domingo, 25 de mayo de 2008

LAS TECNOLOGÍAS DE AUTOMATIZACIÓN POR LÓGICA PROGRAMADA


MICROCONTROLADORES
Se denomina microcontrolador a un circuito integrado (un solo «chip») que incluye un
microprocesador y los periféricos necesarios para llevar a cabo el control de un proceso.
La figura siguiente muestra los elementos típicos de un microcontrolador:

Un microcontrolador es un
circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado.

Características
Son diseñados para disminuir el coste económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. El control de un electrodoméstico sencillo como una batidora, utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bit) por que sustituirá a un autómata finito. En cambio un reproductor de música y/o vídeo digital (mp3 o mp4) requerirá de un procesador de 32 bit o de 64 bit y de uno o mas Códec de señal digital (audio y/o vídeo). El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bit, al igual que el sistema de control electrónico del motor en un automóvil.

Esquema de un microcontrolador
Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (vd. está usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etc...
Un microcontrolador difiere de una
CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los modulos de entrada/salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información.


CONTROL LOGICO PROGRAMABLE (PLC)



Se entiende por controlador lógico programable (PLC) o autómata programable, a toda
maquina electrónica, diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Realiza funciones lógicas: serie, paralelos, temporizaciones,
contajes y otras más potentes como cálculos, regulaciones, etc.
También se puede definir como una “caja negra” en la que existen unas terminales de
entrada a los que se conectaran pulsadores, finales de carrera, fotocélulas, detectores...;
unos terminales de salida a los que se conectaran bobinas de contactores, electro
válvulas, lámparas, de tal forma que las actuaciones de estos últimos está en función de
señales de entrada que estén activadas en cada momento, según el programa
almacenado.
La tarea del usuario se reduce a realizar el programa, que no es mas que la relación entre
las señales de entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida.
Una de las principales ventajas de los PLC es su modularidad, que permite establecer
configuraciones que se adapten de forma más o menos exacta a los requerimientos del
sistema, esto es: número de estrada y salidas analógicas y/o digitales, control lógico
secuencial o regulación automática, etc.


Esquema de un PLC

COMPUTADORES INDUSTRIALES















Los computadores industriales no son más que automatismos programados. Se puede decir entonces que la aplicación de los computadores industriales esta vinculados a la
Automatización y el control. Los diferentes requerimientos en cuanto a potencia de cálculo, robustez en el comportamiento, fiabilidad, resistencia a condiciones de operación en ambientes abrasivos, corrosivos, etc., ha motivado el desarrollo de
diversos tipos de computadores industriales:
! Autómatas programables (PLC).
! Microcontroladores.
! PC´s industriales.
! Procesadores digitales de señales (DSP).
















LA ROBÓTICA











La robótica es una rama de la tecnología, que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas repetitivas, tareas en las que se necesita una alta precisión, tareas peligrosas para el ser humano o tareas irrealizables sin intervención de una máquina. Las ciencias y tecnologías de las que deriva podrían ser: el álgebra, los autómatas programables, las máquinas de estados, la mecánica, la electrónica y la informática.
La historia de la robótica
La historia de la robótica ha estado unida a la construcción de "artefactos", que trataban de materializar el deseo humano de crear seres a su semejanza y que lo descargasen del trabajo. El ingeniero español Leonardo Torres Quevedo (GAP) (que construyó el primer mando a distancia para su torpedo automóvil mediante telegrafía sin hilo, el ajedrecista automático, el primer transbordador aéreo y otros muchos ingenios) acuñó el término "automática" en relación con la teoría de la automatización de tareas tradicionalmente asociadas a los humanos.
Karel Capek, un escritor checo, acuñó en 1921 el término "Robot" en su obra dramática "Rossum's Universal Robots / R.U.R.", a partir de la palabra checa Robbota, que significa servidumbre o trabajo forzado. El término robótica es acuñado por Isaac Asimov, definiendo a la ciencia que estudia a los robots. Asimov creó también las Tres Leyes de la Robótica. En la ciencia ficción el hombre ha imaginado a los robots visitando nuevos mundos, haciéndose con el poder, o simplemente aliviando de las labores caseras.
Román Gubern analiza en su libro El simio informatizado los motivos del ser humano para crear seres artificiales a su imagen y semejanza. Algunos robots están diseñados hoy en día para parecerse a los humanos.
Un robot se define como una entidad hecha por el hombre con un cuerpo (anatomía) y una conexión de retroalimentación inteligente entre el sentido y la acción directa no bajo del control humano. Sin embargo, se ha avanzado mucho en el campo de los robots con inteligencia alámbrica. Las acciones de este tipo de robots son generalmente llevadas a cabo por motores o actuadores que mueven extremidades o impulsan al robot. Asimismo, el término robot ha sido utilizado como un término general que define a una máquina mecánica o autómata, que imita a un
animal, ya sea real o imaginario, pero se ha venido aplicado a muchas máquinas que reemplazan directamente a un humano o animal en el trabajo o el juego. Esta definición podría implicar que un robot es una forma de biomimetismo.


CONTROL NUMERICO COMPUTARIZADO (CNC)



¿Qué es el CNC?

C.N.C. se refiere al control numérico de máquinas, generalmente Máquinas de
Herramientas. Normalmente este tipo de control se ejerce a través de un
computador y la máquina está diseñada a fin de obedecer las instrucciones de
un programa dado.
Esto se ejerce a través del siguiente proceso:
Dibujo del procesamiento
o Programación.
o Interfase.
o Máquinas Herramientas C:N:C.
La interfase entre el programador y la MHCN se realiza a través de la interface,
la cual puede ser una cinta perforada y codificada con la información del
programa. Normalmente la MHCN posee una lectora de la cinta.

Características del C.N.C

La MHCN posee las siguientes ventajas:
o Mayor precisión y mejor calidad de productos.
o Mayor uniformidad en los productos producidos.
o Un operario puede operar varias máquinas a la vez.
o Fácil procesamiento de productos de apariencia
complicada. Flexibilidad para el cambio en el diseño y en modelos en
un tiempo corto.
o Fácil control de calidad.
o Reducción en costos de inventario, traslado y de
fabricación en los modelos y abrazaderas.
o Es posible satisfacer pedidos urgentes.
o No se requieren operadores con experiencia.
o Se reduce la fatiga del operador.
o Mayor seguridad en las labores.


Sin embargo no todo es ventajas y entre las desventajas podemos citar:
o Alto costo de la maquinaria.
o Falta de opciones o alternativas en caso de fallas.
o Es necesario programar en forma correcta la selección de
las herramientas de corte y la secuencia de operación para
un eficiente funcionamiento.
o Los costos de mantenimiento aumenta, ya que el sistema
de control es más complicado y surge la necesidad de
entrenar al personal de servicio y operación.
o Es necesario mantener un gran volumen de producción a
fin de lograr una mayor eficiencia


¿Cuándo emplear el C.N.C?
La decisión sobre el cuándo es necesario utilizar M.H.C.N.?, muchas veces se
resuelve en base a un análisis de producción y rentabilidad; sin embargo en
nuestros países subdesarrollados, muchas veces existe un factor inercial que
impide a los empresarios realizar el salto tecnológico en la medida que estas
personas se motiven a acercarse a estas tecnologías surgirán múltiples
alternativas financieras y de producción que contribuirán a mejorar el aspecto
de rentabilidad de este tipo de inversión. Por otro lado una vez tomado este
camino se dará una rápida transferencia tecnológica a nivel de las empresas
incrementando el nivel técnico. Fenómenos como éstos no son raros, pues se
dan muchas veces en nuestros países al nivel de consumidores. Sobre todo en
Panamá.
Somos consumidores de productos de alta tecnología y nos adaptamos
rápidamente a los cambios que se dan en productos tales como: Equipos de
Alta Fidelidad, Automóviles, Equipo de Comunicación y Computadores.
Entonces, ¿Por qué ser escépticos? y pensar que no somos capaces de
adaptar nuevas tecnologías productivas a nuestra experiencia empresarial.
Veamos ahora como se decide la alternativa de usar o no C.N.C. en términos
de producción:
o Cuando se tienen altos volúmenes de producción.
o Cuando la frecuencia de producción de un mismo artículo
no es muy alta.
o Cuando el grado de complejidad de los artículos
producidos es alto.
CELDAS DE MANUFACTURA



Definición:
– Sistema constituido de robots que realizan una actividad
Particular y que están conectados a través de un medio de
Comunicación para lograr un objetivo global común.
– Ejemplos:
• Línea de ensamble
• Control de sistemas industriales
LAS REDES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES

deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FieldBus, desarrollo un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma.
Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15
psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 mA cc. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus.
La tecnología fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad que esta creada para remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinación y dirección de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un fabricante por otro similar. Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desaparecer ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. Con el mejoramiento de los protocolos de comunicación es ahora posible reducir el tiempo necesitado para la transferencia de datos, asegurando la misma, garantizando el tiempo de sincronización y el tiempo real de respuesta determinística en algunas aplicaciones.
LA TECNOLOGÍA DE BUSES DE CAMPO
Físicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores conectando conjuntamente más circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario a una conexión punto a punto donde solo dos dispositivos intercambian información, un bus consta normalmente de un número de usuarios superior, además que generalmente un bus transmite datos en modo serial, a excepción de algún protocolo de bus particular como SCSI, o IEEE-488 utilizado para interconexión de instrumentos de medición, que no es el caso de los buses tratados como buses de campo.
Para una transmisión serial es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente son suficientes dos o tres conductores y la debida protección contra las perturbaciones externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial.

COMPONENTES DE LAS REDES INDUSTRIALES.
En grandes redes industriales un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologías y diseños de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento.
Bridge
Con un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.
Repetidor
El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las señales eléctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran número de nodos a la red; además se pueden adaptar a diferentes medios físicos como cable coaxial o fibra óptica.
Gateway
Un gateway es similar a un puente ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos y además las aplicaciones pueden comunicarse a través de él.
Enrutadores
Es un switch "Enrutador" de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta.
BENEFICIOS DE UNA RED INDUSTRIAL
-
Reducción de cableado (físicamente) - Dispositivos inteligentes (funcionalidad y ejecución) - Control distribuido (Flexibilidad) - Simplificación de cableado de las nuevas instalaciones - Reducción de costo en cableado y cajas de conexión - Aplicable a todo tipo de sistema de manufactura - Incremento de la confiabilidad de los sistemas de producción - Optimización de los procesos existentes.


SCADA
Concepto del Sistema

Un sistema SCADA incluye un hardware de señal de entrada y salida, controladores, interfaz hombre-máquina, redes, comunicaciones, base de datos y software.
El termino SCADA usualmente se refiere a un sistema central que monitorea y controla un sitio completo o un sistema que se extiende sobre una gran distancia (kilómetros / millas). La mayor parte del control del sitio es en realidad realizada automáticamente por una
Unidad Terminal Remota (UTR) o por un Controlador Lógico Programable (PLC). Las funciones de control del servidor están casi siempre restringidas a reajustes básicos del sitio o capacidades de nivel de supervisión. Por ejemplo un PLC puede controlar el flujo de agua fría a través de un proceso, pero un sistema SCADA puede permitirle a un operador cambiar el punto de consigna (set point) de control para el flujo, y permitirá grabar y mostrar cualquier condición de alarma como la pérdida de un flujo o una alta temperatura. La realimentación del lazo de control es cerrada a través del RTU o el PLC; el sistema SCADA monitorea el desempeño general de dicho lazo.


SCADA,
acrónimo de Supervisory Control and Data Acquisition (en español, Control supervisor y adquisición de datos).
Comprende todas aquellas soluciones de aplicación para referirse a la captura de información de un proceso o planta industrial (aunque no es absolutamente necesario que pertenezca a este ámbito), para que, con esta información, sea posible realizar una serie de análisis o estudios con los que se pueden obtener valiosos indicadores que permitan una
retroalimentación sobre un operador o sobre el propio proceso, tales como:
Indicadores sin retroalimentación inherente (no afectan al proceso, sólo al operador):
Estado actual del proceso. Valores instantáneos;
Desviación o deriva del proceso. Evolución histórica y acumulada;
Indicadores con retroalimentación inherente (afectan al proceso, después al operador):
Generación de alarmas;
HMI Human Machine Interface (Interfaces hombre-máquina);
Toma de decisiones:
Mediante operatoria humana;
Automática (mediante la utilización de sistemas basados en el conocimiento o
sistemas expertos).
etc.


Este gráfico es un ejemplo de la aplicación del sistema SCADA en áreas industriales. Éstas áreas pueden ser:
Monitorizar procesos químicos, físicos o de transporte en sistemas de suministro de agua, para controlar la generación y distribución de energía eléctrica, de gas o en oleoductos y otros procesos de distribución.
Gestión de la producción (facilita la programación de la fabricación);
Mantenimiento (proporciona magnitudes de interés tales para evaluar y determinar
modos de fallo, MTBF, índices de Fiabilidad, entre otros);
Control de Calidad (proporciona de manera automatizada los datos necesarios para calcular índices de estabilidad de la producción
CP y CPk, tolerancias, índice de piezas NOK/OK, etc;
Administración (actualmente pueden enlazarse estos datos del SCADA con un servidor
ERP (Enterprise Resource Planning o sistema de planificación de recursos empresariales), e integrarse como un módulo más);

Tratamiento histórico de información (mediante su incorporación en
bases de datos).