´ HISTORIA Y DESARROLLO DE LA AUTOMATIZACI ON Cristian Daniel Berrio Mejia Daniel Fernando Pati˜no no Felipe Ayala Univerdidad Tecnologica de Pereira. 6 De Septiembre Del 2013
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Hechos Hechos hist histori orico coss sobre sobre el desarro desarrollo llo de la la automa automatiz tizaci aci´ on o ´n en los tiempos pre-industriales.
Los automatismos se han observado desde los tiempos antiguos cuando se creaban toda clase de m´aquinas aquinas provistas provistas de alguna forma de fuente fuente de energ´ energ´ıa con el fin de imitar los movimien movimientos tos de los seres vivos. Los primeros aut´omatas omatas de los que se tenga noticia provienen provienen de los tiempos de D´edalo edalo donde se crearon estatuas animadas. Luego, los griegos y m´ as tarde los romanos elaboraban juguetes as con accionamie accio namiento nto mec´anico. anico. En el a˜ no no de 1500 A.C. en Etiop´ Etiop´ıa, Amenhotep Amenhot ep construy´ o una estatua del rey Memon la cual emit´ emit´ıa sonidos cuando era iluminada por los primeros rayos del sol al amanecer. En el siglo IV A.C. Ktesibios dise˜ na un reloj de agua conocido con el nombre de Clepsydra, el cual constaba de un mecanismo cuyo na objetivo era que el nivel de un dep´ osito de agua subiera a velocidad constante; para lograr este fin se osito empleaba un flotador que regulaba la entrada de agua a un dep´ osito osito auxiliar. En el a˜ no n o 378 A.C. a Plat´on on se le ocurre crear un sistema autom´ atico de alarma con base en una Clepsydra,en el vaso de la atico Clepsydra se ubic´o un flotador, sobre el cual se depositan unas esferas, durante un tiempo determinado el vaso es llenado a una rata constante de agua y al final, cuando se alcanza el nivel m´aximo, aximo, las esferas caen sobre un plato de cobre lo cual es indicativo que el tiempo ha transcurrido. El uso dado por Plat´on on a las Clepsydras suscit´o un gran inter´es es y durante durante todo el siglo siguiente siguiente se efectuaron muchos muchos dise˜ nos basados en el reloj de agua. En el siglo I A.C., Her´on on de Alejandr´ Alejandr´ıa escribe una serie de libros reunidos en una Enciclopedia T´ecnica ecnica entre los cuales se destacan los primeros documentos conocidos sobre automatismos. En ellos es de resaltar los libros sobre Pneum´atica atica y Aut´omata. omata. En estos libros de Her´ on se describe uno de los primeros on sistemas realimentados de los que se tenga conocimiento, el cual es el dispensador de vino. A Her´on on tambi´ en en se le debe la creaci´ on o n de un Od´ometro, ometro, sistema empleado para cuantificar una distancia tancia recorri recorrida, da, el cual constaba constaba de un sistem sistemaa de engranajes engranajes que cada vez que se produc produc´ıa un giro giro completo de la volante dejaba caer un esfera en un contenedor,al final el n´ umero de esferas esfer as permit pe rmit´´ıan cuantificar la distancia recorrida. Uno de los aut´ omatas omatas m´as a s reconocidos es el Gallo de Estrasburgo, el cual formaba parte del reloj de la catedral de Estrasburgo Estrasburgo y mov´ mov´ıa el pico y las alas al dar las horas. Este funcion´ funciono´ entre los a˜ nos nos 1
de 1352 y 1789 y es el aut´omata m´as antiguo que se conserva en la actualidad. Pero entre los m´as c´elebres creadores de aut´ omatas en la historia se encuentra a Vaucanson, el cual cre´ o muchas maravillas que merecen gran reconocimiento a´ un en los d´ıas actuales. Entre sus creaciones est´ a el Flautista, que representa un fauno seg´ un modelo de la estatua de Coysevox, que ejecuta una docena de aires vali´endose de movimientos de la lengua, labios y dedos. Tambi´ en se encuentra al Tamborilero y la Ta˜ nedora que se puede admirar en el conservatorio de artes y oficios de Par´ıs. La reputaci´on de Vaucanson se debe en gran medida a su obra el Pato, el cual era capaz de batir las alas, zambullirse, nadar, tragar grano y hasta expeler una forma de excremento. Vaucanson en sus obras no trat´ o de copiar vida, sino u ´ nicamente de imitar algunas funciones individuales.
Con el advenimiento de la electricidad y de la electr´ onica apareci´ o una nueva generaci´ on de aut´ omatas capaces de imitar realmente algunas funciones y reproducir comportamientos de seres vivos. En 1912, el jugador de ajedrez el´ectrico de Torres Quevedo era capaz de jugar finales de partida.El jugador de Nim, construido en 1951 en la Universidad de Manchester constituye otro ejemplo de aut´ omata elemental, dado que existe un algoritmo que permite ganar con seguridad en este juego. Para esos mismos d´ıas Strachey construy´ o en los Estados Unidos un jugador de damas capaz de enfrentarse a un buen jugador; para ello la m´aquina deb´ıa analizar, con varias jugadas de antelaci´ on, todas las jugadas posibles a partir de una situaci´ on inicial.
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levantamiento de la secuencia l´ ogica de sucesos hist´ oricos que dieron origen a la automatizaci´ on en la era industrial.
Uno de los sucesos m´as importantes tuvo lugar en 1903 cuando Henry Ford (1879-1947) cre´ o su compa˜ n´ıa, aunque al principio obten´ıa pocos autos al d´ıa, en 1913 estableci´ o la producci´on industrial masiva de autom´oviles desarrollando todas las t´ecnicas b´ asicas de la primer l´ınea de producci´ on m´ovil la cual redujo el tiempo de ensamblaje del chasis de 12 horas y media a 100 minutos. Hasta entonces los controles se realizaban con componentes mec´ anicos y electromagn´eticos (engranages palancas y motores peque˜ nos), luego se masifico el uso de contadores, reles y temporizadores para automatizar las tarea del control. Luego alrededor de 1950 aparecieron semiconductores y los primeros circuitos integrados que sustituyeron a los reles provocando que fuese de menor tama˜ no los sistemas.En 1960 aparecieron los primeros automatas programables (PLC), constituidos por circuitos integrados. En los 70‘s se incorporaron los microprosesadores y estos plc eran de gran utilidad pero fue en los 80‘s que se se extendieron hacia diversas inustrias permitiendo un conjunto de operaci´ on de 16 bits. En los 80‘s aparecieron los microprosesadores de 32 bits que permitian realizar operaciones marematicas complejas y la comunicaci´ on entre PLCs de diferentes marcas.
Mecanismo: Se llama mecanismo a un sistema de cuerpos creado artificialmente y destinado a transformar el movimiento de uno o varios cuerpos en el movimiento exigido de otros cuerpos. Todo mecanismo se compone de varios cuerpos separados (piezas). En los mecanismos de tipo estacionario algunas piezas son inm´ oviles y otras se mueven con relaci´on a aquellas. En los mecanismos de tipo m´ ovil, como por ejemplo el motor del autom´ ovil, se toma condicionalmente como inm´ oviles aquellas piezas que est´ an unidas solidariamente al marco del autom´ ovil.
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Maquina: Las m´aquinas son conjuntos de piezas (fijas y m´oviles) que realizan un trabajo determinado. Son inventadas por el hombre buscando reducir el esfuerzo necesario para realizar una actividad, y llegan a realizar cosas que ser´ıan imposibles para las capacidades humanas. Las m´ aquinas por definici´on dirigen, regulan o transforman la energ´ıa para aprovecharla seg´ un las necesidades. Por ejemplo, la bicicleta es una m´ aquina que dirige la energ´ıa desde los pies del usuario hasta la rueda para dar movimiento y obtener una ventaja mec´ anica en comparaci´ on con desplazarse caminando. Accionamiento: es aquel elemento o dispositivo de una maquina, encargado de suministrar la energ´ıa mec´anica para que esta funcione.Este elemento debe ser capaz de transformar la energ´ıa ya sea el´ectrica, neum´atica o hidr´aulica en energ´ıa mec´anica para aplicarla al eslab´on del motor de dicha maquina. onicos que sirven para automatizar Automatismo:Es un conjunto de dispositivos el´ectricos y electr´ un proceso, se dividen en: odulos cableados entre s´ı, formando un sisteAutomatismos cableados:consiste en un conjunto de m´ ma de control u´nico que permite realizar, sin la actuaci´ on del hombre, una serie de procesos o secuencias l´ogicas sobre un sistema de potencia.
Automatismos programados (aut´omatas): Entendemos por Aut´omata Programable, o PLC (Controlador L´ ogico Programable), toda m´ aquina electr´ onica, dise˜ nada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Su manejo y programaci´ on puede ser realizada por personal el´ectrico o electr´ onico sin conocimientos inform´aticos. Realiza funciones l´ogicas, series, paralelos, temporizaciones, contajes y otras m´ as potentes como c´ alculos, regulaciones, etc. La funci´o n b´asica de los aut´omatas programables es la de reducir el trabajo del usuario a realizar el programa, es decir, la relaci´on entre las se˜ nales de entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida, puesto que los elementos tradicionales (como rel´ es auxiliares, de enclavamiento, temporizadores, contadores...) son internos.
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l´ınea de tiempo sobre los sucesos involucrados en la evoluci´ on, hasta nuestros d´ıas, de la automatizaci´ on industrial.
Evoluci´ on de la Automatizaci´ on industrial Desde la antig¨ uedad, el hombre se ha fascinado por las maquinas que se mueven por si solas, y en la antigua cultura egipcia se les describi´o por primera vez como aut´ omatas. En la Grecia de Arist´oteles, aparecieron los primeros mecanismos que se mov´ıan a trav´es de dispositivos hidr´ aulicos, poleas y palancas. Pero no fue hasta mucho mas tarde cuando el perfeccionamiento de la mec´ anica permiti´ o construir aut´omatas complejos. Los siglos XVII y XVIII fueron la edad de oro de los aut´omatas por el desarrollo de la m´aquina de precisi´on requerida en la fabricaci´ on de relojes, a partir del siglo XVII, empezaron a aplicarse las ideas de los aut´omatas a las primeras maquinas de la industria textil. Desde ese momento se puede decir que hab´ıa empezado la mecanizaci´ on y automatizaci´ on de los procesos industriales. Las primeras maquinas autom´ aticas datan de principios del siglo XIII y fueron principalmente desarrolladas para la industria textil. Hasta 1802 no se dispuso de maquinas para la producci´on de piezas 3
discretas y una de estas fue desarrollada por M. Brunel para la fabricaci´ o n de poleas. La maquina realizaba todas las operaciones hasta obtener la polea y tuvo mucho ´exito porque redujo el n´ umero de operarios a una decima parte. En 1908 Henry Ford fabrica el primer autom´ ovil producido en serie, modelo T, y en 1911 instala el primer transportador en cadena en Highland Park, iniciando la producci´ on en masa. Se perfeccionan una gran cantidad de m´ aquinas-herramienta adaptadas a las caracter´ısticas exigidas por la industria del autom´ o vil. Uno de los hitos en el proceso de la automatizaci´ o n en la industria fue la maquina transfer. Se basa en un n´ umero determinado de estaciones de trabajo, cada una de las cuales realiza una tarea espec´ıfica, montadas sobre una base com´ un que dispone de un sistema de alimentaci´ on integral que traslada autom´ aticamente el producto acabado de una estaci´ on a otra. La electr´ onica y la inform´atica que est´a soportada por la primera - han provocado una nueva revoluci´on industrial. El punto de partida hay que situarlo en 1945, cuando dos cient´ıficos de la Universidad de Pennsilvanya, John W. Manclhy y J. Presper Ecker crearon la primera computadora electr´ onica digital que ha funcionado realmente en el mundo. Se denomin´o ENAC, era voluminosa, consum´ıa mucha energ´ıa y era dif´ıcil de programar, pero funcionaba. Despu´es de la segunda guerra mundial, la automatizaci´on de los procesos industriales hab´ıa dado un gran salto hacia adelante, empezaba a vislumbrarse el estancamiento en que entraba la industria, por el aumento de complejidad y rigidez en las instalaciones y maquinas. As´ı como la falta de control adecuado. Fue a partir de los a˜ nos setenta, con el desarrollo de la microelectr´ o nica, cuando el CN pasa a ser control num´erico por computadora (CNC) por la integraci´ on de una computadora en el sistema. Pero definitivamente fue durante los a˜ nos ochenta cuando se produce la aplicaci´ on generalizada del CNC, debido al desarrollo de la electr´ onica y la inform´atica, provocando una revoluci´ o n dentro de la cual todav´ıa estamos inmersos.[8]
L´ınea de tiempo de la automatizaci´ on industrial El origen de la automatizaci´ on industrial se remonta a los a˜ nos 1750, cuando surge la revoluci´ on industrial. ati1745:M´aquinas de tejido controladas por tarjetas perforadas. En 1801, la patente de un telar autom´ co utilizando tarjetas perforadas fue dada a Joseph Marie Jacquard, quien revolucion´ o la industria del textil. 1800-1900 copiar por plantilla, torreta de torno, fresadora universal; calculadoras mec´ anicas avanzadas. 1803 Maudslay construy´ o en primera amortajadora vertical para sacar chaveteros a poleas y engranajes y otras m´ aquinas diversas.
1863:Primer piano autom´atico, inventado por M. Fourneaux. 1870:Primer torno autom´ atico, inventado por Christopher Spencer. 1908 Henry Ford fabrica el primer autom´ ovil producido en serie, modelo T, y en 1911 instala el primer transportador en cadena en Highland Park, iniciando la producci´ on en masa. 1920-1940 m´ aquinas de transferencia, la producci´ on en masa. 4
aulicos, neum´aticos y electr´ onicos para m´ aquinas de corte autom´ ati1940:Surgen los controles hidr´ cas. 1943 Primera computadora electr´ onica digital. 1948, John Parson inicia la aplicaci´on del control num´erico a la m´ aquina-herramienta, con el objeto de resolver el problema del fresado de superficies complejas tridimensionales para la aeron´ autica. 1955 aparecen en Estados Unidos las primeras m´ aquinas de electroerosi´ on concebidas como tales para realizar mecanizados por penetraci´ on. 1960 aparecieron los primeros aut´ omatas programables (PLC), constituidos por circuitos integrados.
1960-1972:Se desarrollan t´ecnicas de control num´erico directo y manufactura computadorizada. 1970 la compa˜ n´ıa Intel introdujo el primer microprocesador, el 4004, destinado exclusivamente para calculadoras.
Systems SCADA SCADA proviene de las siglas de Supervisory Conrol And Data Acquisition (adquisici´ o n de datos y supervisi´on de control. Es una aplicaci´on sofware de control de producci´ on, que se comunica con los dispositivos de campo y controla el proceso de forma autom´ atica desde la pantalla del ordenador.[2] Los sistemas SCADA est´an dise˜ nados para recoger informaci´ on de campo, y transferirla a un centro inform´atico central, y mostrar la informaci´on al operador grafico o textual, lo que permite al operador monitorear o controlar todo un sistema desde una ubicaci´ on central en tiempo real.[3]
Produccion por lotes Tambi´en conocida como producci´ on discontinua o batch production, es un m´etodo de manufacturaci´ on para empresas que producen bienes o servicios gen´ericos de diferentes caracter´ısticas como farmac´euticas o fabricaci´ on de motores. Este sistema se diferencia del resto por producir una cantidad limitada de un mismo producto, llamado lote, y cuando la fabricaci´o n de este lote llega a su finalizaci´ o n se dar´a comienzo, a la fabricaci´ on de otra variedad diferente de producto.
Manufactura Consiste en la transformaci´ on de materias primas en productos manufacturados, productos elaborados o productos terminados para su distribuci´ on y consumo. Tambi´ en involucra procesos de elaboraci´ on de productos semi-manufacturados o productos semi-elaborados. Las industrias manufactureras llegaron a existir con la aparici´ on de las transformaciones tecnol´ ogicas y socioecon´ omicas en los pa´ıses occidentales en el siglo 18 y 19 . Esto fue ampliamente conocido como la revoluci´on industrial. Se inici´o en Gran Breta˜ na y reemplaz´ o a la producci´ on textil de trabajo intensivo con la mecanizaci´ on y el uso de combustibles. La industria manufacturera se refiere a aquellas industrias que implican en la fabricaci´ on y transformaci´on de productos y disfrutar de cualquiera de creaci´ on de nuevos productos o en la adici´o n de valor. La industria manufacturera representa una parte importante del sector industrial en los pa´ıses 5
desarrollados. Los productos finales pueden servir ya sea como un producto terminado para la venta a los clientes o como productos intermedios utilizados en el proceso de producci´ on.[4]
L´ınea de ensamblaje Una serie de estaciones de trabajo de montaje (ensamble) manual o automatizado, en la cuales se ensamblan en secuencia un producto o varios. [5] Es una disposici´on de a´ ereas de trabajo donde las operaciones consecutivas est´ an colocadas inmediata y mutuamente adyacentes, donde el material se mueve continuamente y a un ritmo uniforme a trav´es de una serie de operaciones equilibradas que permiten la actividad simultanea en todos los puntos, movi´ endose el producto hacia el fin de la elaboraci´on a lo largo de un camino razonablemente directo. [6]
Producci´ on en masa Los procesos de fabricaci´ on en serie y continuo conformaron el sistema de producci´ o n en masa. El sistema de producci´ on en masa se expandi´o desde la industria del autom´ ovil a otros sectores industriales y se convirti´o en la forma incuestionable de c´omo deb´ıan ser conducidos los temas empresariales y comerciales en todo el mundo. La producci´ on en masa es intensiva en capital y energ´ıa, ya que utiliza una alta proporci´on de la maquinaria y la energ´ıa en relaci´ on con los trabajadores. Tambi´ en es generalmente automatizada en la mayor medida de lo posible. Con menos costes laborales y un ritmo m´ a s r´apido de la producci´ on, el capital y la energ´ıa se incrementa, mientras que el gasto total por unidad de producto disminuye. El sistema de producci´on en masa logr´ o incrementar los niveles de eficiencia y productividad de casi todos los sectores de la econom´ıa, lo que condujo a menos horas de trabajo, mayor tiempo de esparcimiento, productos estandarizados accesibles a un mayor n´ umero de personas y una mayor riqueza social. Sin embargo, las seis normas (estandarizaci´ on, especializaci´ on, sincronizaci´ on, concentraci´ on, maximizaci´on y centralizaci´ on) que reg´ıa el sistema fueron muy r´ıgidas y el trabajador no influ´ıa en las decisiones sobre el proceso y del producto. Fue entonces cuando los japoneses inventaron el sistema de producci´ on esbelta fundamentado en algunos principios de la fabricaci´ on artesanal, del proceso en serie y de flujo continuo. Tambi´en aplicaron las teor´ıas de la sociolog´ıa, de sistema y de la cibern´etica.
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Concluciones La automatizaci´ on industrial nace como necesidad para mejorar las condiciones de un proceso y la calidad de vida de los seres humanos. No es posible definir el tiempo en que la idea de automatizaci´on se dio en la mente humana. M´as que una ciencia, la automatizaci´ on es un arte que nos ayuda a controlar y optimizar proceso que requieren de un comportamiento l´ ogico.
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Referencias [1] ”Manufacturing Processes for Engineering Materials (5th Edition) . [2] ”national communications system. Technical information bulletin 04-1. . [3] ”SCADA systems. Dr. Mohammad Salah. Mechastronics Engineering Department Hashemine University . [4] . onomy watch manufacturing industry ec
. [5] ”H.A.Maynard . [6] Roberto Garcia criollo . [7] . oluci´ on t´ecnica de la m´ aquina-herramienta. Rese˜ na hist´ orica. Patxi Aldabaldetrecu Ev
. [8] ”The Roots of Automation before Mechatronics JUNE 2010 IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS MAGAZINE 43 .
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