Unidad 2 - Introducción a los Sistemas Mecatrónicos

2.1 Sensores y Transductores

Se llama sensor al instrumento que produce una señal, usualmente eléctrica, que refleja el valor de una propiedad, mediante alguna correlación definida (su ganancia). En términos estrictos, un sensor es un instrumento que no altera la propiedad sensada. Por ejemplo, un sensor de temperatura sería un instrumento tal que no agrega ni cede calor a la masa sensada, es decir, en concreto, sería un instrumento de masa cero o que no contacta la masa a la que se debe medir la temperatura. 

Existe, además, el concepto estricto de transductor: un instrumento que convierte una forma de energía en otra (o una propiedad en otra). Por ejemplo, un generador eléctrico en una caída de agua es un conocido transductor de energía cinética de un fluido en energía eléctrica; sobre esta base se podría pensar, por ejemplo, en un transductor de flujo a señal eléctrica consistente de un pequeño generador a paletas movilizado por el caudal a medir. Los transductores siempre retiran algo de energía desde la propiedad medida, de modo que al usarlo para obtener la cuantificación de una propiedad en un proceso, se debe verificar que la pérdida no impacte al proceso sensado en alguna magnitud importante.

Para definir el funcionamiento de los transductores utilizamos:

1. rango y margen:

2. error

3. exactitud

4. sensibilidad

5. error por histéresis

6. error por no linealidad

7. repetibilidad

8. estabilidad

9. banda/tiempo muerto

10. resolución

11. impendancia de salida

Las características estáticas son los valores obtenidos cuando se presentan condiciones de estado estable. Las características dinámicas se refieren al comportamiento entre el momento en que cambia el valor de entrada y cuando el valor que produce el transductor logra su valor de estado estable. Como los son:

1. tiempo de respuesta

2. constante de tiempo

3. tiempo de subida

4. tiempo de estabilización

Los sensores de desplazamiento miden la magnitud que se desplaza un objeto; los sensores de posición determinan la posición de un objeto en relación con un punto de referencia. Los sensores de proximidad son una modalidad de sensor de posición y determinan en que momento un objeto se mueve dentro de una distancia crítica del sensor.

Al momento de elegir sensores hay que tomar en cuenta:

1. magnitud de desplazamiento

2. si el desplazamiento es lineal o angular

3. resolución que necesita

4. material

5. costo

6. exactitud

Los sensores de desplazamiento y de posición se pueden clasificar: en sensores de contacto, en los cuales el objeto que se mide está en contacto, en los cuales el objeto que se mide esta en contacto mecánico con el sensor y sensores sin contacto donde no existe tal.

Un potenciómetro es un elemento resistivo que tiene un contacto deslizante que puede desplazarse a lo largo de dicho elemento.

El deformimetro de resistencia eléctrica es un alambre metálico en forma de oblea que se adhiere a la superficie como si fuera una estampilla postal.

El sensor táctil es una forma particular de sensor de presión. Se utiliza en las pantallas sensibles al tacto, al igual que en las manos de los robots.

Las bandas bimetálicas constan de dos bandas unidas de distinto metal. Los detectores de temperatura por resistencia (DTR) son elementos resistivos sencillos que adoptan la forma de bobinas de alambre hechas de platino, níquel. Los termistores son pequeñas piezas de materiales hechos con las mezcla de óxidos metálicos. El diodo semiconductor de unión con frecuencia se utiliza como sensor de temperatura.

Los fotodiodos son diodos de unión hechos con semiconductores los cuales están conectados en un circuito con polarización inversa, por lo que su resistencia es muy elevada. Los fototransistores tienen una unión base-colector p-n sensible a la luz. Las fotorresistencias tienen una resistencia que depende de la intensidad luminosa que reciben, la cual disminuye de manera lineal con la intensidad.

Al seleccionar un sensor hay que considerar:

1. tipo de medición que se requiere

2. tipo de salida que requiere

Los interruptores mecánicos tienen uno o varios pares de contactos que se abren y cierran en forma mecánica. Se especifican en función de sus polos que son el número de circuitos independientes que se operan con una sola acción de conmutación y de los tiros que son el número de contacto individuales de cada polo.

El transformador diferencial de variación lineal (TDVL) esta formado por 3 devanados espaciados de manera simétrica a lo largo de un tubo aislado.

Los transformadores diferenciales variables giratorios (TDVG) sirven para medir la rotación y el principio de su funcionamiento es idéntico al de TDVL.

El interruptor de proximidad inductivo, esta formado por un devanado enrollado a un núcleo. Al aproximar el extremo del devanado a un objeto metálico, cambia la inductancia.

Un codificador es un dispositivo que produce una salida digital como resultado de un desplazamiento lineal o angular. Los codificadores de incremento detectan cambios en la rotación a partir de una posición de datos y codificadores absolutos. El codificador absoluto se usa para medir desplazamientos angulares.

Un microinterruptor es un pequeño interruptor eléctrico que requiere un contacto físico y una pequeña fuerza de acción para cerrar los contactos. Un interruptor de lengüeta, consta de dos contactos de un interruptor magnético que esta en un tubo de vidrio.

Los dispositivos fotosensibles se usan para detectar la presencia de un objeto opaco al interponerse este entre el haz luminoso o radiación infrarroja y de dispositivo mediante la detección de luz.

2.2 Acondicionamiento de Señales

Las señales obtenidas de los sensores y transductores que se usan en los sistemas de medición, tienen que ser procesadas y adaptadas para poder pasarlas a la siguiente etapa.

Este proceso de adaptación es lo que se conoce como acondicionamiento de la señal y como ejemplo de estos cambios se pueden mencionar los siguientes:

·La señal del sensor o transductor es demasiada pequeña, por lo que hay que amplificarla para que se pueda acoplar en la siguiente etapa

·La señal tiene interferencias no deseadas, lo cual puede ser muy común cuando los transductores no tienen un buen aislamiento eléctrico

·La señal del transductor es de tipo analógico y hay que acoplarla a un sistema digital, por lo que habrá que pasarla por un conversor analógicodigital

·La salida del transductor no tiene la impedancia adecuada para la siguiente etapa, lo que causaría pérdida de la señal de salida

·La señal del transductor es un voltaje de DC y hay que cambiarlo a pulsos

·En las primeras etapas de los sistemas de instrumentación es común que se tengan que acoplar y adaptar señales de corriente y de voltaje que sean proporcionales

·La señal de salida del transductor no es lineal, por lo que es necesario hacer una corrección

Este acondicionamiento de las señales de los transductores puede ser simple o complejo y hay elementos y configuraciones estándar para su tratamiento.

El Transistor

Los transistores son dispositivos semiconductores que debido a sus características de operación pueden desarrollar varias funciones principales. Una es de amplificador de señales, otra es de ser un circuito de conmutación, es decir, un interruptor (switch) electrónico, de oscilador y también puede ser un rectificador de señales.

Los transistores están formados por tres capas semiconductoras que forman dos uniones bipolares y que pueden tener un orden P-N-P o N-P-N, por lo que en el diseño de circuitos son considerados como elementos activos, a diferencia de los elementos pasivos formados por condensadores, resistencias y bobinas. Cada capa tiene su nombre, por lo que el transistor tiene un colector (c), un emisor (E) y una base (B). Los transistores pueden tener diferentes encapsulados. Los transistores, gracias a las tecnologías de integración, se han vuelto el principal componente de todos los circuitos integrados. Las compuertas digitales, los microprocesadores y todo tipo de circuito integrado están compuestos de millones de transistores microscópicos.

Filtros Analógicos

Algunas señales que entregan los sensores y transductores contienen señales de interferencia, producto del ambiente en el que se encuentran. La interferencia de la línea de voltaje o de señales de radiofrecuencia son algunos ejemplos.

Los filtros analógicos pueden eliminar estas señales parásitas limitando el ancho de banda a través de generar diferentes segmentos, diferentes túneles que permitan pasar solamente la señal que se desea transmitir. El límite entre lo que se pasa y entre lo que se rechaza se conoce con el nombre de frecuencia de corte.

Los filtros se clasifican de acuerdo con los segmentos de frecuencia que dejan

pasar o que rechazan. De esta forma la clasificación puede ser de cuatro tipos diferentes:

1. Filtro pasa bajas: Permite el paso de señales desde una frecuencia 0 hasta la frecuencia de corte establecida

2. Filtro pasa altas: Permite el paso de señales a partir de la frecuencia de corte establecida

3. Filtro pasa banda: Permite el paso de señales dentro de un rango superior e inferior de frecuencias

4. Filtro supresor de banda: Permite el paso de señales en todo el espectro excepto en un rango establecido de frecuencias

En los filtros, la frecuencia de corte se considera cuando la señal alcanza el 70.7% de su valor, lo que equivale a una atenuación de 3 dB.

Los filtros también se clasifican en pasivos y activos. Los filtros pasivos están formados por resistencias, condensadores y bobinas. Una de sus desventajas es que la frecuencia se puede modificar por el consumo de energía de los componentes. 

Los filtros activos se refieren a los circuitos con elementos semiconductores como transistores y amplificadores operacionales y no tienen la desventaja de los filtros pasivos. Las configuraciones de Integrador y Derivador de los amplificadores operacionales son usadas como filtros.

Conversores analógico-digitales

El mundo en que vivimos genera señales de tipo analógicas. Los sensores y transductores de señales, siempre van a generar señales analógicas. Para que estas señales puedan ser incorporadas a sistemas digitales del tipo circuitos electrónicos digitales o computadoras, es necesario cambiar estas señales analógicas a señales digitales.

Para manejar esta conversión, el sistema binario, con dígitos 0 y 1, es la base teórica para poder manejarla. Estos dígitos binarios, desde el punto de vista de la electrónica, son llamados bits. Cuando un número se representa por este sistema, la posición del dígito en el número binario indica el peso asignado a cada dígito, peso que tiene un equivalente en un sistema decimal y que aumenta en un factor de 2, representado por la expresión 2ⁿ 

Según el número de bits, será la capacidad del conversor, ya que a mayor número de bits, la resolución y el rango de amplitud de la señal a manejar serán mayores. En caso de usar 4 bits, solamente se podrán distinguir 16 números incluyendo el O. La operación de los conversores analógicodigital se basa en un circuito de muestreo de la señal y el módulo de conversión.

2.3 Sistemas de Actuación (mecánicos, eléctricos, neumáticos e hidráulicos)

2.3.1 Sistemas de Actuación Mecánicos

Los mecanismos son dispositivos que se pueden considerar convertidores de movimiento de una forma u otra. Entre los elementos mecánicos están los mecanismos de barras, levas, engranes, cadenas, etc. Los microprocesadores son útiles para llevar a cabo:

1. amplificación de fuerzas

2. cambio de velocidad

3. transferencia de rotación de un eje a otro

4. determinar tipos de movimiento

El termino cinemática se refiere al estudio del movimiento sin tener en cuenta las fuerzas. El movimiento de un cuerpo rígido se puede considerar como la combinación de movimientos de traslación y rotación. Un aspecto importante del diseño de los elementos mecánicos es la orientación y disposición de elementos y partes.

El principio de restricción mínima, establece que al fijar un cuerpo o al guiarlo en determinado tipo de movimiento debe emplearse la cantidad mínima de restricciones, a esta se le conoce como diseño cinematico.

Cada una de las partes del mecanismo que se mueve en relación con otros se denomina articulación. Esta no tiene fuerza por ser un cuerpo rígido, con dos o mas puntos de unión con otras articulaciones y a las cuales se les denomina nodos. Una pieza enlace es una conexión de dos o mas articulaciones en sus nodos, el cual permite que haya cierto movimiento. Al conjunto de eslabonamiento y de articulaciones se conoce como cadena cinemática.

La cadena de cuatro barras consiste en cuatro acoplamientos conectados entre si de manera que producen cuatro piezas de enlace, los cuales tienen la posibilidad de girar.

El mecanismo corredera consta de un eje de levas, una biela y una corredera. El mecanismo de retorno consta de un eje de levas giratorio, la cual gira alrededor de un centro fijo, una palanca oscilante que gira y se desplaza de atrás hacia delante.

Una leva en un cuerpo que gira u oscila y al hacerlo transmite un movimiento alterno a un segundo cuerpo conocido como seguidor.

La leva excéntrica es circular y su centro de rotación esta descentrado. La leva en forma de corazón produce un desplazamiento en el seguidor que aumenta a velocidad constante con el tiempo. La leva en forma de pera produce un movimiento del seguidor estacionario, se emplea para válvulas de motor.

Los trenes de engranes son mecanismos utilizados para transferir y transformar el movimiento rotacional, se emplean para obtener un cambio en la velocidad. Tren de engranes se refiere a una serie de engranes rectos conectados ente sí. Tren de engranes compuesto se refiere cuando dos o más engranes están montador en un eje común. Las ruedas dentadas se utilizan para trabar un mecanismo cuando sostiene una carga.

Las transmisiones por correo son un par de cilindros giratorios similares, donde el movimiento de cada uno de los cilindros se transfiere a otro mediante una correa.

Tipos de correas

1. planas

2. redonda

3. en V

4. correa dentada reguladora de tiempo

Para evitar deslizamientos se utilizan cadenas, las cuales se traban en los dientes de los cilindros rotacionales.

La función de los cojinetes o chumaceras es guiar el movimiento de una parte respecto de otra de manera mínima fricción y máxima exactitud. El cojinete consiste en una inserción de un material adecuado que se ajusta entre el eje y el soporte.

Tipos de lubricación

1. hidrodinámica

2. hidrostática

3. de capa salida

4. capa limite

Cojinetes tipo bola, la carga principal se transfiere del eje rotacional al apoyo mediante un contacto de rodadura en vez de un contacto por deslizamiento.

Hay varios tipos de cojinetes tipo bola:

1. rígido de bolas

2. ranura de relleno

3. contacto angular

4. de doble hilera

5. cojinete autolineable

6. axiales

Hay varios tipos de cojinetes de rodillo:

1. rodillo cilíndrico

2. rodillo cónico

3. rodillo de agujas

Los cojinetes de deslizamiento seco solo se utilizan en ejes de diámetro pequeño, en los que la carga y la velocidad con pequeñas, los rodamientos de bola y rodillos se usan cuando hay movimiento rotacional, los hidrodinámicos se usan para cargas y ejes de diámetros grandes.

2.3.2 Sistemas de Actuación Eléctricos

Los interruptores mecánicos son elementos que con frecuencia se usan como sensores para producir y enviar entradas a diversos sistemas. Los relevadores de retardo son relevadores de control y su acción de conmutación se produce un retardo, que es ajustable y se inicia al pasar a una corriente por el devanado. Un diodo permite el paso de una cantidad significativa de corriente solo en una dirección.

El tiristor o rectificador controlado por silicio (SCR) es un diodo con una compuerta que controla las condiciones en las que se activa. El triac (tiristor bidireccional) equivale a un par de tiristores conectados en forma inversa y paralela al mismo chip. Son un medio sencillo y barato de controlador de potencia ca.

Existen dos tipos de transistores bipolares: el npm la corriente principal entre por el colector y sale por el emisor y el pnm la corriente principal entra por el emisor y sale por el colector.

La combinación de un par de transistores que permite la conmutación de un valor de corriente alto con una entrada de corriente pequeña se conoce como par de Darlington.

Hay dos tipos de MOSFET´s( transistores de efecto de campo de semiconductor de oxido metálico) de canal n y canal p. 

Para los sistemas eléctricos se deben de tomar en cuenta:

1. Dispositivos de conmutación

2. Dispositivos de tipo selenoide

3. Sistemas motrices

Los motores eléctricos se emplean como elemento de control final en los sistemas de control por posición o velocidad. Se puede clasificar en motores cd y ca. Los principios básicos de un motor son:

1. Cuando en un campo magnético, una corriente pasa por un conductor , se ejerce una fuerza sobre este

2. Cuando un conductor se desplaza dentro de un campo magnético, se induce una f.e.m

Los motores de cd con devanados de campo se dividen en:

1. Motor (con excitación ) en serie

2. Motor en derivación(en paralelo)

3. Motor de excitación compuesta

4. Motor de excitación independiente

Para modificar las velocidad de estos motores de cd se cambia la corriente con la armadura o la de campo. Se utiliza la técnica llamada modulación por ancho de pulso (PWM).

Los motores ca se pueden clasificar en: monofásico y polifásicos, cada uno de los cuales se subdivide en motores de inducción y motores síncronos. El motor de inducción de una fase y jaula de ardilla consta de un rotor tipo jaula de ardilla. El motor básico consta de un rotor y un estator con varios devanados.

El motor de inducción trifásica, tiene un estator con 3 devanados separados 120º, cada uno conectado a una de las 3 líneas de alimentación eléctrica. Los motores síncronos tienen estatores similares a los motores de inducción, pero el rotor es un imán permanente.

El motor paso a paso es un dispositivo que produce una rotación en ángulos iguales, denominados pasos, por cada impulso digital que llega a su entrada.

Tipos de motores pasó a paso:

1. Motor paso a paso de reluctancia variable

2. Motor paso a paso de imán permanente

3. Motor paso a paso hibrido

Los motores bifásicos, se denominan motores bipolares, si tienen 4 cables para conectar señales que generen la secuencia de conmutación. Estos motores se excitan mediante circuitos H. Se denominan unipolares cuando tienen 6 cables de conexión para generar la secuencia de conmutación.

2.3.3 Sistemas de Actuación Hidráulicos y Neumáticos

Las señales neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final.

La válvula de alivio de presión protege contra un aumento de la presión del sistema que excede el nivel de seguridad.

En los sistemas hidráulicos se utiliza válvulas de control de dirección para controlar el flujo de un fluido que pasa por u sistema, son dispositivos abierto o cerrados se usan en el diseño de sistemas de control de secuencia.

Válvula tipo carrete: dentro del cuerpo de la válvula se desplaza un carrete en forma horizontal para controlar el flujo. Las válvulas giratorias de carrete tienen un carrete giratorio que al girar abre y cierra los puertos.

La válvula de control direccional es la válvula vástago, en condiciones normales esta válvula está cerrada y no hay conexión entre el puerto 1 y puertos 2 para controlar flujo en las válvulas de vástago se utilizan bolas, discos junto con los asientos de vástago.

El sistema accionado con pilotaje, usa una válvula para controlar y una segunda válvula. Válvula direccional, el flujo solo s realizar en la direccional en que la bola empuja al resorte, el flujo en la dirección opuesta esta bloqueado.

Válvulas de control de presión:

1. válvulas de regulación de presión : controlan la presión de un circuito manteniéndola constante

2. válvulas limitadoras de presión sirven como dispositivos de seguridad para limitar la presión

3. válvulas de secuencia de presión se usan para detectar la presión de una línea externa y producir una señal

El cilindro hidráulico o neumático son ejemplos de actuadores lineales, las únicas diferencias son el tamaño debido a los mayores presiones que se utilizan en las versiones hidráulicas. De simple acción se utiliza cuando se aplica presión en unos de los extremos y de doble acción cuando se aplica presión de control a los dos lados de un pistón.

Las válvulas para el control de procesos permiten controlar el gasto de un fluido. Uno de los elementos básicos es un actuador que se desplaza en un tapón en la tubería por donde circula el fluido.

Actuador de diafragma consiste en un diafragma con la señal de presión de entrada del controlador en un lado y en el otro. El diafragma esta hecho de hule sujeto de dos discos de acero.

Los cuerpos y tapones de las válvulas tienen diferentes formas: de asiento la válvula en la que el fluido solo tiene una trayectoria para recorrerla, de doble asiento cuando el fluido entra por ella y se divide en dos corrientes.

La forma del tapón define la relación que existe entre el movimiento del vástago y el efecto de gasto. Tipo apertura rápida: se utiliza cuando se necesita un control de on/off. De contorno lineal: el cambio del flujo es proporcional al cambio en el desplazamiento del vástago de la válvula.

El dimensionamiento de una válvula se refiere al procedimiento para calcular el tamaño adecuado del cuerpo de una válvula.

Un cilindro lineal provisto de las conexiones necesarias para producir giros con ángulos de <360º. Actuador semigiratorio, el cual utiliza un alabe de diferencia de presión entre ambos puertos hacer girar el alabe y el vástago.

Para giros de mas de 360º se emplea un motor neumático, motor de alabes, un rotor giratorio que tiene las ranuras que fuerzan el desplazamiento hacia fuera de los alabes, la dirección de rotación del motor se puede invertir utilizando otro puerto de entrada.

2.4 Modelado de Sistemas Básicos

Los elementos básicos que se utiliza para representar sistemas mecánicos son los resortes (representan la rigidez del sistema), amortiguadores (fuerzas que se oponen al movimiento de efectos de fricción) y masas (resistencia a la aceleración). Tiene que poseer propiedades de rigidez, el amortiguamiento e inercia.

La rigidez de un resorte se describe por la ley de hooke, entre mayor sea k, mayor será la F. el amortiguador, es el tipo de fuerzas que se originan cuando se intenta empujar un objeto a través de un fluido o a desplazar un objeto contra fuerzas de fricción. El elemento básico masa tiene la propiedad que cuanto mayor sea la masa, mayor será la fuerza para darle una aceleración especifica. Todos son elementos básicos de sistemas mecánicos.

El resorte de torsión y la masa giratoria almacenan energía, mientras que el amortiguador, solo lo disipa. Para evaluar el o la relación entre la fuerza y desplazamiento, se usa un diagrama de cuerpo libre. Cuando son varias fuerzas que actúan en un cuerpo se hace mediante una suma de vectores. Si todas las fuerzas actúan en una misma línea, la fuerza resultante al bloque es algebraica.

Los sistemas básicos de un sistema eléctrico son los inductores, capacitores y resistencias. En un inductor la diferencia de potencial , esta presente en todo momento depende del cambio de corriente.

En un capacitor la diferencia de potencial depende de la carga que de las placas del capacitor en determinado momento.

En una resistencia, la diferencia de potencial, en un instante dependerá de la corriente. Tanto el inductor como el capacitor almacena energía que se puede liberar en cualquier momento, la resistencia no guarda energía solo la disipa.

La analogía mecánica de la resistencia es el amortiguador. Las analogías entre corriente y fuerza, dif de potencial y velocidad, son validas para el resorte de inductancia y la masa de capacitancia.

En los sistemas de fluidos hay 3 elementos básicos , la entrada, es el flujo volumétrico y la salida es la diferencia de presión. Pertenecen dos categorías hidráulicos donde el fluido es un liquido no comprensible y neumáticos, contienen gases comprensibles.

La resistencia hidráulica es la que se presenta un líquido cuando fluye a través de una válvula o debido a los cambios en el diámetro de la tubería.

Capacitancia hidráulica: describe la energía almacenada en un líquido cuando este se almacena en forma de energía potencial, conocida como carga de agua.

La inercia hidráulica es el equivalente de la inductancia en unos sistemas eléctrico o de un resorte. Para acelerar un fluido y así aumenta su velocidad se requiere una fuerza.

En los sistemas neumáticos los 3 elementos básicos son: la resistencia neumática en función del gasto mascico y la diferencia de presión. La capacitancia neumática se debe a la comprensibilidad del gas y es comparable a la forma que la comprensión de un resorte almacena energía. La inercia se debe a la caída de presión necesaria para acelerar un bloque de gas.

Los elementos básicos de los sistemas térmicos son: resistencia y capacitancia que es la medida del almacenamiento de energía de un sistema.

2.5 Microprocesadores

Los microprocesadores son circuitos integrados que desde el año 1969 con la compañía Intel, revolucionaron el diseño electrónico de dispositivos. El 4004 fue el primer microprocesador que tenía una unidad central de procesos (CPU) de 4 bits, una memoria ROM para almacenar instrucciones, una memoria RAM para almacenar programas y aplicaciones de los usuarios y algunos puertos de entrada y salida. Este microprocesador fue diseñado para calculadoras de bolsillo.

El cambio en el diseño electrónico radica principalmente en que los diseños anteriores a los microprocesadores eran específicos para las funciones que eran diseñados, mientras que los diseños con microprocesadores permiten utilizar el mismo hardware para diferentes funciones, funciones que quedan desarrolladas y controladas por la programación del microprocesador.

En la actualidad contamos con un sinnúmero de dispositivos electrónicos que simplifican tareas, ofrecen diferentes servicios y nos proporcionan diversión.

La computadora se puede representar en algunos bloques funcionales para entender su forma de operación. Por el momento, son tres los principales bloques:

Primero está el microprocesador que está formado por la Unidad Aritmética Lógica (ALU) y el módulo de control, representado por los buses de datos, direcciones y control y por la electrónica que ejerce control entre las diferentes unidades funcionales. El segundo bloque está representado por la memoria RAM, memoria en la que, según el modelo de computadora de John von Neumann, almacena los datos y los programas de aplicaciones del usuario. El tercer bloque está formado por los puertos de entrada y salida, puertos que permiten la comunicación del microprocesador con el resto de la electrónica, tanto de la computadora (teclado, mouse, pantalla, disco duro, etc.) como de los circuitos externos. Los datos necesarios para las instrucciones de procesamiento de la CPU se transportan a través de bus de datos, la dirección de una localidad de memoria específica para acezar a los datos almacenados.

A los microprocesadores que tienen memoria y diversas configuraciones de entrada/salida en un mismo chip se llama microcontroladores.

El bus de datos se utiliza para transportar palabras o desde la CPU, la memoria o las interfaces de entrada/salida. El bus de dirección transporta señales que indican donde se pueden encontrar los datos mediante la selección de alguna localidad de memoria o el puerto de entrada o salida. El bus de control es el medio a través del cual se envían las señales que sincronizan a cada uno de los elementos.

La CPU es la sección del procesador en la que se procesan los datos, se traen instrucciones de la memoria que se codifican y se ejecutan. La unidad de control define la duración y secuencia de las operaciones. La unidad aritmética y lógica se ocupa de las operaciones con los datos.

Existen diversos tipos de registros:

a) Acumulador

b) Registro de estado

c) Registro de contador de programa PC o indicador de instrucciones IP

d) Registro de direccionamiento de memoria(MAR)

e) Registro de instrucciones

f) Registros de propósito general

g) Registro de apuntador de pla.

Existen varios tipos de unidad de memoria:

a) ROM cuando se guardan datos permanentes se utiliza como memoria de solo lectura, no se puede modificar mientras este dentro d la computadora

b) PROM se refiere a las memorias ROM que puede programar el usuario

c) EPROM ROM programable y borrable

d) EEPROM PROM eléctricamente programable

e) RAM son los datos temporales

El microcontrolador consiste en la integración en un chip de un microprocesador con memoria, interfaces entrada/salida, alimentación eléctrica y señales de reloj y control.

Al elegir un microcontrolador se debe considerar:

1. Numero de puertos de entrada y salida

2. Interfaces necesarias

3. Necesidades de memoria

4. Cantidad de interrupciones necesarias

5. Velocidad del procesamiento requerido

2.6 Controladores programables

Los PLC (Programmable Logic Controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados en Automatización Industrial.

PLC es un hardware industrial, que se utiliza para la obtención de datos. Una vez obtenidos,  los pasa a través de bus (por ejemplo por ethernet) en un servidor.

Su historia se remonta a finales de la década de 1960 cuando la industria buscó en las nuevas  tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados par el control de los sistemas de lógica combinacional. 

Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y  procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar  señales analógicas para realizar estrategias de control, tales como controladores proporcional  integral derivativo (PID).

Los PLC actuales pueden comunicarse con otros controladores y computadoras en redes de  área local, y son una parte fundamental de los modernos sistemas de control distribuido. 

Existen varios lenguajes de programación, tradicionalmente los más utilizados son el diagrama  de escalera (Lenguaje Ladder), preferido por los electricistas, lista de instrucciones y  programación por estados, aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten  implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de  interpretar y mantener. Un lenguaje más reciente, preferido por los informáticos y electrónicos,  es el FBD (en inglés Function Block Diagram) que emplea compuertas lógicas y bloques con  distintas funciones conectados entre sí.

En la programación se pueden incluir diferentes tipos de operandos, desde los más simples  como lógica booleana, contadores, temporizadores, contactos, bobinas y operadores  matemáticos, hasta operaciones más complejas como manejo de tablas (recetas),  apuntadores, algoritmos PID y funciones de comunicación multiprotocolo que le permitirían  interconectarse con otros dispositivos.

Ventajas e inconvenientes de los PLC's

Entre las ventajas tenemos: 

• Menor tiempo de elaboración de proyectos. 
• Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros componentes. 
• Mínimo espacio de ocupación. 
• Menor costo de mano de obra. 
• Mantenimiento económico. 
• Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata. 
• Menor tiempo de puesta en funcionamiento. 
• Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir siendo de  utilidad en otras máquinas o sistemas de producción. 

Y entre los inconvenientes:

• Adiestramiento de técnicos. 
• Costo.

Funciones básicas de un PLC

Detección: Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.

Mando: Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y  preaccionadores.

Dialogo hombre maquina: Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso.

Programación