AUTOMATISMOS INDUSTRIALES I

Apuntes del Ing. Máximo Menna - IAI - U0 - 1/5

DEPARTAMENTO

DE INGENIERIA ELÉCTRICA

ÁREA INSTALACIONES ELÉCTRICAS

INTRODUCCIÓN Datos, Representación y toma de decisiones: En muchos y muy diferentes campos de la actividad humana, se manejan constantemente datos. Estos datos se observan, se miden, se registran, se elaboran lógica y aritméticamente, se vuelven a observar, etc. Cada una de estas operaciones o manipulación de datos se realiza en distintos lugares dentro de un mismo sistema, por lo cual intercalada a estas operaciones existe (casi siempre) la transmisión de datos, ya sea a corta o larga distancia. Cuando se manejan datos, es importante poder representar con eficiencia y exac-titud sus valores numéricos y para ello existen básicamente dos formas de representación: la forma analógica y la numérica. Representación analógica: Una cantidad se representa por otra que varía continuamente en forma análoga (de igual forma) a la primera y con magnitud directamente proporcional. Un ejemplo de fenómeno físico de variación continua es la presión de aire generada por la voz humana en las inmediaciones de la boca. Un micrófono de audio la convierte (al mismo ritmo que se produce la variación de presión de aire) en una variación de tensión ó corriente eléctrica, que puede ser observada en un instrumento electromecánico o electromagnético de aguja con escala graduada. El movimiento de la aguja es análogo a la variación de la presión de aire y en la escala esta representada la proporcionalidad con la magnitud real de la presión. Otros ejemplos de representación analógica son en general los instrumentos de guja como el velocímetro de un automóvil, instrumentos termométricos basados en dilatación térmica de sustancias líquidas (termómetro de mercurio ó alcohol) ó sustancias sólidas (termómetro de espiral metálica), medidores de nivel de líquidos en recipientes, etc. Representación numérica: Una cantidad se representa por otra que varía en forma discreta ó a saltos, aunque la primera varíe en forma continua o discreta.

Un ejemplo de instrumento de representación numérica digital es el reloj denominado (obviamente) reloj digital, en el cual para ser visualizada la hora se representa por pares de números decimales (dígitos) agrupados en horas, minutos y

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segundos (hh:mm:ss), la actualización del reloj se produce cada un segundo, mientras el tiempo (como sabemos) varía en forma continua. Tal vez para sorpresa de algunos el reloj de aguja con segundero no es una representación continua del tiempo ya que lo hace en forma discreta actualizando la posición de la aguja una vez por segundo. El término representación numérica es más amplio que el término representación digital, ya que el primero se refiere a la representación de cualquier tipo de número mientras que el segundo se refiere exclusivamente a los números decimales. Sin embargo se ha generalizado el término digital como referencia a la representación numérica. La representación numérica implica convertir periódicamente la magnitud que se quiere representar codificándola mediante números, que como veremos durante el desarrollo del curso serán combinaciones de ceros “0” y unos “1”. La siguiente figura da una idea de cómo se digitaliza la magnitud de una señal analógica.

Un caso actualmente de uso cotidiano, son los discos compactos CD de datos y de audio, en éstos últimos fenómeno físico continuo como lo es la variación de presión de aire generada por los instrumentos musicales (sonido) o por la voz humana, se digitaliza e imprime en un soporte sólido (CD) en forma binaria (mediante grabación de ceros “0” y unos “1”). Por supuesto que el dispositivo lector y reproductor de tal

0110

Señal

orig inal

Período de

muestreo

Señal

digita lizada

T

V

Muestreo, retenc ión y digitalizac ión

de la amplitud de una señal analógica

Señal

muestreada

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información binaria deberá recomponer la señal de audio original y reproducirla en forma continua en el parlante. Para esto, la información numérica leída en el CD se decodifica y se convierte en información analógica utilizada para producir la vibración del cono del parlante que (re)produce la continua variación de la presión de aire que llega a nuestros oídos (sonido). Una característica distintiva de las cantidades analógicas y digitales es que se asocia: lo que es continuo a analógico y lo que es discreto a digital. Es necesario aclarar que si bien existen estas dos formas de codificar una señal con la información deseada: forma analógica ó digital, cualquiera de las dos formas puede contener y transportar cualquier tipo de información, aunque por condiciones prácticas a veces se prefiere una o la otra. VENTAJAS DE LA SEÑAL DIGITAL ó NUMÉRICA La señal digital es poco afectada por el ruido y la distorsión, por lo cual es de mejor calidad que la señal analógica. La señal analógica en una línea de transmisión se atenúa con la distancia recorrida, se mezcla con ruido y se distorsiona. Debido a la atenuación es necesario amplificar la señal. La amplificación no distingue entre señal y ruido por lo que resulta todo amplificado. Cuanto más lejos se transmite, más veces hay que amplificarla obteniéndose en el receptor una señal de características muy diferentes a la originada por la fuente de señal, por lo cual la señal obtenida no será una réplica de la señal original.

Señal original

Señal y ruido

Señal, ruidoy atenuación

Señal amplificaday

señal regenerada

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Una señal numérica puede hacerse inmune al ruido y la distorsión, sea cual fuere el largo del recorrido, ya que un pulso numérico siempre que sea posible reconocerlo como "cero" ó "uno", puede ser reemplazado por un nuevo pulso limpio de ruido y distorsión (regeneración de la señal), tantas veces como sea necesario a lo largo del recorrido de transmisión. Como veremos durante el desarrollo de la materia existen técnicas basadas en distintos tipos de códigos para detectar y también corregir errores en la transmisión de información digital. Por último las señales numéricas pueden transmitirse, almacenarse y recurarse a mayor velocidad y los sistemas son más fiables. Aclaratoria Terminológica: Señal: Nos referiremos al término señal en referencia a un parámetro de naturaleza eléctrica que transporta información (tensión, corriente, frecuencia, etc.). Una señal para que contenga información debe ser variable, así el parámetro eléctrico debe ser de magnitud variable. Señal Binaria: Una forma especial de la señal digital es la señal binaria. Se trata de una señal con sólo dos valores de magnitud posibles, es decir que sólo puede adoptar dos estados. La forma binaria de señales tiene una gran importancia en las técnicas de control eléctrico ya que puede materializarse con bastante sencillez. Los dos estados de la señal binaria se representan convencionalmente por los números 0 (cero) y 1 (uno).

Importancia de la representación binaria: La naturaleza binaria implica la posibilidad de asumir dos valores distintos y mutuamente excluyentes. Esto es útil para implementar y representar la existencia o no de un evento. Por ejemplo si una caja está presente o no sobre la cinta transportadora, un sensor generará una variable eléctrica X que representa la existencia de ese evento adoptando el valor “uno” (X=1), mientras que para el caso de ausencia de la caja adopta el valor “cero” (X=0). De la implementación práctica por ejemplo se obtendrá un cierto valor de tensión eléctrica (hay tensión, X=1) ó tensión eléctrica nula (no hay tensión, X=0) También el concepto binario es útil para representar el valor de verdad de una proposición. Por ejemplo X=1 si la proposición “está lloviendo” es verdadera y X=0 si tal proposición es falsa. X representa el valor de verdad de la proposición. Esto hace posible relacionar la lógica con el álgebra. Así las variables binarias pueden relacionarse mediante operaciones claras y sencillas para obtener nuevas variables binarias, cuyo valor de verdad dependa del valor de verdad de las variables binarias originales. George Boole trasladó los conocimientos y experiencias del Álgebra convencional a la lógica matemática, el sistema se denomina Álgebra de Boole y a menudo también Álgebra Lógica ó Álgebra de Conmutación.

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Concepto de Automatismo: El apartado anterior nos debe hacer pensar en la posibilidad de tomar decisiones sobre la base del valor de verdad de ciertas variables binarias, pudiendo entonces a partir de un enunciado verbal de un conjunto de proposiciones (condiciones de funcionamiento), obtener un circuito eléctrico-electrónico que cumpla la función expresada por tales proposiciones. Esta es la idea fundamental de un automatismo. Algo se considera automático cuando es capaz de poder tomar cierto tipo de decisión sobre su propio estado. Estructuración del curso: Considerando la importancia de la información binaria, comenzaremos en la primera parte de nuestra curso Introducción a los Automatismos Industriales estudiando los conceptos básicos contenidos en las siguientes unidades temáticas: Unidad1: Sistemas de Numeración Unidad 2: Códigos binarios Unidad 3: Álgebra de Boole Unidad 4: Sistemas Combinacionales En la segunda parte se introducen correlativamente: el concepto de memoria, la variable tiempo, los métodos de conversión Analógico/Digital, la lógica cableada y la lógica programada, en las siguientes unidades temáticas: Unidad 5: Sistemas Secuenciales Unidad 6: Temporizadores binarios Unidad 7: Conversión A/D y D/A Unidad 8: Automatismos Industriales Unidad 9: Lógica Programada. El diseño digital y la programación de autómatas requieren necesariamente de Prácticas de Laboratorio que refuercen los conceptos teóricos presentados en clase y familiaricen al alumno en la manipulación y conexión de los dispositivos involucrados. La cátedra ha previsto la carga horaria necesaria para el desarrollo de las Prácticas de Laboratorio. Por último es necesario decir que la comprensión de los temas que trataremos permitirá al alumno explicarse el funcionamiento de muchos de los modernos sistemas y dispositivos digitales que encontramos en la vida cotidiana, y principalmente brindan la base necesaria para el diseño digital y la programación de autómatas, lo que implica para el alumno ampliar significativamente su capacidad laboral antes de su graduación profesional, lo que además (por supuesto) depende de la habilidad personal de cada alumno.