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Fundamentos de automatización. Automatización. Definición: El término automatización se refiere a una amplia variedad de sistemas y procesos que operan con mínima o sin intervención del ser humano. En los más modernos sistemas de automatización, el control de las máquinas y aparatos es realizado por ellas mismas gracias a sensores de control que le permiten percibir cambios en sus alrededores de ciertas condiciones tales como temperatura, presión, caudal, estado on/off etc., sensores los cuales le permiten a la máquina o aparatos realizar los ajustes necesarios para poder compensar cambios en el proceso. Un sistema automatizado consta de dos partes principales:  

Parte de Mando Parte Operativa

La Parte Operativa es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores accionadores de las máquinas máquinas como motores, cilindros, cilindros, compresores compresores y los captadores como fotodiodos, finales de carrera. La Parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque en algunos casos se sigue utilizando relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado. La automatización en los procesos Industriales, se basa en la capacidad para controlar la información necesaria en el proceso productivo, mediante la ex ex ancle ancle de mecanismos de medición y evaluación de las normas de producción. A través de diversos instrumentos controlados por la información suministrada por la computadora, se regula el funcionamiento de las máquinas u otros elementos que operan el proceso. En concreto, este sistema funciona básicamente de la siguiente manera: mediante la utilización de captadores o sensores (que son esencialmente instrumentos de medición, como termómetros o barómetros), se recibe la información sobra el funcionamiento de las variables que deben ser controladas (temperatura, presión, velocidad, espesor o cualquier otra que pueda cuantificarse), esta información se convierte en una señal, que es comparada por medio de la computadora con la norma, consigna, o valor deseado para determinada variable. Si esta señal no concuerda con la norma de Inmediato se genere una señal de control (que es esencialmente una nueva Instrucción), por la que se acciona un actuador o ejecutante (que generalmente son válvulas y motores), el que convierte la señal de control en una acción sobre ING. RASH

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el proceso de producción capaz de alterar la señal original imprimiéndole el valor o la dirección deseada. En la práctica, la automatización de la industria alcanza diferentes niveles y grados ya que la posibilidad concrete de su implementación en los procesos de fabricación industrial varia considerablemente según se trate de procesos de producción continua o en serie. En efecto, en el primer caso, el primer caso, el conducto es el resultado de una serie de operaciones secuenciales, predeterminadas en su orden, poco numerosas, y que requieren su Integración en un flujo continuo de producción. Los principales aportes de la microelectrónica a este tipo de automatización son los mecanismos de control de las diversas fases o etapas productivas y la creciente capacidad de control integrado de todo el proceso productivo. Por su parte, la producción en serle está formada por diversas operaciones productivas, generalmente paralelas entre sí o realizadas en diferentes períodos de tiempos o sitios de trabajo, lo que ha dificultado la integración de líneas de producción automatización. Desde mediados de los años setenta las posibilidades de automatización integrada han aumentado rápidamente gracias a los adelantos en la robótica, en las máquinas herramienta de control numérico, en los sistemas flexibles de producción, y en el diseño y manufactura asistidos por computadora (CAD/CAM).

Evolución de la automatización. Para automatizar un proceso podemos usar cualquier sistema que nos permita actuar sobre las salidas a controlar. A lo largo de la historia ha habido diversas formas de implantación de los automatismos industriales.       

La lógica cableada (o electromecánica) La lógica neumática La lógica estática discreta La lógica estática integrada La lógica estática programada El ordenador de proceso El autómata programable industrial

La lógica cableada (o electromecánica) La lógica cableada fue la primera que se usó y la de más gran difusión pues la mayoría de los automatismos se han hecho de esta manera. Consiste en interconectar relés con los elementos de entrada y salida para que, a base de conexiones en serie y en paralelo de elementos, al final se obtenga el automatismo deseado. Se dispone de diversos elementos: relés de conmutación, contactores, relés de funciones lógicas, temporizadores, relés de control, etc. Este tipo de automatismo tiene el inconveniente del gran volumen ocupado por el automatismo. Ciertamente, las dimensiones de un relé son importantes y las funciones que permite hacer son pocas (enclavamiento, negación). Esto hace que se intente reducir al máximo su número de manera que los esquemas de conexionado se vuelven difíciles de interpretar. Cuando los automatismos se complican los esquemas son realizados de forma ING. RASH

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intuitiva. La modificación de un automatismo pasa a menudo por desmontar una buena parte y cablearlo de nuevo. Además, a causa de la presencia de contactos móviles, necesitan un mantenimiento importante. En caso de automatismos sencillos esta solución continúa teniendo ventajas ya que la lógica cableada es la única que no requiere forzosamente un cambio de los niveles de tensión entre el automatismo y los elementos a controlar. En cualquier caso las representaciones a base de relés todavía son la forma de representar un automatismo más familiar del personal de mantenimiento, lo cual hace que los autómatas programables usen un lenguaje de programación a base de diagramas de r elés. La lógica neumática Se basa en usar aire comprimido y diversos tipos de elementos: válvulas distribuidoras, detectores, pulsadores y pilotos neumáticos, válvulas biestables, cilindros neumáticos, válvulas de funciones lógicas, etc. Tiene la ventaja de que no se ve afectada por las interferencias electromagnéticas pero necesita mucho espacio y crea un ruido importante; además, es necesario un compresor. La distribución del aire comprimido es más compleja que la de la energía eléctrica a causa del diámetro de los tubos y del radio mínimo de curvatura. Necesita un mantenimiento importante. La lógica neumática resulta interesante cuando se trata de automatismos sencillos que actúan sobre accionamientos neumáticos. En caso de que se requiera una potencia o precisión mayor puede usarse la hidráulica. La lógica estática discreta Poco después de la aparición de los transistores se empezaron a usar circuitos electrónicos para realizar las funciones. Los diseñadores montaban circuitos con resistencias, transistores y diodos a fin de controlar los automatismos. Este método tenía el inconveniente de que era preciso un cambio de niveles de tensión entre la potencia y la lógica pero en circuitos complejos significaba una importante reducción de volumen; además, el uso de componentes estáticos disminuía los problemas de mantto. ya que no había ningún contacto móvil que se pudiese desgastar; esto les permitía también una mayor velocidad de respuesta. Las puertas lógicas aparecieron para simplificar el montaje ya que se podían conectar directamente las entradas de una a la salida de otra sin tomar ningún tipo de precaución. Inicialmente no eran más que cajas de plástico con un cierto número de patas que contenían un circuito impreso con resistencias, diodos y transistores. La lógica estática integrada Con la aparición de los circuitos integrados las antiguas puertas con circuitos compactos se substituyeron por circuitos integrados con una mayor reducción de volumen. Con el tiempo la mayor parte de la lógica se redujo a dos familias: la TTL (a 5 volts) y la CMOS (habitualmente a 12 volts). ING. RASH

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Se pueden encontrar circuitos integrados con las principales funciones: puertas lógicas, biestables, temporizadores, contadores, selectores, decodificadores, etc. Con la ventaja de que el volumen ocupado es menor que en todos los casos anteriores. Presenta dos inconvenientes importantes, por un lado la necesidad de un cambio de niveles de tensión y por otro la imposibilidad de modificación; si es necesario hacer un cambio en el automatismo hay que tirar el circuito impreso y hacer uno nuevo. La lógica estática programada La lógica estática permite compactar mucho los circuitos pero tiene el inconveniente, como ya hemos visto, de la gran dificultad de modificación. Para solucionar los problemas de la lógica estática (y de la lógica cableada) se usan los sistemas basados en microprocesador que permiten una mayor reducción del circuito electrónico y que sea programable; de esta forma la modificación de las relaciones lógicas es relativamente sencilla. Continúa presentando el inconveniente de la dificultad de modificación dado que añadir una entrada o una salida adicional implicará confeccionar un nuevo circuito impreso. El ordenador de proceso Como mejora de los sistemas basados en microprocesador aparece el ordenador de proceso, parecido al ordenador de gestión pero preparado para funcionar en ambiente industrial y equipado con entradas y salidas. Presenta la ventaja adicional de estar capacitado para realizar cálculos complejos. Tiene un inconveniente importante derivado del hecho de necesitar personal informático pero con conocimientos de automatización industrial y del proceso que se quiere automatizar para su programación. El autómata programable industrial Ante esta problemática aparecieron los autómatas programables (o PLC, Programable Logic Controller , controlador lógico programable. Inicialmente se concibieron como circuitos electrónicos basados un microprocesador que tenían que funcionar como una lógica estática pero de manera que las funciones a realizar fuesen programadas y, por tanto, fácilmente modificables. A fin de que la programación y el mantenimiento fuesen posibles sin una formación informática del personal, la inmensa mayoría de los equipos permitían una programación a base de reproducir un diagrama de relés.

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Máquinas de regulación automática. La regulación automática es una rama de la ingeniería que se ocupa del control de un proceso en un estado determinado; por ejemplo, mantener la temperatura de una calefacción, el rumbo de un avión o la velocidad de un automóvil en un valor establecido. Los sistemas de control tienen como objetivo gobernar la respuesta de un sistema sin que el operador intervenga directamente sobre sus elementos de salida. Dicho operador manipula únicamente las magnitudes denominadas de consigna, y el sistema de control se encarga de gobernar dicha salida a través de los accionamientos. El concepto lleva de alguna forma implícito que el sistema de control opera en general con magnitudes de baja potencia llamadas genéricamente señales y gobierna unos accionamientos que son lo que realmente modulan la potencia entregada al proceso. Según la definición anterior el conjunto de sistema de control y accionamientos se limitara a ser un convertidor amplificador de potencia que ejecuta las órdenes dadas a través de las magnitudes de consigna. Este tipo de sistema de control se denomina en lazo abierto por el hecho que no recibe ningún tipo de información del comportamiento del proceso. Lo habitual sin embargo es que el sistema de control se encargue de la toma de ciertas decisiones ante determinados comportamientos del proceso, hablándose entonces de sistemas automáticos de control. Para ello se requiere la existencia de unos sensores que detecten el comportamiento de dicho proceso y de unas interfaces para adaptar las señales de los sensores a las entradas del sistema de control. Este tipo de sistema se le denomina en lazo cerrado, ya que su diagrama muestra claramente una estructura con una cadena directa y un retorno o realimentación, formando un lazo de control. El sistema de control se divide en los siguientes bloques:    

Unidad de control Accionamientos Sensores Interfaces

El papel de PLC dentro del sistema de control es el de unidad de control, aunque suele incluir también las interfaces con las señales de proceso. Al conjunto de señales de consigna y de realimentación que entran a la unidad de control se les denomina genéricamente entradas y al conjunto de señales de control obtenidas salidas. Sistemas de control analógicos y digitales. Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso, los sistemas de control pueden dividirse en los siguientes grupos: ING. RASH

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Sistemas analógicos Sistemas digitales Sistemas híbridos analógicos-digitales

Los sistemas analógicos trabajan con señales de tipo continuo, con un marguen de variación determinado. Dichas señales suelen representar magnitudes físicas del proceso tales como presión, temperatura, velocidad, etc. Mediante una tensión o corriente proporcionales a su valor (0-10 volts 4-20 mili amperes, etc). Los sistemas digitales en cambio trabajan con señales todo o nada, llamadas también binarias que solo puede presentar dos estados o niveles: abierto o cerrado, conduce o no conduce, etc. Estos niveles o estados se suelen representar por variables lógicas o bits cuyo valor solo puede ser uno o cero empleando la notación binaria del algebra de boole. Dentro de los sistemas digitales cabe distinguir dos grupos: Los que trabajan con variables de un solo bit denominados habitualmente automatismos lógicos y aquellos que procesan señales de varios bits para representar, por ejemplo valores numéricos de variables o contenido de temporizadores, contadores etc. A estos últimos se les denomina genéricamente automatismos digitales. Los sistemas de control actuales con cierto grado de complejidad y en particular los autómatas son casi siempre híbridos, es decir sistemas que procesan a la vez señales analógicas y digitales. No obstante se tiende a que la unidad de control sea totalmente digital y basada en un microprocesador que aporta la capacidad de cálculo necesaria para tratar las señales todo/nada en forma de bits y las señales analógica numéricamente. Dado que muchos de los sensores habitualmente empleados suministran señales de tipo analógico, las interfaces de estas señales deben de realizar una conversión analógico-numérica, llamada habitualmente conversión analógico-digital(A/D), para que puedan ser tratadas por la unidad de control. Puedes ser necesario también disponer de señales analógicas de salida para ciertos indicadores o para el control de ciertos servosistemas externos. En tal caso el sistema de control debe disponer también de interfaces para la conversión digital- analógica (D/A), capaces de suministra dichas señales a partir de los valores numéricos obtenidos por la unidad de control.

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