Montaje y puesta en marcha de sistemas robóticos y sistemas de visión, en bienes de equipo y maquinaria industrial. FMEE0208

Por José Luis Pardo Alonso

Libro especializado que se ajusta al desarrollo de la cualificación profesional y adquisición del certificado de profesionalidad "FMEE0208. MONTAJE Y PUESTA EN MARCHA DE BIENES DE EQUIPO Y MAQUINARIA INDUSTRIAL". Manual imprescindible para la formación y la capacitación, que se basa en los principios de la cualificación y dinamización del conocimiento, como premisas para la mejora de la empleabilidad y eficacia para el desempeño del trabajo.

• Idioma: Español
• Editorial: IC Editorial
• Fecha de lanzamiento: 12 dic 2022
• ISBN: 9788411032377

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Capítulo 1

Tecnologías de la automatización

Contenido

1. Introducción

2. Aportaciones de la automatización

3. Historia de la automatización

4. Tecnologías de la automatización

5. Topología de las líneas automáticas

6. Configuración y funciones de las líneas automáticas

7. Unidades individuales, funciones y capacidades

8. Tecnología de la comunicación

9. Resumen

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.

Nota

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 (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.

Nota

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