La automatización de procesos es un sistema de fabricación diseñado con el fin de usar la capacidad de las máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana.
El término automatización también se ha utilizado para describir sistemas no destinados a la fabricación en los que los dispositivos programados o automáticos pueden funcionar de forma independiente o semi-independiente del control humano.
En comunicaciones, aviación y astronáutica, dispositivos como los equipos automáticos de conmutación telefónica, los pilotos automáticos y los sistemas automatizados de guía y control se utilizan para efectuar diversas tareas con más rapidez o mejor de lo que podrían hacerlo un ser humano.
Etapas de la automatización de procesos
La fabricación automatizada surgió de la íntima relación entre fuerzas económicas e innovación técnica como la división de trabajo, la transferencia de energía y la mecanización de las fábricas, y el desarrollo de las máquinas de transferencia y sistemas de realimentación, como se explica a continuación.
La división del trabajo (esto es, la reducción de un proceso de fabricación o de prestación de servicios a sus fases independientes más pequeñas), se desarrolló en la segunda mitad del siglo XVIII, y fue analizada por primera vez por el economista británico Adam Smith en sus libro Investigación sobre la naturaleza y causas de la riqueza de las naciones (1776). En la fabricación, la división de trabajo permitió incrementar la productividad y reducir el nivel de especialización de los obreros.
La mecanización fue la siguiente etapa necesaria para la evolución hasta la automatización. La simplificación del trabajo permitida por la división de trabajo también posibilitó el diseño y construcción de máquinas que reproducían los movimientos del trabajador. A medida que evolucionó la tecnología de transferencia de energía, éstas máquinas especializadas se motorizaron, aumentando así su eficacia productiva. El desarrollo de la tecnología energética también dio lugar al surgimiento del sistema fabril de producción, ya que todos los trabajadores y máquinas debían estar situados junto a la fuente de energía.
La máquina de transferencia es un dispositivo utilizado para mover las piezas que se está trabajando desde una máquina herramienta especializada hasta otra, colocándola de forma adecuada para la siguiente operación de maquinado. Los robots industriales, diseñados en un principio para realizar tareas sencillas en entornos peligrosos para los trabajadores, son hoy extremadamente hábiles y se utilizan para trasladar, manipular y situar piezas ligeras y pesadas, realizando así todas las funciones de una máquina de transferencia. En realidad, se trata de varias máquinas separadas que están integradas en lo que a simple vista podría considerarse una sola.
En la década de 1920 la industria del automóvil combinó estos conceptos en un sistema de producción integrado. El objetivo de este sistema de línea de montaje era abaratar los precios. A pesar de los avances más recientes, éste es el sistema de producción con el que la mayoría de la gente asocia el término automatizado.
Realimentación y mecanismos de control automático
Un elemento esencial de todos los mecanismos de control automático es el principio de realimentación, que permite al diseñador dotar a una máquina de capacidad de autocorrección.
Un ciclo o bucle de realimentación es un dispositivo mecánico, neumático o electrónico que detecta una magnitud física como una temperatura, un tamaño o una velocidad, la compara con la norma establecida, y realiza aquellas acciones preprogramadas necesarias para mantener la cantidad medida dentro de los límites de la norma aceptable.
El principio de realimentación se utiliza desde hace varios siglos. Un notable ejemplo es el regulador de bolas inventado en 1788 por el ingeniero escocés James Watt para controlar la velocidad de la máquina de vapor. El conocido termostato doméstico es otro ejemplo de dispositivo de realimentación.
En la fabricación y en la producción, los ciclos de realimentación requieren la determinación de límites aceptables para que el proceso pueda efectuarse; que estas características físicas sean medidas y comparadas con el conjunto de límites, y que el sistema de realimentación sea capaz de corregir el proceso para que los elementos medidos cumplan la norma. Mediante los dispositivos de realimentación las máquinas pueden ponerse en marcha, pararse, acelerar, disminuir su velocidad, contar, inspeccionar, comprobar, comparar y medir. Estas operaciones suelen aplicarse a una amplia variedad de operaciones de producción.
Uso en la informática de la automatización
El advenimiento del ordenador o computadora ha facilitado enormemente el uso de ciclos de realimentación en los procesos de fabricación. En combinación, las computadoras y los ciclos de realimentación han permitido el desarrollo de máquinas controladas numéricamente (cuyos movimientos están controlados por papel perforado o cintas magnéticas) y centros de maquinado (máquinas herramientas que pueden realizar varias operaciones de maquinado diferentes).
La aparición de la combinación de microprocesadores y computadoras ha posibilitado el desarrollo de la tecnología de diseño y fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM). Empleando estos sistemas, el diseñador traza el plano de una pieza e indica sus dimensiones con la ayuda de un ratón o Mouse, un lápiz óptico u otro dispositivo de introducción de datos. Una vez que el boceto ha sido determinado, la computadora genera automáticamente las instrucciones que dirigirán el centro de maquinado para elaborar dicha pieza.
Otro avance que ha permitido ampliar el uso de la automatización es el de los sistemas de fabricación flexibles (FMS). Los FMS han llevado la automatización a las empresas cuyos bajos volúmenes de producción no justificaban una automatización plena. Se emplea una computadora para supervisar y dirigir todo el funcionamiento de la fábrica, desde la programación de cada fase de la producción hasta el surgimiento de los niveles de inventario y de utilización de herramientas.
Asimismo, aparte de la fabricación, la automatización ha influido enormemente sobre otras áreas de la economía. Se utilizan computadoras pequeñas en sistemas denominados procesadores de textos, que se están convirtiendo en la norma de la oficina moderna. Esta tecnología combina una pequeña computadora con una pantalla de monitor de rayos catódicos, un teclado de máquina de escribir y una impresora. Se utilizan para editar textos, preparar cartas, etc. El sistema es capaz de realizar muchas otras tareas que han incrementado la productividad de la oficina.
Automatización industrial
Automatización Industrial (automatización; del griego antiguo auto: guiado por uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales sustituyendo a operadores humanos.
La automatización como una disciplina de la ingeniería es más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales.
Las primeras máquinas simples sustituían una forma de esfuerzo en otra forma que fueran manejadas por el ser humano, tal como levantar un peso pesado con sistema de poleas o con una palanca. Posteriormente las máquinas fueron capaces de sustituir formas naturales de energía renovable, tales como el viento, mareas, o un flujo de agua por energía humana.
Los botes a vela sustituyeron a los botes de remos. Todavía después, algunas formas de automatización fueron controlados por mecanismos de relojería o dispositivos similares utilizando algunas formas de fuentes de poder artificiales -algún resorte, un flujo canalizado de agua o vapor para producir acciones simples y repetitivas, tal como figuras en movimiento, creación de música, o juegos. Dichos dispositivos caracterizaban a figuras humanas, fueron conocidos como autómatas y datan posiblemente desde 300 AC.
En 1801, la patente de un telar automático utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucionó la industria del textil.
La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho, mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la dependencia del mantenimiento y reparación. Por ejemplo, Japón ha tenido necesidad de retirar muchos de sus robots industriales cuando encontraron que eran incapaces de adaptarse a los cambios dramáticos de los requerimientos de producción y no eran capaces de justificar sus altos costos iniciales.
Para mediados del siglo XX, la automatización había existido por muchos años en una escala pequeña, utilizando mecanismos simples para automatizar tareas sencillas de manufactura. Sin embargo el concepto solamente llego a ser realmente práctico con la adición (y evolución) de las computadoras digitales, cuya flexibilidad permitió manejar cualquier clase de tarea. Las computadoras digitales con la combinación requerida de velocidad, poder de computo, precio y tamaño empezaron a aparecer en la década de 1960s. Antes de ese tiempo, las computadoras industriales era exclusivamente computadoras analógicas y computadoras híbridas. Desde entonces las computadoras digitales tomaron el control de la mayoría de las tareas simples, repetitivas, tareas semiespecializadas y especializadas, con algunas excepciones notables en la producción e inspección de alimentos. Como un famoso dicho anonimo dice, «para muchas y muy cambiantes tareas, es difícil remplazar al ser humano, quienes son fácilmente vueltos a entrenar dentro de un amplio rango de tareas, más aún, son producidos a bajo costo por personal sin entrenamiento.»
Existen muchos trabajos donde no existe riesgo inmediato de la automatización. Ningún dispositivo ha sido inventado que pueda competir contra el ojo humano para la precisión y certeza en muchas tareas; tampoco el oído humano. El más inútil de los seres humanos puede identificar y distinguir mayor cantidad de esencias que cualquier dispositivo automático. Las habilidades para el patrón de reconocimiento humano, reconocimiento de lenguaje y producción de lenguaje se encuentran más allá de cualquier expectativa de los ingenieros de automatización.
Computadoras especializadas, son utilizadas para leer entradas de campo a través de sensores y en base a su programa, generar salidas hacia el campo a través de actuadores. Esto conduce para controlar acciones precisas que permitan un control estrecho de cualquier proceso industrial. (Se temía que estos dispositivos fueran vulnerables al error del año 2000, con consecuencias catastróficas, ya que son tan comunes dentro del mundo de la industria).
Existen dos tipos distintos: DCS o Sistema de Control Distribuído, y PLC o Controlador Lógico Programable. El primero era antiguamente orientado a procesos de tipo análogos, mientras que el segundo se utilizaba en procesos de tipo discreto (ceros y unos). Actualmente ambos equipos se parecen cada vez más, y cualquiera de los dos puede ser utilizado en todo tipo de procesos.
Las interfaces Hombre-Máquina (HMI) o interfaces Hombre-Computadora (CHI), formalmente conocidas como interfaces Hombre-Máquina, son comúnmente empleadas para comunicarse con los PLCs y otras computadoras, para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio que monitorea y controla estas interfaces son conocidos como ingenieros de estación.
Otra forma de automatización que involucra computadoras es la prueba de automatización, donde las computadoras controlan un equipo de prueba automático que es programado para simular seres humanos que prueban manualmente una aplicación. Esto es acompañado por lo general de herramientas automáticas para generar instrucciones especiales (escritas como programas de computadora) que direccionan al equipo automático en prueba en la dirección exacta para terminar las pruebas.
La automatización y la sociedad
La automatización ha contribuido en gran medida al incremento del tiempo libre y de los salarios reales de la mayoría de los trabajadores de los países industrializados. También ha permitido incrementar la producción y reducir los costes, poniendo autos, refrigeradores, televisores, teléfonos y otros productos al alcance de más gente.
Empleo de la Automatización
Sin embargo, no todos los resultados de la automatización han sido positivos. Algunos observadores argumentan que la automatización ha llevado al exceso de producción y al derroche, que ha provocado la alienación del trabajador y ha generado desempleo.
De todos estos temas, el que mayor atención ha recibido es la relación entre la automatización y el paro. Ciertos economistas defienden que la automatización ha tenido un efecto mínimo, o ninguno, sobre el desempleo. Sostienen que los trabajadores son desplazados, y no cesados, y que por lo general son contratados para otras áreas dentro de la misma empresa, o bien en el mismo trabajo en otra empresa que todavía no se ha automatizado.
Hay quienes sostienen que la automatización genera más puestos de trabajo de los que elimina. Señala que aunque algunos trabajadores pueden quedar en el paro, la industria que produce la maquinaria automatizada genera más trabajos que los eliminados.
Para sostener este argumento suele citarse como ejemplo la industria informática. Los ejecutivos de las empresas suelen coincidir en que aunque las computadoras han sustituido a muchos trabajadores, el propio sector ha generado más empleos en fabricación, venta y mantenimiento de ordenadores que los que ha eliminado el dispositivo.
Por otro lado, hay lideres sindicales y economistas que afirman que la automatización genera paro y que, si no se controla, llevará a la creación de un vasto ejército de desempleados.
Sostienen que el crecimiento de los puestos de trabajo generados por la administración pública y en los sectores de servicio han absorbido a quienes han quedado desempleados como consecuencia de la automatización, y que en cuanto a dichos sectores se saturen o se reduzcan los programas gubernamentales se conocerá la auténtica relación entre la automatización y el desempleo.
Niveles de automatización
El concepto de sistemas automatizados puede ser aplicado a distintos niveles de las operaciones de una fábrica. Normalmente asociamos el concepto de automatización con la producción de máquinas individuales. Sin embargo la producción de máquinas por si misma está creada por subsistemas que por ellos mismos pueden ser automatizados.
Podemos identificar cinco niveles posibles de automatización en una planta productiva y se explican con la siguiente figura
Niveles de automatización de procesos
Elementos básicos de un sistema automatizado
- Energía: para completar el proceso y operar el sistema.
- Programa: para dirigir el proceso.
- Sistema de control: para ejecutar las instrucciones.
Elementos básicos de un sistema automatizado
Energía para realizar los procesos automatizados
Un sistema automatizado es usado para operar algunos procesos. La energía se necesita para manejar el proceso así como los controladores.
Tipos de energía
- Eléctrica.
- Mecánica.
- Térmica
Fuentes alternativas: combustibles fósiles, hidráulica, solar, eólica.
Energía para el proceso de manufactura
En producción, el término proceso se refiere a las operaciones de manufactura que son llevadas a cabo sobre la pieza de trabajo.
- La energía también es requerida para las funciones de manejo de materiales.
- Carga y descarga de los materiales.
- Transportación del material entre estaciones de trabajo.
Automatización de procesos: Requerimientos de energía en el proceso de manufactura
Energía para automatización
Se requiere energía para las siguientes funciones.
Unidad de control: los controladores modernos emplean energía eléctrica para leer las instrucciones del programa, realizar cálculos de control y ejecutar las instrucciones al transmitir comandos a los dispositivos actuadores.
Energía para activar las señales de control: los comandos enviados por la unidad de control son llevadas a cabo por dispositivos electromecánicos llamados actuadores. Los comandos comúnmente son transmitidos a través de señales de control de bajo voltaje.
Recolección y procesamiento de información: la información del sistema debe ser recolectada y usada como datos de entrada en los algoritmos de control. Además, puede ser necesario llevar registro del desempeño del proceso o calidad del producto. Estas funciones necesitan energía aunque en cantidades modestas.
Programa
Programas de ciclo de trabajo
Los pasos del proceso para manufacturar una pieza son llevados a cabo durante un ciclo de trabajo. Es decir, en cada ciclo de trabajo, se produce una parte (aunque en algunas operaciones se produce más de una). Estos pasos son especificados en un programa de ciclo de trabajo.
Parámetros del proceso: son entradas del proceso como la temperatura de un horno, o una coordenada en un sistema de posicionamiento.
Variables del proceso: son salidas del proceso como la temperatura real del horno o la posición actual en el sistema de coordenadas.
Toma de decisiones en el ciclo programado de trabajo
Interacción del operador: aunque se intenta que el programa de instrucciones funciones sin interacción humana, la unidad de control puede requerir datos de entrada proporcionados por el operador para funcionar.
Diferentes partes o estilos de productos: un sistema automatizado puede ser programado para realizar diferentes ciclos de trabajo en partes o estilos de productos distintos.
Variaciones en las unidades de arranque de trabajo: en muchas operaciones de manufactura, las piezas iniciales de trabajo no son consistentes, por lo que pasos adicionales pueden ser necesarios.
Sistemas de control
El sistema de control de un sistema automatizado permite ejecutar el programa y lograr que el proceso realice su función definida. Los sistemas de control pueden ser de dos tipos:
- Sistemas de control de ciclo cerrado.
- Sistemas de control de ciclo abierto.
Ciclo Cerrado
En un sistema de control de ciclo cerrado la variable de salida es comparada con un parámetro de entrada, y cualquier diferencia entre las dos es usada para lograr que la salida sea acorde con la entrada.
Automatización de procesos: ciclo cerrado
Ciclo Abierto
Un sistema de control de ciclo abierto opera sin el ciclo de retroalimentación, sin medir la variable de salida, de manera que no hay comparación entre el valor real de la salida y el valor deseado en el parámetro de entrada.
Automatización de procesos: ciclo abierto
Funciones Avanzadas de la Automatización
Funciones que conciernen a la mejora del desempeño y la seguridad del equipo, como son:
- Monitoreo de seguridad.
- Diagnóstico de mantenimiento y reparación.
- Detección de errores y recuperación de la falla.
Monitoreo de seguridad
Respuestas del sistema de seguridad:
- Detención del sistema.
- Encendido de alarmas sonoras.
- Reducción de la velocidad de los procesos.
- Toma de acciones para corregir la violación de seguridad.
Tipos de sensores:
- De límite.
- Fotoeléctricos.
- De temperatura.
- De humo.
- De presión.
- Visión.
Diagnóstico de mantenimiento y reparación
Capacidad de un sistema automatizado de ayudar en la identificación de las fuentes potenciales o actuales de malfuncionamiento o falla.
- Monitoreo de status.
- Diagnóstico de falla.
- Recomendaciones para el procedimiento de reparación.
Uso del control computarizado en un sistema para automatizar la toma de las acciones correctivas necesarias para restaurar su operación normal después de ocurrida la falla.
Pasos:
- Detección del error.
- Recuperación del error.
Detección del error
Uso de los sensores disponibles en el sistema automatizado para determinar cuándo ha ocurrido una desviación o malfuncionamiento, interpretar correctamente las señales de los sensores y clasificar el error.
Clasificación del error:
- Errores aleatorios.
- Errores sistemáticos.
- Aberraciones.
Pasos para la detección de errores en una celda integrada de manufactura: Categorías de los errores y posibles malfuncionamientos que estas causan
Categorías de los errores y posibles malfuncionamientos que estas causan
Recuperación del error
Aplicación de las acciones correctivas necesarias para superar el error y regresar el sistema a su operación normal.
Estrategias:
- Realizar ajustes al final del ciclo de trabajo actual.
- Realizar ajustes durante el ciclo actual.
- Detener el proceso para aplicar acciones correctivas.
- Detener el proceso y pedir ayuda.
Arreglo de errores en una Celda Integrada de Manufactura; Posibles acciones correctivas que deben de ser realizadas en respuesta a los errores detectados durante la operación
Automatización de procesos: acciones correctivas
