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Capítulo 1

Elementos y equipos utilizados en los sistemas de automatización industrial

1. Introducción

En un sistema industrial se requieren controladores, actuadores y sensores para hacer funcionar un proceso industrial automatizado.

Automatizar una instalación consiste en desarrollar una serie de tareas sin que sea necesaria la intervención humana en su proceso. Un sistema industrial automático se compone de un mando o control y un operador.

El mando o control se encarga de enviar las señales necesarias a todos los elementos automáticos del sistema mediante tarjetas electrónicas, autómatas programables, relés o cualquier dispositivo que permita establecer una acción de control automatizada y programable.

El operador u operadores son todos aquellos elementos que permiten actuar directamente para cambiar el estado físico de funcionamiento de un elemento, como por ejemplo accionar un motor o parar el funcionamiento de un compresor.

Los sistemas automatizados permiten aumentar la productividad, así como la calidad de un proceso. Mediante sistemas automatizados se puede integrar tanto la gestión como la producción, además de mejorar la situación laboral de los trabajadores realizando actividades repetitivas en un entorno de seguridad laboral.

2. Estructura de un sistema automático: red de alimentación, armarios eléctricos, pupitres de mando y control, cableado, sensores, actuadores, entre otros

Un sistema automático permite controlar un proceso o actuar sobre un elemento mediante la acción directa o indirecta de determinadas variables ligadas al proceso.

Ejemplo

Un ejemplo de sistema automático se encuentra cuando se va a un supermercado y la puerta se abre sin que se actúe sobre ella. Este hecho se produce gracias a la acción de un sistema automático con un número determinado de dispositivos (sensor de movimiento, actuador, etc.) que controla y gobierna el funcionamiento de dicho sistema.

Los elementos que componen un sistema automático son los que se describen a continuación.

Red de alimentación

Para hacer funcionar un sistema de automatización industrial es necesaria una fuente de alimentación que provea al sistema de la energía necesaria para su funcionamiento. Esta red de alimentación se conecta al sistema mediante la manguera de alimentación. Aunque se pueden emplear varias fuentes de energía para el funcionamiento del sistema automático, generalmente se emplea la electricidad y en casos concretos sistemas hidráulicos o neumáticos.

Armario eléctrico

Es una caja contenedora de todos los sistemas de control y maniobra y demás aparatos eléctricos que hacen funcionar la parte de control del sistema automático. El armario eléctrico trabaja como envolvente protectora para dichos aparatos, dentro de un mismo armario no deberá encontrarse elementos eléctricos de diferentes equipos.

Armario eléctrico

Pupitre de mando y control

Es la interfaz que permite la comunicación entre el sistema y el operario o persona que programa el autómata. La unidad de mando recibe la información desde los sensores, la procesa y establece una respuesta en forma de órdenes hacia los actuadores.

Pupitre de mando (© Fotografía: Pavel Ševela Vía Web - CC BY-SA 3.0)

Definición

Autómata

Es una máquina con la capacidad de programar sus actuaciones y realizar determinadas labores con el fin de evitar o facilitar los trabajos programados al ser humano.

Los equipos de mando y control electrónicos se encuentran bajo la aplicación de la normativa CEI 61131-1 y la CEI 61131-2. Este conjunto de normas regula y establece las directrices para ejecutar correctamente una instalación de automatización acorde a los estándares de seguridad.

Cableado

Para conducir las señales y conectar los distintos dispositivos es necesario el empleo de conductores eléctricos. En una instalación automatizada se pueden encontrar conductores de potencia que alimentan equipos tales como motores, lámparas, compresores, etc., o conductores de maniobra que son los encargados de enlazar el pupitre de mando con los elementos de maniobra o detección como sensores, relés, termostatos, etc.

Cableado para la conexión de un sistema de automatización industrial (© Fotografía: SemaphoreX Vía Web - CC BY 3.0)

La norma IEC 60204-1 recoge las especificaciones del cableado en automatización industrial, estableciendo las características de los distintos cables en función de su utilidad o conexión, el código de colores, los distintos esquemas de conexión, etc.

Sensores

Son los dispositivos encargados de proveer a la unidad de control la información necesaria para tomar las decisiones de actuación programas. Además, los sensores permiten obtener datos de las distintas variables implicadas en el proceso. Los sensores transforman dichas variables físicas en señales eléctricas que serán procesadas por la unidad de control o pupitre.

La normativa DIN 40050 recoge el grado de protección IP aplicable a los sensores.

Sensores

Acondicionador de señal

Dispositivo que permite adaptar las distintas señales de los sensores para ser leídas correctamente y sin ser dañado el pupitre de mando.

Acondicionadores de señal

Actuadores

Son los dispositivos encargados de transformar la señal eléctrica enviada por el pupitre de mando en acciones físicas.

Actuadores industriales

Preactuadores

En ocasiones no es posible conectar directamente la señal de un actuador al circuito del pupitre de mando, por lo que se instalan preactuadores que acondicionan dicha señal, además de enlazar el sistema automatizado con el actuador principal.

Ejemplo

Un croquis de un sistema automatizado recoge y localiza dentro del circuito los componentes automatizados. Todo circuito debe estar conectado a la fuente de alimentación para proveerlo de energía, de manera que si se quiere realizar el esquema de un sistema para detectar, por ejemplo, el paso de una caja por una línea de empaquetado, se tendrá lo siguiente:

En el circuito anterior, el sensor es alimentado por la fuente de alimentación pero a su vez este actúa como interruptor, cerrando o abriendo el circuito para dejar pasar la corriente, es por ello que los circuitos con sensores se les acopla elementos de señalización tales como:

1 Sirenas

2 Lámparas

Y la colocación de estos elementos debe ser seguido al sensor conectado directamente al circuito de alimentación.

Actividades

1. Investigue qué tipo de sensor se emplea en un sistema automático para la medición de la temperatura.

2. Piense en un sistema de automatización industrial y realice un esquema que recoja todos sus elementos.

A partir del siguiente plano de ejecución de una instalación industrial automatizada se van localizar e identificar los componentes del sistema automatizado.

En el plano de ejecución se observa el sistema generador que alimenta al circuito, conectado a él se encuentra la caja de protección. A continuación, la caja de protección es conectada con los distintos armarios eléctricos que albergan en su interior distintos dispositivos y elementos de seguridad y protección de los circuitos. Conectado a los armarios eléctricos se encuentra toda la aparamenta de mando y control del circuito automático, encargado de maniobrar la máquina 1 y que a su vez recoge parámetros y medidas de esta mediante el sensor.

Aplicación práctica

Como trabajador en montajes de sistemas de automatización industrial de la empresa “Automatizados Matías”, le han pedido que realice un croquis con los principales elementos que necesita en un sistema automático para que una lámpara led se encienda y un timbre suene cada vez que una persona atraviesa la puerta de una estancia, como medida de seguridad para así alertar a los trabajadores que se encuentran trabajando cerca de la zona.

SOLUCIÓN

3. Tecnologías aplicadas en automatismos: lógica cableada y lógica programada

Los sistemas que desarrollan acciones lógicas sin la intervención del hombre se denominan automatismo. Los automatismos son ampliamente empleados en la industrial y en función de la tecnología empleada se puede diferenciar entre automatismo de lógica cableada o lógica programada.

Automatización en la industria (© Fotografía: BMW Werk Leipzig Vía Web - CC BY-SA 2.0 DE)

3.1. Lógica cableada

Cuando el tratamiento de la información en un sistema automático industrial se realiza con automatismos de tipo contactores o relés, se dice que se emplea la técnica conocida como lógica cableada. Esta tecnología también recibe el nombre de lógica de contactos, ya que la alimentación de los distintos circuitos se realiza por medio de las bornas de contacto.

El elemento principal que compone un sistema empleando la tecnología cableada es el contactor, este dispositivo permite abrir o cerrar los distintos circuitos que conforman el esquema del sistema automático. Por lo que el contactor es el medio que consigue el control y mando del sistema, dirigiendo la potencia a los circuitos seleccionados, haciendo que funcionen los procesos conectados.

Nota

La conexión dentro de un sistema de lógica cableada se realiza mediante cables que conectan los distintos elementos y dispositivos del sistema.

La lógica cableada se emplea frecuentemente en el diseño de autómatas industriales con relés cableados que permiten realizar acciones de mando, protección, señalización, potencia y control. La lógica cableada es sencilla y fiable, sin embargo es una técnica rígida donde la posibilidad de variar distintos parámetros es limitada o nula. La automatización de grandes sistemas mediante lógica cableada es compleja y en muchos casos desaconsejable por la incapacidad de realizar variaciones en su esquema.

Los estados de un sistema en lógica cableada son abiertos o cerrados. Cuando el sistema permite la circulación de electricidad, se trata de un sistema de contactos cerrados, mientras que cuando los contactos se encuentran abiertos, la circulación eléctrica por el circuito se ve interrumpida.

Las ventajas de emplear la lógica cableada son:

1 Reducido coste de instalación.

2 Rápida puesta en funcionamiento en pequeños sistemas de automatización.

3 Sistemas sencillos e intuitivos.

4 Gran fiabilidad, ideal para procesos de seguridad.

5 No requiere programación software.

En contraposición las desventajas de este sistema son:

1 Baja flexibilidad en el diseño de las instalaciones.

2 Dificultad en la ampliación de los circuitos.

3 Empleo de gran cantidad de cableado.

4 Imposibilidad de realizar modificaciones en el sistema sin interrumpir el proceso.

3.2. Lógica programada

Con el nacimiento de la electrónica surge la lógica programable, esta tecnología permite utilizar elementos electrónicos para el procesamiento de los datos. Mientras que en la lógica cableada la automatización de un sistema se consigue mediante la configuración de un esquema, en un sistema de lógica programada es un software o programa memorizado, el encargado de tratar la información.

Sabía que...

La industria automovilística americana fue la gran impulsora de los sistemas automatizados programables. Automatizar ciertos procesos en fabricación de vehículos permitía aumentar el volumen de producción así como la calidad, además de reducir costes.

Actualmente, el gran avance de la electrónica ha permitido que los Dispositivos Lógicos Programables (PLD) controlen un gran número de procesos y variables asegurando el correcto funcionamiento de complejos sistemas automáticos industriales. Además, gracias a las tecnologías como internet, ethernet, wifi, tecnología móvil, etc., los procesos industriales pueden ser controlados y monitorizados desde ubicaciones remotas.

Brazo robot controlado mediante lógica programada (© Fotografía: Josh Baxt Vía Web - CC BY-SA 3.0)

En lógica programada se sigue la filosofía abierto/cerrado de la lógica cableada para la construcción del programa que controla el proceso.

Mediante la lógica programada se puede diseñar circuitos para complejos sistemas automatizados gracias a su versatilidad y flexibilidad en la programación.

Actividades

3. Nombre cinco diferencias entre la tecnología cableada y la programada.

4. Cite una instalación en la que emplearía lógica cableada y otra con lógica programada. Justifique su respuesta.

Aplicación práctica

Su compañero acaba de recibir el encargo de realizar el presupuesto para la instalación y montaje de un sistema automatizado en una planta industrial de envasado y etiquetado de refrescos, usted es el técnico encargado realizar el diseño del automatismo de la instalación industrial. A continuación, se muestran los parámetros y la información de la que dispone, basándose en dicha información deberá elegir y justificar el tipo de tecnología que va a emplear.

1 El sistema deberá ser fiable en su funcionamiento.

2 El automatismo no influye directamente en la de seguridad del sistema pero deberá ser fácilmente manipulable por el operador, evitando riesgos innecesarios.

3 Debe tener un coste reducido y ser de rápida instalación.

SOLUCIÓN

Gracias a la información aportada, el diseño de la instalación se realizará mediante tecnología cableada por ser un sistema sencillo, de bajo coste, y que confiere una gran fiabilidad al sistema incluso a altas velocidades de funcionamiento. Además cuenta con la ventaja de ser intuitivo y no necesita de un operario programador experto. Los sistemas de lógica cableada cuentan además con la ventaja de ser rápidamente instalables a un coste reducido.