2. Introducción a los sistemas mecatrónicos

2.1 Sensores y transductores

Un sensor es un dispositivo que responde a propiedades de tipo electrico, mecanico, termico, magnetic, quimico, etc; generando una señal electrica que puede ser susceptible de medicion. Normalmente las señales obtenidas a partir de un sensor son de pequeña magnitud y necesitan ser tratadas convenientemente en aspectos de amplificacion y filtrado.
Si a un elemento sensor se le adjunta un dispositivo de acondicionamiento de la señal, entonces se le denomina transductor.

Los sensores basados en fenomenos electricos, magneticos u opticos adoptan una estructura general que se compone de tres etapas:

• Sensor o captador: Efectua la conversion de las variaciones de una magnitud fisica en variaciones de una magnitud electrica o magnetica/
• Etapa de tratamiento de señal: Puede o no existir, se encarga de efectuar el filtrado, amplificacion y comparacion de la señal mediante circuitos electronicos.
• Etapa de salida: Esta formada por los circuitos de amplificacion, conversion o conmutacion necesarios en la puesta en forma de la señal de salida.

Clasificacion
 Desde el punto de vista de la forma de la variable de la salida, podemos clasificar los sensores en dos grupos: analogicos, en los que la señal de salida es una señal continua, analogica; y digitales, que transforman la variable medida en una señal digital, a modo de pulsos o bits.

• Sensores analogicos: Suministran una señal proporcional a una variable analogica, como pueden ser presion, temperatura, velocidad, posicion.
• Sensores digitales o "Todo o Nada": Suministran una señal que solamente tiene dos estados, asociados al cierre o apertura de un contacto electrico, o bien, a la conduccion o corte de un interruptor estatico como transistor o tiristor. Son los mas utilizados en la automatizacion.

Caracteristicas generales

Exactitud: Debe poder detectar el valor verdadero de la variable sin errores sistematicos. La desviacion de los errores debe tender a cero.

Precision: Una medida sera mas precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la medicion son menores.

Rango y margen: Valor maximo de la entrada menos el valor minimo, define los limites entre los cuales puede variar la entrada.

Sensibilidad: Relacion que indica que tanta salida se obtiene por unidad de entrada.

Error por histeresis: Los transductores puede producir distintas salidas de la misma magnitud que se mide, si dicha magnitud se obtuvo mediante un incremento o una reduccion continuos.

Error por no linealidad: Cuando la relacion de entrada y salida no es lineal se producen errores al suponer que si lo son.

Repetitibilidad / Reproducibilidad: Capacidad del transductor para producir la misma salida despues de aplicar varias veces el mismo valor de entrada.

Estabilidad: Capacidad para producit la misma salida cuando se emplea para medir una entrada constante en un periodo.

Banda / Tiempo muerto: Rango de valores de entrada durante los cuales no hay salida.

Resolucion: Cuando la entrada varia continuamente en todo el rango, las señales de salida de algunos sensores pueden cambiar a pequeños intervalos.

Impedancia de salida: Cuando un sensor que produce una salida electrica se vincula con un circuito electronico, es necesario conocer la impoedancia de salida dado que esto va a conectar en serie o en paralelo con dicho circuito.

  
Sensores

De proximidad: Por lo general se trata de sensores de todo o nada, con cierta histeresis en la distancia de deteccion, con salida de interruptor estatico. Algunos pueden dar una salida analogica proporcional a la distancia.

Inductivos: Se basan en el cambio de inductancia que provoca un objeto metalico en un campo magnetico. Consisten basicamente de una bobina y un iman. El gran inconveniente de este tipo de sensores es la limitacion a objetos ferromagneticos.

Capacitivos: Estan basados en la deteccion de un cambio en la capacidad del sensore provocado por una superficie proxima a este. Constan de dos elementos principales; un elemento cuuya capacidad se altera (suele ser un capacitor formado por electrodos), y el dispositivo que detecta el cambio de capacidad (un circuito electronico conectado al condensador).
Tienen la ventaja de que detectan la proximidad de objetos de cualquier naturaleza, sin embargo hay que destacar que la sensibilidad disminuye bastante cuando la distancia es superior a algunos milimetros, tambien por el tipo de material y el grado de humedad ambiental del cuerpo a detectar.

Opticos: Emplean fotocelulas como elementos de deteccion. A veces disponen de un cabezal que contiene un emisor de luz y la fotocelula de deteccion del haz reflejado sobre el objeto. Otros trabajan en modo de barrera y se utilizan para cubrir mayores distancias, con fuentes luminosas independientes del detector. Su utilizacion principal es como detector de posicion y se clasifican segun su sistema de deteccion:

       - Barrera: Dispone de emisor y recepto de haz luminoso dispuestos separadamente.
       - Reflex: Concentra en un solo bloque el emisor y receptor, siendo mas facil su
                       instalacion, aunque requiere un dispositivo reflecto. Dispone de una
                       mayor distancia de deteccion que el de barrera.
       - Autoreflex: Este sistema es el propio objeto  a detectar el que funciona como
                             elemento reflector, lo cual simplifica la tarea de instalacion.
                             Su inconveniente es que dispone de una menor distancia de deteccion en 
                             comparacion con los dos anteriores.

Magneticos: Usan el efecto Magneto Resistivo, propiedad por la cual, un material magnetico cambia su resistencia en presencia de un campo magnetico externo. Esto proporciona un excelente medio para medir con precision desplazamientos lineales y angulares. Encuentran aplicaciones en instrumentacion y control de procesos, como tambien en automatizacion industrial.

2.2 Acondicionamiento de señales

Los sistemas de adquisicion de datos (DAQ) basados en PC y y dispositivos insertables son usados en um amplio rango de aplicaciones en los laboratorios, en el campo y en el piso de una planta de manufactura. Típicamente, los dispositivos DAQ insertables son instrumentos de propósito general diseñados para medir señales de voltaje. El problema es que la mayoría de los sensores y transductores generan señales que debe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ pueda adquirir con precisión la señal. Este procesamiento al frente, conocido como acondicionamiento de señal, incluye funciones como amplificación, filtrado, aislamiento eléctrico y multiplexeo. 

Acondicionamiento de Transductores
Los transductores son dispositivos que convierten fenómenos físicos como temperatura, carga, presión o luz a señales eléctricas como voltaje y resistencia. Las características de los transductores definen muchos de los requerimientos de acondicionamiento de señales de un sistema DAQ.

Termopares o Termocuplas
El transductor más utilizadopara medir temperatura es el termopar o termocupla. Aunque el termopar es económico, resistente y puede operar en un amplio rango de temperatures, el termopar requiere de acondicionamiento de señal especial.

Un termopar opera bajo el principio de que una junta de metales no similares genera un voltaje que varía con la temperatura.
Además al conectar el cable del termopar al cable que lo conecta al dispositivo de medición se crea una junta termoeléctrica adicional conocida como junta fría.


Procesos del acondicionamiento de señales

1. Proteccion para evitar daño al siguiente elemento, por ejemplo un microprocesador, como consecuencia de un voltaje o una corriente elevados. Para tal efecto se colocan resistencias limitadoras de corriente, fusibles que se funden si la corriente es demasiado alta, circuitos para proteccion por polaridad y limitadores de voltaje.
2. Convertir una señal en un tipo de señal adecuado. Seria el caso cuando es necesario convertir una señal a un voltaje de CD, o a una corriente.
3. Obtencion del nivel adecuado de la señal. En un termopar, la señal de salida es de unos cuantos milovolts. Si la señal se va a alimentar a un convertidor analogico o digital para despues entrar a un microprocesador, sera necesario ampliarla de forma considerable, haciendola de una magnitud de milivolts a una de volts.
4. Eliminacion o reduccion del ruido. Por ejemplo, para eliminar el ruido en una señal se utilizan filtros.

5. Manipulacion de la señal, por ejemplo, convertir una variable en una funcion lineal. Las señales que producen algunos sensores, por ejemplo los medidores de flujo, son alineales y hay que hacer un acondicionador de señal para que la señal que se alimenta, en el siguiente elemento sea lineal.

Amplificadores operacionales (AO)
El concepto original de amplificador operacional procede del campo de los computadores analogicos, en los que comenzaron a usarse tecnicas operacinales en una epoca tan temprana como los años 40. originalmente los amplificadores operacionales se empleaban para operaciones matematicas (suma, resta, multiplicacion, division, integracion, derivacion, etc.) en calculadoras analogicas, de ahi su nombre.
El AO es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que tenga excursiones tanto por arriba como por debajo de tierra.

Propiedades del AO ideal:
1. La ganancia en lazo abierto A es infinita
2. Las resistencias que se ven desde cada uno de los elementos de entrada son infinitas o, lo que es lo mismo, las intensidades de entrada son nulas.
3. La impedancia de carga en un circuito conectado en cascado con el OP no influye en la tension de salida.
4. Es un amplificador de corriente continua y alterna.
5. Es capaz de amplificar la señal de entrada independientemente de su frecuencia. El ancho de banda es por tanto infinito.

2.3 Sistemas de actuacion electricos

Este tipo de actuador presenta gran control, sencillez y precision, por tanto son los mas utilizados en los robots industriales actuales.
Existen tres tipos:

• Motores DC
• Motres AC
• Motores paso a paso

Motores DC:
Posee un codificador de posicion (encoder) que facilita su control, se encuentra constituido por devanados internos, el inductor e inducido.

-Inductor: Esta situado en el estator y crea un campo magnetico de direccion fija.
- Inducido: Situado en el rotor hace girar al mismo debido a la fuerza de lorentz, como combinacion de la corriente circulante por el y del campo magnetico de excitacion.

Motores AC:
Loas mejores que se han introducido hacen que se presenten como un gran competido de los motores de DC, esto se debe principalmente a:

• Construccion de rotores sincronos sin escobillas
• Uso de convertidores estaticos
• Empleo de microeletronica

Motores paso a paso:
En estos motores, la señal de control son trenes de impulsos que van actuando rotativamente sobre una serie de electroimanes dispuestos en el extractor, por cada pulso recibido, el rotor del motor gira un determinado numero discreto de grados.
Para conseguir el giro del motor en un determinado numero de grados, las bobinas del estator deben ser excitadas a una frecuencia que determina la velocidad de giro.

Los actuadores electricos se dividen en imanes permanentes, reluctancia variable, hibridos, sincronos y asincronos.

Imanes permanentes: el rotor posee una polarizacion magnetica constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magnetico creado por las fases del estator.

Reluctancia variable: el rotor esta formado por un material ferromagnetico que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las lineas de fuerza del campo magnetico generada por las bobinas del estator.

Sincronos: la velocidad de giro depende unicamente de la frecuencia de la tension que alimenta el inducido para poder variar esta con precision, el control de velocidad se realiza mediante un convertidor de frecuencia.                         

2.4 Modelado de sistemas basicos

Para entender el comportamiento de los sistemas se necesitan modelos matematicos, que son ecuaciones que describen las relaciones entre la entrada y salida de un sistema.

Fisicos

• Sistema masa resorte:

En este modelo el resorte representa la rigidez del sistema; describe la relacion entre fuerza F que se usa para tensar o comprimir el resorte, y la tension o compresion x resultante.

• Sistema de amortiguacion:

El bloque funcional amortiguador representa el tipo de fuerzas que se originan cuando se intenta empujar un objeto a traves de un fluido, o del desplazamiento de un objeto contra fuerzas de friccion.

• Sistemas rotacionales:

Si existe una rotacion, los bloques funcionales equivalentes son el resorte torsional, el amortiguador rotacional y el momento de inercia. Es posible obtener modelos similiares para estos sistema, en consecuencia el desplazamiento sera angular y los otros parametros seran la rigidez angular y el momento de inercia.

Hidraulicos

En los sistemas de fluidos hay tres bloques funcionales que se pueden considerar. En estos sistemas, la entrada es el flujo volumetrico (gasto o caudal) q, la salida es la diferencia de presiones y la resistencia hidraulica.
Esta resistencia solo sucede cuando el fluido se encuentra en estado de flujo laminar.

Electricos  

Los elementos que describen la combinacion de los elementos basicos son las leyes de Kirchoff.
Una manera practica para aplicar la primera ley es a traves del analisis de nodos.
Para aplicar la segunda ley es a traves del analisis de mallas.
La nalogia entre corriente y fuerza es la que mas se utiliza; sin embargo, tambien existen analogias que se pueden deducir de la diferencia de potencial y fuerza.

Termicos

Los elementos basicos de estos sistemas son resistencia y capacitancia.
Esiste un flujo de calor entre dos puntos si entre ellos hay una diferencia de temperatura. Su equivalente electrico es que solo hay una corriente entre dos puntos si entre ellos hay una diferencia de potencial.

La capacitancia termica es la medida de la velocidad de almacenamiento de energia interna en un sistema. Entonces si la velocidad de flujo de calor en un sistema es q1, y la de salida q2, entonces la relacion de cambio de la energia interna esta dado por: q1-q2

2.5 Microprocesadores

El microprocesador tiene una arquitectura parecida a la computadora digital. En otras palabras, el microprocesador es como la computadora digital porque ambas realizan calculos bajo un programa de control. Consiguientemente, la historia de la computadora digital nos ayudara a entender al microprocesador.
El microprocesador hizo posible la manufactura de poderosas calculadoras y de muchos otros productos. Utiliza el mismo tipo de microprocesadora (MPU). En otras palabras es una unidad procesadora de datos.
En un microprocesador podemos diferencia diversas partes:

1. El encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en si, para darle consistencia, impedir su deterioro y permitir el enlace con los conectores externos que lo acoplaran a su zocalo a su placa base.

2. La memoria cache: es una memoria ultrarapida que emplea el micro para tener a la mano ciertos datos que prescindiblemente seran utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera.

3. Coprocesador Matematico: es la parte del micro especializada en esa clase de calculos matematicos, antiguamente estaba en el exterior del micro en otro chip. Es considerado como una parte "logica" junto con los registros, la unidad de contro, memoria y bus de datos.  

4. Los registros: son basicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro tiene disponible para algunos usos particulares. Hay varios grupos de registros en cada procesador. Un grupo de registros esta diseñado para control del programador y hay otros que no son diseñados para ser controlados por el procesador pero que el CPU los utiliza en algunas operaciones, en total son 32 registros.

5. La memoria: es el lugar donde el procesador encuentra sus instrucciones de programas y sus datos. Tanto los datos como las instrucciones estan almacenados en memoria, y el procesador los toma de ahi. La memoria es una parte interna de la computadora y su funcion especial es proporcionar un espacio de trabajo para el procesador.

6. Puertos: es la manera en que el procesador se comunica con el mundo externo. Un puerto es parecido a una linea de telefono. cualquier parte de la circuiteria de la computadora con la cual el procesador necesita comunicarse, tien asignado un numero de puerto que el procesador utiliza como un numero de telefono para llamar al circuito o a partes especiales.

2.6 Controladores programables

 

 

Un controlador logico programable (PLC) es un dispositivo de estado solido, basado en microprocesadores, que permite el control secuencial en tiempo real de una maquina o proceso. Un PLC incluye modulos de entrada/salida de tipo digital y analogo, y memoria para el almacenamiento de instrucciones, destinadas a realizar funciones especificas tales como logica secuencia, procesamiento aritmetico y contro analogo.


Ventajas e inconvenientes
  
Entre las ventajes tenemos: 

• Menor tiempo de elaboracion de proyectos
• Posibilidad de añadir modificacion sin costo añadido en otros componentes.
• Minimo espacio de ocupacion
• Menor costo de mano de obra
• Mantenimiento economico
• Posibilidad de gobernar varias maquinas con el mismo programador
• Menor tiempo de puesta en funcionamiento
• Si el programador queda pequeño para el proceso industrial puede seguir siendo de utilidad en otras maquinas o sistemas de produccion.

  Y entre los inconvenientes:

• Adiestramiento de tecnicos
• Costo

A dis de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas las carreras de ingenieria incluyen la automatizacion como una de sus asignaturas.

Estructura externa
Todos los controladores porgramables poseen una de las siguientes estructuras:

• Compacta: en un solo bloque estan todos los elementos
• Modular

Estructura americana
Separa las E/S del resto del programador

Estructura interna
Basicamente un controlador programable esta construido en forma modular, tieniendo usualmente un procesador central, modulos de entrada/salida (E/S, input/output), fuentes de poder y otros accesorios.
Pueden distinguirse en el los siguientes subsistemas:

• Procesador central
• Modulo de E/S
• Interfaz con el operador y otros perifericos
• Comunicaciones