Mecatronica

15-10-2014

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PUEBLA

MECATRÓNICA

FRANCISCO TEODORO ROBLES

INDICE 1. MECATRONICA 1.1 ¿QUÉ ES LA MECATRÓNICA? ................................................................... 2 1.2 SISTEMAS. ........................................................................................... 3 1.3 SISTEMAS DE MEDICIÓN. ..................................................................... 4 1.4SISTEMAS DE CONTROL. ....................................................................... 5 1.5CONTROLADORES BASADOS EN UN MICROPROCESADOR .................. 11 1.6 ENFOQUE DE LA MECATRÓNICA. ....................................................... 12

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1. MECATRONICA 1.1 ¿QUÉ ES LA MECATRÓNICA? Consenso es describir a la mecatrónica como una disciplina integradora de las áreas

de mecánica, electrónica e informática cuyo

objetivo

es

proporcionar

mejores productos, procesos y sistemas. La mecatrónica no es, por tanto, una nueva rama de la ingeniería, sino un concepto recientemente desarrollado que enfatiza la necesidad de integración y de una interacción intensiva entre diferentes áreas de la ingeniería.

Con base en lo anterior, se puede hacer referencia a la definición propuesta por J. A. Rietdijk: "Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos", la cual busca crear maquinaria más compleja para facilitar las actividades del ser humano a través de procesos electrónicos en la industria mecánica principalmente. Existen, claro está, otras versiones de esta definición, pero ésta claramente enfatiza que la mecatrónica está dirigida a las aplicaciones y al diseño.

Por otro lado, más allá de las cuestiones técnicas, la mecatrónica también se ha adoptado como una disciplina científica aplicada, en la cual se hace modelado, análisis, síntesis y control de sistemas de naturaleza multidominio y se ha tratado

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de homogeneizar la ciencia para este tipo de sistemas. Algunos ejemplos de aspectos teóricos cuyo objeto de estudio son los sistemas mecatrónicos desde un enfoque abstracto son el modelado por "bond graph", los sistemas hamiltonianos con puertos, las técnicas de control basadas en la energía como lo es el moldeo de energía, el diseño óptimo de estructura y control, y más recientemente a un grado más de integración como lo son los sistemas híbridos.i La mecatrónica nace para suplir tres necesidades latentes; la primera, encaminada a automatizar la maquinaría y lograr así procesos productivos ágiles y confiables; la segunda crear productos inteligentes, que respondan a las necesidades del mundo moderno; y la tercera, por cierto muy importante, armonizar entre los componentes mecánicos y electrónicos de las máquinas, ya que en muchas ocasiones, era casi imposible lograr que tanto mecánica como electrónica manejaran los mismos términos y procesos para hacer o reparar equipos.

1.2 SISTEMAS.

Es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar. Los sistemas mecánicos están integrados con sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente, etc. se deben considerar sistemas mecatrónicos.

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1.3 SISTEMAS DE MEDICIÓN.

Los sistemas de medida electrónicos presentan, entre otras, las siguientes ventajas: - Debido a la estructura electrónica de la materia, la modificación de algún parámetro viene acompañada por la variación de un parámetro eléctrico.

Eligiendo el material más adecuado, esto permite realizar transductores con salida eléctrica para cualquier magnitud física no eléctrica.

- Dado que en el proceso de medida no es conveniente extraer energía donde se mide, lo mejor es amplificar la señal de salida del transductor. Con amplificadores electrónicos se permiten ganancias de potencia del orden de 10e10 en una sola etapa, a baja frecuencia.

- Además de la amplificación, existe una gran variedad de recursos, para modificar o acondicionar señales eléctricas. Existen transductores que incorporan en un mismo encapsulado parte de estos recursos.

- Existen numerosos recursos para presentar o registrar información en formato eléctrico, pudiéndose manejar no solo datos numéricos, sino también textos, gráficos y diagramas.

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- La transmisión de señales eléctricas es más versátil que las señales mecánicas, hidráulicas o neumáticas, aunque estas puedan ser más convenientes en ciertos casos puntuales.

1.4SISTEMAS DE CONTROL.

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: productos derivados del petróleo, productos alimenticios, centrales generadoras de energía, siderurgia, productos de la industria papelera, de la industria textil, etc.

En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constante algunas variables y magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel de líquidos, la temperatura, la humedad, la ubicación de objetos, etc.

Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas condiciones más idóneas que las que el propio operador del equipo podría realizar.

Los procesos industriales a controlar pueden dividirse ampliamente en dos categorías: procesos continuos y discontinuos. En ambos tipos, deben mantenerse en general las variables bien en un valor deseado fijo, bien en valor variable con el

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tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o guardando una relación determinada con otra variable.

El sistema de control que permite este mantenimiento de la variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en el proceso.

El sistema de control exige que para que esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya un elemento de comparación, una unidad de control, una unidad de corrección, el proceso y un dispositivo de medición.

Este conjunto de unidades forma un bucle o lazo que recibe el nombre de bucle de control. El bucle puede ser abierto o bien cerrado.

a) Sistema de Control en Bucle Abierto.

En un sistema de control de bucle abierto, la unidad de control no se realimenta de información del proceso, por lo que de existir algún problema en el proceso este continua funcionando hasta cumplir con el ciclo programado en la unidad de control. b) Sistema de Control en Bucle Cerrado.

En el sistema de control en bucle cerrado, el proceso entrega información a la unidad de control, mediante el dispositivo de medición. De existir algún problema en el proceso este es detectado, comparado y corregido, hasta que se reciba el valor correcto.

Consideremos el siguiente ejemplo de llenado de botella, para entender el funcionamiento de un sistema de control de bucle o lazo cerrado.

El ejemplo muestra el proceso de llenado de botella, el cual consta de dos subprocesos; ubicación de la botella en el lugar de llenado y el llenado de la

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botella .

Los elementos del sistema de control del ejemplo son: • Unidad de Control: Autómata Programable ( PLC).

• Dispositivo de Medición: Sensor detector de botella y Sensor detector de líquido.

• Unidad de Corrección: Electroválvula y Contactor _ Motor.

• Proceso: Ubicación de Botella y Llenado de Botella.

• Variable Controlada: Posición y Nivel de llenado.

• Elemento de Comparación: Circuito eléctrico programado en la unidad de control.

El subproceso de ubicación de la botella, funciona cuando la unidad de control PLC) envía una señal al contactor, que acciona el motor eléctrico, provocando el desplazamiento de la correa que transporta las botella. Cuando la botella es detectada por el sensor detector de botella, se envía la señal a la unidad de control que detiene la correa. Luego se ejecuta el subproceso de llenado, la unidad de control envía la señal que abre la Electroválvula para el paso del líquido.

Al llenarse la botella, el nivel de esta es detectado por el sensor de nivel , el cual envía la señal a la unidad de control (PLC) que cierra la electroválvula y acciona nuevamente el motor, para ubicar una nueva botella en la posición de llenado. De esta forma el simple proceso de llenar una botella de líquido se realiza en forma automática.

Si el sistema de llenado de botella se efectuará mediante un sistema de control de bucle abierto, no se constaría con los sensores de detección de botella y nivel del líquido. Para lo cual sería necesario conocer la ubicación exacta entre cada botella, y así determinar el tiempo de accionamiento del motor. Así como también sería necesario determinar el tiempo de llenado de la botella, para determinar el tiempo de accionamiento de la electroválvula.

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Situaciones como, mala ubicación de la botella, llenado insuficiente, derrame de líquido, etc., serían problemas que el sistema de control no podría detectar, haciendo más complicado el proceso de llenado.

En resumen, los elementos básicos de un sistema de control de bucle o lazo cerrado son: • Elemento de comparación: Compara el valor deseado o de regencia de la condición variable que se controla con el valor medido de lo que se produce y genera una señal de error.

• Unidad de control: Cuando se recibe una señal, la unidad de control decide que acción llevar a cabo. Podría tratarse, por ejemplo, de una señal Para accionar un interruptor o abrir una válvula.

• Unidad de corrección: la unidad de corrección produce un cambio en el proceso a fin de corregir o modificar la condición controlada. Puede ser un interruptor que enciende un calentador para aumentar la temperatura de un proceso, o una válvula que al abrirse permite la entrada de un mayor volumen de líquido al proceso.

• Proceso: El proceso es aquello que se desea controlar.

• Dispositivo de medición: El dispositivo de medición produce una señal relacionada con el estado de la variable del proceso que se controla. Control Secuencial.

Existen diversas situaciones en las que el control se ejerce mediante una unidad que se enciende o apaga a tiempos o valores fijos, para controlar los procesos y producir una secuencia escalonada de operaciones.

El término control secuencial se usa cuando las acciones de control están ordenadas estrictamente de acuerdo con una secuencia definida por el tiempo o por los eventos. Un control secuencial se puede obtener mediante un circuito

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eléctrico que cuenta con grupos de relevadores o de interruptores operados por leves, los cuales se conectan de manera que se produzca la secuencia deseada.

En la actualidad este tipo de circuito eléctrico se reemplazan por un control con microprocesadores o con una secuencia controlada por un programa en un control lógico programable ( PLC).

El sistema de control utilizados en Mecatrónica y en Sistema de Manufactura Integrada por Computador ( CIM) involucra sistemas de comunicación y control de mayor complejidad .

Como se aprecia en la figura los niveles de comunicación en un sistema mecatrónico son: Nivel de entrada y salidas ( Input/Output Level ): este nivel de comunicación permite la interacción entre preactuadores ( electroválvula, relé, contactares), actuadores ( cilindros, motores hidráulicos, bombas, motores eléctrico) y sensores (capacitivos, inductivos, ópticos, etc.), con el sistema de control. Los sistemas Asi(Actuador sensor – interface) permiten una comunicación flexible entre los actuadores, sensores y la unidad de control.

Nivel de Proceso y Bus de Campo ( Profibus-DP): el sistema de comunicación de bus de campo permite la comunicación con distintos sistema de control ( PLC , PC) , así como la interacción con otros equipos, como terminal de valvular, interface de entradas/salidas ( I/O Blocks) , drives. Además logra la comunicación con sistemas de control alejados de las estaciones de monitoreos o sala de control en forma eficiente y rápida.

Nivel de Control ( Control Level): Este sistema de comunicación de realiza mediante sistemas Ethernet, Internet, Redes Locales. Permite el control y visualización de variable del proceso productivo desde distancia muy remotas.

Trabaja normalmente como el sistema de control maestro ( PLC y PC). Nivel d Gerencia ( Management Level ): Comunicación realizada mediante Internet,

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ethernet permite el monitoreo y visualización de variables del todos el proceso de fabricación, inventarios, mantención y producción, al alcancé de la gerencia.

Las desventajas que tiene el control por lazo abierto son: -Jamás se conoce la planta, a lo más se puede conocer un modelo aproximado por lo que no se puede lograr el inverso perfecto.

-No se puede usar para controlar plantas inestables.

-No compensa perturbaciones en el sistema.

-Si la planta tiene grado relativo mayor que cero, no se puede crear un controlador que la invierta, ya que no se puede hacer una función de transferencia con grado menor que cero.

-Es imposible invertir perfectamente una planta, si esta tiene retardos, ya que su inverso sería un adelanto en el tiempo (se debería tener la capacidad de predecir el futuro).

Una idea más avanzada, y más ampliamente implementada, es el concepto de feedback o realimentación, en que se usa la medición de la salida del sistema, como otra entrada del mismo, de tal forma que se puede diseñar un controlador que ajuste la actuación para variar la salida y llevarla al valor deseado. Por ejemplo el cuerpo humano realiza un control por realimentación para mantener la homeostasis, tiene sensores para cada elemento en el cuerpo y si es que se detecta una cantidad anormal, el cuerpo tiene sistemas para compensarlo (estos sistemas serían el controlador), los que produce una actuación (cierra válvulas, produce más sustancia, etc.) hasta que los sensores le indican al cuerpo que ya se

alcanzó

el

equilibrio;

otro

ejemplo :

en

un automóvil con control

de

crucero la velocidad se sensa y se retroalimenta continuamente al sistema que ajusta la velocidad del motor por medio del suministro de combustible al mismo, en este último caso la salida del sistema sería la velocidad del motor, el controlador sería el sistema que decide cuanto combustible echar de acuerdo a la velocidad y la actuación sería la cantidad de combustible suministrado.

Las ventajas que tiene el control por retroalimentación son:

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-Puede controlar sistemas inestables.

-Puede compensar perturbaciones.

-Puede controlar sistemas incluso si estos tienen errores de modelado.

Desventajas: -El uso de sensores hace más caro (en dinero) el contro.l -Se introduce el problema del ruido, al hacer la medición.

1.5CONTROLADORES BASADOS EN UN MICROPROCESADOR.

Recibe el nombre de controlador el dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios procesos. Por ejemplo, el controlador que regula el funcionamiento de un horno dispone de un sensor que mide constantemente su temperatura interna y, cuando traspasa los límites prefijados, genera las señales adecuadas que accionan los efectores que intentan llevar el valor de la temperatura dentro del rango estipulado.

Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los controladores se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador. Realmente consiste en un sencillo pero completo computador contenido en el corazón(chip) de un circuito integrado.

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.

Un microcontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes: Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).

Memoria RAM para Contener los datos.

Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.

Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.).

Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el sistema.

Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las siguientes ventajas: Página 11

Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considerable en el mismo.

Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.

Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks.

Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones.

El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el nombre de controlador empotrado (embedded controller).

Aplicaciones de los microcontroladores.

Cada vez existen más productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo.

Algunos fabricantes de microcontroladores superan el millón de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilización de estos componentes.

Los microcontroladores están siendo empleados en multitud de sistemas presentes en nuestra vida diaria, como pueden ser juguetes, horno microondas, frigoríficos, televisores, computadoras, impresoras, módems, el sistema de arranque de nuestro coche, etc. Y otras aplicaciones con las que seguramente no estaremos tan familiarizados como instrumentación electrónica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicación típica podría emplear varios microcontroladores para controlar pequeñas partes del sistema.

Estos pequeños controladores podrían comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente más potente, para compartir la información y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC. 1.6 ENFOQUE DE LA MECATRÓNICA.

En al mecatrónica se conjugan diversas tecnologías, ingenierías mecánica electrónica, eléctrica, informática y de control. Podría decirse que es un conjunto de técnicas de control digital basadas en computadoras, a través de interfaces electrónicas y eléctricas, aplicadas a problemas de ingeniería mecánica.

La mecatrónica ofrece la oportunidad de ver los problemas desde una perspectiva diferente, donde los ingenieros mecánicos no se limitan a considerar un

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problema sólo en términos de principios mecánicos, sino también en función de una gama de tecnologías. La electrónica y demás tecnologías no deben convidarse como partes agregadas a los elementos mecánicos. Ambos son fundamentales en la solución de problemas o procesos que se desean solucionar o realizar.

Son muchas las aplicaciones de la mecatrónica en los productos que se fabrican en masa y que se utilizan en el hogar. Los sistemas mecatrónicos basados en microprocesadores están presente el las lavadoras automáticas, los microondas, las cámaras digitales, los sistemas de calefacción, etc. Los sistemas mecatrónicos más comunes y de uso diario son el automóvil, el avión, los trenes de alta velocidad, el computador, el notebook, etc. Y obviamente los sistemas mecatrónicos mas grandes son las mega industrias de fabrican todos estos productos.

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