Читать книгу Montaje y puesta en marcha de sistemas robóticos y sistemas de visión, en bienes de equipo y maquinaria industrial. FMEE0208 - José Luis Pardo Alonso - Страница 6
Оглавление| Capítulo 1 Tecnologías de la automatización |
1. Introducción
En el campo de la producción industrial, la automatización se ha convertido en una herramienta de trabajo necesaria e indispensable para optimizar los procesos productivos y aumentar la competitividad. Por tanto, la automatización no tiene otra misión que la de lograr un valor añadido en los productos manufacturados, variando sus características y llevando a cabo una transformación de materias o bienes hasta llegar a un producto acabado.
La Automatización Industrial fue un término acuñado por un ingeniero de la Ford Motor Company, que se utiliza para describir una amplia variedad de sistemas en los que existe una sustitución en un proceso del operador humano, su esfuerzo e inteligencia, por dispositivos eléctricos, mecánicos, neumáticos, informáticos, etc.
En términos generales, la automatización se puede definir como una tecnología referida a procesos controlados por medio de instrucciones programadas, junto a sistemas de control retroalimentados capaces de realizar ciclos más o menos complejos de operaciones que se repiten para garantizar la correcta ejecución de dichos procesos; que se sintetiza en la expresión: “the sulting system is capable of operating without human intervention” -el sistema resultante es capaz de funcionar sin intervención humana-.
2. Aportaciones de la automatización
¿Qué nos aporta la automatización? ¿Cuáles son las principales ventajas que aporta la aplicación de la automatización a un proceso? Las ventajas son innumerables, aunque se pueden destacar algunas:
Aporta una mayor eficiencia y calidad en los trabajos realizados, con una mayor homogeneidad de resultados y con una disminución de piezas defectuosas.
Logra el reemplazo de operadores humanos en tareas repetitivas, de alto riesgo o que se encuentran fuera de sus posibilidades y capacidades, como levantar cargas pesadas, trabajos en ambientes extremos o insalubres o realizar tareas que necesiten manejo de una alta precisión.
Se consigue un incremento de la producción. Al mantener la línea de producción automatizada, las demoras del proceso son mínimas, no hay agotamiento o desconcentración en las tareas repetitivas y el tiempo de ejecución se disminuye considerablemente según el proceso.
Integración con los sistemas empresariales, incrementando la competitividad y la productividad.
Por tanto, podemos decir que la automatización de procesos tiene ventajas que nuestra sociedad no ha podido ignorar ni rechazar. Ninguna empresa de éxito toma a la ligera la automatización de sus procesos para reducir tiempos, aumentar la calidad de los productos o para realizar tareas complejas más o menos repetitivas. El empleo de la automatización hace nuestras industrias más competitivas, más eficaces, más flexibles y más adaptadas a las exigencias de un entorno cada vez más exigente.
Representación gráfica de una línea de embalaje. Existe una línea de entrada de cartones (para componer las cajas) y otra de productos, y como resultado, los productos son embalados.
| Recuerde |
La automatización ha contribuido en gran medida al incremento de la calidad de vida dentro de los países industrializados. Los trabajadores gozan de más tiempo libre y de mejores salarios al desempeñar puestos más especializados. La automatización ha permitido incrementar la producción y reducir los costes, poniendo automóviles, electrodomésticos, herramientas, etc., al alcance de la mano, a precios muy asequibles.
3. Historia de la automatización
Antes de comenzar hagamos un poco de historia y descubramos cómo ha evolucionado la automatización hasta nuestros días. La automatización no es ninguna novedad, ni nada futurista. La automatización, tal y como la definimos anteriormente, no es más que la acción de facilitar la realización de tareas cotidianas más o menos repetitivas por medio de sistemas eléctricos, mecánicos, hidráulicos, etc.
Por tanto, el hombre comenzó a crear máquinas y artefactos destinados a tal fin desde tiempos inmemoriales. Pero no todos los artefactos que el hombre fabricaba tenían una utilidad, muchas de estas máquinas no eran más que juguetes que servían para entretener a sus dueños y asombrar a los que les rodeaban.
Los hombres siempre se han sentido fascinados por las máquinas que imitaban movimientos o actos de los seres vivos. Han sido una constante desde la antigüedad, e incluso algunos ya fueron descritos en la mitología clásica egipcia, griega y oriental.
| Sabía que... |
Los primeros autómatas se remontan a los antiguos egipcios. Existe constancia de una estatua de Osiris que despedía fuego por los ojos. Otras poseían brazos mecánicos operados por los sacerdotes del templo.
El pueblo griego aporto grandes avances a la automática con inventos tales como la eliopila, precursora de la turbina de vapor, fabricada por Herón de Alejandría, quien también recopiló datos de las aportaciones a la automática que se realizaron con anterioridad a él. Pero, sin duda, los árabes fueron los maestros indiscutibles de la construcción de autómatas, y ejemplos clave de sus aportaciones son el invento del reloj mecánico o de complejos sistemas dispensadores de agua para beber.
La Edad Media y el Renacimiento también supusieron una importante época de creación de autómatas, como fue el caso del hombre de hierro de Alberto Magno (1206-1282), o de Al-Jazari, uno de los más grandes ingenieros de la historia, quien, entre otras cosas, inventó un autómata con forma humana capaz de servir distintos tipos de bebida. Uno de los más famosos casos de creación de un autómata humano, pero también donde es más difícil separar la historia de la ficción, es la historia de René Descartes (1596-1650) y su hija autómata.
La época de esplendor de los autómatas llegó en el siglo XVIII, cuando los importantes avances en materia de relojería logran los mejores y más perfectos autómatas de la historia. Su desarrollo, dominado por el carácter científico, ponía de relieve la obsesión por intentar reproducir lo más fielmente posible los movimientos y comportamientos de los seres vivos. Ejemplos notables son las aportaciones del relojero suizo Jacques De Vaucanson, quien construyó en 1739 el primer autómata capaz de hacer la digestión (pato de Vaucanson), o las fabricaciones de diversos muñecos capaces de escribir, dibujar, hablar o interpretar melodías.
Pato de Vaucanson. Era capaz de moverse, nadar, aletear y alisarse las plumas con el pico. También podía hacer la digestión. Creación del relojero suizo Jacques De Vaucanson (París, 1738).
Unas de las mayores atracciones de la época llegaron a ser los autómatas jugadores de ajedrez. El caso más conocido fue ‘El Truco’, que estaba formado por una mesa donde estaba colocado un maniquí con forma humana y vestido con ropajes árabes, que llegó a derrotar al mismísimo Napoleón Bonaparte. El invento fue paseado y exhibido principalmente por toda Europa desde 1769 hasta 1845, hasta que desapareció en el gran incendio de Filadelfia.
Representación de un autómata jugador de ajedrez
Es ya a finales del siglo XVIII y principios del XIX cuando se produce el gran salto, y se introdujo la automatización para procesos industriales, principalmente en la industria textil, donde fueron apareciendo varios tipos de hiladoras y de telares automatizados. Joseph Marie Jacquard fue un inventor francés conocido por automatizar, mediante el uso de tarjetas perforadas, el llamado telar de Jacquard. Este telar, gracias a la tarjeta perforada, iba situando los hilos de forma automática.
| Importante |
Podemos considerar las tarjetas perforadas como el primer sistema de control programado, en el que se basaría años después el método de programación de los primeros ordenadores.
Tras la industria textil, fueron la industria minera y la siderúrgica las que se incorporan a esta nueva fiebre de la automatización. El siguiente paso fue la incorporación a muchas máquinas de programadores cíclicos, que definían la secuencia de operaciones. A partir de este punto el desarrollo es impresionante y exponencial.
A comienzos del siglo XIX, Jacquard inventó el primer telar automático.
4. Tecnologías de la automatización
La automatización tiene como principal objetivo incrementar la competitividad de la industria, por lo que requiere de la utilización de tecnologías destinadas a tal fin. Es por ello que es necesario que toda persona relacionada con la producción industrial tenga conocimiento de dichas tecnologías, que se fundamentan en una creciente integración e interacción entre la mecánica, la electrónica y la informática como campos fundamentales. Veamos algunas de ellas:
Automatización basada en tecnología mecánica.
Automatización basada en tecnología neumática.
Automatización basada en tecnología hidráulica.
Automatización basada en tecnología eléctrica.
Automatización basada en tecnología electrónica.
Tecnología mecánica
La automatización con base en tecnologías mecánicas es la más antigua desarrollada por el hombre, y la base de la automatización de procesos. Se caracteriza por la enorme complejidad de componentes (ruedas dentadas, piñones, poleas, palancas, etc.), con un escaso poder de flexibilidad ante variaciones del proceso.
| Importante |
La automatización que usa tecnologías mecánicas es la más antigua y a su vez la que tiene más escaso poder de flexibilidad ante variaciones del proceso.
Tecnología neumática
La automatización con base de tecnología neumática permite el empleo de aire comprimido como fuente energética para el movimiento de dispositivos. La tecnología neumática cuenta en el mercado con una amplia gama de productos y dispositivos que permiten su utilización a bajo coste en multitud de procesos industriales.
El aire comprimido es una de las mayores fuentes de energía utilizadas con múltiples ventajas, dado que es segura, adaptable, limpia, económica, fácil de transportar y capaz de generar grandes esfuerzos. El empleo de la neumática está muy extendido en un gran número de industrias debido a que en ocasiones son insustituibles por otros medios energéticos.
Tecnología hidráulica
La automatización que usa tecnologías hidráulicas al basarse en un fluido al igual que las tecnologías neumáticas comparte muchos puntos en común con esta. La tecnología hidráulica se ha venido convirtiendo en una herramienta cada vez más importante para los diseñadores de máquinas o profesionales del ramo.
Las aplicaciones hidráulicas son las que mayores esfuerzos son capaces de generar, por lo que su aplicación en procesos pesados a nivel industrial permite el accionamiento de sistemas y mecanismos que sería imposible llevar a cabo con otras tecnologías. Por el contrario, se trata de una tecnología más lenta que la neumática.
Tecnología eléctrica
La automatización en base a tecnologías eléctricas se basa fundamentalmente en el empleo de elementos tales como relés y contactores. La interconexión de dichos elementos se efectúa mediante lógica cableada, que implementa los sistemas de control que regulan el proceso. El empleo de esta tecnología procede cuando el sistema responde a ecuaciones de control sencillas dentro de sistemas combinacionales o secuenciales.
Los relés actúan como elementos intermediarios para activar o desactivar un circuito o máquina en función de una señal eléctrica externa. Son elementos que basan su funcionamiento en una bobina que excita un conjunto magnético que activa o desactiva unos contactos. Los contactores por el contrario son la equivalencia de los relés pero mucho más robustos y que soportan aplicaciones industriales más exigentes.
Tecnología electrónica
Es la base actual de las tecnologías de automatización. Presentan la principal diferencia en que no responden, a diferencia del resto de tecnologías, a una lógica cableada, sino que se basan en una lógica programada. Encontramos elementos tales como los PLC’s (Controlador Lógico Programable), el cual es un elemento de control que trabaja de manera muy similar a como lo hacen los ordenadores personales (PC), y que cuenta con un sistema operativo que es transparente al usuario. Mediante la programación del PLC se establece la manera de interactuar y, además, se sabe con qué dispositivos periféricos se cuenta para poder realizar las acciones de control de un proceso productivo.
Un sistema automatizado no suele estar construido en base a una única tecnología. Habitualmente se presentan tecnologías complementarias para el correcto funcionamiento del automatismo.
Pensemos por ejemplo en un ascensor hidráulico: el automatismo principal es el sistema hidráulico, pero no hay duda que el sistema presenta tecnología electrónica (control del sistema), tecnología mecánica (sistemas de guías y rieles), tecnología eléctrica cableada (sistema de seguridad), etc.
Antes de concluir, deberíamos hacer especial mención a los procesos de comunicación y de programación en la automatización, que cada vez juegan un papel más importante en el desarrollo industrial, automatizando procesos de manera avanzada y vanguardista.
Tecnologías de comunicación industrial. En un proceso industrial es común la presencia de multitud de dispositivos (robots, manipuladores, sistemas de visión, sistemas de transporte, autómatas, actuadores, dispositivos electromecánicos, etc.). Todos estos dispositivos deben trabajar bajo un objetivo común de producción y de manera interconectada. En ocasiones son como ‘islas’ que necesitan una intercomunicación con su entorno. Las redes y los protocolos de comunicación industrial son elementos indispensables para realizar un enlace entre los distintos elementos que conforman el proceso. La integración de las islas automatizadas suele llevarse a cabo distribuyendo las tareas entre distintos procesadores interrelacionados jerárquicamente.
Tecnología de Software: Las tareas de programación y software son importantes para aquellos dispositivos que requieren ser programados (automatización programable), frente a los dispositivos de funcionamiento fijo (automatización fija). La tecnología del software puede aplicarse también a procesos de supervisión y control de los procesos industriales (sistemas SCADA) o en procesos que requieran simularse antes de su implementación real.
Colección de varios dispositivos pertenecientes a tecnologías de automatización. De izquierda a derecha encontramos: dispositivos de señalización eléctrica (lámparas roja, verde y amarilla), un autómata S300 y módulos de ampliación, un contactor eléctrico, un detector inductivo, un brazo robótico con pinzas de precisión, un sensor de temperatura, un actuador neumático y un cilindro hidráulico.
| Recuerde |
Para darse cuenta de la gran complejidad de las tecnologías de automatización hay que pensar en las temáticas involucradas en el proceso de desarrollo de la moderna fábrica automática: mecánica y electromecánica, electrotecnia y electrónica, neumática y electroneumática, oleohidráulica, transductores y controles de procesos, accionamientos eléctricos, controladores lógicos programables (PLC), redes de comunicación industrial, robótica e informática industrial.
| Aplicación práctica |
Preste un poco de atención a su alrededor. Está rodeado de automatismos que responden a distintas tecnologías: climatización de un local, reloj de pulsera, sistema de apertura y cierre de las puertas de un autobús, escaleras mecánicas, contactor del motor eléctrico de un pozo, caja de música de un joyero, semáforos, puerta automática, etc.
Utilizando estos ejemplos de automatismos que le rodean en su vida diaria, clasifíquelos según el tipo de tecnología de automatización principal.
SOLUCIÓN
Tecnología mecánica: un reloj de pulsera y una caja de música de un joyero.
Tecnología neumática: sistema de apertura y cierre de puertas de un autobús.
Tecnología hidráulica: la pala de una excavadora y sistemas de riego.
Tecnología eléctrica: el contactor del motor eléctrico de un pozo.
Tecnología electrónica: un cruce de semáforos y una puerta automática.
Existen sistemas automatizados que comparten muchas tecnologías y donde ninguna resalta sobre el resto. Son tecnologías mixtas y suponen la mayoría de los procesos automatizados, como son, por ejemplo, el caso de una escalera automática, donde el control, sensores y motores se basan en tecnología eléctrica y electrónica y el mecanismo de desplazamiento de los escalones se fundamenta en tecnología mecánica; o el caso de la climatización de un local, donde contamos con un control electrónico y con dispositivos neumáticos en el condensador y el evaporador.
5. Topología de las líneas automáticas
La topología se encarga del estudio de características distintas de las métricas, es decir, se interesa por propiedades como la proximidad, trayectorias, nodos intermedios, número de agujeros, tipo de textura, comparar y clasificar objetos, etc. Curiosamente se trata de dar soluciones matemáticas a problemas que extrañamente no se fundamentan en longitudes o ángulos; pero eso sí, estrechamente relacionados con la posición de los objetos.
Un ejemplo clarificador es el plano del metro de Madrid. Observemos un plano del mismo. En él aparecen representadas las estaciones y las líneas de metro que las unen, pero no es geométricamente exacto. La curvatura de las líneas de metro no coinciden, ni sus longitudes están a escala, ni la posición relativa de las estaciones; pero aun así es un plano perfectamente útil. Sin embargo, este plano es exacto en cierto sentido pues representa fielmente cierto tipo de información, la única que necesitamos para decidir nuestro camino por la red de metro: información topológica.
Plano del metro de Madrid, ejemplo de información topológica
| Definición |
Topología
Es una rama de las matemáticas que trata la continuidad y otros conceptos más generales originados a partir de ella, como las propiedades de las figuras con independencia de su tamaño o forma.
Por tanto, la topología dentro del campo de las líneas automáticas viene referida a dos facetas fundamentales: por un lado nos define la disposición e interrelación entre elementos que componen el proceso automático de producción de un bien; y por otro a la topología de redes que intercomunican dichos equipos automáticos que se encargan de la producción.
Como topología de producción podemos intuir que un sistema básico de producción puede ser representado por una caja negra, donde el material en bruto se convierte en un producto final o elaborado. Por lo tanto tendremos una serie de entradas (material, energía, trabajo y tecnología) y una serie de salidas (producto, desechos y basura), relacionadas por el propio sistema de fabricación e influidas por una serie de decisiones y perturbaciones.
Pero internamente los sistemas productivos son muy complejos y diversos. Las conexiones que existen dentro de un sistema de producción automatizado, entre distintas celdas de fabricación o entre elementos dentro de la misma celda de fabricación, hacen de la topología complejos sistemas difícilmente clasificables.
A la hora de automatizar un proceso industrial hay que tener muy en cuenta el tipo de producto que se fabrica. Este puede pertenecer a:
Un proceso continuo: el producto está continuamente entrando por un extremo y saliendo por el otro. No se puede discretizar.
Un proceso discontinuo o por lotes: se recibe un número determinado de piezas de entrada para ejecutar el proceso que genere el producto acabado.
Un proceso discreto: el producto de salida se obtiene tras una serie de operaciones. Se trata de una pieza independiente.
Con el paso de un sistema de producción tradicional y artesanal a líneas de producción automatizadas se pretende la fabricación masiva y estandarizada de bienes que requieren varias operaciones. Así pues, cada operación se realizará en una estación de trabajo.
| Importante |
Las líneas de producción automatizadas surgen para lograr una fabricación masiva y estandarizada de bienes que requieren varias operaciones.
Estas estaciones de trabajo están integradas dentro de un sistema de transporte que comunica cada estación de trabajo para formar una cadena de producción automatizada (ejemplos típicos de interconexión serán cintas transportadoras, tornillos sin fin, bandas, etc.). La disposición y ubicación e interconexión es lo que entenderemos como topología de líneas de producción automatizadas.
Por lo tanto podemos decir que una línea de producción automática es el conjunto armonizado de diversos subsistemas como son: neumáticos, hidráulicos, mecánicos, electrónicos, software, etc. Todos estos con una finalidad en común: transformar o integrar materia prima en otros productos.
Para una buena conformación de líneas de producción automáticas estas deben de formar parte del proceso de producción industrial propiamente dicho:
Recepción de materias primas.
Intervención de los procesos automatizados y de la mano de obra requerida para la transformación de la materia prima en bienes manufacturados.
Etapa de inspección, pruebas y control de calidad.
Almacenamiento.
Transporte y distribución.
Los equipos y procesos automatizados pueden presentarse en cualquiera de estos eslabones. El que una empresa emplee o haga uso en mayor o menor medida de procesos automatizados dependerá de muchos factores, pero de lo que no hay duda es de su importancia en nuestros actuales sistemas de producción.
Línea de producción que transforma una barra de aluminio extruido en un marco de forma completamente automática
Normalmente las líneas automatizadas consisten en varias estaciones de trabajo ligadas entre sí por un sistema de transporte o desplazamiento, que se encarga de mover partes o piezas de una estación a otra.
Cada una de las piezas a procesar entra por un extremo de la línea y sale por el otro extremo, y el proceso se va realizando secuencialmente conforme la pieza va pasando de una estación a otra. Una línea puede tener estaciones de inspección para revisar la calidad de las piezas y también se puede poner una estación de trabajo manual para realizar ciertas operaciones que sean difíciles o poco económicas de automatizar.
| Importante |
Aunque en una línea de producción se utilicen estaciones de trabajo automatizadas también se pueden usar manuales para operaciones difíciles o poco económicas de automatizar.
Topología de producción con sistemas automatizados
La disposición en planta nos muestra el reordenamiento de los dispositivos, maquinaria e instalaciones de producción. Se pueden distinguir tres tipos de disposiciones en planta asociados con sistemas de producción automatizados:
En línea.
En línea divida en segmentos.
Rotacional o circular.
Disposición en línea (permite giros de 90º)
Consiste en disponer las estaciones que componen la línea de producción en línea recta, situando una estación a continuación de otra. Esta configuración o topología es ideal para el trabajo con objetos grandes, tales como vehículos, grandes motores, electrodomésticos, etc. El procesado de estos objetos requiere normalmente de gran número de operaciones, por lo que suelen estar compuestas por gran número de estaciones.
Disposición en línea dividida en segmentos
Esta disposición consiste en dos o más secciones de configuraciones en línea para realizar la operación. Generalmente los segmentos son perpendiculares entre sí (pueden presentarse en forma de ‘U’, de ‘L’, de ‘S’, forma cuadrada, etc.). Este tipo de disposición puede disminuir el tamaño ocupado por la línea de producción y permite que gracias a la reorientación del objeto se presenten varias superficies para trabajar la pieza.
| Recuerde |
Existen distintas topologías de sistemas de producción y distintas topologías en cuanto al movimiento de las piezas entre estaciones. Estas son a grandes rasgos: mecanismos de transferencia lineal y mecanismos de transferencia rotacional.
Disposición rotacional o circular
En este tipo de disposición las estaciones de trabajo están colocadas en forma circular, de modo que las piezas que se van a procesar se depositan sobre el dial, y este gira de modo que se hace coincidir la pieza con la siguiente estación. Así se logra pasar de una estación a la siguiente hasta completar el proceso. Estas topologías se utilizan en pequeños procesos productivos, con pocos pasos y pequeñas piezas. El sistema posee la ventaja de empleo de menores tiempos en transporte, puesto que todas las tareas y procesos se agrupan en torno a la pieza, además de que se ahorra mucho espacio. Son sistemas ampliamente utilizados para su aplicación en entornos robotizados, pero presentan poca flexibilidad.
Pero, ¿son estas las únicas disposiciones en planta existentes?; ¿cuál es la que mejor se adapta a sistemas automatizados?; y ¿por qué estas topologías de distribución han tenido éxito en determinados procesos productivos y no en otros?
Estos son algunos de los ejemplos más habituales de montajes para producción automatizada, pero la realidad nos dice otra cosa, y es que cada factoría es un mundo y que cada proceso productivo es distinto de los demás. Lo que sí hay que tener claro es que una correcta topología en nuestro proceso productivo nos aportará enormes ventajas competitivas y permitirá diferenciarnos de nuestra competencia.
La idea básica del diseño de una línea de montaje consiste en dividir el conjunto de tareas necesarias para llevar a cabo el proceso de fabricación en tareas de menor entidad o tamaño. Tareas sencillas, de modo que el producto pueda ser montado de una manera rápida, estructurada, metodológica y cómoda. Para ello, el producto es guiado y transportado a lo largo de las estaciones o puestos de montaje, en los que se les aplicarán las modificaciones y operaciones pertinentes hasta conseguir el producto acabado.
| Recuerde |
Se denomina automatización ‘tipo Detroit’ a aquella que se emplea para mecanizar grandes bloques (como por ejemplo motores), normalmente de forma lineal. Recibe su nombre debido a su asociación con la industria del automóvil, y más concretamente por su extensa aplicación en las líneas de producción de Ford.
6. Configuración y funciones de las líneas automáticas
El estudio de la topología de líneas automáticas nos ha aportado disposiciones y situaciones relativas típicas de los distintos equipos dentro de la industria con este tipo de sistemas. Es el momento de estudiar con más detalle sus configuraciones internas y las funciones que desempeñan cada uno de los elementos que las componen.
6.1. Configuración interna de las líneas automáticas
Las líneas de producción automáticas están formadas por distintos tipos de máquinas que trabajan en conjunto y están destinadas a la producción de un tipo de elemento o producto. Este elemento va pasando por cada una de las máquinas hasta que finaliza su proceso de fabricación. Las máquinas automáticas están localizadas en contigüidad inmediata, una detrás de otra, en las que los objetos a manufacturar circulan continuamente a una velocidad adecuada y que permiten la ejecución total de procesos hasta que quedan terminados. Por eso las líneas de producción son extensas y complejas.
Las líneas automáticas de producción son aquellas que realizan un proceso de manufactura de un bien, aportándole un valor añadido. Pero, ¿qué partes fundamentales pueden distinguirse en dichos conjuntos?; ¿qué elementos interactúan con el entorno?; ¿qué elementos controlan a estos interactuadores?; y ¿cómo se encuentran vinculados entre sí estos elementos?
Las líneas automáticas estarán constituidas por una serie de elementos que definiremos a continuación y que es conveniente tener claro su papel dentro del sistema automatizado, sus interconexiones y sus funciones.
Sensores (o captadores)
Son dispositivos físicos que miden cantidades físicas, tales como distancia, luz, sonido, olor, temperatura, etc. El objetivo de los sensores es permitir que las líneas automáticas puedan recibir y percibir información desde el mundo que las rodea. Su función es similar a la de nuestros sentidos, con los cuales logramos poder interactuar con nuestro medio.
| Sabía que... |
Los sensores son los ojos del sistema de control, que le permiten ver qué está pasando. De hecho, algo que suele decirse en control es: “Si se puede medir, se puede controlar”.
Transductores
Son una serie de dispositivos que convierten señales desde un medio físico a otra señal equivalente que tiene una diferente forma física. La señal de origen y destino pueden ser de tipo mecánico, magnético, eléctrico, óptico, químico, etc. Los transductores pueden modificar (ampliar o reducir) o conservar la energía.
Actuadores
Son los mecanismos que permiten al efector ejecutar una acción e interactuar con el medio. Ejemplos de actuadores de sistemas automatizados son motores eléctricos (servomotores, de paso, de corriente continua, etc), cilindros neumáticos, cilindros hidráulicos, etc. Fundamentalmente podemos distinguir dos tipos de actuadores:
Actuadores tipo pinzas (grippers). Se utilizan para agarrar un objeto, normalmente la pieza de trabajo, y sujetarlo durante el ciclo de trabajo del sistema automático. Hay una diversidad de métodos de sujeción que pueden utilizarse, además de los métodos mecánicos obvios de agarre de la pieza entre dos o más dedos. Estos métodos suplementarios incluyen el empleo de imanes, ganchos, cucharas, mordazas o casquetes de sujeción.
Actuadores tipo herramientas. Se utilizan como actuadores finales en aplicaciones en donde se exige al sistema automatizado realizar alguna operación sobre la pieza de trabajo. Estas aplicaciones incluyen fresados, taladrados, operaciones de soldadura por puntos, la soldadura por arco, la pintura por pulverización, etc. En cada caso, la herramienta particular está unida a la muñeca del orientable para realizar la operación.
Efectores
La función de un efector es la ejecución de respuestas ante los estímulos que reciben del medio ambiente. El sistema automático debe responder de manera sincronizada, de modo que existen efectores, al igual que en los seres vivos, que se ocupan de proporcionar respuestas, de movimiento y de actuación de herramientas. Por ejemplo, en un sistema robótico los brazos, dedos y pinzas se encuentran bajo el control de efectores.
Manipuladores
Son una serie de mecanismos utilizados bajo control humano o automatizado para manejar materiales sin establecer un contacto directo. Estos materiales son con frecuencia nocivos o peligrosos y suponen un riesgo biológico o bien se encuentran situados en lugares inaccesibles. La manipulación es un sistema de control mediante el que un mecanismo es gobernado por un control automático equivalente a un brazo en un sistema robótico, formado por una serie de segmentos articulados entre sí, con varios grados de libertad, destinado al agarre y desplazamiento de objetos.
Unidad de control y mando
La función de este sistema es controlar las acciones que ejecuta el sistema automático de tal forma que pueda cumplir con la tarea que le ha sido asignada, tomando en consideración la información del medio ambiente.
Dispositivos de transporte
Las líneas de montaje pueden estar conectadas por una serie de dispositivos automatizados de transporte como cintas transportadoras, tornillos sin fin, bandas, rodillos o cadenas (como en la industria del automóvil), o ser abastecidas por medios manuales (como en determinadas industrias de montaje de piezas plásticas donde cada puesto de trabajo transfiere el producto al puesto de trabajo vecino).
| Nota |
Las líneas de montaje pueden conectarse con dispositivos automatizados de transporte o por medios manuales.
Elementos de diálogo (máquina-hombre)
Son dispositivos que facilitan la intercomunicación entre los sistemas automatizados y el operario. Cada vez existen sistemas de diálogo más amigables y adaptados a las necesidades del entorno (adquisición de datos, avisos de alarmas, etc.). Dispositivos de este tipo son: pilotos, pulsadores, teclados, pantallas con sistema Scada, etc.
Como ejemplo simple de nuestra experiencia diaria, consideremos el problema de jugar tenis. Claramente, se necesita buena visión (sensores) y fuerza muscular (actuadores) para jugar tenis, pero estos atributos no son suficientes. De hecho, la coordinación entre ojos y brazo es también crucial para el éxito (unidad de control y mando).
En resumen: los sensores serán los ojos y los actuadores los músculos; la unidad de control serán la destreza.
Los sistemas automáticos son máquinas que se agrupan conforme a las necesidades y usos. Utilizan estos elementos y otros menos habituales de modo que desempeñen una determinada labor en el proceso de producción. Habitualmente podemos encontrar que la interconexión interna entre estos elementos es:
Una vez que los sensores nos informan del estado de un proceso, debemos determinar la forma de actuar sobre el sistema para evolucionar desde el estado actual al estado deseado. Un problema de control industrial típicamente involucrará cientos de sensores y actuadores distintos.
La configuración más o menos compleja de un sistema automático y la interconexión de estos elementos nos ofrecerá sistemas automatizados distintos y diversos. Ejemplos habituales de líneas de producción automática las encontramos en cadenas de montaje de grandes factorías, donde los sistemas controlados por autómatas programables y sistemas robóticos son la base de la producción. Los ejemplos son innumerables: líneas automáticas destinadas a la producción de vehículos, a la clasificación de verduras, a la producción y embasado de alimentos, a la producción de equipos de electrónica de consumo, etc.
6.2. Funciones de las líneas automáticas
La automatización industrial es un concepto evolutivo, más que revolucionario. Las primeras aplicaciones de los autómatas programables se dieron en la industria automotriz para sustituir los complejos equipos basados en relés. Sin embargo, la disminución de tamaño y el menor costo han permitido que los autómatas sean utilizados en todos los sectores de la industria. Solo a modo de ejemplo, se mencionan a continuación algunos de los múltiples campos de aplicación:
| Importante |
Hay gran número de campos en los que se han automatizado los procesos, como en operaciones de maquinado, pintado, manejo de materiales en planta, sistemas de inspección de piezas, etc.
Procesos propios de manufactura. Las operaciones de maquinado tales como taladrado, torneado, freseado, forjado, plegado, extrusión en frío, colado y rectificado, así como operaciones de perforado, corte, de soldadura por puntos y oxicorte son ejemplos característicos de procesos que se han automatizado extensivamente.
Operaciones de pintado a presión, lacado y barnizado. Procesos de secado y limpieza. Operaciones de lijado y pulido así como aplicación de tratamientos especiales a piezas y productos.
Transporte y manejo de materiales. Los materiales y las piezas en varias etapas de acabado se mueven por la planta mediante equipo controlado por computadoras industriales o autómatas programables y dispositivos de transporte.
Inspección con sistemas de visión artificial. Las piezas son inspeccionadas automáticamente para comprobar su calidad, precisión dimensional y acabado superficial, sea cuando se fabrican (inspección en procesos) o después de terminadas (inspección posproceso).
Montaje y ensamble. Las piezas individuales fabricadas se arman o ensamblan de forma automática para formar el producto.
Operaciones de empaquetado y embasado. Los productos se empacan, envasan y embalan utilizando procedimientos automáticos.
Conjunto de brazos robóticos, realizando operaciones propias de maquinado y soldado sobre el chasis de un automóvil en construcción
Y en cuanto a las industrias y procesos en los que se ha generalizado el proceso de automatización nos encontramos con la misma característica: las aplicaciones y funciones son innumerables y variadas. Como ejemplos significativos tendremos:
Industria del automóvil. Corte, plegado y conformado. Remachado y soldados de piezas. Cadenas de montaje, soldadura, cabinas de pintura, ensamblado etc.
Plantas químicas y petroquímicas. Mezclado de productos, control de niveles, presiones, temperaturas, control de pH, etc. Control de procesos (dosificación, mezcla, pesaje, etc.).
Máquinas herramientas automatizadas y de control numérico. Tornos, fresadoras, taladradoras, plegadoras, cizallas, etc.
Baños electrolíticos, oleoductos, refinado, tratamiento de aguas residuales, etc.
Plantas metalúrgicas y siderúrgicas. Control de hornos, laminado, fundición, soldadura, forja, grúas, etc.
Procesos limpios de tratamiento de alimentos. Envasado, empaquetado, embotellado, almacenaje, llenado de botellas, etc.
Papeleras y madereras. Control de procesos, serradoras, producción de conglomerados y de laminados, etc.
Centrales eléctricas y producción de energía. Control de turbinas, transporte de combustible, guiado de paneles de energía solar, producción eléctrica, control de aerogeneradores, etc.
Gestión de tráfico, control de semáforos y seguridad vial. Control de ferrocarriles y regulación de tráfico ferroviario.
Gestión de edificios inteligentes, domótica y sistemas de gestión energética para oficinas e industrias. Iluminación, temperatura ambiente, sistemas de seguridad, comodidad y bienestar en el hogar, etc.
Fabricación de neumáticos, control de calderas, sistemas de refrigeración y prensas que vulcanizan los neumáticos. Control de las máquinas para el armado de las cubiertas y extrusoras de goma. Control de las máquinas para mezclar goma.
7. Unidades individuales, funciones y capacidades
Las unidades individuales en cuanto a equipos automáticos serán todos aquellos equipos y máquinas destinados a realizar tareas repetitivas y automatizadas con control no presencial. Como principales unidades que forman parte de las tecnologías de la automatización industrial tendremos:
Máquinas de control numérico.
Autómatas programables.
Computadores industriales.
Controladores de procesos continuos.
Sistemas CAD-CAM.
Robots industriales.
Sistemas de manipulación de elementos.
Veamos las funciones que desempeñan cada una de ellas en un sistema automatizado:
Máquinas de control numérico
También conocidos por las siglas NC (Numerical Control), son sistemas electrónicos programables que controlan los movimientos de un conjunto máquina-herramienta. La unión máquina-herramienta da lugar a una unidad autónoma de mecanizado, que es un conjunto mecánico con accionamiento y autonomía propia que, por sí solo o en unión de otros conjuntos similares, realiza operaciones de mecanizado sin necesidad de intervención de un operario.
Las capacidades y ventajas que presenta este tipo de sistemas de control son entre otras:
Elevada capacidad de repetitividad y precisión en el proceso productivo.
Su aplicación genera un incremento significativo de la productividad, debido a la rapidez y destreza en la ejecución.
Capacidad para la fabricación y mecanizado de piezas con formas y contornos complejos.
Flexibiliza los cambios de producción (cambio automático de herramienta, menos deshechos, etc.).
Fabricación y realización más rápida de prototipos, reducción de tiempos de diseño, etc.
Aumento en la calidad de los productos elaborados y en la seguridad laboral de operarios, ya que evitan el contacto brusco con la máquinaherramienta.
| Importante |
Las máquinas de control numérico incrementan la productividad, flexibilizan los cambios de producción y aumentan la calidad de los productos elaborados y la seguridad laboral.
Máquina de CN destinada a carpintería. Permite gracias a tres hachas el procesado y grabado en 3D sobre superficies de madera
| Recuerde |
En 1948 se empiezan a desarrollar los primeros controles electrónicos para fresadoras. Supuso el gran salto a las máquinas de control numérico. Después de investigaciones por parte del Instituto Tecnológico de Massachussets se logró realizar un prototipo y presentarlo en 1952 (se programaba mediante cinta perforada y la máquina podía efectuar movimientos simultáneos coordinados en los tres ejes).
Autómatas programables
Son equipos electrónicos programables en lenguaje no informático estandarizado, puesto que poseen lenguajes propios y distintos para cada fabricante. Están diseñados para controlar, en tiempo real y en ambiente industrial, procesos combinacionales y secuenciales de gran complejidad. Un autómata programable (PLC) es un dispositivo muy similar a un ordenador personal, que dispone de una CPU, memorias, entradas y salidas. En ellos se pueden cargar programas realizados por los propios usuarios, para poder realizar un automatismo o una secuencia de automatismos, que se pueden aplicar tanto al entorno industrial como al doméstico.
| Sabía que... |
El nacimiento y desarrollo de los autómatas programables o PLCs fue en principio orientado a la industria del automóvil, pero hoy día estamos rodeados de estos dispositivos.
Por poner algunos ejemplos, se pueden realizar programas que controlen el funcionamiento de una pequeña planta automatizada, un taladro automático, una fresadora, un ascensor, una puerta automática, un cruce regulado por semáforos, etc. El control de un autómata programable se realiza sobre la base de una lógica definida a través de un programa interno. Los autómatas programables nos van a permitir no solo llevar a cabo funciones de control lógico, sino que también nos permitirán regular, contar, posicionar, controlar válvulas, temporizar, etc.
Las capacidades y ventajas que presenta este tipo de sistemas de control son entre otras:
No se necesita simplificar esquemas y soluciones de ecuaciones obtenidas en el diseño del sistema automático, puesto que la memoria con la que cuentan es más que suficiente.
Es muy versátil. Es posible hacer modificaciones y reutilizar el autómata en otras tareas, basta con reprogramar el dispositivo y conectar los nuevos elementos de control.
Es un dispositivo altamente adaptado al desarrollo de tareas industriales, por lo que el espacio que ocupa y los costes de instalación y mantenimiento son muy óptimos.
Ofrecen la posibilidad de controlar varias máquinas y dispositivos con el mismo autómata programable.
El proceso de puesta en marcha e instalación requiere menor tiempo (se reduce el tiempo de cableado).
Gama de autómatas programables de la marca Siemens S200, S300 y Logo con visualizador complementario
Computadores industriales (control basado en PC)
Son sistemas de control basados en un computador adaptado, diseñado y montado para poder trabajar en el entorno de un proceso industrial continuo o discreto y soportar las condiciones ambientales adversas propias de los entornos de trabajo industriales (polvo y partículas, temperaturas extremas, interferencias electromagnéticas, etc.). Son aquellos cuyo sistema físico, en esencia, es equivalente al del ordenador personal conocido como PC.
Uno de los usos típicos de los PC industriales orientados a la automatización es el empleo en simuladores y emuladores de procesos o programas informáticos denominados SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition), que permiten, interconectando el sistema con uno o varios equipos de control, que controlen las tareas avanzadas de IHM (interfaz hombre-máquina) o gestión de procesos.
Las capacidades y ventajas que presenta este tipo de sistemas de control son entre otras:
Los beneficios y ventajas de los autómatas programables nunca se han puesto en duda, pero guardan una gran desventaja, y es la profunda dependencia del usuario respecto del fabricante.
La implantación en un mismo equipo de sistemas de control en tiempo real y de sistemas de gestión de procesos de producción ha venido potenciada en ocasiones por la investigación y desarrollo en entornos punteros (sistemas robóticos, de visión e inteligencia artificial, aeroespaciales, militares, etc.).
El desarrollo de RTOS (Real Time Operating Systems), que son sistemas operativos de respuesta rápida que facilitan y posibilitan el desarrollo de los procesos de control y, además, ejecutar otras aplicaciones como las de desarrollo y gestión, a través de su interfaz gráfica de usuario.
El escaso desarrollo e implantación en el entorno industrial de los sistemas basados en computadores industriales viene marcado por la propia inercia del mercado y resistencia al cambio que ocasiona una nueva adaptación a un nuevo entorno o a la fama de falta de estabilidad de los sistemas operativos que operan en PCs. Existen fabricantes que ofrecen soluciones adaptadas, proponen la combinación de un RTOS con programas Soft-PLC que emulan por software el comportamiento de un PLC.
Sistema SCADA para el control de variables de un proceso en una pantalla de visualización y autómata programable con formato de tarjeta para PC, marca Hilscher
Un paquete de software para control basado en PC consta básicamente de cuatro programas y una base de datos dinámica. Estos son:
1. Un programa donde se plasman las estrategias de control.
2. Otro programa posibilita crear las pantallas que permitirán al usuario ver datos de la base de datos.
3. Un tercer programa se ocupa de ejecutar la estrategia de control, cumpliendo las funciones de control que en ella se especifican.
4. Un último programa de visualización, que toma las pantallas anteriormente creadas y las conecta a la base de datos dinámica.
| Recuerde |
SCADA proviene de las siglas ‘Supervisory Control And Data Acquisition’ (Control de Supervisión y Adquisición de Datos) y es un sistema basado en computadores que permite supervisar y controlar variables de proceso a distancia, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos) y controlando el proceso de forma automática por medio de un software especializado.
Controlador de procesos continuos
Los procesos continuos son aquellos en los que la producción se realiza sin pausa, de manera continuada, y donde el producto no está expresamente discretizado en unidades, sino que este fluye de forma continua. Los procesos continuos son habituales de plantas químicas, procesos de mezclado de líquidos, tratamientos de gases, etc. En los procesos continuos son comunes sensores tales como caudalímetros, boyas de nivel, sensores de presión o de temperatura; de modo que se controlen elementos habituales como son motores, electroválvulas, resistencias térmicas, etc.
Ejemplos clásicos de este tipo de controladores son los controles PDI o los controles predictivos, los cuales, en función de ciertos algoritmos y formulas, controlan el funcionamiento en tiempo continuo de la planta de producción. Para un buen control necesitan procesos de realimentación.
Las capacidades y ventajas que presenta este tipo de sistemas de control son, entre otras, que son sistemas especialmente indicados para procesos continuos, donde el control se produce constantemente y no hay lugar a tiempos de muestreo.
| Recuerde |
El regulador centrífugo de Watt data del siglo XVIII. El nacimiento de la automatización industrial surgió con este invento, en el que unos contrapesos giratorios, acoplados a una válvula de vapor, autorregulan la salida de este y, consecuentemente, su movimiento, permitiendo controlar la velocidad de las máquinas de vapor.
Sistemas CAD/CAM
Son programas orientados al desarrollo de diseños asistidos por ordenador de elementos o dispositivos mecánicos, eléctrico-electrónicos, sistemas de control, diseño 3D, etc. Gracias a los sistemas CAD/CAM es posible, además de diseñar, simular y emular el funcionamiento que tendrían los distintos dispositivos tecnológicos.
| Importante |
CAD significa: ‘Diseño asistido por ordenador’ (Computer Aided Design);
CAM: ‘Fabricación asistida por ordenador’ (Computer Aided Manufacturing); y
CAE: ‘Ingeniería asistida por ordenador’ (Computer Aided Engineering).
El estudio de conjuntos mecánicos, la simulación de procesos de automatización y control robótico, el diseño de placas y circuitos electrónicos y de automatismos eléctricos o la simulación de instalaciones neumáticas e hidráulicas son algunos ejemplos de las múltiples aplicaciones que nos brinda el empleo de los sistemas CAD/CAM.
Todo el proceso de diseño y fabricación puede realizarse tranquilamente desde un despacho, dejando que las máquinas de control numérico o los robots realicen su trabajo.
Desarrollo de piezas y conjuntos mecánicos mediante software CAD/CAM/CAE, para su posterior maquinado o procesado por máquinas automatizadas
Robots industriales
La Asociación Francesa de Normalización (AFNOR) define el robot industrial como:
Manipulador automático o servocontrolado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material.
Los robots industriales son equipos de automatización bastante complejos, que requieren el dominio de varias disciplinas y campos de la tecnología: mecánica, electrónica, informática, teoría de control, etc. En los últimos años, al conjunto de todas estas tecnologías se les ha asignado un término que las agrupa: es la mecatrónica.
| Definición |
Dentro de las uniones mecánicas distinguimos: uniones permanentes (soldadas, por adhesivos o con remaches) y no permanentes (uniones roscadas).
Mecatrónica
Es la disciplina que une la ingeniería mecánica, electrónica, de control e informática, para desarrollar productos y procesos inteligentes que poseen funcionalidad mecánica y un control algorítmico integrado.
Las capacidades y ventajas que presenta este tipo de sistemas de control son entre otras:
Ofrecen una elevada velocidad de producción porque facilitan la repetición automática de movimientos. Disminuyen los tiempos muertos.
Son máquinas muy flexibles y permiten la realización de diferentes tareas (flexibilidad) sin más que cambiar el programa de operaciones.
Presentan una elevada calidad de los productos acabados (trabajan con gran precisión de movimientos).
Disminuye la mano de obra directa y hacen tareas penosas para el ser humano en ambientes insalubres, duras, incómodas, repetitivas o altamente peligrosas.
Brazo robótico de la marca ABB de uso comercial y genérico. El brazo no presenta actuador acoplado en la muñeca.
Sistemas de manipulación de elementos (manipuladores)
No son más que un caso particular de robots dotados de herramientas, pinzas o elementos de agarre electromecánicos, capaces de transportar productos o subproductos de un proceso de fabricación. Los sistemas manipuladores se sustentan en base a una estructura mecánica fija o soporte, que da lugar a un espacio o zona de trabajo.
Ejemplos típicos son: transporte monorraíl, birraíl, aerovías, vehículos con guiado automático (AGV), cintas transportadoras, equipos de transporte, etc.
| Recuerde |
Un vehículo autoguiado o AGV (Automatic Guided Vehicle) está capacitado para moverse de forma autónoma en un entorno determinado, realizando tareas como el transporte de objetos pesados o la manipulación y recolección de muestras, evitando la colisión con los demás elementos que le rodean. Los primeros AGVs comenzaron a usarse en la década de 1950.
Cinta transportadora en perspectiva y vista en perfil; elemento de transporte vertical entre niveles; y vehículo AGV con guiado automático
8. Tecnología de la comunicación
Las comunicaciones juegan un papel fundamental dentro del campo de la automatización, pues es el medio de vinculación entre elementos que conforman el sistema. Lo cual nos hace reflexionar sobre cómo se envía la información; qué canales utilizamos; y qué tasas de transferencia de información necesitamos para el buen funcionamiento del sistema automático.
Podemos definir las comunicaciones industriales como aquellos mecanismos de intercambio de información y de transmisión de datos entre dispositivos o componentes remotos de un sistema automático, de modo que gracias a la comunicación puedan llevarse a cabo tareas propias de la automatización (control y gestión).
La interconexión de elementos dentro de una planta industrial (controladores, sensores, actuadotes, etc.) se efectúa gracias a sistemas de comunicación más o menos estandarizados: son las redes de comunicación.
La comunicación en los procesos industriales debe responder a las necesidades de los equipos que la conforman y proporcionar un soporte y medio adecuado para el intercambio de información. Así pues, el diseño de una red de comunicación y la elección de un protocolo adecuado a las necesidades y exigencias de nuestro sistema son aspectos cada vez más importantes de la ingeniería de control moderna.
A la hora de comunicar los distintos elementos que encontramos en un sistema automatizado debemos tener muy en cuenta qué solución adoptamos, pues esta puede marcar el funcionamiento y funcionalidad futura de nuestra instalación.
Cuando se instalaron los primeros sistemas de comunicación industrial la idea era simple: llevar todas las señales de sensores y actuadotes mediante cableado a un sistema de control central donde procesar dicha información y generar respuestas de control.
Este sistema se le denomina sistema centralizado, y raramente es la mejor solución para automatizar un sistema. Las razones por las que este sistema no es el más adecuado las tenemos en que su desarrollo es de una gran complejidad, supone un alto costo por el exceso de líneas de comunicación, todo depende de una única unidad central que puede tener carencias de cómputo, requiere un gran mantenimiento, confiabilidad, etc.
En contraposición al anterior sistema, existe la alternativa de un sistema distribuido, donde no existe un único centro o punto de control y donde las redes son menos complejas en cuanto al cableado.
La comunicación entre dispositivos y equipos debe resolver la problemática de la transferencia de información entre los mismos. A lo largo de los años los protocolos y medios de comunicación han ido evolucionando, de tal modo que hemos pasado de comunicaciones punto a punto analógicas, digitales e híbridas a redes multipunto (redes de bus de campo).
Izquierda: ejemplo de zona de producción automatizada con control centralizado. Derecha: ejemplo de zona de producción automatizada con control distribuido
La conexión de los sensores y actuadotes se realiza a través de algún dispositivo de computación encargado del procesamiento y control. Por ello, las tareas de programación son una parte inevitable del diseño del sistema automatizado.
Dentro de los dispositivos de control tendremos PCs industriales, PLCs (autómatas programables), sistemas DCS (sistemas de control distribuido), sistemas empotrados o embebidos, etc.
En procesos de automatización aparecerá lo que comúnmente llamamos ‘islas automatizadas’, que vendrá referido a equipos automatizados aislados entre sí (ordenadores, PLCs, robots, etc.). La integración de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de redes industriales, las cuales es posible agrupar en las siguientes categorías:
| Importante |
La topología física de una red es el propio cable. La topología lógica de una red es la forma en la que se transmiten las señales por el cable.
| Recuerde |
En la década de los 70, la falta de un estándar de comunicación acompañado de continuos cambios tecnológicos logró que la comunicación de los PLCs en la industria fuera un maremágnum de sistemas físicos y protocolos incompatibles. Afortunadamente a partir de la década de los 80 comenzaron a realizarse intentos de estandarización de las comunicaciones industriales.
8.1. Redes de datos u ofimáticas
Se consideran aquellas redes dedicadas y utilizadas para el establecimiento de comunicaciones entre los equipos informáticos que existen en la empresa, entre los ordenadores de fábrica, de área y, en ocasiones, de células de fabricación.
Redes de empresa y fábrica
Son aquellas redes que se emplean para establecer comunicación entre sistemas informáticos de una empresa o fábrica. Las redes de datos u oficinas pueden ser de dos tipos:
LAN. Una red de área local, o red local o LAN (del inglés ‘Local Area Network’), es la interconexión de varias computadoras y periféricos en un entorno cercano. La red LAN está limitada físicamente a un edificio o a un entorno de varios cientos de metros. Su aplicación más extendida es la interconexión de ordenadores personales y estaciones de trabajo en oficinas, fábricas, etc.
WLAN. Las redes inalámbricas de área local (en inglés ‘Wireless Local Area Network’) son las que cubren un área aproximadamente igual que las redes LAN (unos cientos de metros), y que responden a un sistema de comunicación de datos inalámbrico. Son sistemas utilizados como alternativa a las redes LAN cableadas o como extensión de estas en zonas de difícil cableado. Para la comunicación se emplean sistemas de radiofrecuencia que permiten mayor movilidad a los usuarios al minimizar las conexiones cableadas. Las WLAN van adquiriendo importancia en muchos campos, como en las plantas de producción, en donde se intercomunican distintos puestos de trabajo en tiempo real. Hoy día su uso se encuentra altamente extendido en los hogares puesto que facilita el acceso compartido y a distancia a Internet entre varias computadoras.
Disposiciones y topologías de redes más habituales. Las disitntas topologías describen y definen cómo la cadena de comunicación es usada por los nodos que conforman una red para comunicarse.
| Importante |
Las WLAN se usan como alternativa a las redes LAN cableadas o como extensión de estas en zonas donde el cableado es difícil.
Redes de células de fabricación
Se consideran aquellas redes dedicadas al establecimiento de comunicaciones entre los equipos que componen las células de fabricación. Las redes de empresa no han sido diseñadas, al menos inicialmente, para satisfacer determinados requisitos que son propios del ambiente industrial (sometidos a ambientes hostiles que requieren gran seguridad, fiabilidad y disponibilidad). Por ello, en las últimas décadas se ha acrecentado el interés por desarrollar redes de comunicación específicamente diseñadas para entornos industriales. Podemos destacar las conocidas redes ‘Ethernet Industrial’ (siendo el protocolo más utilizado en estos ambientes), cuya capa de enlace está basada en la técnica Ethernet y cuyos protocolos básicos de comunicación se fundamentan en TCP/IP.
8.2. Redes de control de campo (fielbuses)
Las redes de control de campo no se emplean para efectuar conexiones punto a punto de sensores y actuadores con el sistema central de control, sino que la red en sí recorre todos los dispositivos y permite la conexión e intercomunicación de todos entre los que forman parte de lo que se denomina ‘nivel de fábrica’, y que está compuesto entre otros por los autómatas programables, computadoras industriales, controladores de robots, etc.
Se diferencian de las redes de datos en que se trata de un nivel de red más próximo al proceso, es decir, en escalones más bajos de la pirámide de comunicación, y consigue la integración de pequeños automatismos, permitiendo la transmisión de información en pequeños paquetes con unos requisitos temporales que exigen su intercomunicación en un intervalo de tiempo muy reducido (comprendido entre los milisegundos y las décimas de segundo).
Redes de controladores
Son las redes de campo diseñadas para intercomunicar los equipos controladores; es decir, facilitan la comunicación de los sistemas de control (autómatas programables, robots, manipuladores, controladores numéricos, terminales de operador, computadores industriales, etc.). Son, por lo general, redes de área local (LAN o WLAN) de tipo maestro-esclavo (master-slave), que poseen varios nodos principales o maestros (multimaster networks).
Redes de sensores-actuadores
Son redes que trabajan un escalón por debajo de las anteriores y en ellas se agrupan las redes o buses de campo diseñados con el objetivo específico de intercomunicar los sistemas electrónicos de control con los dispositivos de campo (sensores y actuadores) conectados al proceso.
De acuerdo con su capacidad funcional se pueden clasificar en:
Redes de sensores-actuadores de capacidad funcional limitada. Diseñadas para el control de dispositivos pasivos, donde no se puedan alterar parámetros. Comprenden el control de dispositivos todo/nada, como son por ejemplo sensores de presencia, finales de carrera, fotocélulas, relés, contactores, electroválvulas, etc.
Redes de sensores-actuadores de capacidad funcional elevada. Diseñadas para el control de dispositivos inteligentes, de tal modo que los mensajes que circulan por estas redes permiten que se puedan configurar, calibrar e incluso programar sensores de medida, como por ejemplo sensores de infrarrojos, codificadores absolutos, sensores de temperatura, presión, caudal, etc. Así mismo también pueden controlarse actuadores inteligentes como por ejemplo variadores de velocidad de motores de corriente alterna, servoválvulas, compuertas todo/nada, variadores de frecuencia, etc. Son redes capaces por lo tanto de comunicar, de forma eficiente y a bajo coste, los sistemas electrónicos de control (robots, autómatas, manipuladores, etc.) con dispositivos de campo complejos e inteligentes y que permiten variar su configuración interna.
| Nota |
Las redes de sensores-actuadores pueden ser de capacidad funcional limitada y de capacidad funcional elevada.
Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son:
Protocolo Hart. Transmite información digital superpuesta sobre una señal analógica típica de 4 a 20mA DC. La señal digital usas dos frecuencias para distinguir entre los ceros y los unos transmitidos.
ModBus. Es un sistema de comunicación maestro esclavo que permite el control de una gran red de dispositivos con facilidad. Además se trata de un sistema público y convertido en protocolo estándar.
Profibus. Sistema basado en un bus de campo serie, que cubre todos los niveles (desde nivel campo a nivel de control). Se distinguen dos tipos de dispositivos: maestros (establecen la comunicación de datos sobre el bus) y esclavos (dispositivos de E/S que pueden comunicarse con el maestro cuando son autorizados).
Fieldbus Foundation. Específicamente utilizado en control distribuido. Transmite grandes volúmenes de información y es ideal para el control de varios lazos complejos (se aplica en industrias de proceso continuo).
AS-i. Protocolo de estructura muy simple creado por un grupo de 11 empresas fabricantes de dispositivos sensores, para interconectar sensores y actuadores con un PLC de manera simple y económica.
Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización industrial de procesos son: Hart, Profibus, Fieldbus Foundation, AS-i y Modbus
| Importante |
ModBus se ha convertido en un protocolo de comunicaciones estándar de facto, y en la industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicos industriales.
| Aplicación práctica |
Las distintas topologías de comunicación presentan diferentes maneras de entrelazar y comunicar nodos o células de fabricación entre si. Imagínese que en nuestro sistema se presentan una serie de situaciones especiales. Conteste a las siguientes preguntas:
En caso de corte en una de las líneas, ¿qué topologías se verían afectadas y cuáles no? Explique su respuesta.
En caso de deseo de expansión de la red, ¿qué topología presenta peor predisposición? ¿Y mejor? Razone su respuesta.
SOLUCIÓN
En el caso de corte de una línea:
Topologías como la red totalmente conexa, mallada, en anillo o doble anillo no se verían perjudicadas puesto que la información puede seguir otra ruta alternativa.
Las redes en árbol y mixta pueden verse afectadas en mayor o menor medida en función de el punto de corte, mientras que la red en estrella únicamente perdería la conexión con un nodo afectado.
Sin duda la más afectada sería la red en bus, donde uno o ambos extremos del cable no tendrían un terminador, la señal rebotaría y la actividad de la red se detendría. Esta es una de las posibles razones por las que una red puede “caer”.
En el caso de expansión de una red:
La topología en estrella es una de las que más facilidades de expansión presentan.
Por el contrario topologías en anillo es muy difícil de expandir, ya que cada dispositivo se debe reconfigurar para agregar uno nuevo.
La topología totalmente conexa es la que utiliza mayor cantidad de cableado, y tiene grandes problemas de escalabilidad.
9. Resumen
Gracias a las distintas tecnologías que conforman la automatización logramos el funcionamiento autónomo de dispositivos, máquinas o equipos. Con la automatización de procesos en la industria se pretende sustituir el operador humano por uno artificial para la realización de una serie de tareas programadas.
Las tecnologías de la automatización vienen referidas a distintas ramas de la ciencia que se han aplicado o integrado en el mundo de la automática, tales como neumática, eléctrica, hidráulica, electrónica, mecánica, etc.
Con estas tecnologías implementaremos nuestra máquina o línea de producción, pero las estrategias de división de trabajo o de qué recorridos y disposición en planta empleemos nos vendrán dadas por la topología que adoptemos.
Las líneas automáticas estarán constituidas por una serie de elementos interconectados entre sí, que en su conjunto constituyen la máquina automatizada. Elementos tales como sensores, actuadores, unidades de control, efectores, unidades de transporte, etc., se unen entre sí para constituir las líneas automáticas.
Unidades automáticas típicas que aparecen en sistemas automatizados son sistemas de robots industriales, autómatas programables, máquinas de control numérico, computadores industriales, sistemas CAD-CAM, etc. Dichas unidades y elementos son la base de las modernas plantas industriales automatizadas.
Pero dichos elementos no se pretenden usar como islas aisladas dentro del sistema automatizado, sino que estos deben hacer uso de tecnologías de la comunicación que logren, gracias a una estructura de redes industriales, el entendimiento entre los distintos equipos y elementos.
| Ejercicios de repaso y autoevaluación |
1. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
a. La automatización con base de tecnologías mecánicas es la más moderna desarrollada por el hombre.
Verdadero
Falso
b. La época de esplendor de los autómatas llegó en el siglo XVIII, cuando los consiguientes avances en materia de relojería logran los mejores y más perfectos autómatas de la historia.
Verdadero
Falso
c. La tecnología electrónica presenta la principal diferencia en que no responde, a diferencia del resto de tecnologías, a una lógica cableada, sino que se basa en una lógica programada.
Verdadero
Falso
d. La tecnología neumática es una automatización compleja en cuanto a mecanismos, además de que supone un alto coste.
Verdadero
Falso
e. Con la automatización se logra el reemplazo de operadores humanos en tareas repetitivas, de alto riesgo o que se encuentran fuera de sus posibilidades.
Verdadero
Falso
2. Complete el siguiente texto:
La automatización industrial describe una amplia variedad de sistemas en los que existe una ______________ en un proceso del ______________, su esfuerzo e _____________, por dispositivos eléctricos, mecánicos, neumáticos, informáticos, etc.
3. Enumere al menos ocho funciones o aplicaciones reales distintas de las líneas automáticas.
4. Relacione los siguientes términos:
a. Máquinas de control numérico.
b. Autómatas programables.
c. Computadores industriales.
d. Controladores de procesos continuos.
e. Sistemas CAD-CAM.
f. Robots industriales.
g. Sistemas de manipulación de elementos.
__El producto final está constituido por un material que fluye de forma continua.
__Son sistemas electrónicos programables que controlan los movimientos de un conjunto máquina-herramienta.
__Manipulador automático servo-controlado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectoria variables para la ejecución de tareas variadas.
__Sistemas electromecánicos capaces de transportar elementos que constituyen productos o subproductos de un proceso de fabricación.
__Computadores que ejecutan un conjunto de programas que automatizan y simplifican tareas como: diseño asistido por computador, simulación, etc.
__Están diseñados para controlar, en tiempo real y en ambiente industrial, procesos combinacionales y secuenciales de gran complejidad.
__Están constituidos por un computador de propósito general adecuadamente diseñado y montado para poder trabajar en el entorno de un proceso industrial.
5. Cada una de las siguientes imágenes se corresponde con una topología de líneas de producción automática. Relacione cada imagen con su topología.
a. En línea.
b. En línea divida en segmentos.
c. Rotacional o circular.
6. Relacione cada tipología de robot con su nombre:
a. Mixta.
b. Doble anillo.
c. Estrella.
d. Totalmente conexa.
e. Malla.
f. Anillo.
g. Bus.
h. Árbol.
7. En el siguiente esquema conceptual de la configuración interna de un sistema automático faltan algunos términos. Complételo.
