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Diseño de una tarjeta controladora para uso en automatizacion de procesos industriales

Resumen: La automatización industrial es la ejecución de procesos controlados mecánica o electrónicamente, liberando al ser humano de operaciones rutinarias, disminuyendo así errores y a su vez aumentando la producción. La automatización hoy en día es más requerida que nunca para que una industria mantenga la competitividad, los niveles de producción y los estándares de calidad exigidos en los mercados internos y externos. Gran cantidad de maquinaria y equipos de funcionamiento en las distintas industrias latinoamericanas carecen de la tecnología apropiada para producir en forma eficiente. La adquisición de modernos equipos representa altas inversiones que no siempre son adecuadas o indispensables, aunque la modernización de los equipos existentes, por medio de sistemas electrónicos de medición, regulación y control, aumentará la eficiencia y calidad de estas, colocándolos a niveles de productividad comparables con los más modernos, amortizando así la inversión requerida para la modernización en un tiempo sorprendentemente corto.
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Autor: M.C. Gustavo López Badilla y Otros Autores

Introducción

La automatización industrial es la ejecución de procesos controlados mecánica o electrónicamente, liberando al ser humano de operaciones rutinarias, disminuyendo así errores y a su vez aumentando la producción. La automatización hoy en día es más requerida que nunca para que una industria mantenga la competitividad, los niveles de producción y los estándares de calidad exigidos en los mercados internos y externos. Gran cantidad de maquinaria y equipos de funcionamiento en las distintas industrias latinoamericanas carecen de la tecnología apropiada para producir en forma eficiente. La adquisición de modernos equipos representa altas inversiones que no siempre son adecuadas o indispensables, aunque la modernización de los equipos existentes, por medio de sistemas electrónicos de medición, regulación y control, aumentará la eficiencia y calidad de estas, colocándolos a niveles de productividad comparables con los más modernos, amortizando así la inversión requerida para la modernización en un tiempo sorprendentemente corto. En industrias de procesos y manufactura esto ha resultado en un gran incremento en la demanda de sistemas de control industrial con el propósito de modernizar enteramente las operaciones en términos de velocidad, confiabilidad, desempeño y versatilidad. El propósito del control de procesos es el de mantener dentro de un valor preestablecido una determinada variable en un proceso industrial. Los sistemas de control deben tener la habilidad de arrancar, regular y parar un proceso en respuesta a la medición de variables monitoreadas dentro de él, con el objeto de obtener la salida deseada. El sistema de control ideal es aquel en donde los procesos responden instantáneamente a los cambios en los requerimientos de entrada.

Controladores Lógicos Programables. Los medios de control establecidos, incluyendo relés, circuitos lógicos y sistemas de computadores, suministran control a los procesos industriales. Sin embargo, cada uno de los anteriores medios tiene sus limitaciones o desventajas y las soluciones que han resultado efectivas han sobrevivido y evolucionado, proveyendo a los usuarios de hoy con un rango de escogencias para conveniencia de las necesidades de control de procesos. En este ultimo rango se ubican los  Controladores Lógicos Programables o PLC´s. Un PLC se define como un sistema electrónico digital diseñado para trabajar en ambientes industriales, que usa memorias programables para el almacenamiento de instrucciones, con las que implanta funciones específicas, (lógicas, secuenciales, temporizadas, de conteo y aritméticas) para controlar diversos tipos de procesos, a través de módulos de entrada/salida  análogos o digitales. Los PLC se desarrollaron a comienzos de los 70`s y se usaron principalmente en la industria automotriz para reemplazar grandes bastidores de relés que suministraban el control. El incremento en la utilización de PLC en procesos industriales ha animado a sus fabricantes a desarrollar familias completas de sistemas basados en microprocesadores con diferentes niveles de desempeño. Las ventajas de los PLC se describen a continuación:

- Reemplazan grandes bastidores de relés.

- Requieren mucho menos espacio que otros dispositivos.

- Tienen mayor confiabilidad en el desempeño en largos periodos de tiempo.

- Presenta flexibilidad para cambiar secuencias de control sin cambiar cables.

Controladores Lógicos Sencillos No-Programables. Pero así mismo, pueden existir controladores lógicos no programables por computador, que puede tomar decisiones mediante la observación de variables binarias. Sabemos que el control continuo o análogo usa directamente señales tomadas de sensores y maneja salidas asociadas (actuadores) tales como válvulas, bombas, calefactores, etc. Estos actuadores pueden ser de variación continua o pueden ser simplemente elementos de Encendido/Apagado en tiempo proporcional. El procesamiento realizado por este tipo de control sobre la señal de entrada, depende del proceso involucrado, pero típicamente utiliza amplificación y alguna forma de funciones matemáticas, tales como integración, para desear el cambio deseado sobre los elementos de salida. Los controladores continuos pueden incluir sistemas electrónicos analógicos, computadores y microprocesadores. El control discontinuo (on/off) es muy común en la mayoría de las industrias, puesto que muchas máquinas y procesos están constituidos con unidades que sólo pueden estar en una de dos condiciones, controladas por un gran número de operaciones simples y pasos de una secuencia. Los controladores binarios pueden estar constituidos por relés, sistemas electromecánicos, sistemas lógicos neumáticos o hidráulicos, computadores o controladores programables. Estos métodos no pueden compararse, pero sí pueden integrarse, pues cada uno tiene su campo de aplicación y es más eficiente en su propia área. En todas las instalaciones industriales es necesario automatizar un proceso actuando sobre una o más salidas binarias. El sistema que realiza esta función se denomina controlador lógico, porque toma decisiones mediante la observación de variables binarias. El tipo de tarjetas controladoras no programables se pueden diseñar utilizando arreglos de compuertas lógicas, tal como se muestra a continuación:

   
Figura 1. Diagrama electrónico de tarjetas controladoras programables.

Figura 2. Tarjeta controladora.

Las compuertas lógicas son circuitos electrónicos que operan con una o más señales de entrada para generar una señal de salida. Señales eléctricas, como voltajes y corrientes, se encuentran en los sistemas digitales en una de dos formas reconocibles. Los circuitos operados por voltaje responden a dos gamas de voltaje independientes que representan variables binarias iguales a 1 lógico y 0 lógico. Las terminales de entrada de las compuertas lógicas aceptan señales binarias de las gamas permisibles y responden en las terminales de salida con señales binarias de las gamas especificadas. Las regiones intermedias entre los intervalos permitidos se cruzan sólo durante los cambios de 1 a 0 y de 0 a 1. Estos cambios se llaman transiciones.  Las compuertas son circuitos electrónicos que producen señales equivalentes a 1 lógico y 0 lógico, de acuerdo con las tablas de la verdad respectivas. La tabla de la verdad del circuito descrito anteriormente, el cual se encuentra desarrollado con compuertas NOR exclusivo o XNOR, compuertas AND y NOT es:

Tabla 1. Representación lógica del funcionamiento de una tarjeta controladora.

1

2

4

5

6 NOT

SALIDA

0

0

0

0

1

0

1

0

0

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

Mediante el arreglo de compuertas lógicas descrito, se puede comparar varias señales lógicas de entrada con señales previamente establecidas (setpoints). Si las señales de entrada coinciden con los Setpoints, se generará una señal de salida 1 lógica. Este montaje se puede repetir n cantidad de veces, dependiendo del número de señales que desee comparar, tal como se muestra a continuación, en un arreglo para 4 entradas:


Figura 3. Diseño de la tarjeta controladora..

Procesos de Industrialización. Industrialización, en economía, etapas de crecimiento o decrecimiento del peso del sector industrial. El proceso de industrialización describe el periodo transitorio de una sociedad agrícola a una industrial. Por el contrario, la desindustrialización puede definirse como la etapa de crecimiento económico caracterizada por una disminución del peso relativo del sector industrial en términos de producción y empleo.

Alexander Gerschenkron rechazaba el historicismo del modelo de take-off de Rostow debido a su debilidad teórica y empírica. Para suplir estas deficiencias creó el concepto de atraso relativo, afirmando que el proceso de desarrollo de un país de industrialización tardía diferirá, debido a su atraso, del experimentado por el país más desarrollado; en este sentido, la historia desempeña un papel importante a la hora de determinar el patrón de industrialización. Para Gerschenkron, el país de industrialización tardía tendrá las siguientes características: un rápido e intenso crecimiento de la producción industrial; un predominio de la producción de bienes de capital sobre la producción de bienes de consumo, lo que presiona sobre la demanda de consumo de la población; un predominio de empresas y fábricas de gran tamaño; una dependencia de la tecnología y la financiación exterior; importancia del Estado como promotor del desarrollo industrial; crecimiento de los movimientos ideológicos favorecedores del proceso industrializador y escasa importancia de la agricultura en cuanto al aumento de su productividad y como fuente de demanda de productos industriales.

Sin embargo, los estudios empíricos sobre la industrialización de las economías europeas no responden a este modelo de desarrollo. Por ejemplo, el papel de los bancos para financiar la industria durante el siglo XIX es muy distinto en Francia respecto a Alemania, aunque los dos países podían considerarse, en aquella época, como economías relativamente atrasadas. Por analogía, tampoco ha podido demostrarse el postulado que afirma que el país atrasado experimentará un rápido crecimiento productivo (predominando la producción de bienes de capital que presionan al alza el consumo de la población). Francia, al igual que el Imperio Austro-Húngaro, experimentó una pauta de industrialización estable. No obstante, el planteamiento general de Gerschenkron arroja alguna luz sobre el proceso de industrialización: casi todos los economistas aceptan que las circunstancias históricas determinan el modelo de industrialización. El principal problema radica en establecer las relaciones entre industrialización temprana y tardía. Durante los últimos años, los economistas han intentado explicar los procesos de industrialización tardíos en un marco de análisis en el que se considera que el crecimiento está enfocado a recuperar el tiempo perdido. En este sentido, las nuevas teorías parten del planteamiento de Gerschenkron que subraya los condicionantes históricos que afectan a los países menos industrializados. Los países que inician de modo tardío el proceso de industrialización pueden imitar las tecnologías existentes en los países más desarrollados, lo que les permite alcanzar enseguida un desarrollo económico y recuperar el tiempo perdido logrando las mismas tasas de productividad aparente (productividad por trabajador) que los países más desarrollados. Esta teoría predice que los niveles de renta per cápita de los países pobres tenderá a converger con las de los países ricos, lo que ha sido contrastado de forma empírica. Destacan dos conclusiones: en primer lugar, existe una fuerte tendencia a converger entre las economías más desarrolladas (agrupados en la OCDE). En segundo lugar, si se analizan los países más pobres la hipótesis es falsa, pues muchos no han logrado recuperar el atraso histórico y converger con los países ricos; la recuperación del atraso no es un proceso de evolución histórica que afecte a todo el mundo.

Para comprender por qué los procesos de recuperación sólo funcionan en las economías desarrolladas Moses Abramovitz creó el concepto de capacidad social. Una condición necesaria para poder alcanzar a las economías más desarrolladas consiste en disponer de una capacidad social mínima: las economías más atrasadas tienen que tener una sociedad capacitada para poder adoptar y asimilar las nuevas tecnologías creadas en los países industrializados. Si no disponen de un capital humano suficiente (debido a una escasa inversión en educación, o por la existencia de sistemas políticos inestables) el proceso de industrialización no podrá despegar. Por lo tanto, es improbable que todos los países puedan alcanzar los mismos niveles de productividad. A partir de aquí, hay que intentar comprender cómo se puede mejorar la capacidad social para que los países pobres puedan aprovechar sus potencialidades y alcanzar el grado de industrialización de las economías más desarrolladas. Si definimos la desindustrialización como el periodo de crecimiento económico en el que el peso relativo del sector industrial en términos de producción y empleo disminuye, no tiene por qué implicar una caída del nivel de empleo o de producción industrial, aunque durante los últimos años algunas economías han padecido este fenómeno. Centrándonos en el proceso de industrialización de Gran Bretaña, quizá el más emblemático desde las perspectivas histórica y económica, podemos distinguir tres etapas: una primera etapa de fuerte industrialización que abarcó el periodo 1700-1850; una segunda etapa de madurez industrial entre 1850 y 1955 y una etapa de desindustrialización iniciada en 1955. Se dan sorprendentes similitudes entre los procesos de industrialización y desindustrialización. Para que se produzca este último es necesario que la demanda de productos industriales (que tiene una alta elasticidad en función de la renta) se cubra. Si la economía no quiere correr el riesgo de tener problemas de balanza de pagos, la demanda debe cubrirse con aumentos de productividad en el sector industrial.

Se han observado procesos de desindustrialización en los principales países industriales desde la II Guerra Mundial. Es necesario explicar algunos de los aspectos más relevantes de este proceso. Aunque se ha observado cierta desindustrialización en varios países industrializados, el periodo de decrecimiento del peso relativo del empleo y la producción industrial varía mucho según los casos. En el caso británico, resulta interesante en tanto en cuanto el proceso de desindustrialización se produjo mucho antes que en el resto de países industrializados (a mediados de la década de 1950). El ritmo de desindustrialización no ha sido estable. Por ejemplo, el proceso en Gran Bretaña se aceleró durante la década de 1980. El desigual ritmo de desindustrialización nos permite distinguir entre desindustrialización positiva y desindustrialización negativa. Se puede afirmar que si el proceso viene acompañado de aumentos de productividad, crecimiento y pleno empleo, se considera que el proceso es positivo; sin embargo, si viene acompañado de un lento crecimiento de la productividad y de mayor desempleo el proceso será negativo. Se puede encontrar una teoría general sobre los procesos de desindustrialización en la denominada 'ley de Baumol'. Dada la alta elasticidad en función de la renta de la demanda de productos industriales y de servicios, en las economías industrializadas (en las que el sector agrícola ha perdido importancia relativa), los dos sectores anteriores compiten para poder lograr el factor trabajo que necesitan y que resulta escaso. William Baumol afirmaba que, puesto que el sector servicios experimenta crecimientos de productividad menores respecto al sector industrial, en condiciones de libre mercado los precios relativos aumentarán más en el sector servicios (tanto para el mercado de bienes como para el de trabajo), lo que le permite atraer a los trabajadores del sector industrial. Esta teoría explica ciertas observaciones empíricas mencionadas antes. Por ejemplo, puesto que Gran Bretaña fue la primera región industrializada, el sector agrícola de su economía tiene una estructura única en el mundo y a finales del siglo XIX era mucho menor que en el resto de las economías industrializadas de la época (incluyendo Francia, Alemania y Estados Unidos). Por lo tanto, la teoría de Baumol predice que las presiones desindustrializadoras aparecerán antes en Gran Bretaña que en el resto del mundo industrializado. Otro aspecto característico del proceso desindustrializador padecido por Gran Bretaña se refiere al ritmo de decrecimiento relativo de la producción industrial respecto al resto de países. La mayor tasa de desindustrialización de Gran Bretaña puede explicarse de forma parcial debido a los cambios en la especialización productiva internacional. Durante la mayor parte del siglo XIX, la ventaja comparativa de Gran Bretaña permitía que tuviera excedentes en los productos industriales, teniendo déficit en los demás sectores productivos. Esta situación perduró hasta la década de 1950.

Sin embargo, a principios de la década de 1980 la situación era radicalmente opuesta. El ritmo de desindustrialización británica durante el periodo 1955-1980 se explica a partir de los cambios estructurales en los procesos productivos y del descubrimiento de petróleo en el mar del Norte en la década de 1970, que permitieron a Gran Bretaña prescindir de sus excedentes industriales para financiar sus déficit en productos no industriales; el cambio estructural se vio acelerado por estos acontecimientos. Hasta ahora hemos analizado la desindustrialización como un proceso económico a largo plazo. Aunque este tipo de análisis permite explicar algunas observaciones empíricas, no explica con detalle algunos de los hechos históricos acontecidos. Tomemos dos ejemplos para ilustrar la complejidad de las actuales pautas de desindustrialización. En primer lugar, aunque el peso relativo del sector industrial en Gran Bretaña se ha mantenido estable entre 1870 y 1913, se puede observar un crecimiento durante el periodo 1920-1955. En segundo lugar, durante la década de 1980, el ritmo de desindustrialización en Gran Bretaña se ha acelerado, en parte debido a las políticas monetarias restrictivas que se emprendieron durante esos años. Esta tendencia también se observa en otros países, como Alemania, Francia y Estados Unidos. Este cambio de tendencias sugiere que algunos acontecimientos (como los cambios de política económica) y algunos procesos a largo plazo (como los descritos por la ley de Baumol) tienen que analizarse de forma conjunta. Por ejemplo, en el caso de Gran Bretaña, durante el periodo 1920-1955, una serie de medidas de política económica mejoraron la eficiencia del sector industrial nacional (entre éstas hay que destacar la devaluación de 1931 y la imposición de aranceles en 1932). Por el contrario, a principios de la década de 1980 la política monetaria restrictiva presionó al alza los tipos de cambio, lo que tuvo efectos perjudiciales sobre la competitividad internacional de la industria británica. Esta interacción entre política económica y desindustrialización plantea serias dudas sobre la inevitabilidad de las tendencias observadas. El nivel de desindustrialización actual es el resultado de dos procesos históricos independientes: en primer lugar, el cambio estructural a largo plazo debido a la madurez del sector industrial, y en segundo lugar, la discrecionalidad de las decisiones de política económica puede aumentar o disminuir el peso relativo del sector industrial de una economía.

 Autores:

M.C. Gustavo López Badilla y alumnos de Conalep Mexicali I, Mexicali B.C., México.

Alumnos: Yanira Araiza, Ma. del Socorro Hernandez,Nadia M. Marin, Ana Elsi Payan, Edith Rivera.

 

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