jerarquía son: - Si un GRAFCET tiene la posibilidad de forzar a otro, éste no tiene ninguna posibilidad de forzar al primero. - En todo instante un GRAFCET sólo puede ser forzado por otro GRAFCET. Las reglas de jerarquía se basan en la idea de diseño estructurado de sistemas y en un enfoque de tipo top-down en el que la visión global de cómo los GRAFCET parciales se integran entre ellos prevalece frente al enfoque bottom-up, en el que se focaliza la atención en un GRAFCET parcial concreto. Es indiscutible la primera regla de jerarquía, en la que la relación de forzado entre GRAFCET es unidireccional ya que así se concibe el diseño estructurado del sistema automatizado. La segunda © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 64 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Así pues, en el momento en que concluye GRearme y accionamos el pulsador de rearme, se pasa al modo A6 de la guía y; por tanto al GRAFCET parcial GPInicio. Una vez concluye el GPInicio, también concluye el GSeguridad,, de ahí que se puede volver a reiniciar el sistema a través del GServicio. En esta situación, se cumple la receptividad X65·conexión, con lo que definitivamente se puede poner en servicio de nuevo el sistema. Conviene reiterar que para algunos procesos/máquinas algunos GRAFCET parciales, pueden ser más sencillos y algunos estados de la guía mencionados pueden ser elementales. La nomenclatura utilizada para la numeración de las etapas de los GRAFCET parciales ha respetado el orden de etapa 0 para el GRAFCET de producción habitual en las referencias clásicas sobre automatización. A partir de aquí se ha denotado de forma arbitraria el n. 100 para el inicio del GConducción, el n. 20 para el inicio del GSeguridad, el n. 50 para el inicio del GServicio, el n. 60 para el inicio del GPInicio, el n. 70 para el inicio del GRearme. Esta ordenación numérica puede cambiar en función de la cantidad de etapas del sistema automatizado que se esté considerando. 4.4 Estudio de caso práctico de posicionador de cable de un bobinador En este ejemplo se muestra cómo aplicar la guía GEMMA a una parte concreta del procesado de cable de cobre de la empresa Pirelli Cables y Sistemas, empresa a la cual agradecemos la información facilitada. En primer lugar, hay que centrarse en el nivel de automatización. Tan sólo se fijará la atención en una parte del proceso. El cable viene tensado por un desbobinador y pasa por una guía de posicionamiento para que posteriormente sea enrollada en el bobinador de forma correcta. La guía de posicionamiento consta de un complejo formado por un conjunto de sensores y actuadores. Su función principal es generar un movimiento de vaivén sobre el cable que facilite su enrollado ordenado en la bobina. Consta de dos tuercas fijas externas y una tuerca interior móvil. Mediante un motor acoblado sobre el eje Z, se transmite el movimiento a la tuerca móvil, de forma que el cambio del sentido del movimiento del motor se traduce en un cambio de movimiento del cable sobre el plano X-Y, y así se genera el movimiento de vaivén deseado. Para controlar el movimiento, se añaden dos microrruptores de posición mecánicos, a modo de finales de carrera. En el caso de control electrónico mediante autómata programable, es preferible considerar interruptores de posición electromecánicos. A efectos prácticos, en estas líneas argumentales los finales de carrera se denominan f0 y f1. La figura 4.8 ilustra que el cable procede de la parte inferior de la figura, pasa a través de dos rodillos, sigue a través del subsistema posicionador (movimiento de vaivén izquierda-derecha) y, finalmente, se enrolla a la bobina (que tiene otro motor, que genera un movimiento de rotación para facilitar la agrupación del cable). © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4. Diseño estructurado con la guía GEMMA 65 Eje Z Plano XY Fig. 4.7 Subsistema posicionado Fig. 4.8 Vista superior del conjunto bobina (arriba), posicionador (medio) y entrada de cable (abajo) © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 66 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Fig. 4.9 Detalle del proceso La figura 4.9 muestra el detalle, en fotografía, de la bobina y el subsistema posicionador. En la fase de supervisión hay que fijarse en tres contingencias que aparecen con cierta frecuencia en el proceso de bobinado: - Cable defectuoso: El grosor del cable es irregular debido a malformaciones o golpes, de forma que en algunas partes se observa un cambio considerable en el grosor que no supera el control de calidad. - Cable trabado: La procedencia original del cable genera que, en algunas ocasiones, en el proceso de bobinar correctamente el cable las tensiones entre el desbobinador y el sistema posicionar generen interrupciones en el movimiento continuo del cable. Ello debe evitarse para que no se llegue a la rotura de alguno de los componentes. - Accidente del operario: Al coexistir sistemas electromecánicos en movimiento con acceso libre del operario, se puede producir el atropamiento de dedos o muñeca del operario. Ello debe atajarse de inmediato mediante un paro de emergencia. Estas contingencias indican que, en el caso que estamos tratando, aunque siguen siendo importantes los módulos de marcha y producción, es de especial relevancia el Módulo de seguridad (figuras 4.10, 4.11, 4.12). En la fase de interacción, cabe destacar que, junto a los elementos tradicionales de un panel de mando, hay que tener en consideración la aparición de un nuevo selector para designar dos posibles velocidades de marcha (velocidad baja, velocidad normal). La selección de velocidad baja nos permite actuar con cautela en el reinicio de actividades, después de resolver el caso de cable defectuoso (figura 4.10). © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4. Diseño estructurado con la guía GEMMA 67 Reanudación de la marcha Detección de fallo Conexión control Conexión control Desconexión control Desconexión control F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Parada Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo Preparación para la puesta en marcha después del fallo A5 Puesta del sistema en el estado inicial A6 Producción normal F1 Demandas de marcha Demandas de parada Marcha lenta Condiciones iniciales Anulación fallo Detección grosor excesivo Diagnóstico y/o tratamiento del fallo D2 Marcha de preparación F2 Marcha normal Detección grosor correcto Parada en el estado inicial A1 Fig. 4.10 Caso de cable defectuoso © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 68 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Reanudación de la marcha Detección de fallo Conexión control Conexión control Desconexión control Desconexión control F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Parada Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo Preparación para la puesta en marcha después del fallo A5 Producción normal F1 Demandas de marcha Demandas de parada Condiciones intermedias Anulación fallo Detección cable trabado Diagnóstico y/o tratamiento del fallo D2 Marcha normal Detección cable en movimiento Puesta del sistema a un estado determinado A7 Parada obtenida A4 Fig. 4.11 Caso de cable trabado © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4. Diseño estructurado con la guía GEMMA 69 Reanudación de la marcha Detección de fallo Conexión control Conexión control Desconexión control Desconexión control F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Parada Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo Preparación para la puesta en marcha después del fallo A5 Producción normal F1 Demandas de marcha Demandas de parada Condiciones intermedias Anulación fallo Emergencia Marcha normal Desenclavamiento emergencia Puesta del sistema a un estado determinado A7 Parada obtenida A4 Parada de emergencia D1 Fig. 4.12 Caso de accidente del operario © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 70 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Seguridad Marcha / ParoServicio MAN OCaC O 1 Validar Rearme Paro Emergencia Selectores Selector en funcionamiento Cable defectuoso Cable trabadoen servicio V lenta V normal AUT Fig. 4.13 Panel de mando para caso práctico © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4. Diseño estructurado con la guía GEMMA 71 Caso de cable defectuoso La situación a tratar consiste en las irregularidades presentadas por el grosor del cable. En caso de que las irregularidades sean permitidas por el control de calidad, se dispone del estado D3: Producción pese al fallo, no incluido en las figuras 4.10 y 4.11, y en las que habría que añadir un LED indicador de color naranja al panel de mando). En caso de que el grosor exceda los límites permitidos, se activa el LED indicador del cable defectuoso. El operario selecciona O y valida mediante el pulsador, de manera que detiene el proceso y decide cortar el trozo de cable que no presenta las condiciones óptimas, esto conlleva preparar el sistema para volver a empezar desde el inicio, como si se iniciase el bobinado de nuevo; de ahí que se vuelva al estado A1. Para arrancar de nuevo, selecciona AUT y v lenta, y valida con el pulsador; cuando comprueba visualmente que no hay situación de riesgo, selecciona AUT y v normal, y valida con el pulsador pasando al estado F1 de la guía. Caso de cable trabado Debido a los movimientos de giro del desbobinador, junto con el desplazamiento del cable y de nuevo un giro en el bobinador, el cable está sujeto constantemente a tensiones. Si se da por hecho que el cable no presenta una superficie regular, el movimiento tampoco será estable; de ahí que puedan existir sacudidas o tensiones que provoquen que el cable quede trabado, lo cual queda indicado mediante el LED de cable trabado. Si la situación no es excesivamente compleja, el operario puede detener el proceso mediante el selector en el modo O; a continuación, validar con el pulsador, y mover manualmente el desbobinador o sacudir el cable, de forma que se desbloquee el sistema. En este caso, aunque se ha producido una leve interrupción, no ha significado una discontinuidad grave, de manera que se puede reemprender la actividad sin la rotura de cable ni el paso por el estado A1, sino al estado A4. Finalmente, se selecciona AUT v normal, y se valida con el pulsador. Caso de accidente del operario Otra situación a tener en consideración es la posibilidad que, ante sistemas electromecánicos en movimiento, la presencia activa del operario dentro del volumen de trabajo de máquinas provoque atrapamientos de dedos o muñeca. Esto significa que, ante tal riesgo grave de accidente, un segundo operario debe activar el paro de emergencia. Esta situación se refleja en la figura 2.16, de manera que el proceso se detiene inmediatamente. A continuación, el operario soluciona el problema, poniendo el primer operario a salvo, y, con las condiciones idóneas para reemprender la marcha, el operario debe anular la situación de emergencia desenclavando el pulsador de paro de emergencia y accionando el pulsador que se conoce habitualmente con el nombre de rearme. El sistema se conduce hasta el estado A4 para reiniciar la actividad. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 5. Estudio aplicado de una estación trituradora-mezcladora 73 5. Estudio aplicado de una estación trituradora-mezcladora En este capítulo se presenta la aplicación detallada y completa de la guía GEMMA a un caso de estudio concreto. El objetivo es poder seguir la aplicación de la guía de diseño GEMMA desde la realización del GRAFCET de producción inicial –automatización básica - hasta completar todos los diferentes GRAFCET que acabará interactuando y configurando la automatización final del proceso. Como se ha podido ver en capítulos anteriores, la guía GEMMA considera una elevada cantidad de situaciones posibles con las que nos podemos encontrar cuando queremos automatizar un proceso. Es en este sentido que tenemos que ver GEMMA como una guía de aplicación y no como una exigencia en que deban entrar en consideración todos los casos posibles. Es imposible concebir todas las situaciones posibles de una sola vez y, además, plasmarlas de forma correcta en el correspondiente GRAFCET. No obstante, como veremos, la aplicación es sumamente sencilla si se aplica de forma incremental. Antes de continuar y entrar propiamente el desarrollo de la aplicación, debemos tener claro qué parte del proceso de automatización solucionamos con la aplicación GEMMA. Tal como hemos comentado en los capítulos precedentes, la aplicación GEMMA parte del hecho de que disponemos de la automatización básica del proceso, entendiendo como automatización básica aquella en la que se ha tenido en cuenta, únicamente, el ciclo de producción que realiza la máquina en cuestión. No hay consideraciones especiales sobre paradas de emergencia, funcionamiento manual y ciclo a ciclo, etc.; en definitiva, no consideramos la interacción con el operario. Esta segunda parte es la que realizaremos mediante la aplicación de GEMMA. Como resultado obyendremos un conjunto de diagramas GRAFCET, relativamente sencillos, que actuarán de manera coordinada entre ellos y que determinaran el avance del GRAFCET inicial, que implementa el ciclo de producción básico de la máquina o proceso en cuestión. Cabe recordar que esta coordinación entre GRAFCET muchas veces viene determinada por acciones del operario. Es en este sentido que la guía GEMMA veremos nos ayuda en el diseño del panel de operario, determinanr qué entradas debe proporcionar el operario y qué información le podemos suministrar desde el programa de automatización. Veremos, en primer lugar, una descripción del proceso a automatizar. A partir de esta descripción realizaremos el GRAFCET de producción, en el que plasmaremos el secuenciamiento de operaciones de la máquina. A partir de este punto, introduciremos • Las especificaciones deseadas para la automatización completa de la máquina. • La aplicación de la guía GEMMA para la implementación de estas estas especificaciones . 5.1 Descripción del proceso El proceso a automatizar es una estación trituradora-mezcladora. Está constituida por una primera parte, en la que una serie de dispensadores de producto nos permiten, escogiendo unidades de dispensadores diferentes, realizar la mezcla deseada. Una vez las cantidades de materia prima están © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 80 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA 0 Lectura de la tabla 1 X101 fin? Empujar pieza 4 0 giro a derecha? giro a izquierda? triturar 5 sg 5 girar a derecha 2 girar a izquierda 3 vaciar 10 sg. 6 5 sg? 10 sg. posicionado? Nº Dosis OK Nº Dosis /OK 1 val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 X0 G100 val·CaC X101 X102 1 Inicio Fig. 5.8 Interacción entre GRAFCET de conducción y producción ¿Qué significado tiene el hecho de que G100 esté en un estado determinado? Cada uno de los estados de G100 expresan un estado determinado de funcionamiento o haber llegado a un punto específico del ciclo de producción. Por tanto, tener claro el significado de cada uno de los estados de G100 es vital para entender la interacción entre los correspondientes GRAFCET (en este caso, G100 y G0). Vale la pena observar cómo está introducida la condición de Fin ciclo. Esta condición no depende del panel de operario sino de que el GRAFCET de producción llegue a un estado determinado al que asociaremos que la máquina ha finalizado un ciclo de producción. Vemos, pues, que hay una interacción entre G0 y G100 en ambos sentidos, pero de dos maneras diferentes. • Los estados de G100 determinarán condiciones de ejecución (por tanto, transiciones) en G0 • Transiciones de G100 quedarán determinadas por estados de G0. Esta dependencia implica que ahora debemos volver al GRAFCET de producción, G100, e introducir las consideraciones necesarias a fin de contemplar esta interacción (en definitiva, la determinación de los modos de ejecución). Vemos que en G0, el GRAFCET de producción, hemos considerado, una vez realizada la trituración de las pastillas y su expulsión, dos maneras diferentes de continuar que vendrán determinadas por el estado en que se encuentre G100, el GRAFCET de conducción. • Si G100 está en el estado 101, X101 es cierto; entonces, volvemos al estado 1, ya que es indicativo de que estamos en funcionamiento automático. • Si G100 está en el estado 102, X102 es cierto; entonces, volvemos al estado 0, ya que es indicativo de que estamos en funcionamiento ciclo-a-ciclo. Luego, desde el estado 0, el GRAFCET no evolucionará, a menos que desde el GRAFCET de conducción se dé paso a funcionamiento. • La transición de fin de ciclo de G100 queda así determinada por el hecho de que el GRAFCET de producción se encuentre en el estado 0; x0 es cierto. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 5. Estudio aplicado de una estación trituradora-mezcladora 81 Este sería el resultado de esta primera etapa de aplicación de la guía GEMMA: Un nuevo GRAFCET, G100, y una modificación del GRAFCET que teníamos anteriormente, el de producción o G0. Respecto al panel de mando, fijémonos que la intervención del usuario necesaria queda cubierta por la propuesta inicial realizada. En efecto, el panel propuesto es el resultado de las consideraciones hechas en los capítulos anteriores respecto a los modos de mando y seguridad. De esta forma, hay partes del panel de mando que aún no han sido utilizadas pero que irán apareciendo a medida que vayamos considerando el resto de especificaciones. De igual forma, es posible que para alguna especificación sea preciso añadir algún componente. 5.4 Parada en el estado actual En este caso, queremos implementar la posibilidad de parar la máquina en un posible estado de funcionamiento, dentro de un ciclo, mediante la pulsación del botón de pausa. La máquina permanecerá parada en el estado hasta que volvamos a validar la continuación de la marcha. Notemos que el caso tratado en el punto anterior (parada a fin de ciclo) es un caso muy concreto de éste. Conviene también aclarar qué se entiende por estado de funcionamiento. No se debe confundir con cada uno de los estados GRAFCET de G0. Lo que debemos hacer es identificar posibles puntos de parada dentro del ciclo de funcionamiento de la máquina, la ejecución de uno de estos pasos puede necesitar varios estados GRAFCET. Por ejemplo, en este caso en que podríamos establecer como puntos de parada: − Después de realizar una lectura de la tabla de datos de entrada. − Después de haber posicionado el dispensador. − Después de haber empujado la cantidad deseada de piezas. − Después de haber triturado la mezcla. − Después de haber vaciado la mezcla triturada. Posiblemente haya más puntos posibles de parada. Precisamente este hecho pone de manifiesto que son puntos que se escogen a partir de la secuenciación a realizar por la máquina y que es una decisión a tomar en el momento de establecer el detalle de las especificaciones. Una vez tenemos establecidos todos los puntos de parada, vemos que podemos establecer la parada en los mismos de dos maneras diferentes:  Como una petición puntual en un instante determinado.  Como la ejecución del ciclo de funcionamiento ante un modo de verificación con orden. Es decir, la máquina irá avanzando y, en cada uno de los puntos de parada establecidos, esperará la intervención del operario para verificar el avance al siguiente. Veremos que pueden considerarse ambas opciones de una manera muy sencilla. Empezaremos analizando la parada a partir de una petición puntual en un instante determinado. Partiremos, pues, de los estados GEMMA utilizados para la especificación anterior y añadiremos los estados correspondientes a la gestión de una parada solicitada en un estado determinado. En la Figura podemos ver como hemos completado el diagrama GEMMA añadiendo nuevos estados. Estos estados reúnen la posible pulsación del pulsador de parada y conducen al diagrama al estado A3. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 82 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Reanudación de la marcha Demandas de marcha Demandas de parada Detección de fallo Conexión Control Conexión Control Desconexión Control Desconexión Control Paro en el estado inicial F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Paro Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo Parada pedida a fin de ciclo A2 Producción normal F1 Marcha y condiciones marcha Fin ciclo Paro fin ciclo Parada en el estado inicial A1 Parada pedida en un estado determinado A3 Parada obtenida A4 Marcha y condiciones marcha Pausa Pausa fin paso Fig. 5.9 Estados GEMMA, parada solicitada en un estado determinado © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 5. Estudio aplicado de una estación trituradora-mezcladora 83 val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 X0 G100 val·CaC A3 103 val·(AUT+CaC) Pausa Pausa X103 A4 104 fin paso X101 Fig. 5.10 GRAFCET de conducción y estados GEMMA val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 X0 G100 val·CaC A3 103 val·(AUT+CaC) Pausa Pausa X103 A4 104 fin paso x101 Cuando G100 este en 103, se espera a que G0 complete un paso para detener el ciclo La definición de los puntos de G0 correspondientes a fin de paso nos determinaran esta condición Una vez estemos en 104, el sistema estará a la espera de la decisión del operario de reanudar la producción Fig. 5.11 Interacción entre los GRAFCET de conducción y producción © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 84 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA 0Inicio 1 X101 fin ? Empujar pieza 4 0 giro a derecha? giro a izquierda? triturar 5 sg 5girar a derecha 2 girar a izquierda 3 vaciar 10 sg. 6 5 sg? 10 sg. posicionado? Nº Dosis OK Nº Dosis /OK 1 X102 X101 1 val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 X0 G100 val·CaC A3 103 val·(AUT+CaC) Pausa Pausa X103 A4 104 fin paso X101 /103 /104 /103 /104 /103 /104 /103 /104 /103 /104 /103 /104 /103 /104 /103 /104 8 7 Lectura de la tabla Fig. 5.12 GRAFCET de producción y conducción, con parada solicitada en un estado determinado © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 5. Estudio aplicado de una estación trituradora-mezcladora 85 Debido a que es posible que la máquina no pueda parar instantáneamente en el momento de pulsar pausa, tenemos este estado A3 que esperará hasta que la máquina llegue a completar la tarea que define el paso o estado actual. Una vez terminado el paso la máquina se deberá detener. Esto lo tenemos representado mediante la presencia del estado A4, estado en el que permanecerá hasta que no se valide de nuevo la marcha de la operación y se provoque el retorno a la operación normal o F1. ¿Como traducimos esta ampliación de los estados GEMMA a GRAFCET? Lo que haremos es algo similar a lo hacho con los estados de GEMMA, es decir, ampliar el GRAFCET de conducción que teníamos en la fase anterior (fig. 5.10). Como vemos, al igual que en la especificación anterior, cada estado GEMMA nos determina un estado del GRAFCET. Si en la especificación anterior teníamos una condición de fin de ciclo, en este caso tenemos la correspondiente a fin de paso. ¿Qué significado tiene esta condición? Claramente, si estamos imponiendo como especificación de funcionamiento de nuestra máquina la posibilidad de pararse en un estado determinado, esto implica que existan, dentro de un ciclo de producción, unos estados definidos. Podríamos interpretarlo como las diferentes etapas en que podemos dividir el ciclo de producción, de manera que al final de cada una de estas etapas es posible detener la máquina antes de que pase a la siguiente. Estos puntos de parada serán los que determinarán la condición de transición Fin de paso. Veamos cómo queda planteada, pues, la interacción entre el GRAFCET de conducción y el de producción, una vez añadidos estos nuevos estados (fig. 5.11). Así pues, ahora sería el momento de retomar el GRAFCET de producción y, en los puntos que nosotros asociemos a un fin de paso, en que la máquina ha completado una etapa o estado de funcionamiento, introducir en la correspondiente transición, la condición de que el GRAFCET de conducción no se encuentre ni en 103 ni en 104 (es decir, no esté esperando a que se complete el paso, ni esté en estado de espera después de completarse el paso). Por tanto, en estos puntos del G0, el GRAFCET podrá continuar evolucionando en caso de que ni x103 ni x104 sean ciertos. Los GRAFCET quedarían tal como se ilustra en la fig. 5.12. ¿Cómo quedaría especificada la transición etiquetada como “Fin paso” en G100? Sería un buen ejercicio que, a partir de cómo está el GRAFCET de producción, G0, el lector intentase determinar cuál sería esta condición. ¿Cómo la escribiríamos a partir de los estados de G0?1 ¿Cómo solicita el operario una parada? Para esto tenemos que remitirnos al panel de mando. Vemos que en la propuesta hecha al inicio del ejemplo no hay ningún pulsador de pausa. No obstante, tenemos en el selector de modos de marcha la opción MAN. Podemos utilizar este modo para indicar que el operario pasa a supervisar manualmente el funcionamiento de la máquina, haciendo que ésta se detenga al finalizar el paso. Una vez G100 se haya situado en el estado 104, volviendo a situar el selector en la posición AUT o CaC salimos de la pausa y el ciclo continua. De esta forma, la receptividad que tenemos en G100 identificada como pausa debería quedar como se ilustra en la fig. 5.13. 1 Nótese que esta condición se construirá como una suma lógica determinada por los estados correspondientes del GRAFCET de producción. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 86 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 X0 G100 val·CaC A3 103 val·(AUT+CaC) Pausa Pausa X103 A4 104 fin paso X101 Fig. 5.13 GRAFCET de conducción que incluye parada en un estado determinado Hemos comentado anteriormente que otra posible realización de estas paradas se realiza según un modo de marcha de verificación con orden. De esta forma, lo que estaremos indicando es que queremos realizar todas las paradas existentes a lo largo del ciclo de producción, y no tan sólo la correspondiente al instante en que solicitamos la pausa (obviamente, al igual que en el caso anterior, en un estadio cualquiera del ciclo podremos volver a modo automático). Veamos cómo incluiríamos este modo a partir de lo desarrollado hasta el momento. Añadimos, en primer lugar, los estados correspondientes de la guía GEMMA (en este caso, F5). Este estado nos añadirá el consiguiente estado en G100, como un modo de funcionamiento adicional, el cual consideraremos según se ha tratado en el capítulo 3: Incluir un selector de verificación y tener el selector de marcha en modo MAN y el de verificación en posición orden. Avancemos aquí, antes de dibujar la modificación del GRAFCET de producción, G100, que esto nos obligará a revisar la manera en que accedíamos a la pausa en el caso tratado más arriba y, si procede, a cambiarla. De momento, incluimos en el panel de operario el selector correspondiente al modo de verificación, junto con el pulsador para verificar la etapa y su indicador (fig. 5.15). De esta forma, cuando el selector de marcha/paro esté en la posición MAN, es este nuevo selector de verificación el que determina de qué manera entra el operario a interactuar con la automatización. Tenemos dos opciones:  Selector de verificación en orden: Indica que el operario desea ejecutar el ciclo de producción parando en cada etapa. Cada una de estas etapas deberá ser verificada antes de avanzar a la siguiente.  Selector de verificación en 0: Con el selector de marcha/paro situado en MAN, indica que el operario desea realizar una pausa puntual. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 5. Estudio aplicado de una estación trituradora-mezcladora 87 Reanudación de la marcha Demandas de marcha Demandas de parada Detección de fallo Conexión Control Conexión Control Desconexión Control Desconexión Control Paro en el estado inicial F Procedimientos de Funcionamiento A Procedimientos de Paro Control sin alimentar Producción D Procedimientos de Fallo Parada pedida a fin de ciclo A2 Producción normal F1 Marcha y condiciones marcha Fin ciclo Paro fin ciclo Parada en el estado inicial A1 Parada pedida en un estado determinado A3 Parada obtenida A4 Marcha y condiciones marcha Pausa Pausa fin paso Marcha de verificación con orden F5 Marcha etapa a etapa Marcha normal Fig. 5.14 GEMMA incluyendo estados de verificación con orden © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 88 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Servicio AUT MAN OCaC O 1 Validar Rearme Paro Emergencia Selector Selector en funcionamiento en alarma en fallo en servicio Marcha/Paro Seguridad en funcionamiento Orden O Selector Verificar Verificación Fig. 5.15 Panel de mando que incorpora el selector de modos manual val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 X0 G100 val·CaC A3 103 val·(AUT+CaC) val·MAN·/Orden val·MAN·/Orden 103 A4 104 fin paso 101 105 val·MAN·Orden val·(AUT+CaC) F5 105 101 val·MAN·Orden Fig. 5.16 GRAFCET de conducción que incorpora modo manual © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 5. Estudio aplicado de una estación trituradora-mezcladora 89 0 Lectura de la tabla 1 X101 (val X105+/X103/X104) fin? Empujar pieza 4 0 (val X105+/X103/X104) g. der? (val X105+/X103/X104) g. izq? triturar 5 sg 5girar a derecha 2 girar a izquierda 3 vaciar 10 sg. 6 (val X105+/X103/X104) 5sg? 10 sg. (val X105+/X103/X104) posicionado? Nº Dosis OK Nº Dosis /OK 1 (val X105+/X103/X104) X102 (val X105+/X103/X104) X101 1 (val X105+/X103/X104) 8 7 val·(AUT+CaC) A1 F1 101 100 A2 102 x0 G100 val·CaC A3 103 val·(AUT+CaC) val·MAN·/Orden val·MAN·/Orden 103 A4 104 fin paso 101 105 val·MAN·Orden val·(AUT+CaC) F5 105 101 val·MAN·Orden Fig. 5.17 Interacción entre los GRAFCET de conducción y producción El GRAFCET de conducción, G100, quedaría de la forma indicada en la fig. 5.16. De esta forma, tan solo hemos tenido que modificar la receptividad que nos llevaba a 103, que pasa de val·MAN a val·MAN·/Orden. Ahora tenemos que incluir esta nueva posibilidad de ejecución del ciclo de producción en el GRAFCET de producción, G0: deberemos incluir, en la receptividad existente, la verificación de la etapa como condición para poder avanzar a la siguiente. 5.5 Detección de falta de producto Con esta especificación estamos ante una situación de defecto. Una situación de defecto, no obstante, en la que al operario se le solicita reponer producto para así poder proseguir la marcha. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 96 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA GSEGURIDAD Coordinación Forzado GREARME GCONDUCCIÓN GPRODUCCIÓN GSERVICIO Coordinación Fig. 5.25 Conexión final entre GRAFCET © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 6. Conclusiones 97 6. Conclusiones Para finalizar el desarrollo realizado, cabe recordar los comentarios incluidos en la presentación. Este libro propone un salto cualitativo mediante el desarrollo sistemático de la guía GEMMA como metodología de uso genérico a utilizar para cubrir aspectos de supervisión y automatización. El enfoque planteado es complementario al que se ofrecen en otras obras de automatización. Es evidente que el experto en automatización debe combinar los conocimientos teóricos con la aplicación práctica de los mismos, y en esta área del conocimiento ello es difícil debido al cambio tecnológico progresivo que conduce a una formación continuada a lo largo de la vida profesional. El libro empieza por un capítulo de introducción donde se describen los fundamentos básicos de la automatización industrial. A continuación se procede a la descripción funcional y tecnológica del GRAFCET, ya que en estos momentos esta herramienta es comúnmente aceptada para la representación del control secuencial de forma independiente al uso concreto de la programación del automatismo. En el momento de introducir la guía GEMMA, se ha hecho especial hincapié en presentar los aspectos básicos (metodología, representación, escenificación de situaciones elementales) y proceder posteriormente a aspectos más avanzados (GRAFCET de seguridad, coordinación horizontal de GRAFCET subordinada a la jerarquía establecida mediante forzado). Después de aprender los conceptos, intentar aplicarlos y reflexionar sobre ellos se llega a la conclusión de la importancia del trabajo cooperativo entre usuarios para conseguir un uso riguroso de la guía. La cooperación continua entre usuarios permite, de forma iterativa, introducir aspectos de mejora que tienden a alejarse de las interpretaciones subjetivas de un solo usuario y acercarse a una metodología provechosa de ámbito genérico. Respecto a la parte práctica de la utilización de la guía GEMMA, no se ha pretendido crear un libro de problemas didácticos simplificados pero sí se ha querido destacar un escenario industrial en el que la guía y el experto en automatización pueden desarrollar toda su potencialidad. Es el escenario ilustrado de la planta de la empresa Pirelli Cable que amablemente nos ha permitido ilustrar algunos conceptos. A continuación, se presenta un caso detallado a modo de ejemplo que ilustre paso a paso cómo se puede aplicar la guía sobre un proceso. Algunos aspectos presentes en la metodología han permitido reflexionar sobre el carácter multidisciplinario que se presenta en la guía GEMMA al confluir no tan sólo la automatización industrial, sino además la supervisión humana, el control tolerante a fallos, la prevención de riesgos laborales y la interacción persona-máquina. Sin pretender abordar cada una de estas dimensiones, que llevarían a un completo ejercicio de ingeniería de sistemas, se ha incidido en la interacción personamáquina para ofrecer un panel de mando diseñado rigurosamente para adecuar la intervención del operario sobre procesos gobernados por automatismo (controlador lógico programable) y en el que © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 98 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA hemos corregido el programa base para añadirle los módulos especificados mediante la guía GEMMA. Este aspecto ofrece grandes posibilidades de tratarse con más detenimiento y de ahí que en el libro se le dedique un anexo (anexo A). Discusión Desde el nacimiento de GRAFCET y la guía GEMMA por ADEPA se han desarrollado, en el ámbito teórico, formalismos estrictos sobre control tolerante a fallos, arquitecturas de supervisión humanas o artificiales, metodologías para el mantenimiento de sistemas productivos, mejora de las normas de seguridad en máquinas y en definitiva el cambio tecnológico que influye en la interacción entre operario y máquina. Con estas ideas, los autores quieren hacer hincapié en que algunos de los estados representados de forma puntual como modos de la guía encierran otras disciplinas que convendría tener presentes para realzar la guía GEMMA y prepararla definitivamente para su salto a la normativa internacional. En este libro no se resuelve este detalle, pero los autores valoran que la guía GEMMA es un instrumento docente importante que puede ser útil tanto en la formación universitaria como en la aplicación sistemática de procedimientos rigurosos en sistemas automatizados complejos. Desde estas líneas, los autores quieren ayudar a la difusión de la guía GEMMA como herramienta de trabajo útil para profesionales y docentes de la automatización desde un punto de vista de integración de disciplinas. Tras muchas deliberaciones sobre la representación gráfica de la guía GEMMA, se propone en el anexo B una posible reorganización de los estados de la guía para facilitar la comprensión de la misma y su relectura que puede favorecer un debate sobre posibles mejoras de la guía GEMMA. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Anexo A. Diseño del panel de mando 99 Anexo A. Diseño del panel de mando La automatización industrial es una materia en la que los continuos avances tecnológicos en electrónica, programación y diseño de nuevas aplicaciones industriales plantean grandes retos en la integración de procesos, productos y recursos. A mediados de los años ochenta, la filosofía CIM se planteaba como una metodología de integración de sistemas, desde el punto de vista de componentes, controladores, arquitecturas físicas de ordenadores, redes de comunicaciones y flujo de información de la planta, hasta el nivel de planificación o viceversa. En los últimos años, se ha acuñado el nombre de automatización integrada mediante sistemas abiertos con la finalidad de facilitar al cliente la integración de equipos de distintas casas comerciales. Las arquitecturas abiertas se han ido extendiendo, desde la robótica, las comunicaciones industriales, los autómatas programables y las máquinas herramienta CNC, con resultados desiguales, y éste es un proceso dinámico aún no finalizado. En estos momentos, se discute la necesidad de generar estándares de facto, en las especificaciones de comunicaciones de alto nivel en las aplicaciones SCADA, o en la programación de autómatas programables mediante normas internacionales como la IEC 1113-3. Este proceso dinámico inacabado también es aplicable en el caso del panel de mando, y un problema abierto es la creación de especificaciones genéricas para el diseño y la utilización de paneles de mando. El panel de mando forma parte del conjunto de dispositivos HMI, interfaces persona-máquina presentes en sistemas de automatización industrial (terminales programables, monitor con pantalla táctil, botonera de programación, terminal móvil en supervisión de plantas industriales). La diversidad de dispositivos existentes se debe a la gran variedad de máquinas y procesos que se aglutinan bajo la denominación sistemas de automatización industrial. En este anexo se presenta la integración de diversas áreas como la ergonomía, la ingeniería de la usabilidad y la normativa de seguridad en máquinas, para el diseño de un panel de mando en el que el operario pueda llevar a cabo la fase de intervención presente en la guía GEMMA. Especificaciones En el capítulo 3 se demuestra cómo la guía GEMMA incide en el diseño del panel de mando en la fase de intervención. Actualmente, hay una gran diversidad de paneles, tanto en el ámbito académico como en el industrial. En el ámbito académico, algunos fabricantes de sistemas automatizados didácticos ofrecen un panel de mando simplificado basado exclusivamente en funciones básicas de marcha/paro © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 100 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Fig. A.1 Panel de mando académico únicamente formado por controladores sin la presencia de dispositivos informativos visuales DIV y parada de emergencia. Este tipo de panel permite implementar algunos casos de la guía GEMMA pero presenta la limitación de no ofrecer un panel completo, y, en determinadas situaciones, algunos controladores son utilizados con finalidades distintas, según sea la situación que hay que tratar. En el ámbito industrial, se encuentran paneles básicos a pie de máquina o mediante soporte a la altura de los ojos del operario. Si la máquina incorpora diversos componentes periféricos, es fácil encontrar diversos paneles que incorporan pulsadores y selectores a lo largo de la máquina, como por ejemplo para poner en marcha una cinta transportadora, para accionar una subestación de montaje o para dirigir las actividades de una máquina-herramienta de CNC, por ejemplo. Los paneles con soporte vertical situados en el campo visual del operario incluyen más elementos, como por ejemplo pulsadores con LED indicador incorporado, selectores de modo de funcionamiento, o bien diversos LEDS indicadores informativos del estado de funcionamiento de componentes de la máquina. En algunos casos, el panel se complementa con balizas de señalización representadas por columnas de LEDS en forma de semáforo (luz fija, intermitente, flash) y con incorporación de señales acústicas (zumbador, sirena). Estos componentes cumplen con diversas especificaciones de seguridad en máquinas, como por ejemplo el grado de protección IP 54 o IP 65. Por una parte, el dispositivo debe cumplir ciertas especificaciones para la utilización para la que ha sido diseñado; por otra parte, estos dispositivos forman parte de máquinas complejas, en que se amplía el sentido de seguridad del dispositivo a la seguridad intrínseca de la máquina que todo fabricante debe prever antes de ofrecerla al mercado. Uno de los aspectos recogidos en estas normas es la asociación del dispositivo con un color concreto y una finalidad fijada. Así, un pulsador de marcha se representa mediante el color verde. El pulsador de paro convencional se representa mediante el color negro. Un pulsador de rearme, es decir, cuando se suprimen las condiciones anormales y se reestablece el ciclo automático interrumpido, se representa mediante el color amarillo o el azul. La parada de emergencia se representa con un dispositivo que se llama paro de emergencia y consta de una seta de color rojo dentro de un círculo amarillo, y es de un tamaño netamente mayor al resto de pulsadores. El selector de posiciones se representa mediante el color negro, con una pestaña de color blanco. En cuanto a los LEDS indicadores si se dispone de un LED con luz blanca se asocia a una información general de servicio, como por ejemplo la presencia de tensión en la máquina. Un LED amarillo (ámbar) indica precaución. Estamos ante una alarma que puede conducir a una situación peligrosa, como por ejemplo que se indique que la presión está fuera de los límites habituales de funcionamiento. El LED verde indica que la máquina está preparada para entrar en funcionamiento. El LED rojo indica una situación de fallo que requiere de la intervención inmediata del operario. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Anexo A. Diseño del panel de mando 101 Recientemente han aparecido dispositivos que integran la función de controlador e indicador de información. Un mismo dispositivo pesenta un pulsador con LED incorporado, de manera que cuando se procede a pulsar el dispositivo, se activa el LED correspondiente; cuando el operario deja de presionar el dispositivo, éste retorna a la posición original y se desactiva el LED. Para obtener más información relacionada con órganos de servicio, color recomendado y aplicación en el diseño de paneles de mando de máquinas, puede consultarse la nota técnica de prevención NTP n. 53 (v. Referencias). Diseño Llegados a este punto, se observa que las normativas correspondientes a la seguridad en máquinas informan de especificaciones sobre los dispositivos, considerados de forma individual. La guía GEMMA, por su parte, indica en la fase de intervención el panel de mando básico que necesita el operario para poder ejercer la supervisión. A estos dos factores hay que añadir la aplicación de la ergonomía al diseño del panel de mando. En las líneas siguientes se presentan una serie de indicaciones que se pueden tener en cuenta para el diseño de paneles de control. En este sentido, los autores consideran que es necesario mostrar pautas que conduzcan a la creación de paneles de mando sin ambigüedades ya que un panel de mando con los dispositivos desordenados puede provocar la duda o la mala interpretación del procesamiento de información que hace el operario e inducir a algún error en la ejecución de acciones sobre los controladores.1 En primer lugar, una primera distinción: funcionalidades del panel de mando distribuidas horizontalmente y verticalmente (figura A.2). A nivel horizontal, los dispositivos de información visual DIV se sitúan en la parte superior del panel y los dispositivos controladores se sitúan en la parte inferior del panel. En este sentido, es importante mantener la coherencia. Respecto los LEDS indicadores, se considera que presentan dos estados posibles básicos (activo, inactivo). En este contexto, se entiende por dispositivos controladores aquellos sobre los que el operario puede ejercer una acción que se transmite al comportamiento del automatismo y del proceso. A nivel vertical, y atendiendo a la representación gráfica de la guía GEMMA, se dispone tres niveles. A la izquierda, se representa la situación de servicio, en correspondencia con el primer rectángulo de la izquierda que se dibuja en la guía GEMMA. DIV DISPOSITIVOS INFORMATIVOS VISUALES CONTROLADORES Fig. A.2 División horizontal del panel de mando 1 Para una información más detallada sobre el proceso de información del sistema persona-máquina puede consultarse la nota técnica de prevención n. 241 indicada en las referencias © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 102 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA Seguridad Marcha / Paro Servicio AUT MAN OCaC O 1 Validar Rearme Paro Emergencia Selector Selector en funcionamiento en alarma en falloen servicio Fig. A.3 División vertical del panel de mando En el centro, los dispositivos asociados a los modos de marcha y paro convencional. Finalmente, a la derecha, se disponen los dispositivos asociados a la seguridad. Se prefiere no situar el paro de emergencia en medio del resto de dispositivos y se ha situado abajo a la derecha para facilitar la accesibilidad sin ambigüedades. La figura A.3 muestra la división vertical. En la parte de servicio se dispone un selector (0, 1), de manera que es el propio operario el que procede a poner en servicio la máquina o proceso; el LED blanco indica esta acción. En la parte de modos de marcha/paro el operario dispone de un selector de cuatro posiciones (MAN, 0, CaC, AUT). La ordenación de modos en el selector de marcha/paro no es aleatoria. El modo 0 separa el lado izquierdo, en el que se selecciona el control manual humano, de los modos a la derecha de 0, que servirán para seleccionar diversos modos de control automático. En la programación y puesta en marcha de artefactos (robots, máquinas, automatismos) realizada por un operario es importante llevar a cabo un procedimiento típico que difiere de aquellas situaciones en las que el operario es experto y acumula centenares de horas de experiencia con el sistema automatizado. La ingeniería de la usabilidad nos ayuda en este sentido. En primer lugar, el operario realiza algunos pasos o etapas en modo manual. Cuando está seguro de los pasos, realiza el programa o ciclo completo. Es el ejemplo típico de la programación de un nuevo programa en un robot industrial: el operario valida cada movimiento del robot mediante una acción sobre la botonera de control; cuando finaliza la ejecución paso a paso, el operario decide que el robot ya puede realizar el programa completo a velocidad moderada. En la figura A.3 el modo CaC permite que el operario pueda observar el ciclo completo llevado a cabo por el automatismo sobre el proceso y detenerlo al final para proceder a revisiones y cambios. Una vez el operario está seguro del desarrollo del ciclo, puede escoger el modo automático AUT del selector. De ahí que, de izquierda a derecha se haya ordenado los modos en el selector como MAN, CaC y AUT.2 2 Los estereotipos de conducta para interruptores inciden en considerar AUT arriba y MAN abajo, pero en el panel de mando aquí diseñado se ha optado por adaptar los ítems ARRIBA, ABAJO por IZQUIERDA y DERECHA de forma genérica. Para más información, consúltese la nota técnica de prevención NTP n. 226. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Anexo A. Diseño del panel de mando 103 El modo 0 permite al operario detener la máquina en un instante concreto, sin perjuicio del funcionamiento de la misma. La selección de O implicará que se desea parar la máquina al cabo de un instante, en contraste con CaC que significa el paro de la máquina al finalizar el presente ciclo. Las opciones MAN/AUT permiten el paso de control semiautomático a automático, y viceversa. El selector se complementa con un pulsador, de forma que realmente el operario primero selecciona y luego valida su decisión presionando el pulsador, y así evita situaciones accidentales que se podrían dar de manera fortuita. El LED indicador de color verde informa del funcionamiento. En la parte de seguridad se dispone del paro de emergencia y del pulsador de rearme para el reestablecimiento del ciclo. Los LEDS indicadores mostrados informan de un posible fallo de un dispositivo (en este caso, de un sensor o de un actuador) y de una situación de alarma (en la que hay que estar precavidos ante un posible agotamiento de materia prima, por ejemplo). Nótese que los LEDS quedan ordenados de izquierda a derecha como en un semáforo, verde, ámbar, rojo, lo cual facilita que el operario asemeje este escenario a su representación mental, basada en el sentido común, y sea coherente con otras representaciones presentes en la sociedad. La integración de las funcionalidades expresadas en forma de niveles verticales y horizontales, junto a las especificaciones de seguridad en máquinas y las situaciones expresadas en la guía GEMMA, permite el prototipo final del panel de mando. Si el proceso de aplicación de la guía GEMMA es iterativo ello implica que el diseño del panel de mando también puede completarse con algún dispositivo más, tal como se ilustra en el apartado siguiente. Utilización Una vez el panel de mando está definido, se puede hacer una asociación de ideas entre las situaciones presentadas en la guía GEMMA y la intervención del operario sobre el panel de mando. Así, por ejemplo, se va a considerar el panel de mando académico de la figura A.1. Se quiere llevar a cabo una situación típica en la guía GEMMA, que se denomina la marcha por ciclos y paro a fin de ciclo. Sobre el panel didáctico de la figura A.1 el operario dispone el selector MAN/AUT del panel en modo automático y la validación se lleva a cabo sobre el pulsador de marcha MARCHA. Ello permite la transición del estado A1 a F1 en la representación gráfica de la guía GEMMA (figura A.4). Para concretar el paro solicitado a fin de ciclo, se observa que el panel de mando no presenta en el selector la opción CaC. Una posibilidad de llevar a cabo este paro sería utilizar el pulsador RESET para este fin. Para no crear ambigüedades en el uso de este panel de mando se propone una propuesta de mejora con la posibilidad de incluir un pulsador con la finalidad de paro a fin de ciclo CaC. Cabe destacar que el panel de mando comentado puede ser un panel ya diseñado por la casa comercial, y así se suministra al cliente, pero cualquier ingeniero puede adquirir los componentes (caja, etiquetas, pulsadores, selectores, etc.) y generar él mismo un panel de mando a medida. Fig. A.4 Panel de mando académico © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 104 Automatización de procesos mediante la guía GEMMA En la situación de la guía GEMMA denominada marcha de verificación con orden, es habitual que el operario cambie de modo automático a manual y proceda a la verificación de acciones paso a paso. Este caso se ilustra mediante la Figura A.5. En el paso 1-2 el operario pasa de modo automático AUT a manual MAN. En este caso, el pulsador de marcha del panel de mando MARCHA es usado como pulsador de verificación de las etapas del control secuencial, y esta acción del operario es imprescindible para pasar a la etapa siguiente. Obsérvese que en este panel académico el pulsador de marcha ha cambiado de funcionalidad en función de la situación. Este detalle se ha evitado en el panel propuesto en la figura A.3 ya que puede inducir a una mala interpretación de la situación. Para evitar esta duplicidad de finalidades asociadas a un mismo controlador, se propone, por ejemplo, añadir este subpanel opcional (figura 1.6). Fig. A.5 Panel de mando académico En primer lugar, partiendo del panel de control de la figura A.3 el operario selecciona el modo manual y valida su decisión sobre el pulsador. A continuación el operario fija su atención en el subpanel de la figura 1.6. El operario selecciona la verificación en orden/desorden. Obsérvese que el operario debe girar a la izquierda los selectores, el primero para el modo MAN y el segundo para escoger Orden o Desorden, y finalmente validar mediante el pulsador. En la situación de verificación en orden, el operario inspecciona visualmente la situación y dispone de un pulsador para verificar cada una de las etapas del ciclo. En la situación de verificación en desorden, el operario puede accionar cualquier dispositivo en el orden que quiera. Por ejemplo, en la Figura A.6 se representan las acciones sobre dos cilindros neumáticos de doble efecto A (A+ avance, A- retroceso) y B (B+ avance, B- retroceso), junto con sus correspondientes sensores finales de carrera (leds a0, a1, bo, b1 respectivamente). El operario puede accionar cualquiera de ellos de forma autónoma, y recibir información de la posición de los cilindros mediante la información del activado de los LEDS. El problema subyacente en la situación de verificación recogida en la guía GEMMA es que, si la cantidad de dispositivos a accionar por el operario es elevada, entonces el subpanel puede ser complicado de diseñar. Es recomendable analizar, de todo el proceso/máquina, qué actuadores en concreto nos interesan para proceder al modo de verificación. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Anexo A. Diseño del panel de mando 105 Verificación Verificar en verificación O Orden Selector B-B+A-A+ Desorden a1 a0 b1 b0 Fig. A.6 Subpanel de verificación © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Bibliografía 113 Bibliografía Debido a la presentación multidisciplinaria de contenidos de algunos fragmentos del libro, es necesario asignar las referencias a áreas concretas para facilitar una consulta posterior con mayor profundidad. Entre ellas, cabe destacar: ergonomía, supervisión, automatización básica, GRAFCET y GEMMA, y finalmente seguridad. Ergonomía [CAÑA04] CAÑAS, J.J. (2004). Personas y máquinas: el diseño de su interacción desde la ergonomía cognitiva. Pirámide. [MOND96] MONDELO, P.R.; GREGORI, E. (1996). La ergonomía en la ingeniería de sistemas. Editorial ISDEFE, (Monografías Serie Azul sobre Ingeniería de Sistemas, n. 13). [MOND01] MONDELO, P.R. (2001). Ergonomía 3: diseño del lugar de trabajo. Edicions UPC. (Aula Politècnica/ETSEIB). 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