Automatización Industrial: Sistemas, Control, Robótica e Instrumentación

Fundamentos de la Automatización Industrial

Las instalaciones y sistemas de fabricación se solapan a través de la Fabricación Integrada por Computadora (CIM), que integra diversas tecnologías asistidas.

Sistemas de Producción Automatizados

Se clasifican según su flexibilidad y volumen de producción:

• Fija: Mayor cantidad, menor variedad.
• Programable: Permite cambios en la secuencia de operaciones.
• Flexible: Menor cantidad, mayor variedad.

Relación entre cantidad, producción, variedad y lotes:

• Cantidad: Fijo > Flexible
• Producción: Fijo > Flexible
• Variedad: Fijo < Flexible
• Producción por lotes: Fijo < Flexible

Estrategias de Automatización

Las estrategias de automatización pueden ser:

• Manual
• Automatizada
• Automatizada Integral

Industrias y Productos

Se distinguen dos tipos principales de industrias y productos:

• De proceso: Producción continua (ej. líquidos, gases).
• Discretos: Producción de unidades individuales (ej. piezas, componentes).

Control y Realimentación en Sistemas Industriales

Realimentación (Feedback)

Consiste en comparar la variable controlada con una referencia. El control por realimentación requiere la existencia de un error para actuar.

Control PID

El control PID (Proporcional, Integral, Derivativo) es comúnmente utilizado en aplicaciones como la fabricación de acero, papel y refuerzos.

Variables Discretas

Las variables discretas son aquellas que toman valores binarios o a pulsos.

Control Dirigido por Eventos (Event-Driven)

Se refiere a sistemas donde los cambios son dirigidos por eventos específicos.

Tipos de Control por Ordenadores

Los sistemas de control basados en ordenadores incluyen:

• Control Numérico (CNC) y Robótica
• Controlador Lógico Programable (PLC)
• Control Supervisor
• Sistema de Control Distribuido (DCS)
• Control Digital Directo (DDC)

Componentes Clave en Automatización

Control Numérico Computarizado (CNC) y Robótica

• CNC: Controla la herramienta de la máquina.
• Robótica: Controla las articulaciones del robot.
• PLC: Implementa la lógica de control.
• Control Supervisor: Gestiona la cantidad de operaciones de una serie de unidades integradas en una célula de producción.

Programa de Pieza

Define los movimientos de la máquina y la actuación de funciones (ej. husillos).

Dispositivos y Componentes

• Dispositivos de entrada: Permiten la entrada de datos o señales.
• MCU (Unidad de Control de Máquina): Es el corazón del sistema de control.
• Husillos de bolas: Permiten movimientos de rotación o traslación.

Dispositivos de Almacenamiento y Medición

Incluyen:

• Potenciómetro
• Encoder
• Resolver
• Tacómetro

Sistemas de Movimiento

• Sistemas Punto a Punto: Como los utilizados en taladros.
• Sistemas Continuos: Como los utilizados en torneado.

Códigos G y M (Programación CNC)

Códigos G (Funciones Preparatorias)

• G00: Marcha rápida (posicionamiento).
• G01: Interpolación lineal.
• G02: Interpolación circular en sentido horario.
• G03: Interpolación circular en sentido antihorario.
• G04: Parada programada (dwell).
• G08: Aceleración.
• G09: Desaceleración.

Códigos M (Funciones Misceláneas)

• M00: Parada de programa incondicional.
• M01: Parada de programa condicional.
• M02: Fin de programa.
• M03: Husillo en sentido horario.
• M04: Husillo en sentido antihorario.

Encoders

• Encoder Angular: Utiliza una rejilla óptica.
• Encoder Lineal: Utiliza una banda magnética.

Robótica Industrial y Buses de Comunicación

Punto Central de Herramienta (TCP)

El TCP es el punto central de la herramienta del robot.

Relación Velocidad, Carga y Precisión

En robótica, generalmente se observa que a mayor velocidad, hay menor carga y menor precisión.

Configuración de Muñeca del Robot

La configuración de la muñeca de un robot se describe mediante los movimientos de:

• Roll (Rotación)
• Yaw (Guiñada)
• Pitch (Cabeceo)

Sistemas de Accionamiento

Los robots pueden utilizar diferentes sistemas de accionamiento:

• Eléctricos
• Hidráulicos
• Neumáticos

Sensores en Robótica

Los sensores pueden ser:

• Internos: Miden el estado interno del robot (ej. posición de articulaciones).
• Externos: Interactúan con el entorno (ej. visión, fuerza).

Cinemática del Robot

• Cinemática Directa: Calcula la posición y orientación del efector final (x, y, z) a partir de los ángulos de las articulaciones (q).
• Cinemática Inversa: Calcula los ángulos de las articulaciones (q) necesarios para alcanzar una posición y orientación (x, y, z) deseada del efector final.

Tipos de Programación de Robots

• Programación On-line: El robot se "enseña" físicamente, moviéndolo a los puntos deseados.
• Programación Off-line: Se utilizan códigos de software para programar el robot sin necesidad de interacción física directa.

Comandos de Programación de Robots

Ejemplos de comandos comunes:

• MoveL: Movimiento lineal sin puntos intermedios definidos.
• MoveC: Movimiento circular con un punto intermedio definido.
• MoveJ: Movimiento conjunto (cada articulación se mueve a su destino simultáneamente).

Jerarquía de Buses de Control

La jerarquía de buses de control en una fábrica se organiza por niveles:

• Nivel 0 (Dispositivo/Proceso): Mayor velocidad, menor volumen de datos.
• Nivel 1 (Máquinas/Estación)
• Nivel 2 (Célula)
• Nivel 3 (Planta/Sección/Área)
• Nivel 4 (Fábrica/Factoría): Menor velocidad, mayor volumen de datos.

La velocidad disminuye y el volumen de datos aumenta a medida que se asciende en la jerarquía (de 0 a 4). La velocidad aumenta y el volumen de datos disminuye a medida que se desciende (de 4 a 0).

Bus de Campo (Fieldbus)

Conecta elementos como detectores todo-o-nada (salida binaria) y dispositivos de medida continuos.

Dispositivos de Campo Inteligentes

Estos dispositivos incorporan:

• Memoria: Para calibración con tablas.
• CPU: Para la incorporación algorítmica.

Ejemplos de Buses de Campo y Redes de Planta

• Buses de Campo: AS-i y PROFIBUS (con sus variantes FMS para célula, DP para control distribuido, y PA para procesos continuos).
• Red de Planta: Ethernet.

Uso de Ethernet y Bus de Campo

• Ethernet: Se utiliza para comunicar PLCs entre sí y con niveles superiores de control.
• Bus de Campo: Se utiliza para la conexión de entradas/salidas (E/S) y PLCs.

Instrumentación y SCADA

Tipos de Instrumentación

La instrumentación se divide en:

• Sensorización: Relacionada con la medición de magnitudes.
• Accionamiento: Relacionada con el control y la actuación.

Bloques Constitutivos de un Sistema de Instrumentación

Un sistema de instrumentación típicamente incluye:

• Sensores: Convierten magnitudes físicas en señales eléctricas.
• Tratamiento de Señal: Incluye amplificación, filtrado, conversión y normalización.
• Control o Procesador: Realiza la lógica de control.
• Emisor/Receptor: Para la comunicación de datos.
• Visualización: Para la interfaz con el operador.

Convertidores Analógico-Digital (A/D) y Digital-Analógico (D/A)

• Convertidor A/D: Transforma una señal analógica continua en valores digitales. El número de tensiones de ensayo es igual al número de bits usados.
• Convertidor D/A: Realiza la decodificación y el mantenimiento de la señal digital para convertirla en analógica.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

Los sistemas SCADA cumplen funciones clave:

• Adquisición de Datos: Recopilación de información del proceso.
• Supervisión: Facilita la tarea del operario, incluyendo:
  • Registro y evaluación de datos.
  • Detección y análisis de fallos.
  • Deducción y elaboración de diagnósticos.
  • Resolución de problemas y toma de medidas.
• Control: Permite la operación y ajuste de los procesos.

Sensores y Actuadores Específicos

Medidas de Posición Binaria

Detectan la presencia o ausencia en una posición:

• Micro-switch
• Sensor óptico
• Sensor magnético

Medidas de Posición Analógica

Proporcionan un valor continuo de la posición:

• Potenciómetro
• LVDT (Transformador Diferencial Variable Lineal)
• Sensores piezoeléctricos

LVDT (Transformador Diferencial Variable Lineal)

Consiste en una armadura móvil y un arrollamiento de transformador externo que permite medir desplazamientos lineales.

Código Gray

A diferencia del binario directo, donde múltiples bits pueden cambiar simultáneamente (lo que puede causar fallos), el Código Gray asegura que solo un bit cambia en cada momento, evitando así errores de lectura.

Tacómetro

Un tacómetro con imán permanente en rotación induce un voltaje en una bobina, permitiendo medir la velocidad de rotación.

Efecto Piezoeléctrico

Describe la propiedad de ciertos materiales de deformarse cuando se les aplica un campo eléctrico y, viceversa, de producir un campo eléctrico cuando se deforman.