Automatismos III

Automatismos industriales

Nuestro paisaje cotidiano esta poblado por una gran cantidad de objetos que son el producto de algún tipo de proceso industrial automatizado.

Desde los artefactos cotidianos mas simples hasta los mas complejos incluso nuestros alimentos y nuestra ropa. Todo eso que usamos y consumimos masivamente proviene de procesos industriales en los que intervienen distintos niveles de automatización.

Hasta la aparición de las grandes fabricas los productos era elaborados de manera artesanal, esto los volvia muy costosos y limitaba su producción.

La producción en serie y las grandes fabricas aparecen en la segunda mitad del siglo XVIII en la época que conocemos como revolución industrial. El avance tecnológico que origino esta revolución fue la maquina térmica de JAMES WATT (1736-1819) o mejor conocida como maquina de vapor que aporto la fuerza motriz para impulsar las maquinas en forma independiente de la fuerza física humana o la de animales domesticados.

En realidad James Watt no invento la maquina de vapor sino que mejoro algunas características de maquinas anteriores incorporando un dispositivo automático conocido como regulador de Watt con el cual nació el concepto de realimentación y regulación automática y patento el invento.

La maquina de vapor ya había sido inventada en el siglo I por el ingeniero y matemático griego Herón de Alejandría. Ideo la EOLIPILA primera maquina de vapor de movimiento continuo, que consistía en una cámara de aire que se autoimpulsaba despidiendo el vapor que recibía de otra cámara en la que se calentaba el agua, al experimentar con esta maquina Herón descubrió de manera primitiva la LEY DE ACCION Y REACCION, la Eolipila también ejemplificaba la LEY DE CONSERVACION DE LA ENERGIA ya que como todas las maquinas de vapor convertía la energía térmica en energía mecánica. Pero como en la antigua grecia los esfuerzos físico y las tareas productivas eran realizadas en general por esclavos, la eolipila fue considerada como un entretenimiento.

A partir del Renacimiento se desarrollaron equipos que aprovechaban la fuerza de la naturaleza para generar energía mecánica. Desde entonces la forma de la energía hidráulica y la energía eólica fueron evolucionando hasta nuestros días. Pero hasta la revolución industrial la fuerza muscular, la eólica, la hidráulica fueron las principales fuentes de energía para hacer funcionar la maquinas.

El desarrollo de las fabricas a partir de la revolución industrial genero la evolución de automatismos industriales. A principios del siglo XX la energía eléctrica reemplazo al vapor como fuente de energía. Antes la fabricas debían estar cerca de minas carbón para abastecerse de combustible, estaba a su vez vinculadas a un único motor a vapor que transmitía el movimiento por medio de un tronco transmisor que atravesaba la planta industrial.

En la etapa que comprende el siglo XX se observa un gran cambio, cada maquina tiene su propio motor eléctrico asi que los cambios de velocidad o las detenciones eran mucho mas sencillos y rapidos. Tambien a principio del siglo XX surgieron escuela de administraciones del trabajo orientadas a maximizar la productividad deacuerdo a los conceptos de FREDERICK TAYLOR (1856-1915) y HENRY FORD (1863-1947) entre otros.

Esto genero miles de puestos de trabajo , cerca de las ciudades donde se instalaban las fabricas, pero con tareas altamente repetitivas. La única solución para liberar a los trabajadores de estas rutinas, agilizar y mejorar la calidad final de los productos era incorporar un mayor grado de automatización industrial que llegaría de la mano de la incipiente informática.

El manejo de la información es fundamental para el control de los procesos productivos automáticos de las industrias modernas, los primeros medios de almacenamiento de información fueron las tarjetas perforadas que de acuerdo a la disposición de sus perforaciones representaban un código binario que podía ser interpretado por un autómata. El mismo código binario que utilizan los sistemas modernos de almacenamiento de datos.

Las tarjetas perforadas fueron usadas por las primeras computadoras en los años 60, pero la informática las adquirió de la industria textil que las utilizaba desde hace más de un siglo. El francés JOSEPH MARIE JACQUARD (1752-1834) era hijo de un obrero textil y había trabajado desde niño en telares de seda. En el año 1805 presento un telar que de acuerdo a la información que leía de una tarjeta perforada tejía patrones en la tela, así le permitía a usuarios inexpertos elaborar diseños complejos. Jacquard no solo invento un automatismo sofisticado que fue luego imitado por otras industrias sino que instalo un precedente del concepto de la fabricación flexible, con un simple cambio de tarjeta perforada las maquina se reprogramaban para producir nuevos diseños según la demanda. El telar de Jacquard fue un hito tecnológico que transformo el mundo de trabajo y genero profundas modificaciones sociales.

Todo objeto en tres dimensiones puede traducirse en información numérica. La automatización los procesos de modelado, corte o tejido son uno de los logros mas grandes de la industria actual.

Inicialmente el factor predominante que impulso el desarrollo de sistemas automáticos fue el aumento de productividad, posteriormente debido a las nuevas necesidades de las industrias surgieron otros factores como la búsqueda de precisión, rapidez y flexibilidad.

Los sistemas industriales y de control automático avanzaron hasta el punto que todas las acciones que realizan una maquina pueden ser comandada por un programa numérico (control numérico computarizado-CNC).

Las llamadas maquinas de control numérico computarizado o CNC , como los autómatas de levas que se utilizan en la industria textil y la metalmecánica no solo reducen los tiempos de fabricación sino que también acortan los procesos previos de fabricación del modelo de una pieza.

Esta flexibilidad favorece a muchas industrias que fabrican piezas con diferentes especificaciones y en serie de producción reducida.

El primer control numérico surgió en 1942 cuando la industria aeronáutica tuvo la necesidad de realizar hélices de diferentes configuraciones, como tantas veces a lo largo de la historia, la industria bélica fue el motor deavances tecnológicos que luego son aplicadas en otras áreas.

Los elementos básicos del CNC son:

El programa, que contiene toda la información de las acciones a ejecutar.

El Control Numérico, que interpreta las instrucciones y las convierten en señales para las diferentes partes de las maquinas y comprueba la realización de los comandos.

Maquina, que ejecuta las acciones programadas.

La evolución de la microelectrónica y de la informática simplifico mucho los procedimientos de programación y operación de maquinas de CNC. Día a día se desarrollan maquinas-herramientas que permiten la elaboración de piezas más complejas y precisas.

Para muchos otros procesos de fabricación como la inyección de plástico, los equipos utilizan matrices que tienen incorporada la forma completa de la pieza plástica a fabricar y se inyectan en maquina controladas por programadores llamadas inyectoras de plástico.

Para fabricar una pieza primero hay que imaginarla para luego diseñarla, se realizan dibujos técnicos precisos de la piezas a fabricar estos son procesos fundamentales en el diseño industrial para la producción, por mas avanzados que sean los métodos de producción sin diseño industrial no hay producto.

La informática también revoluciono los métodos de diseño. Los sistemas de diseño asistido por computadora o CAD pueden utilizarse para generar modelos en dos dimensiones o tres dimensiones de una pieza o producto.

Hasta hace poco los programas que contenían las secuencias instrucciones que debían seguir una maquina-herramienta de control numérico debían ser generadas en forma manual por programadores, una tarea que podía resultar mas que tediosa ya que se realizaba un programa por cada diseño.

Los software de diseño usados en red hacen posible la integración de ideas de equipos de ingenieros y diseñadores que trabajan separados en distintos lugares.

Los sistemas CAD también permiten simular el funcionamiento de un producto. Por ejemplo se puede someter a una pieza a una prueba virtual para saber si va a poder soportar la fuerza de cargas a las que será sometida en uso.

A partir de 1971 la industria automotriz desarrollo aplicaciones informáticas que partiendo de un diseño CAD generan el programa de control numérico de forma automática, esta tecnología es conocida como CAM (manofacture asistid computer) o fabricación asistida por computadora y rápidamente se propago a muchas otras industrias.

La integración del diseño y la fabricación en sistemas CAD-CAM aporta grandes ventajas, se evitan los errores que puedan cometer un operador y producir con precisión un producto complejo, se pueden realizar prototipos rápidos que permiten analizar la viabilidad de un producto.

El análisis computarizado de un diseño también ayuda a identificar el material mas adecuado para un determinado producto y el programa de fabricación se genera para reducir al mínimo el derroche de material sobrante y el tiempo de trabajo de las maquinas lo que además ahorra energía eléctrica. Todo esto hace que se reduzcan los tiempos de fabricación y por lo tanto el costo de la mano de obra.

La evolución de los sistemas CAD-CAM tienden a desarrollo de sistemas de realidad virtual que sirven para evaluar el rendimiento de prototipos virtuales y también a los equipos que producen los prototipos reales como por ejemplos los equipos de ESTEREOLITOGRAFIA y PROTOTIPADO RAPIDO.

En la fabricación de un producto intervienen diversos procesos automáticos, gracias a los sistemas CAD-CAM y de control numérico computarizado la producción de piezas se realiza de forma automática desde el diseño hasta la fabricación pero una pieza no es un producto terminado. La interconexión de una o varias maquinas que se complementan para la producción automatizada de piezas de ciclo completo se conoce como una CELDA DE FABRICACION FLEXIBLE , es cada ves mas común que la carga, el transporte, el almacenamiento de materiales, piezas y productos se realice con la ayuda de unos dispositivos que han servido de inspiración para muchas historias, los ROBOT.

Según la asociación internacional de estándares o ISO se denomina robot industrial a un manipulador multifunción reprogramable con varios grados de libertad capaz de manipular materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar diversas tareas.

Un sistema robotizado integra todo aquellos dispositivos que realizan tareas de forma automática. Las partes principales de un brazo robótico industrial son:

El brazo mecánico propiamente dicho con sus múltiples articulaciones.

La mano o griper que toma los elementos.

El sistema de control, que opera el robot con ciclos automático durante las operaciones repetitivas

La interface hombre –maquina que permite programar la unidad de control.

La forma de los robots industriales defines sus capacidades de trabajo y el tipo y tamaño de pieza a manipular.

El robot antropomórfico tiene en cada articulación un motor y un reductor que generan los movimiento y un dispositivo llamado encoder que informa a la unidad de control central sobre las posiciones reales.

Cada articulación del robot es un grado de libertad que le permiten realizar movimientos complejos. por ejemplo para poder imitar todos los movimientos de un brazo humano un brazo robótico tendría que tener seis grados de libertad, Tres grados de libertad que corresponden al movimiento de la muñeca y tres grados de libertad para el movimiento del codo. La forma geométrica y los grados de libertad de un robot industrial definen sus capacidades de trabajo.

Será mas importante una buena capacidad de carga en el caso de los robot de paletizado, la sutileza de su manos griper en el caso de robot que realizan ajustes de pequeñas piezas, la capacidad de describir trayectorias complejas y a velocidades variables como lo requieren los procesos de soldadura o la posibilidad de modificar su tarea según la información que recopile de su entorno como en el caso de los robot que clasifican chatarra electrónica.

Robot para armar productos, desarmar productos, para llevar, traer, apilar, colocar, extraer operaciones que están mas presentes en los procesos industriales realizadas por robot.

El control y la sincronización de las tareas son factores decisivos para la industria moderna la falla de una maquina de uso domestico como un reloj puede hacernos llegar tarde a una reunión o perder una cita , pero una falla en un punto de una cadena industrial puede paralizar la producción, causar perdida de materia prima o daños en el equipamiento. Complicaciones que resultan ser muy caras y eso sin contar con la posibilidad de causar un accidente ambiental y hasta pérdidas de vidas humanas.

Para evitar estos riesgos las industrias invierten grandes sumas de dinero en sistemas de control fiables. El control de la mayoría de los procesos industriales esta armado de los CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES o PLC .

Estos automatismos de control digital funcionan a partir de conjunto de sensores y actuadores conectados a una computadora que miden los parámetros de un proceso y regulan su actividad para mantenerlos estables.

El funcionamiento de los PLC está inspirado en los procesos de homeostasis que regulan el funciones corporales de un organismo vivo como la frecuencia cardiaca y la temperatura corporal para mantener el equilibrio fisiológico.

Independientemente de los controles da cada subproceso la supervisión centralizada de la totalidad de las instalaciones de una industria se logra por lo que se conoce como SISTEMA SCADA que significa control de supervisión y adquisición de datos.

Un sistema SCADA funciona capturando los datos que obtienen los diferentes PLC y transmitiéndolos en tiempo real a través de una red a una consola central. A partir del análisis de la información , el sistema SCADA puede ejecutar acciones correctivas en forma automática o emitir alarmas para que un operador tome decisiones en forma manual a su ves si se conecta a una base de datos puede emitir informes estadísticos sobre operaciones de productividad.

Los tres principales componentes de un sistema SCADA son:

Las múltiples unidades remotas compuestas por PLC

la infraestructura de comunicación para la transmisión de datos y señales de control

la estación maestra con su computador, su software y un interface humano maquina o HMI, que le permite al operador visualizar el estado de la planta y ejecutar comandos de control