U7 Control i robòtica

La tecnologia de control abasta tots els procediments i dispositius que permeten automatitzar les màquines i els processos.

Des dels procediments més simples i rudimentaris utilitzats en l’antiguitat fins als moderns aparells automàtics basats en la informàtica de control i la robòtica, la tecnologia ha aportat, mitjançant el procés tecnològic, una infinitat de solucions destinades a substituir l’activitat humana per accions que s’executen automàticament.

1. Els sistemes de control automàtics

Els sistemes de control estan compostos per diferents elements que s’anomenen de forma genèrica automatismes. La relació entre aquests automatismes i el procés o màquina que volem controlar és el que anomenem sistema de control, l’objectiu del qual és aconseguir que la màquina o el sistema funcioni amb la mínima intervenció humana.

Un sistema de control automàtic té per objectiu aconseguir que una màquina o un procés realitzi les seves funcions reduint al mínim la intervenció humana, tant física com mental. Els components bàsics d’un sistema de control són: la unitat de control, els actuadors, els sensors i els elements auxiliars per al comandament i la monitorització.

La forma en què un automatisme realitza la seva funció dóna lloc a dos tipus de control: control de llaç obert i control de llaç tancat.

1.1. Sistemes de control en llaç obert

El control de llaç obert es caracteritza perquè, un cop activat, executa el procés durant un temps prefixat, independentment del resultat final del procés. Un sistema de control de llaç obert no supervisa el resultat de la seva acció a la sortida del sistema.

Són exemples de control de llaç obert el llum temporitzat d’una escala, la rentadora, un semàfor, etc.

• El llum temporitzat, com el dels blocs de pisos, el seu automatisme ha de substituir l’acció d’apagar el llum. L’activació s’ha de fer manualment prement un polsador, moment en què els llums s’il·luminen fins que ha passat el temps programat, i és llavors que s’apaguen automàticament. El sistema de control no verifica si hem arribat o no a la nostra destinació, el temps programat és fix amb independència del recorregut.

• La rentadora és una màquina amb diferents automatismes que coordinadament han d’aconseguir de fer neta la roba. La rentadora executa un cicle de treball segons el programa de rentat que s’hagi escollit, el qual va executant seqüencialment els diferents passos, i al final s’atura automàticament. El resultat és que ha rentat la roba però no verifica si realment ja està neta, cosa que pot produir-se abans d’acabar el programa, o bé pot arribar al final i estar encara bruta.

1.2. Sistemes de control en llaç tancat

En aquests sistemes un cop donada l’ordre per iniciar el procés, el resultat de la sortida és analitzat i si no compleix el valor de la consigna, el dispositiu de control és informat i manté el procés actiu fins a assolir el que estableix la consigna.

Els sistemes de control de llaç tancat estableixen una supervisió sobre el resultat de sortida o resultat final, actuant sobre el procés fins a obtenir el resultat desitjat.

La consigna és el valor de referència que hom desitja obtenir com a resultat de l’acció del sistema automàtic. Aquest valor pot ser, per exemple, la temperatura programada per una calefacció o condicionador d’aire, el nivell d’aigua a l’interior d’una cisterna.

Els sistemes de control de llaç tancat, per ajustar la seva acció, comproven contínuament el valor de la sortida del procés i el comparen amb el valor de la consigna. El mostreig sobre la sortida es fa amb el procés de realimentació que reenvia aquesta informació a l’entrada per ser comparada amb la consigna, i fa reaccionar el dispositiu de control segons quin sigui el resultat d’aquesta comparació.

Analitzem el cas de la calefacció. L’objectiu d’un sistema de calefacció és proporcionar i mantenir una temperatura determinada, per això disposa d’un sistema de conversió d’una font d’energia en calor i d’un dispositiu de regulació o control: el termòstat. Aquest procés si no es controla pot no arribar a la temperatura esperada o sobrepassar-la. El sistema de control de llaç tancat ha d’evitar aquesta situació per tal d’assegurar que la temperatura arribi al valor establert i s’hi mantingui. Per això quan la temperatura és inferior a la indicada com a consigna en el termòstat, ha de mantenir la conversió d’energia i generar calor. Quan la temperatura arriba a un valor superior a l’establert en la consigna s’ha d’aturar la generació de calor.

En el cas de la cisterna d’aigua de l’inodor, incorpora un sistema d’emplenat automàtic: ha d’entrar-hi aigua només si el nivell interior està per sota de la consigna i ha d’aturar-ne l’entrada quan ja és plena. És exemple de control amb mecanismes en què la vàlvula d’entrada d’aigua s’acciona en funció del nivell interior. La vàlvula s’obre si baixa el nivell i es tanca quan ja és plena. La realimentació es realitza mitjançant el flotador que a través d’un sistema de palanca actua sobre la vàlvula d’entrada.

ACTIVITAT: Analitza ara el següent sistema de control:

2. Els components d'un automatisme

De forma genèrica en un sistema de control hi ha tres parts bàsiques: el controlador, els actuadors i els sensors. Fan falta també dispositius auxiliars per interactuar amb el controlador.

El controlador és el dispositiu del sistema que determina i executa el control del procés per al qual està preparat. Disposa dels elements per a l’activació i desactivació dels dispositius externs, per a la introducció i modificació de la consigna, per a l’accionament dels actuadors, per a la recollida d’informació dels sensors i els elements de presentació d’informació, i la lògica de control.

Els controladors programables cal que disposin de memòria per emmagatzemar l’algorisme de control. Aquest és el conjunt d’accions que s’han de realitzar sobre els actuadors per controlar el procés segons la informació proporcionada pels sensors i els valors prefixats per les consignes.

• Un actuador és l’element final que fa una acció sobre el procés. Aquest element final pot provocar accions com ara increments de temperatura, canvis de moviment, variacions de velocitat o variacions de cabal. Com ja heu vist en altres unitats d’aquest llibre, els actuadors poden ser de tecnologia elèctrica, pneumàtica o hidràulica.

• Els sensors són dispositius que prenen dades de la situació del procés o de les variables de sortida i les transmeten al controlador. Els sensors, i els seus circuits associats, mesuren magnituds de variables que s’incorporen al llaç de realimentació. La seva sensibilitat i precisió són importantíssims per un funcionament acurat del control.

• Els dispositius auxiliars són elements per a la interacció entre l’operador i la màquina. Són necessaris per a l’entrada manual d’informació al controlador, per posar-lo en marxa o aturar-lo, per variar-ne les consignes, o per recuperar el control manual. També hi ha dispositius que són necessaris per recollir informació de l’estat del sistema i de l’automatisme i per indicar alarmes.

Des del punt de vista del controlador, els actuadors són dispositius externs als quals cal enviar la informació per determinar el seu estat. Per això se’ls considera, juntament amb els visualitzadors i indicadors, dispositius de sortida del controlador. Els sensors lliuren informació de l’estat de la màquina o sistema cap al controlador. Per això se’ls considera, juntament amb els polsadors, teclats, etc., dispositius d’entrada del controlador.

Per construir un controlador capaç d’executar un conjunt d’accions sobre el dispositiu a controlar en funció de les dades de consigna i l’estat del sistema, es poden emprar diferents sistemes:

• Els sistemes automàtics amb lògica cablada són els que estan dissenyats per a una funció molt concreta. El seu circuit està realitzat amb components que sovint fan la funció d’elements auxiliars i alhora formen el cor del controlador, incorporant la lògica del control en la forma de realitzar les connexions entre els elements. Aquests tipus d’automatismes queden molt restringits en quant a les seves possibilitats.

• Els sistemes automàtics amb lògica programable tenen una gran flexibilitat ja que la lògica de funcionament resideix en un programa informàtic incorporat a la memòria del controlador, el qual es pot modificar sense haver de canviar les connexions del circuit. Això aporta molta flexibilitat a un sistema, una gran reducció de costos i de manteniment, així com una gran reducció del volum de l’equip. També reverteix en una major seguretat i reducció d’avaries. Els controladors programables incorporen microprocessadors o microcontroladors amb una unitat central, memòria, unitats d’entrades i sortides. La lògica de funcionament de l’automatisme al qual s’apliquen resideix en l’algorisme del programa emmagatzemat a la seva memòria. L’autòmat programable és un dels elements més emprats actualment en la fabricació d’automatismes.

En general, podem classificar els diferents dispositius com actuadors i sensors, en dos grans grups: els dispositius de sortida i els dispositius d'entrada.

2.1. Dispositius de sortida

Els dispositius de sortida són els actuadors, els presentadors o visualitzadors de dades, els indicadors lluminosos i els acústics. Els actuadors poden ser de diferents tecnologies: motors elèctrics, electroimants, resistències calefactores, vàlvules i cilindres pneumàtics, vàlvules i cilindres hidràulics, i altres dispositius comandats per algun d’aquests.

Els presentadors o visualitzadors de dades donen informació de l’estat d’alguna part del procés o de l’automatisme amb un valor numèric digital o analògic, senyal lluminós o acústic. Els indicadors lluminosos poden ser interpretats per un codi cromàtic, i els acústics, per la freqüència i intensitat del so. Poden formar part de panells sinòptics, amb visualitzadors de dígits numèrics de cristall líquid (LCD) o d’emissors de llum (LED), indicadors d’agulla, pilots de color, pantalles de dades LCD, monitors, etc.

Els indicadors acústics habitualment s’empren en les alarmes i poden ser des de petits brunzidors fins a sirenes potents. En els sistemes més complexos poden portar sintetitzadors de veu.

2.2. Dispositius d'entrada

Els dispositius d’entrada d’un automatisme els podem agrupar en dos conjunts: els elements de comandament i els sensors.

Els elements de comandament o d’entrada d’informació de l’operador són els interruptors, els polsadors, els commutadors, els teclats, els potenciòmetres, etc.

Els sensors recullen informació de la màquina o del procés. Estan constituïts per materials sensibles a una determinada magnitud i la converteixen a un altre tipus de magnitud fàcilment integrable en el sistema de control.

Els sensors habitualment necessiten alguns elements auxiliars per adaptar-se a l’aplicació concreta. La gamma de sensors és molt àmplia. Entre els de més aplicació industrial podem esmentar: sensors de temperatura, sensors de pressió, detectors de proximitat, detectors de presència, detectors de nivell, sensors de radiació infraroja, cèl·lules de càrrega (mesura de força), sensors de visió, sensors de velocitat, etcètera.

Els sensors i els detectors actuen com els «sentits» de l’automatisme en ser sensibles a determinades magnituds, com ara la pressió, la llum, la força, la composició del material, el color superficial, el magnetisme, etc. La tecnologia dels sensors, tant per a l’aplicació en la mesura de magnituds com per a la detecció, ha donat lloc a tot un camp de l’enginyeria: la sensòrica.

3. La domòtica

La domòtica consisteix en la creació d'habitatges i edificis automàtics amb la finalitat de millorar-ne la gestió energètica i la qualitat de vida dels seus habitants.

Les instal·lacions de domòtica evolucionen cap a la integració de tots els sistemes de control en una única xarxa de comandament, creant el que s'anomena llar digital. Un habitatge o edifici domòtic és aquell dotat d'automatismes amb la finalitat de millorar la qualitat de vida de les persones que hi viuen, tot reduint el treball domèstic, augmentant la seva seguretat, racionalitzant els diferents consums i optimitzant els recursos. Un sistema domòtic ha de tenir la ubiqüitat suficient en el seu control, mitjançant control remot per telèfon, PDA, Internet, pantalla tàctil o altres. En un edifici domòtic, durant l'hivern, les persianes podrien pujar durant el dia i durant la nit baixarien soles, els tendals a la inversa, per aprofitar la llum i l'escalfor del sol durant el dia, ajudant a optimitzar el consum energètic de l'habitatge, i això és un exemple bàsic, encara que un bon sistema domòtic ha d'oferir infinites possibilitats de control d'una forma senzilla i implementant noves aplicacions.

L'arquitectura dels sistemes pot ser centralitzada, a través d'un controlador centralitzat que rep la informació de múltiples sensors i que genera les ordres als actuadors; una arquitectura distribuïda on la intel·ligència del sistema està distribuïda en els mòduls, tant sensors com actuadors, propis de sistemes de cablejat o xarxes sense fils.

Els sensors són dispositius que detecten manifestacions de qualitats o fenòmens físics o químics, com la temperatura, la intensitat lumínica, distància, acceleració, inclinació, desplaçament, pressió, força, torsió, humitat, pH, etc. i converteix aquests fenòmens en un canvi de variables, com la resistència elèctrica, capacitat elèctrica (sensor d'humitat), tensió elèctrica (termopar), o un corrent elèctric (fototransistor).

4. Robòtica

A l’entorn industrial, els robots i els manipuladors formen part d’una cadena de producció, de manera que sempre treballen coordinadament amb altres màquines per dur a terme un procés de fabricació.

La implantació de la robòtica en la indústria, juntament amb l’automàtica i les tecnologies de la informació i la comunicació, permet obtenir productes de millor qualitat, uniformitat, i de cost inferior, ara bé comporta la reducció dels llocs de treball de menor qualificació especialment en les cadenes de producció en sèrie. Per altra banda demana llocs de treball de major qualificació i formats en aquesta tecnologia pluridisciplinar.

4.1. Els robots manipuladors

Els manipuladors són braços articulats amb diferents possibilitats de moviment de caràcter seqüencial que no permeten la combinació simultània de moviments. Per al control dels seus moviments s’utilitzen sistemes programables senzills. Representen el primer estadi de la robòtica i s’utilitzen bàsicament en operacions de càrrega i descàrrega de peces en les màquines.

L’evolució del manipulador per esdevenir un robot industrial capaç de generar trajectòries complicades ha estat possible per la incorporació d’ordinadors per al control dels seus moviments i optimització de les trajectòries, juntament amb el desenvolupament de sensors i tècniques de programació més avançades. Això ha permès ampliar el seu grau d’aplicabilitat a la soldadura, la pintura, l’engalzatge i el muntatge entre d’altres.

Els robots poden ser destinats a la producció, a l’assistència i a l’exploració. Poden substituir les persones en els treballs repetitius, en els que el cansament i l’avorriment poden disminuir l’eficàcia. També poden realitzar operacions perilloses per a les persones com el pintat amb aerosol, la manipulació de compostos tòxics, la desactivació d’explosius. En tasques d’assistència que requereixen molta precisió, els robots també tenen el seu lloc: cirurgia i implantació de pròtesis. I en el camp de l’exploració dels fons marins, la superfície lunar o altres entorns agressius.

Els robots i els manipuladors es componen de diferents parts:

4.2 Els autòmats programables

Un autòmat programable és un equip electrònic programable amb llenguatges específics i dissenyat per controlar processos industrials.

De fet un autòmat és un petit ordinador orientat al control industrial que es compon dels elements imprescindibles d’un sistema informàtic: processador, memòria, unitat d’entrades, unitat de sortides, ports de comunicació. El seu ús ha permès de simplificar els circuits de control que requereixen components que s’han de connectar entre ells: temporitzadors, relès, comptadors, etc., ha reduït el volum de l’automatisme a més d’aportar una gran flexibilitat en la seva aplicació pel fet de ser programable. Un mateix autòmat pot usar-se en màquines i processos absolutament diferents, només cal adaptar els elements externs i elaborar el programa.

La major part d’autòmats no disposen ni de teclat, ni de pantalla, ni d’unitats de disc. Els autòmats una vegada programats i integrats en un sistema de control actuen autònomament ja que disposen d’un processador d’ordres. Quan cal verificar el seu funcionament o canviar el programa s’hi connecta una consola de programació o un ordinador. El programa que ha d’executar queda emmagatzemat en una memòria permanent (ROM, EPROM, EEPROM, Flash) per a que no es perdi en cas de quedar-se sense alimentació elèctrica.

Els autòmats tenen tres unitats bàsiques:

• La unitat central de procés, que conté el processador i la memòria. Té la funció d’executar el programa emmagatzemat a la seva memòria. També reben el nom de PLC (Programmable Logic Controller) .

• La unitat d’entrades s’encarrega de rebre la informació dels sensors i detectors i lliurar-la a la unitat central de procés.

• La unitat de sortides rep els senyals de la unitat central de procés i les adequa als dispositius de sortida.

Per més informació: EL GRAFCET, pràctiques i aplicacions