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Componentes mecánicos para ingeniería de automatización

La ingeniería de automatización abarca una amplia gama de componentes y tecnologías que trabajan juntos para automatizar y optimizar procesos y máquinas. Los componentes mecánicos sirven como uno de los componentes básicos para la implementación de sistemas automatizados. Estos componentes incluyen actuadores, sensores, sistemas de transmisión mecánica y otros elementos mecánicos necesarios para el movimiento, control y supervisión de sistemas y máquinas. Este artículo presenta los conceptos básicos de la automatización y la ingeniería de automatización y explica dónde se utilizan los componentes mecánicos.

¿Qué es la automatización?

Automatización se refiere al proceso general de convertir tareas manuales o repetitivas en procesos automatizados, que pueden llevarse a cabo sin intervención humana, es decir, autocontrolados. Se puede lograr utilizando tecnologías como máquinas, programas informáticos o robots.

Objetivos de la automatización

En el pasado, los estrategias de automatización se centraban en hacer que la máquina realizara procesos de producción rígidos y repetitivos. El objetivo principal era aumentar la productividad sustituyendo el trabajo humano por máquinas. Estos sistemas de automatización rígidos fueron diseñados para manejar tareas específicas con pocos requisitos de flexibilidad y adaptabilidad. Hoy en día, el enfoque cambió a la optimización de procesos de producción. Existe un interés cada vez mayor en desarrollar sistemas de fabricación flexibles capaces de dominar flujos de trabajo con diferentes tareas. Estos sistemas flexibles están diseñados no solo para permitir aumentos de productividad, sino también para ofrecer flexibilidad y una mayor eficiencia general. Este desarrollo está motivado, entre otras cosas, por los siguientes aspectos:

Variabilidad de los productos: En una economía cada vez más globalizada y en mercados con preferencias de los clientes que cambian rápidamente, es importante que los sistemas de fabricación puedan producir una amplia variedad de productos sin necesidad de costosos cambios o adaptaciones.
Producción en serie pequeña: La demanda de productos personalizados y soluciones individuales está llevando a una mayor producción de series pequeñas. Los sistemas de fabricación flexibles permiten a las empresas producir también lotes más pequeños de manera eficiente y rentable.
Rápido tiempo de comercialización: La capacidad de responder rápidamente a los cambios del mercado e introducir nuevos productos es crucial para el éxito de una empresa. Los sistemas de fabricación flexibles permiten desarrollar nuevos productos rápidamente y llevarlos a producción.
Eficiencia y rentabilidad: Al hacer que la producción sea más flexible, las empresas pueden usar sus recursos de manera más eficiente y reducir los costes. La adaptabilidad de los sistemas permite adaptar la producción de forma óptima a la demanda actual y evitar la sobreproducción.

¿Qué es la ingeniería de automatización?

La ingeniería de automatización es una disciplina de ingeniería que abarca la planificación, el desarrollo, la implementación y el funcionamiento de los sistemas de automatización. Estos sistemas se utilizan para automatizar procesos o máquinas mediante la combinación de sensores, actuadores, controladores y software para permitir el control y la supervisión automáticos. En el contexto de la ingeniería de planta, la ingeniería de automatización trata la integración de sistemas de automatización en plantas industriales a gran escala. Los fabricantes de plantas utilizan la ingeniería de automatización para operar instalaciones de producción complejas de manera más eficiente y segura. En ingeniería mecánica, la ingeniería de automatización es crucial en el desarrollo y la integración de procesos automatizados en máquinas individuales y líneas de producción para aumentar la capacidad de producción y mejorar la calidad.

La digitalización de la producción tiene un impacto significativo en la automatización en la industria. Al integrar tecnologías digitales como la Industria 4.0, el Internet industrial de las cosas (IoT), la inteligencia artificial (IA), el big data y la informática en la nube en los procesos industriales, los sistemas de automatización son cada vez más potentes e inteligentes. Esto abre nuevas oportunidades para la automatización, ya que los datos se pueden recopilar, analizar y utilizar en tiempo real para optimizar los procesos y respaldar las decisiones.

Grados de automatización

Según DIN IEC 60050-351, la norma internacional para definiciones de términos en ingeniería eléctrica, electrónica y campos relacionados, el grado de automatización se refiere al grado de automatización de un sistema o proceso. Es una medida de la medida en que el trabajo humano es reemplazado o respaldado por el control y la supervisión automáticos. Un mayor grado de automatización significa una mayor independencia de la intervención humana y una mayor capacidad del sistema para realizar tareas de forma autónoma. El grado de automatización se puede medir a escala desde el control manual hasta la automatización completa:

Control manual: Un sistema o proceso se controla y supervisa completamente a través de la interacción humana sin automatización. Todas las decisiones y acciones las toman y ejecutan las personas.
Automatización parcial: En la automatización parcial, algunos subprocesos o subfunciones se automatizan, mientras que otros se controlan manualmente. La interacción humana sigue siendo necesaria para realizar ciertas tareas o tomar decisiones.
Semiautomatización: La semiautomatización se refiere a sistemas en los que la mayoría de las tareas están automatizadas, pero la intervención humana sigue siendo necesaria para resolver ciertas tareas complejas o tratar eventos imprevistos.
Automatización completa: Aquí, el sistema o proceso está totalmente automatizado y no requiere ninguna interacción humana durante el funcionamiento normal. El sistema es capaz de tomar todas las decisiones necesarias y realizar todas las acciones necesarias para llevar a cabo las operaciones de forma eficiente y segura.

Pirámide de automatización

La pirámide de automatización es un concepto utilizado en la automatización industrial para describir la estructura jerárquica de los sistemas de automatización. Esta pirámide sirve como modelo para representar los diferentes niveles de automatización. La pirámide de automatización normalmente consta de los siguientes niveles:

(1) Nivel de campo: Los dispositivos físicos que interactúan directamente con las variables de proceso en el mundo real están en el nivel de campo. Este nivel constituye la base para la recopilación de datos y el control del proceso de producción. Los sensores son responsables de recopilar datos y los actuadores realizan las acciones.
(2) Nivel de control: El nivel de control incluye el hardware y el software utilizados para controlar y supervisar el equipo de campo. Los controladores de programa almacenados (SPC) y los controladores lógicos programables (PLC) son representantes típicos de este nivel. Recopilan los datos de los sensores de nivel de campo, los procesan y envían señales de control a los actuadores.
(3) Nivel de control del proceso: A este nivel, toda la producción se supervisa y controla. Los sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) son característicos de este nivel. Permiten la visualización de los datos del proceso, la supervisión del estado del sistema y la posibilidad de intervención manual en el proceso. Los sistemas SCADA a menudo ofrecen capacidades de recopilación de datos e informes.
(4) Nivel de gestión operativa: A este nivel, se coordinan diferentes áreas de proceso y se intercambia información entre los departamentos. Los sistemas de ejecución de fabricación (MES) sirven de apoyo para las decisiones operativas y el control del rendimiento de la producción.
(5) Nivel de gestión de la empresa: El nivel de gestión de la empresa incluye el nivel superior de gestión y administración de la empresa. Los sistemas de planificación de recursos empresariales (sistemas ERP) son característicos de este nivel. Apoyan la planificación y el control de todos los recursos de la empresa, incluidos producción, adquisiciones, ventas, finanzas y recursos humanos.

Componentes mecánicos en ingeniería de automatización

En la ingeniería de automatización, los componentes mecánicos se utilizan para diversos fines. Se utilizan para realizar sistemas automatizados en diferentes áreas de aplicación, como la industria de fabricación, logística, transporte y robótica. Permiten el control de movimiento, la generación de fuerza y la manipulación de materiales, y garantizan la seguridad de las personas y los equipos.

Los sensores son dispositivos que detectan valores físicos medidos como temperatura, presión, nivel de llenado, posición o velocidad y los convierten en señales eléctricas. Se utilizan para supervisar el estado de máquinas o procesos y para proporcionar retroalimentación al controlador. Ejemplos de sensores en ingeniería de automatización son los sensores de proximidad, sensores de presión, sensores de temperatura, detectores de posición y sensores de movimiento.

Los actuadores son dispositivos que realizan un movimiento mecánico basado en una señal de control. Se utilizan para generar fuerzas y realizar movimientos, como abrir y cerrar válvulas, mover garras de robot o posicionar piezas de trabajo. Los actuadores típicos son cilindros neumáticos e hidráulicos, módulos lineales, motores eléctricos, luces de aviso o testigos.

Los sistemas de transmisión mecánica se utilizan para transferir o modificar movimientos o fuerzas de un punto a otro. Pueden ayudar a variar la velocidad del movimiento, aumentar o disminuir el par y crear patrones complejos de movimientos. Ejemplos de sistemas de transmisión mecánica son las cajas de engranajes, transmisiones por correas, cintas transportadoras y rodillos, acoplamientos y ejes.

Los controladores lógicos programables (PLC) son sistemas de control computarizados en tiempo real utilizados en ingeniería de automatización para controlar máquinas, sistemas y procesos. Se basan en un dispositivo de hardware especial llamado PLC, así como en un software de programación y una configuración especial. El principio básico de un PLC es que recibe diferentes señales de entrada de sensores u otras fuentes, las procesa y envía señales de salida a actuadores u otros dispositivos basados en ellas. Este proceso se controla mediante un programa programado en la memoria que se almacena en el PLC.

Ejemplos de automatización

La ingeniería de automatización optimiza los procesos, aumenta la eficiencia y libera a la mano de obra de las tareas repetitivas. A continuación se muestran algunos ejemplos específicos de automatización:

Ejemplo de automatización: la puerta automatizada utiliza un mecanismo de cilindro para la apertura automática de la puerta. Este mecanismo se puede controlar mediante un centro de control remoto que permite a los usuarios abrir o cerrar la puerta de forma remota. Hay un sensor de confirmación montado encima de la puerta para supervisar el proceso de apertura y cierre.

Ejemplo de automatización: este mecanismo giratorio y de transferencia permite transferir una pieza de trabajo de una cinta transportadora a la siguiente girando la pieza de trabajo 180°. Un brazo gira primero la pieza de trabajo 90°, mientras que una barra mueve la pinza los 90° restantes. Esto se realiza mediante un motor y un sistema de engranajes que gira sincrónicamente el brazo y el agarrador.