Automatas exp.
- 1. AUTOMATAS PROGRAMABLES Introducción. Durante milenios el hombre ha creado herramientas, que con un largo proceso de perfeccionamiento se han ido modificando hasta obtener herramientas más cómodas, y eficaces. En el trabajo artesanal, el hombre tenía como funciones la de motor, operario y controlador del sistema. Posteriormente ha creado máquinas herramientas que se encargan de realizar las duras tareas manuales. En el trabajo mecánico, el hombre ha pasado a trabajar como operario y a controlar el sistema, dejando a las máquinas herramientas las funciones de motor. En la actualidad ha creado sistemas automáticos. En el trabajo automático, el hombre ha pasado a supervisar el sistema. El resto de tareas se realizan sin intervención humana. Evolución de los sistemas automáticos. Desde la utilización de palos y piedras por nuestros antepasados, hasta el momento actual, la evolución de la forma de trabajar y crear objetos ha pasado por los diversos estados. • En el comienzo existían herramientas de uso cotidiano (palos, cuchillos de madera y de piedra, flechas de huesos, ...) • Luego se crearon herramientas especializadas (escoplos, martillos, buril, gubia, ...). Son los artesanos quienes saben utilizar adecuadamente las herramientas y cada herramienta es la adecuada para un tipo de trabajo. • A continuación se crean las máquinas herramientas (taladradora, fresadora, ...). La fuerza bruta la realizan las máquina, a pesar de que son necesarios operarios especializados para manejarlas. • Por último se desarrollan los sistemas automáticos el sistema se encarga de manejar a las máquinas herramientas, el operario especializado no es necesario, el hombre pasa a ser el supervisor. Estos estados siguen conviviendo en la actualidad ya que no ha desaparecido ninguno de los anteriores con la aparición del nuevo. Lo que más nos interesa en este momento es ver esta evolución sobre la industria, y la obtención de piezas. Mecanización. La mecanización consiste en la obtención de piezas mediante herramientas y máquinas herramientas. En un principio la obtención de las piezas se realizaba de forma manual el operario se encargaba de realizar el mecanizado con herramientas manuales, sierra, lima, cincel, buril, etc. Este trabajo se ha visto ayudado por las máquinas herramientas que facilitan notablemente la obtención de piezas con mayor precisión, en menor tiempo y como consecuencia de menor coste. Algunas de las máquinas herramienta utilizadas son: El taladro, cepillo, fresadora, torno, sierra, etc. Automatización. El término griego “automatos” significa que se mueve por el mismo. Los autómatas, se tiene constancia que ya existían en la Grecia antigua, también se utilizaron en Egipto en estatuas articuladas que adoraban a Dios y a difuntos de importancia, utilizaban dispositivos invisibles a los fieles que eran casi siempre originados utilizando aire, colocado en vejigas de animales, que al dilatarse por pequeñas presiones hacían que se moviera la figura.
- 2. Es durante el siglo XVIII cuando sufren su mayor desarrollo, pero casi siempre se trata de sistema mecánicos con forma humana. Durante el siglo XX, con ayuda de la electrónica, la automatización y sistematización de procesos ha sufrido un gran auge, y ha conseguido abaratar aún más la construcción de piezas y su montaje. La automatización, actualmente, se emplea en la obtención de productos sin la necesidad de intervención humana en el proceso. Un autómata es una máquina o ingenio electrónico programable, capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas solo a las personas. Por ello los autómatas se hacen necesarios durante la automatización y así poder eliminar al hombre durante la producción. Es especialmente útil en lugares donde el ambiente de trabajo es perjudicial para las personas. Un ejemplo es un tren de pintura de coches. Por otra parte los autómatas pueden ser reprogramados y un mismo autómata realizar tares diversas según nos convenga. Sistemas de control. Entendemos como un sistema de control a la combinación de componentes que actúan juntos para realizar el control de un proceso. Este control se puede hacer de forma continua, es decir en todo momento o de forma discreta, es decir cada cierto tiempo. Cuando el sistema es continuo, el control se realiza con elementos continuos. Cuando el sistema es discreto, el control se realiza con elementos digitales como el ordenador, por lo que hay que digitalizar los valores antes de su procesamiento y volver a convertirlos tras el procesamiento. En cualquier caso existen dos tipos de sistemas, sistemas en lazo abierto y sistemas en lazo cerrado. • Sistemas en lazo abierto. Son aquellos en los que la salida no tiene influencia sobre la señal de entrada. Un ejemplo puede ser el amplificador de sonido de un equipo de música. Cuando nosotros variamos el potenciómetro de volumen, varia la cantidad de potencia que entrega el altavoz, pero el sistema no sabe si se ha producido la variación que deseamos o no. • Sistemas en lazo cerrado. Son aquellos en los que la salida influye sobre la señal de entrada. Un ejemplo puede ser el llenado del agua de la cisterna de un inodoro. El control se realiza sobre el nivel de agua que debe contener la cisterna. Cuando tiramos del tirador de salida, la cisterna queda vacía. En ese momento el flotador baja y comienza a entrar agua en la cisterna. Cuando el flotador sube lo suficiente, la varilla que contiene en un extremo al flotador y en el otro el pivote que presiona sobre la válvula de agua, se inclina de manera que el pivote presiona sobre la válvula y hace que disminuya la entrada de agua. Cuanto más cerca está del nivel deseado más presiona y menor cantidad de agua entra, hasta estrangular totalmente la entrada de agua en la cisterna. En la figura inferior se puede observar los distintos componentes del bucle cerrado. Entrada de agua, controlador (válvula), nudo comparador (lo realiza tanto la válvula como el pivote y la palanca de la varilla), la realimentación (el flotador junto con la varilla y la palanca) y la salida de agua (que hace subir el nivel del agua). • Sistemas discretos. Los sistemas discretos son aquellos que realizan el control cada cierto tiempo.
- 3. En la actualidad se utilizan sistemas digitales para el control, siendo el ordenador el más utilizado, por su fácil programación y versatilidad. El control en los robots generalmente corresponde con sistemas discretos en lazo cerrado, realizado por computador. El ordenador toma los datos de los sensores y activa los actuadores en intervalos lo más cortos posibles del orden de milisegundos. Arquitectura de un autómata ( PLC). La utilización de un PLC, se hace muy común en un gran número de aplicaciones, donde se pretende sustituir a las personas, Consta de una CPU, unidades de entrada y salida y memoria. Para poder conocer el estado de las variables del entorno utiliza sensores, que facilitan la información a la CPU, una vez analizada, realiza las actuaciones necesarias por medio de los actuadores. • Sensores. Constituyen el sistema de percepción del autómata. Esto es, facilitan la información del mundo real para que los PLCs la interpreten. Los más utilizados son: Sensor de proximidad: Detecta la presencia de un objeto de tipo metálico o de otro tipo. Sensor de Temperatura: Capta la temperatura del ambiente, de un objeto o de un punto determinado. Sensores magnéticos (brújula digital): Capta la variación de campos magnéticos. Entre sus aplicaciones está la orientación de robots autónomos, exploradores, etc. Sensores táctiles, piel robótica: Sirven para detectar la forma y el tamaño de los objetos que el autómata manipula. La piel robótica se trata de un conjunto de sensores de presión montados sobre una superficie flexible. Sensores de iluminación: Capta la intensidad luminosa, el color de los objetos, etc. Es muy útil para la identificación de objetos. Es parte de la visión artificial y en numerosas ocasiones son cámaras. Sensores de velocidad, de vibración (Acelerómetro) y de inclinación: Se emplean para determinar la velocidad de actuación de las distintas partes móviles del propio autómata o cuando se produce una vibración. También se detecta la inclinación a la que se encuentra con respecto a la gravedad el autómata o una parte de él. Sensores de presión: Permiten controlar la presión que ejerce la mano del robot al coger un objeto. Sensores de sonido: Se trata de un micrófono con el que poder oír los sonidos. oMicrointerruptores: Se trata de múltiples interruptores y finales de carrera muy utilizados. Existen infinidad de sensores que se puede obtener en el mercado. 4.2.- Actuadores. Son los encargados de realizar movimientos o cualquier tipo de actuación sobre el autómata o sus herramientas. Los actuadores suelen ser de tres tipos, eléctricos, neumáticos o hidráulicos. Algunos actuadores son:
- 4. Sistema de impulsión del autómata: Pueden utilizar motores eléctricos, servomotores, cilindros hidráulicos o neumáticos, u otros. Con ellos movemos las distintas partes del robot. Relés y contactores: Se utilizan para activar tensiones y corrientes en los circuitos de potencia. Por ejemplo para controlar un arco de soldadura. Electroválvulas: Con ellas se controlan los circuitos neumáticos e hidráulicos. Pinzas: Son las manos del autómata, con ellas agarran los objetos. • Control por ordenador. El ordenador se ha convertido en una de las herramientas básicas, a la hora de controlar sistemas automáticos. La versatilidad, facilidad para reprogramarlos y un entorno gráfico amigable son algunas de las características que los hacen ideales para esta tarea. Sólo es necesario una tarjeta controladora conectada al ordenador que hace de interface de enlace con el sistema automático o el PLC y un software (programa) instalado en el ordenador que sea capaz de controlar la tarjeta, y con ello el autómata. Algunos lenguajes como el C++, Visual C, etc. Son capaces de interactuar con este tipo de tarjetas, pero los fabricantes de tarjetas o PLCs tiene lenguajes específicos, que presentan ventajas de simplicidad y un entorno gráfico muy amigable. 5.3.- Fundamentos de programación. Los programas que se confeccionan para controlar autómatas son bucles sin fin. Tienen un comienzo y no se detienen hasta que no apaguemos el PLC. Para crear este programa existe una serie de fases que debemos seguir. Las fases que comprende un proyecto de programación son: Definición del problema. Partición del problema. Desarrollo de algoritmos. Codificación. Depuración. Testeo y validación. Documentación. Mantenimiento. En un gran número de ocasiones no nos damos cuenta de que estamos resolviendo estas fases. Veamos en que consisten cada una de ellas. Definición del problema: comprende todos los datos y necesidades que conlleva el problema. Implica el desarrollo y la clarificación exacta de las especificaciones del problema. Partición del problema: los problemas reales conllevan varias tareas, por lo que es mejor separarlas y solucionarlas por separado, para posteriormente unirlas. Desarrollo de algoritmos: antes de continuar aclarar dos conceptos: Procedimiento: es una secuencia de instrucciones y operaciones que pueden realizarse mecánicamente. Algoritmo: es un procedimiento que siempre termina. Para resolver el problema debemos crear los algoritmos que lo resuelven, un método es utilizar organigramas gráficos. Codificación: consiste en convertir los algoritmos en un programa que se pueda interpretar por el ordenador.
- 5. Depuración: consiste en comprobar que se ha escrito correctamente el código del programa y que funciona con corrección. Testeo y validación: comprobamos que el programa cumple con las especificaciones planteadas en el problema y lo resuelve correctamente. En caso de no resolverse correctamente debe volverse a la etapa de desarrollo de algoritmos y debe modificarse, se continua nuevamente con la codificación, depuración y de nuevo el testeo hasta que resuelvan el problema correctamente. Documentación: se trata de la memoria técnica donde quedan reflejados todos los pasos del programa y su codificación. También pueden crearse documentos explicativos de cómo se debe emplear el producto, o el programa. Mantenimiento: es la actualización o modificación de aquellos programas que así lo requieran. Organigramas Son un método gráfico para obtener los algoritmos que resuelven los problemas. Los símbolos que se pueden utilizar en un organigrama son: Un ejemplo de organigrama es el de la suma de dos números. Existen seis estructuras básicas para confeccionar programas. Todos los programas utilizan una combinación de ellas según lo que se pretende. Estructura secuencial: Es una sucesión ordenada de funciones que se aplican una después de otra. Estructura repetitiva: Es un bucle que repite una o más funciones dependiendo de una condición. Existen tres tipos: • Mientras condición C hacer S. Se comprueba la condición C y si se cumple se realiza S. Puede que no se realice S nunca. • Repetir S hasta condición C. Primero se hace S y se repite mientras se cumple C. Cuando deja de cumplirse C se termina el bucle. Como mínimo se hace una vez S. • Hacer S hasta condición C. Se comprueba la condición C y si no se cumple se realiza S. Cuando se cumple S deja de repetirse el bucle. Estructura alternativa: En esta estructura dos o más funciones se excluyen mutuamente en función de una condición. Siempre se ejecuta uno de ellos. Existen dos tipos: • Si condición C hacer S1 en caso contrario hacer S2. Esta estructura propone hacer un tratamiento S1 si se cumple la condición C en caso contrario realiza S2. • Hacer (S1,S2,...,Sn) según I. Esta estructura proponer hacer una función (S1), u otra(S2), u otra (S3), etc. dependiendo del valor que toma una variable I. Actividades. 1.- Indica las fases de evolución por los que ha pasado el los sistemas automáticos, desde los comienzos hasta ahora. 2.- ¿Cuántos tipos de sistemas de control existen?, ¿Cuáles son?. 3.- Pon un ejemplo de sistema en lazo abierto y otro de sistema en lazo cerrado. 4.- Explica como son y para qué sirven los siguientes sensores: Sensor de proximidad, sensor de iluminación, sensor magnético, sensor de presión, piel robótica, sensor de sonido y Microinterruptores. 5.- ¿Qué es un actuador? Cita tres de ellos e indica cuál es su función.
- 6. 6.- ¿Qué cosas son necesarias para conectar un ordenador con un robot y así controlarlo? 7.- Crea el organigrama que represente el siguiente algoritmo. a.- Toma un objeto. b.- Mira el color que tiene. c.- Si el color es verde déjalo en la bandeja derecha en caso contrario en la izquierda. d.- pasa hasta el apartado (a). 8.- Crea el organigrama que representa el siguiente algoritmo. a.- Mira el estado de la entrada 2. b.- Si la entrada 2 es 0 continua con el programa, en caso contrario gira el motor 2 un grado a derechas. c.- Mira el estado de la entrada 3. d.- Si la entrada 3 es 0 continua con el programa, en caso contrario gira el motor 2 un grado a izquierdas. e.- pasa hasta el apartado (a). 9.- Dibuja el organigrama de un programa que realice una tarea 8 veces y después finalice. 10.- Dibuja el organigrama de un programa que primero realice una tarea, luego otra, luego la primera, alternado cada vez una tarea todo ello durante un número infinito de veces. 20.- Dibuja el organigrama y el programa que resuelve el siguiente algoritmo. • La salida 2 está activa 2 segundos y luego está desactiva 1 segundo. • La salida 1 está activa 1 segundo y luego se desactiva 2 segundos. Las dos condiciones anteriores deben cumplirse simultáneamente.