Con un sistema automático se busca fundamentalmente aumentar la eficiencia del proceso, incrementando la velocidad, la calidad, y la precisión, disminuyendo los riesgos que normalmente se tendrían en la tarea si fuese realizada en forma manual.
Si lo anterior se verifica, hablamos de un significativo aumento de la productividad en el proceso, lo que se traduce en una disminución en los costos de operación, además de toda una serie ventajas competitivas que, con un proyecto bien diseñado, justifican con creces el costo de la inversión en nuevas tecnologías.
Como ejemplo, la automatización aplicada al almacenamiento de mercaderías, es una respuesta a la búsqueda de ahorro de tiempo y de reducción de los altos costos de mano de obra, de fiabilidad, de exactitud, de la reducción de errores, así como una búsqueda de mejoras en la productividad a través de la mecanización de tareas intensivas en mano de obra, como la gestión del inventario: con un mayor grado de automatización del almacén resulta más fácil la localización y el seguimiento de productos, así como el control del inventario.
La automatización del almacén puede ayudar a las medianas y grandes empresas a competir en la industria con operaciones más ágiles y efectivas, el equipo automatizado ayuda a brindar entregas rápidas con mejores costos, sin invertir en mano de obra adicional.
Si bien las tecnologías de la información y de las comunicaciones son determinantes en la automatización de los procesos industriales del siglo XXI, en ésta entrada nos limitaremos a analizar los dispositivos básicos que forman un SISTEMA DE CONTROL, medio necesario para la operación de los equipos automatizados.
Un SISTEMA DE CONTROL es el medio a través del cuál una cantidad o variable cualquiera de interés en una máquina, mecanismo o proceso, es mantenido o alterado de acuerdo a un patrón de comportamiento deseado.
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| ESQUEMA BÁSICO DE UN SISTEMA DE CONTROL |
Los SISTEMAS DE CONTROL están compuestos por tres partes principales:
1 - Sistema de obtención de señales
2 - Sistema de procesamiento de las señales
3 - Sistema de ejecución de respuestas a las señales
1 - OBTENCIÓN DE SEÑALES
Los dispositivos encargados de la obtención de las señales son los llamados SENSORES.
Los sensores son dispositivos que transforman una cantidad física cualquiera, por ejemplo, la temperatura, en una otra cantidad física equivalente, digamos un desplazamiento mecánico. Ésto es llamado transducción de la señal, por lo que el sensor es también conocido como TRANSDUCTOR DE ENTRADA o TRANSDUCTOR PRIMARIO.
Los sensores posibilitan la comunicación entre el mundo físico y los sistemas de control.
En un sentido más amplio, los sensores pueden ser empleados, también, para medir o detectar propiedades químicas y biológicas, no solamente cantidades físicas.
Como ejemplo, muchos termómetros utilizan como sensor una lámina bimetálica, formada por dos metales con diferente coheficiente de dilatación, dicha diferencia produce un desplazamiento (señal mecánica) proporcional a la temperatura (señal térmica). El desplazamiento mecánico es la señal de salida, en el caso de nuestro termómetro, el bimetal que se desplaza puede mover una palanca, y ésta una aguja en un dial graduado con una medida de temperatura para determinado desplazamiento (transducción de la señal).
Los sensores más usados son los que ofrecen una señal de salida eléctrica. Ello se debe a las numerosas ventajas que ofrecen los métodos electrónicos para el control y medición de procesos.
Los TRANSDUCTORES SECUNDARIOS actúa sobre la salida del transductor primario para producir una señal eléctrica equivalente que, una vez obtenida, es sometida a un proceso de acondicionamiento y amplificación, para ajustarla a las necesidades de la carga exterior o de la circuitería de control.
2 - PROCESAMIENTO DE SEÑALES
Los sistemas de procesamiento de señales, o automatismos propiamente dichos, pueden ser de diversos tipos, dependiendo principalmente del tipo de señales que se utilicen, y de la arquitectura con la que son diseñados.
Por el tipo de señales que deben ser manejadas, los sistemas pueden ser analógicos, digitales o híbridos (analógico/digital).
Los sistemas ANALÓGICOS trabajan con señales del tipo continuo dentro de un margen específico. Por lo general, los sensores y actuadores que pertenecen a este modo de automatización funcionan con señales de corriente entre 4 y 20 mA o con señales de voltaje entre 0 y 10 VDC.
Los sistemas DIGITALES funcionan con señales que presentan solo dos estados: abierto o cerrado.
Son ampliamente utilizados en dispositivos de proceso tales como el PLC.
Los sistemas HÍBRIDOS, que es la arquitectura más común para la automatización de procesos, combinan tanto los sistemas analógicos como los sistemas digitales.
Por lo general, dentro de un mismo sistema, se usan variables que deben manejarse en forma analógica (la medición de temperatura, por ej.), como tambíén variables que deben manejarse en forma digital, como la detección de objetos.
Actualmente los sistemas pueden configurarse en el modo deseado gracias a que muchos de ellos son sistemas modulares, pueden agregarse o quitarse módulos, que suelen ser del tipo digital o analógico, según las necesidades existentes en el momento.
Aunque los dispositivos de control de procesos manejen señales de tipo analógico, internamente son transformadas a señales de tipo digital, para poder ser procedas. Luego del procesamiento, dichas señales vuelven a convertirse a voltajes analógicos, y si es necesario, se utilizan los mismos bits para controlar dispositivos externos.
LÓGICA CABLEADA
Los automatismos de lógica cableada presentan una arquitectura de carácter rígido, por lo tanto, cuando se diseña un sistema de éste tipo, es indispensable saber que un cambio en el proceso, por pequeño que sea, implica la modificación de elementos, cambio de conexiones y, a veces, hasta el rediseño completo del sistema.
Éste tipo de sistema utiliza muchos elementos unitarios de control. El operario debe manipular gran cantidad de interruptores, selectores y pulsadores, y la información se presenta principalmente con pilotos e instrumentos en forma independiente. La principal ventaja es el bajo costo, ya que no requiere de equipos sofisticados para el procesamiento de la información.
Un sistema de lógica cableada puede ser a su vez del tipo analógico, digital o híbrido.
LÓGICA PROGRAMABLE
El sistema funciona según las indicaciones de un programa de control. El modo programable es sin duda el mejor modo de automatizar un proceso industrial. El hecho de ser programable permite adaptarse de una manera mas sencilla a las posibles variaciones de un proceso: si el proceso requiere de modificaciones, basta cambiar la programación de los equipos automáticos (controlados por PC o PLC, por ejemplo).
La principal característica de los sistemas de lógica programable es el uso de dispositivos electrónicos de procesamiento de información, tales como PLC, computadoras, controladores especializados, etc. La principal desventaja es al alto costo de adquisición, instalación y mantenimiento, lo que los hace útiles en los procesos de medianos y altos índices de producción.
Los sistemas de lógica programable pueden ser también a su vez digitales, analógicos o híbridos.
3 - RESPUESTA A LAS SEÑALES: LOS ACTUADORES
Los actuadores, también llamados accionamientos, son las partes de un sistema de control que se encargan de actuar sobre el proceso, modificándo su estado.
Los mismos pueden estar gobernados directamente por el controlador del sistema, o pueden requerir de algún tipo de preaccionamiento para amplificar la señal de mando.
Los ACTUADORES más comunmente utilizados en aplicaciones industriales son los destinados a producir movimiento (motores y cilindros), trasvasar fluídos (bombas y válvulas), y manipular calor (hornos, intercambiadores).
Dependiendo del tipo de energía utilizado para su accionamiento, los actuadores pueden ser básicamente de 4 tipos:
1 - ACTUADORES ELÉCTRICOS:
Relés, contactores, motores, servomotores y motores paso a paso.
2 - ACTUADORES HIDRÁULICOS Y NEUMÁTICOS:
Válvulas, servoválvulas, cilindros, ventosas se sujeción por vacío, bombas centrifugas.
3 - ACTUADORES TÉRMICOS
Hornos, sistemas de enfriamiento.
A continuación una breve descripción de los actuadores que juzgamos como los más utilizados.
Los servomotores:
El término SERVOMOTOR se aplica a cualquier motor que, en un sistema de lazo cerrado, utilice una señal de realimentación para monitorear su velocidad o posición, en ambas direcciones, o, en un sistema de lazo abierto, utilice un equipo digital para proporcionar las señales de comando precisas que controlan éstas variables.
Los servomotores pueden ser DC o AC, operan con bajos niveles de potencia, y están especialmente diseñados para proporcionar el gobierno preciso de la posición o la velocidad de objetos, en sistemas de control de movimiento.
Los motores paso a paso:
Son dispositivos que convierten comandos digitales en movimientos incrementales de exactitud conocida.
Al contrario de los motores AC y DC convencionales, que operan a partir de voltajes de entrada aplicados continuamente, y que producen un movimiento rotatorio contínuo, los motores paso a paso se mueven en pasos discretos. Puesto que la marcha a pasos ocurre en estricta concordancia con los comandos digitales de entrada proporcionados, la posición final del eje es siempre predecible.
Los actuadores neumáticos lineales o cilindros.
Es un dispositivo que convierte la presión de un gas (comunmente aire comprimido) en un movimiento mecánico.
Los cilindros poseen una pieza central denominada pistón, que recibe la presión del aire por una de sus caras, haciéndolo desplazar en forma lineal. El movimiento del cilíndro es transmitido a través de su eje central, solidario al pistón, que tiene el extremo roscado a fin de fijarlo al accesorio o dispositivo que utilizará el movimiento del cilíndro.
Los cilindros suelen fabricarse con diámetros interiores de 25 mm a 200 mm, y una longitud de recorrido (carrera del cilíndro) de 30 mm a 125 mm, aunque pueden construirse en tamaños espaciales previo estudio de las necesidades de la instalación.
Los cilindros pueden ser de simple efecto o doble efecto.
Un cilindro de simple efecto posee una sola entrada de aire, por lo cuál la acción provocada por la presión del fluído es solo en un sentido. Para que el pistón regrese a su posición inicial se suele usar un resorte interno, el cuál hace fuerza en sentido contrario al del movimiento, al desaparecer la fuerza ejercida por la presión de aire sobre la superficie del pistón, la fuerza del resorte es la que prevalece. En cilindros de posición vertical, puede ser usada la acción de la gravedad, en lugar de la fuerza del resorte.
Un cilindro de doble efecto tiene dos entradas de aire, cuando se inyecta presión por una de ellas, la otra funciona como salida, evacuando el aire comprimido. Al invertir la entrada de aire, se invierte el movimiento del cilíndro. Se logra un movimiento alternativo, controlando las entradas de aire con VÁLVULAS DE CONTROL NEUMÁTICO, éstas son sistemas que bloquean, liberan o desvían el flujo de aire de un sistema neumático, por medio de una señal, que puede ser también neumática, pero hoy día en general es eléctrica.
Los almacenes inteligentes son la opción en la automatización de los procesos de warehousing y fulfillment
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| Almacén inteligente, con sistemas de rodillos para desplazamiento de la mercadería (actuadores) |
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