Automatización: Definición, Tipos y Sistemas

LA AUTOMATIZACIÓN
Definición de Automatización
Según la Rae automática es: “Ciencia que trata de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la
sustitución del operador humano por un operador artificial en la ejecución de una tarea, física o mental,
previamente programada”
Automatización es: el estudio y aplicación de la Automática al control de procesos industriales.
La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por
operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos que tiene como propósito el conferir un
valor agregado a las materias de obra con las que operan.
La automatización sustituye al hombre tanto en la operación como en la toma de decisiones.
Bajo este concepto pueden englobarse tanto la automatización de procesos de fabricación continua como
la automatización de procesos de fabricación de piezas (discontinuos, por lotes o de eventos discretos).
Tradicionalmente se utiliza el término Automática o Regulación Automática para el tratamiento del
control de procesos continuos, mientras que se habla de Automatización para los procesos discontinuos.
Un sistema de automatización es un conjunto de tecnologías, software y hardware diseñados para realizar
tareas o procesos con mínima intervención humana. En general, la Automatización implica la utilización y
el conocimiento de tres disciplinas:
la mecánica, la eléctrica-electrónica
y la informática (hardware y
software), incluyendo:
 Sistemas
sensoriales/instrumentación
 Sistemas de actuación
 Máquinas con control numérico
 Robots Industriales
 Sistemas de almacenamiento y
transporte
 Sistemas de regulación
 Equipos de control
 Sistemas de comunicaciones
Razones que justifican la automatización
Los indicadores principales que justifican la automatización son:
• Requerimientos de un aumento en la producción y mejora en la calidad de los productos.
• Necesidad de bajar los costos de producción de energía.
• Encarecimiento de la materia prima.
• Necesidad de protección ambiental.
• Necesidad de brindar seguridad al personal.
• Desarrollo de nuevas tecnologías.
Objetivos de la automatización
 Mejora la calidad del trabajo del operador y el desarrollo del proceso. (mayor seguridad y protección)
• Racionalización y uso eficiente de la energía, trabajo, tiempo, dinero y la materia prima (reducción de
costos).
• Reducción en los tiempos de procesamiento de información.
• Flexibilidad para adaptarse a nuevos productos (fabricación flexible)
• Conocimiento más detallado del proceso, mediante la recopilación de información y datos estadísticos
del proceso.
• Mejor conocimiento del funcionamiento y performance de los equipos y máquinas que intervienen en
el proceso.
• Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.
• Factibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y autodiagnóstico.
• Disminución de la contaminación y daño ambiental.
Para diseñar un sistema automatizado es importante identificar y analizar la necesidad o situación que se
desea suplir, definir las ideas y de esta manera formular los objetivos y planes de proyecto.
Cuando se tenga claridad sobre la necesidad que se desea suplir, es recomendable diseñar la función
global del proceso a automatizar, identificando las partes del proceso: la entrada, la variable a medir, la
respuesta que se desea obtener y el sistema técnico a utilizar en el proceso.
Tipos de automatización industrial
La automatización de la producción puede realizarse con un mayor o menor grado de flexibilidad, de
forma que se habla de automatización rígida o fija y automatización flexible. En general, el grado de
flexibilidad de un sistema de producción está fuertemente ligado al volumen de la producción, y éste, a
su vez, a la variedad de productos.
Hay bibliografías que diferencian la automatización programable de la flexible y otras la consideran
como la misma.
Automatización Fija
Se usan sistemas automatizados fijos para agilizar procesos en donde no se puede modificar el diseño de
los productos. Es decir, se necesita fabricar durante mucho tiempo una grandísima cantidad de piezas
idénticas. Por tal razón, es uno de los tipos de automatización industrial que se implementa en las
industrias que tienen que producir diseños estables y sostenibles durante un largo periodo de tiempo y
además se puede usar a muy bajo costo. La instalación es más económica y el proceso muy efectivo, pero
no permite cambios ni reprogramaciones tras la implementación inicial.
Por tanto, la automatización rígida o fija se caracteriza por:
 Alta inversión inicial para maquinaria “a medida”
 Producción elevada de piezas con altos valores de productividad
 Relativa inflexibilidad a cambios en el proceso de producción
Automatización Programable
Se ejecuta para volúmenes bajos o para la fabricación de productos por lotes, facilita el cambio de ciertas
especificaciones y permite configurar las máquinas y el software de acuerdo a las necesidades del
programador. Aunque, si se requiere una reprogramación de una máquina de producción, conlleva mucho
tiempo.
La instalación se adapta completamente a las necesidades de proceso. Este tipo de instalaciones permiten
la fabricación de piezas según la temporada.
Automatización Flexible
Es la combinación de la automatización industrial fija y programable, por lo que es considerada como la
mejor opción. Permite un nivel de producción mediano y se pueden realizar ajustes, una de las
características por las que destaca es que posibilita el cambio de equipo de forma automática y rápida por
lo que, una mezcla de diferentes productos puede ser producidos constantemente sin perder tiempo.
Este sistema de automatización permite a la industria la producción de elementos de gran variedad y
características distintas desde una única máquina.
La automatización flexible se caracteriza por:




Alta inversión en sistemas
Producción continua de mezclas de producto
Productividad media
Flexibilidad ante cambios de diseño de productos
Automatismos o sistemas de automatización
Un automatismo es un dispositivo o conjunto de elementos capaces de reaccionar ante situaciones que
se presentan en el funcionamiento de una máquina o proceso, ejerciendo sobre la misma una acción de
control, según las directrices con las que ha sido concebido.
Sistemas combinacionales y secuenciales
Sistemas Combinacionales
Los sistemas combinacionales son aquellos en los que las variables de salida solo dependen en cada
instante del valor que tomen las variables de entrada en dicho instante y su respuesta es instantánea. Es
decir, hay independencia respecto de las salidas respecto al valor que tomasen estas con anterioridad y
son circuitos donde no interviene el tiempo.
El nombre del sistema combinacional se deriva precisamente del hecho de que las variables de salida
dependen exclusivamente de la combinación de variables de entrada que se aplique. No tienen memoria.
Sistemas Secuenciales
Los sistemas secuenciales son aquellos en los que las salidas dependen de las variables de entrada y del
propio estado inicial del sistema, es decir, de los valores que tomaron las salidas con anterioridad, señales
de los sistemas de retroalimentación y de los sistemas de retardo existentes en el mismo sistema, esto es,
es un circuito dependiente del tiempo.
La denominación de sistema secuencial proviene precisamente de que el valor de las salidas depende de
los estados de las entradas y de la secuencia anterior de estados en dichas entradas. Esto se logra
mediante el uso de elementos de memoria.

Aplicaciones: Se utilizan en una variedad de aplicaciones como controladores de tráfico,
máquinas de estados finitos, sistemas de control industrial, y más.
Un ejemplo clásico es la diferencia entre un sumador (combinacional) y un contador (secuencial).
Ejemplo 1: Un semáforo que cambia de estado en función del tiempo y de los sensores de tráfico.
Ejemplo 2: Un ascensor que recuerda en qué piso se encuentra y responde a las solicitudes de los
usuarios.
Ejemplo de Sistemas secuenciales
Como ejemplo de proceso de un producto discreto se podría pensar en la fabricación de una pieza
metálica rectangular con un taladro. El proceso para la obtención de la pieza acabada puede
descomponerse en una serie de estados que deben ser realizados de una forma secuencial, de forma que
para que se realice un estado es necesario que todos los estados anteriores se hayan realizado
correctamente.
En el ejemplo utilizado, los estados podrían ser:





Corte de la pieza rectangular mediante una sierra a partir de una barra de metal
Transporte de la pieza a una estación de trabajo
Taladrado de la pieza
Soplado de la pieza para eliminación de virutas
Evacuación de la pieza
Para poder realizar estos estados será necesario activar y desactivar determinados actuadores (motor de
la sierra de corte, motor del sistema de transporte, motor del taladro, motor del soplador) en los instantes
correctos. Estas activaciones y desactivaciones se producirán en función de la información obtenida por
los sensores incorporados en los equipos de producción (sensores para determinar si la pieza está frente
al equipo, sensores para controlar las posiciones límite se subida y bajada del taladro, etc.). La misión del
automatismo secuencial consistirá en proporcionar las órdenes necesarias para garantizar la ejecución
correcta de todas las operaciones.
Operación y control de un sistema automatizado
Un sistema automático de fabricación tiene por objetivo sustituir al operador humano tanto en sus
acciones físicas como mentales, es decir, en la toma de decisiones y en la realización de las mismas. Por
tanto, para poder llevar a cabo ambos objetivos es preciso distinguir dos partes en un sistema automático:
 Parte operativa (sustitución de las acciones físicas)
 Parte de control (sustitución de las acciones mentales)
La parte operativa conecta la parte de control con el proceso o máquina. Dentro de esta parte será
necesario tener en cuenta elementos tales como sensores (detectores de presencia, sensores de posición,
presostatos, sensores de temperatura, etc.), actuadores (neumáticos, hidráulicos o eléctricos), potencia
(distribuidores neumáticos, contadores eléctricos, variadores de velocidad, arrancadores de motores,
etc.) o interfaces entre humanos y máquinas (HMI).
La parte de control recibirá consignas de mando junto con la información procedente de los sensores y
elaborará, de acuerdo a las directrices establecidas, las acciones de control para máquinas y actuadores.
La tecnología empleada en la parte operativa dependerá fuertemente de las características del proceso a
automatizar. Para la implantación tecnológica de la parte de control existen dos diferentes alternativas
históricamente
utilizadas:
 Tecnología cableada
 Tecnología
programada
La tecnología cableada se
realiza utilizando uniones
físicas (cableado) de los
módulos que componen
la parte de control. Estos
módulos pueden ser neumáticos, eléctricos o electrónicos. El elemento fundamental utilizado en la
tecnología cableada es el relé electromagnético.
En la tecnología programada la parte de control se realiza mediante el uso de elementos basados en un
microprocesador (autómatas programables, microordenadores o miniordenadores). Por tanto, la lógica
de control se implantará a través de un programa.
Desde la aparición de los autómatas programables (en 1968), concebidos para superar los inconvenientes
propios de la tecnología programada, esta última opción se ha convertido en la más adecuada para la
implantación de la parte de control de la mayoría de los sistemas automáticos, especialmente en los
niveles más cercanos al proceso productivo. La progresiva mejora de los equipos basados en
microprocesadores y el abaratamiento de su coste ha ido relegando el uso de la tecnología cableada a
sistemas muy simples.
PARTES DE UN SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN
En términos generales los sistemas automatizados se
conforman de dos partes: parte de mando y parte
operativa.
Parte de mando o control: Es la estación central de control
o autómata. Es el elemento principal del sistema,
encargado de la supervisión, manejo, corrección de
errores, comunicación, etc.
Parte operativa: Es la parte que actúa directamente sobre
la máquina, son los elementos que hacen que la máquina
se mueva y realice las acciones. Son los sensores y los
actuadores, por ejemplo, los motores, cilindros,
compresoras, bombas, relés, etc.
La automatización de una máquina o proceso consiste en la incorporación de un dispositivo tecnológico
que se encarga de controlar su funcionamiento. El sistema que se crea con la incorporación del dispositivo,
denominado genéricamente automatismo, es capaz de reaccionar ante las situaciones que se presentan
ejerciendo la función de control para la que ha sido concebido.
Un sistema automatizado consta de:
- La máquina o proceso que se quiere controlar.
- Una unidad de control encargada de ejecutar las acciones necesarias.
- Un conjunto de controladores o elementos de interfaz entre la máquina y el control.
La información que utiliza la unidad de control es recogida por un conjunto de elementos denominados
captadores o sensores. Esta información es el resultado de los cambios que tienen lugar en el estado de
la máquina o proceso como consecuencia de su función. Por otra parte, la unidad de control genera
órdenes que se transmiten a la máquina a través de actuadores, que transforman dichas órdenes en
magnitudes o cambios físicos en el sistema mediante la aportación de potencia.
En resumen, se trata de un proceso en lazo cerrado, en el que existe un flujo continuo de información
desde la máquina o proceso a la unidad de control y viceversa. La información recibida en la unidad de
control se trata según un método especificado previamente que se conoce como algoritmo de control del
sistema, del que se obtienen las acciones que conducirán al funcionamiento de la máquina o proceso.
En detalle los componentes de un sistema automatizado son:
Las máquinas: Son los equipos mecánicos que realizan los procesos, de los productos o materia prima.
 Robots Industriales: Utilizados para tareas repetitivas como ensamblaje, soldadura y pintura.
 Torno: Utilizado para dar forma a piezas de metal o madera mediante el giro de la pieza contra una
herramienta de corte.
 Fresadora: Máquina que utiliza herramientas rotativas para eliminar material de una pieza y darle
forma.
 Prensa hidráulica: Utilizada para moldear, cortar o ensamblar materiales mediante la aplicación de
presión.
 Máquina de inyección de plástico: Utilizada para fabricar productos de plástico mediante la inyección
de material fundido en un molde.
 CNC (Control Numérico por Computadora): Máquinas automatizadas que realizan operaciones
precisas de corte, perforación y fresado controladas por una computadora.
 Máquina de coser: Utilizada en la industria textil para unir piezas de tela mediante costuras.
 Impresora 3D: Utilizada para crear objetos tridimensionales a partir de un modelo digital mediante la
adición de capas sucesivas de material.
Los actuadores: Son los elementos que permiten realizar movimientos, según las ordenes de un
controlador.
 Actuadores eléctricos: Utilizan energía eléctrica para generar movimiento. Ejemplos incluyen motores
eléctricos y solenoides.
 Actuadores neumáticos: Funcionan con aire comprimido. Son comunes en sistemas que requieren
movimientos rápidos y precisos, como válvulas y cilindros neumáticos.
 Actuadores hidráulicos: Utilizan fluidos hidráulicos (aceite) para generar fuerza. Son ideales para
aplicaciones que requieren una gran potencia, como prensas hidráulicas y grúas
Los preactuadores: Se usan para comandar y activar los actuadores. Por ejemplo, contactores, switchs,
variadores de velocidad, distribuidores neumáticos, etc.
Los sensores: Son los captadores y transmisores, encargados de captar las señales necesarias para conocer
el estado del proceso, y luego enviarlas a la unidad de control.
 Potenciómetros
 Galga extensiométrica
 Dínamo tacométrico
 Acelerómetro
 Termocupla
 Termopar
 Sensores de presencia
 Sensores de final de carrera
La interfaz hombre-máquina: Permite la comunicación entre el operario y el proceso, puede ser una
interfaz gráfica de computadora, pulsadores, teclados, visualizadores, etc.
Los elementos de control: Son los elementos de cálculo y control que gobiernan el proceso, se denominan
autómata, y conforman la unidad de control.
DIAGRAMAS DE FLUJO EN AUTOMATIZACIÓN
https://youtu.be/sQoMVMh6GV8
https://youtu.be/L1-oDIoYZio
https://youtu.be/5ybha1ql41A
(EJERCICIOS)
Los procesos automatizados con PLC poseen características que los describen como un conjunto de pasos
o actividades a seguir de forma secuencial. Poder describir este conjunto de actividades en la
programación Ladder del PLC puede ser un proceso arduo y no del todo consistente. Por lo anterior, se
debe realizar un diagrama de flujo que describa las operaciones o actividades que se realizan en el
proceso, y mediante este, establecer un diagrama de operaciones lógicas que pueda replantearse en un
programa de automatización sin tantas complicaciones.
En un principio, se busca abarcar los conceptos sobre el diagrama de flujo y su aplicación en cualquier
proyecto de automatización. Posteriormente se busca aprender a interpretar los diagramas de flujo en
automatización y sus características. Luego describiremos los pasos para realizar un diagrama de flujo de
un proyecto de automatización, estos nuevos conocimientos los podrás aplicar en la actividad del
proyecto de diseño, realizando un diagrama de flujo para cualquier proyecto de automatización.
Para entender las generalidades de los diagramas de flujo tengamos presente la analogía cuando deseas
ver clases en video, llegas a tu casa y das inicio al proceso. En principio decides si ver o no ver una clase
en video nueva, si decides verlo, debes verificar que todas las condiciones óptimas se presenten: verificas
que tengas internet, que la temperatura esté adecuada, y en general que tengas todos los materiales que
requieres para tomar las clases en video. Si falta algún material, se debe conseguir antes de proceder, y
si no se consigue, pues se descarta el objetivo de ver la clase en video.
Como vemos en la analogía, este es un proceso secuencial de actividades que dependen de otras, y esto
se puede implementar como un diagrama de flujo de decisiones.
La estructura del diagrama de flujo se basa en cuatro fases fundamentales que describen un proceso o
partes de un proceso, estas son:

Fase de inicio, donde se preparan los datos, las entradas y salidas del proceso.

Fase de proceso o de acción, donde se ejecuta una acción interna del proceso.

Fase de decisión, donde se toma una elección para seguir con una u otra fase del proceso.

Fase de final o terminación, donde se da final al proceso. Es posible que esta fase no exista en
todos los procesos automatizados.
Regresando a la analogía, en la fase de inicio se toma la decisión de ver o
no ver la clase en video, luego revisamos cada proceso en sí, el de la
temperatura, el del internet y el de los materiales. En cada una de estas
se toma una decisión, si se tienen las condiciones se procede a ver la clase
en video y si no se tienen se procede a no verlo. Al final del video se
termina el proceso, pero en este caso puedes volver al paso inicial, donde
decides si ver o no otra clase en video.
CONCEPTOS CLAVE Y SIMBOLOGÍA EN DIAGRAMAS DE FLUJO
Anteriormente describimos el concepto del diagrama de flujo y las partes
que conforman un diagrama de flujo, mediante la analogía del proceso de
ver videos de clases. Ahora continuando con esta analogía, sabemos que
existen diferentes estructuras que representan partes del proceso
completo; cada estructura puede ser representada mediante un conjunto
de símbolos en el diagrama, algunas las veremos a continuación.
Estructura de proceso o acciones
Representa cualquier acción que se presenta internamente en el proceso, ya sea que tome mucho o poco
tiempo del tiempo total del proceso; si por ejemplo buscamos llenar una botella con agua, la acción será
llenar la botella y tardará desde que empezamos a llenar la botella hasta que terminamos de llenar. Su
representación será un rectángulo.
Estructura de decisiones
Representa cualquier decisión que se presenta internamente en el proceso, normalmente es una
estructura lógica binaria, es decir solo existen dos posibilidades en una decisión, un sí o un no, los que
corresponden a un 1 o un 0 lógico respectivamente. Si, por ejemplo, después de llenar la botella con agua,
tomamos la decisión de tapar la botella o dejarla abierta. Su representación será un rombo.
Estructura de terminación y realimentación
Representa el punto final del proceso, sin embargo, es posible que el proceso sea cíclico por lo que este
no es un final en sí, si no una parada para un nuevo comienzo. Si por ejemplo después de tomar el agua
de la botella terminamos el proceso, o si existe un ciclo y volvemos a llenar de nuevo. Su representación
será un óvalo rectangular.
Estos tres elementos se pueden unir para representar el proceso completo, o de un subproceso
específico, pero es importante reconocer que algunas de las etapas de un proceso no pueden explicarse
completamente con estos elementos. Por eso, debes investigar por tu cuenta estructuras como
temporización o conteo, que no tienen una simbología en sí, y que se pueden representar en la parte de
acciones.
CARACTERÍSTICAS DEL DIAGRAMA DE FLUJO
Anteriormente describimos el concepto del diagrama de flujo y las partes que lo conforman. Como vimos,
el diagrama representa un proceso real, en el cual cada acción y decisión se condensa en un conjunto de
expresiones simples que describen el proceso gráficamente. Los diagramas de flujo cuentan con
características muy generales que lo hacen ser una herramienta muy útil para la descripción de un
proceso. Algunas de estas características se muestran a continuación:
Sintética
La representación del proceso mediante el diagrama de flujo deberá quedar resumida en un solo
diagrama, y no mezclar varios en sí. Los diagramas muy extensos dificultan su comprensión y asimilación,
por tanto, deben de ser definiciones prácticas y concisas en cada bloque del diagrama.
Simbolizada
En sesiones anteriores describimos los símbolos que se usan comúnmente en un diagrama de flujo, estos
símbolos deben ser elegidos adecuadamente en cada fase del proceso a describir. De tal forma, que si
tenemos un proceso extenso, lo podemos describir en un conjunto de pasos que contengan subproceso
o decisiones, y no solamente bloques de decisiones, o un inicio y un final.
Visualización completa del proceso
Debemos tratar de que en el diagrama de flujo no se pierda ninguna parte interna del proceso,
precisamente porque algunas de estas no quedarían luego bien descritas en la programación que se
llevará a cabo en el PLC, y esto puede causar fallos en la automatización.
Los diagramas de flujo deben realizarse de manera que sean útiles al momento de realizar la
programación Ladder.
DIAGRAMA DE FLUJO APLICADO A UN PLC
Supongamos que tenemos una línea de empaque de bebidas azucaradas, y buscamos realizar el diagrama
de flujo del proceso de llenado de las botellas, solamente de esta parte del proceso, según las siguientes
indicaciones:
1. El sensor de presencia detecta si en la máquina de llenado hay una botella.
2. Si el sensor detecta la botella y esta se encuentra vacía, la máquina empieza a llenarla.
3. Cuando la botella esté llena, un sensor infrarrojo de volumen detectará si se ha llenado la botella y
detiene la máquina de llenado.
4. Si la botella está llena, se activa un cilindro que retira la botella y se regresa al punto inicial
Diagrama de flujo
Como vemos en este proceso existen etapas tanto de acción como de decisión, que se pueden caracterizar
en un diagrama de flujo. Por ejemplo, el primero y el segundo paso es una decisión si encender o no la
máquina de llenado según la disponibilidad de la botella vacía.
El proceso de llenado es una etapa de acción que luego se convierte
en una etapa de decisión cuando se decide parar la máquina si la
botella se encuentra llena. Finalmente, el movimiento del cilindro
es una etapa de acción que para cuando la botella es retirada y se
llega al final del proceso, sin embargo, este es cíclico y queda a la
espera de otra botella nueva. El diagrama de flujo para este
proceso lo mostramos a continuación:
Convertir diagrama de flujo a lógica de relés (cableada)
Convertir de lógica de relés a función booleana: https://youtu.be/wwbd-EvBMOk
EJERCICIOS DE LÓGICA CABLEADA PARA PRACTICAR ESQUEMAS
https://youtu.be/Cpudtst32uo?list=PL5mH02UxK9Oj-4pW_GeXGWF92Km0PMRdG
OBTENER FUNCIÓN LÓGICA A PARTIR DE CIRCUITO LÓGICO: https://youtu.be/vKdNSqvlLUA