El Sistema Sensorial Del Robot 5e1q5g

DISPOSITIVOS DE ENTRADA Y SALIDA

Sabemos que un PLC es un dispositivo programable que se puede adaptar a las necesidades de cualquier proceso que se quiera automatizar. También conocemos todas las partes que lo conforman y como es la secuencia de operaciones de estos equipos. Pero si queremos automatizar un proceso, el PLC debe de tener almacenado en su memoria el programa que va a controlar todo el sistema, y para poder ejecutar gran parte de la secuencia de este programa de control, se vale de la lectura del estado de las entradas y la actualización del estado de las salidas. Pero el estado actual tanto de entradas y salidas y el efecto que tienen sobre el proceso o sobre la secuencia del programa, es posible a un gran número de elementos existentes a lo largo del sistema; estos dispositivos que pueden ser eléctricos, neumáticos, mecánicos, hidráulicos, de control, etc., proveen de señales eléctricas a los módulos de entrada, o son habilitados por los módulos de salida, por el momento solo nos concentraremos en los componentes eléctricos y de control, ya que los otros dispositivos a fin de cuentas son habilitados o controlados por estos elementos eléctricos o de control. Aunque en la actualidad existen varios simuladores asistidos por computadora que nos permiten simular nuestros programas de control, antes de aplicarlos a nuestros sistemas y corregir las fallas que tengamos durante el diseño, es muy importante que conozcamos cómo funcionan los elementos que proveen de señales eléctricas a los módulos de entrada de un PLC y que conozcamos el funcionamiento de los actuadores eléctricos, mecánicos, hidráulicos o neumáticos que habilitan los módulos de salida. ¿Por qué? Porque cuando entremos a la parte de programación de un PLC, cómo sabremos, por ejemplo, qué tipo de señal envía un sensor, si no conocemos de qué tipo de sensor estamos hablando; cómo sabemos cuándo el sensor envía esta señal eléctrica, si no conocemos qué sistema utiliza para detectar, etc. Tomemos el siguiente ejemplo, supongamos que en algún renglón de nuestro diagrama de escalera tenemos las siguientes instrucciones:

Y nuestro sensor es normalmente abierto (NA), entonces la salida que habilita a la bobina 01 solo encenderá si el sensor esta detectando algo, pero si nuestro sensor es normalmente cerrado (NC), entonces la salida permanecerá encendida mientras el sensor esté sin detectar (es decir, cuando detecta, la salida se apaga). Ahora, si en nuestro renglón tenemos lo siguiente:

Y nuestro sensor es NA, la salida estará activa hasta que el sensor detecte algo (es decir, cuando se detecte algún objeto la salida se apagará), y si el sensor utilizado es NC, la salida se activará hasta que el sensor detecte algún objeto. Como podemos ver, es el caso contrario del renglón anterior. Para mayor claridad de estos ejemplos observemos con atención los siguientes esquemas.

Por la explicación anterior, entendemos entonces la importancia de comprender el principio de funcionamiento de todos los dispositivos utilizados en un sistema automático, lo cual también nos ayudará, a diagnosticar más eficazmente los problemas que se nos presenten, de igual manera nos ayudará a un mejor desarrollo de nuestros programas y proyectos; así entonces, empecemos por estudiar a los SENSORES que por existir una gran variedad de tipos y aplicaciones, constituyen el principal y más importante dispositivo de entrada.

SENSORES Y TRANSDUCTORES Todo el control industrial depende de la habilidad para medir el valor de la variable controlada con exactitud y velocidad, y la mejor forma de medir el valor de la variable controlada es convirtiéndola en alguna clase de señal eléctrica; debido a que se tienen ciertas ventajas sobre las señales mecánicas, como: a. Se pueden transmitir de un lugar a otro mucho más fácilmente. b. Son más fáciles de amplificar y filtrar. c. Se pueden manipular fácilmente. Tomando en cuenta que los sensores son la principal fuente de información, señales o datos de un PLC, comencemos a analizar a cada uno de estos, pero antes de comenzar a estudiar cómo funcionan, cómo se utilizan, cómo se clasifican o cuáles son sus principios de operación, analicemos algunos conceptos importantes. Una MAGNITUD es una propiedad física susceptible de ser medida. Ejemplo: Velocidad, Temperatura, Presión, etc. Existen 6 tipos de magnitudes: 1. Magnitudes Mecánicas, como posición, velocidad, presión, fuerza, etc. 2. Magnitudes Eléctricas, como corriente, potencia eléctrica o voltaje, etc.

3. Magnitudes Térmicas, como cantidad de calor, temperatura, etc. 4. Magnitudes Químicas o Moleculares como acidez, concentración, consistencia, etc. 5. Magnitudes Ópticas, como la intensidad luminosa, el color, etc. 6. Magnitudes Magnéticas, como flujo magnético, intensidad de campo, etc. Actualmente tenemos muy diversos tipos de sensores para medir cualquier variable física como las mencionadas anteriormente; es decir, los sensores son tan diversos como los principios físicos en los que se basan. MEDIR, es comparar la cantidad de una magnitud con su respectiva unidad, con el fin de averiguar cuántas veces esta unidad, está contenida en esa cantidad. Existen 2 formas de medir: Medición Indirecta.- En las medidas indirectas la cantidad de interés se calcula a partir de OTRAS medidas, aplicando la ley que las relaciona. Por ejemplo, para medir la potencia eléctrica utilizamos el producto de la medida del voltaje por la medida de la corriente. Medición Directa.- En las medidas directas la cantidad de interés se obtiene directamente de los trazos o divisiones de los instrumentos y aparatos de medición. Por ejemplo, para medir la corriente se requiere del Amperimetro. Tomando en cuenta que una señal es la variación temporal de una magnitud, entonces podremos hablar de la señal asociada a una fuerza, a una velocidad, a una temperatura o una presión, etc. Un transductor es un dispositivo que convierte la señal que tiene a la entrada (señal procedente de una magnitud física) en una señal de salida de otro tipo ( pero también asociada a una magnitud física), esta señal de salida generalmente es de tipo eléctrico. En este punto cabe señalar la siguiente diferencia: Por convención un TRANSMISOR provee una señal de salida de corriente, y un TRANSDUCTOR provee una señal de salida de voltaje. Entonces, las señales de salida y de entrada de un transductor son de tipos diferentes pero están relacionadas por una ley que generalmente es de proporcionalidad y dentro del cual siempre se produce una transformación de energía.

Aunque los transductores pueden tener en su entrada y en su salida cualquier tipo de señal, normalmente solo se usan los transductores que proveen señales eléctricas o que tienen como entrada una señal de tipo eléctrico. Las siguientes figuras muestran ejemplos de transductores

Fig. a) Medida de un desplazamiento físico utilizando un Transformador Diferencial de variación lineal (LUDT).

Fig. b) Medida de temperatura usando un termistor o un detector resistivo de temperatura. Un sensor es un dispositivo que proporciona la capacidad de medir cantidades físicas o variables físicas que no pueden ser observadas como señales eléctricas. CLASIFICACION DE LOS SENSORES Se han inventado transductores eléctricos para medir prácticamente toda variable física, por lo que el numero de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que se deben clasificar siguiendo algunos criterios.

El sistema sensorial del robot La clave de la adaptación de los robots a un entorno cambiante está en la utilización de captadores en su misma estructura que a su vez son los que conforman su sistema sensorial. Desde los comienzos de la robótica, los robots han ido evolucionando en su nivel de complejidad. Esta evolución en la construcción de los robots, es consecuencia directa de la necesidad cada vez mayor de adaptar uno de estos mecanismos a la realización de diversas tareas, siendo éstas cada vez más complejas. Así, los robots han pasado de realizar tareas repetitivas y sencillas a realizar funciones cada vez más complejas, donde los procesos no pueden ser repetitivos porque se encuentran sujetos a variaciones externas. Por tanto, la evolución de la robótica está sujeta al desarrollo de nuevos captadores

capaces de medir magnitudes que hasta ahora no somos capaces de cuantificar, y en la mejora de los sensores, siendo éstos cada vez más precisos en sus medidas. Por ello, la investigación en el campo del desarrollo de sensores, es de vital importancia en el mundo de la robótica. ¿QUÉ ES UN SENSOR O CAPTADOR ? Un sensor o captador, es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC , LDR etc.. todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable ), y la utilización de componentes activos. En robótica, podemos diferenciar claramente tres grupos de sensores: *-Sensores de posición: entre los que encontramos los captadores fotoeléctricos, captadores magnéticos, cámaras de vídeo etc... *-Adaptadores de esfuerzos: éstos se encargan de medir la fuerza que se aplica a un objeto, o medir los pares etc.. *-Sensores de desplazamiento:se encargan de cuantificar los desplazamientos de objetos, la velocidad y aceleración de los mismos. DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS SENSORES Algunos tipos de sensores utilizados en robótica y pertenecientes a cada grupo antes mencionado son: *-Sensores de posición: su función es medir o detectar la posición de un determinado objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar los siguientes tipos de captadores: -- Los captadores fotoeléctricos: la construcción de este tipo de sensores, se encuentra basada en el empleo de una fuente de señal luminosa (lámparas, diodos LED, diodos láser etc..) y una célula receptora de dicha señal, como pueden ser fotodiodos , fototransistores o LDR etc. Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de luz , y en la detección de esta emisión realizada por los fotodetectores. Según la forma en que se produzca esta emisión y detección de luz, podemos dividir este tipo de captadores en: captadores por barrera, o captadores por reflexión. -- Captadores por barrera: detectan la existencia de un objeto, porque interfiere la recepción de la señal luminosa. -- Captadores por reflexión: la señal luminosa es reflejada por el objeto, y esta luz reflejada es captada por el captador fotoeléctrico, lo que indica al sistema la presencia de un objeto. *-Sensores de o: estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en o con un objeto,

por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un determinado lugar. Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en robótica. -- Captadores de circuitos oscilantes: este tipo de captadores, se encuentran basados en la existencia de un circuito en el mismo que genera una determinada oscilación a una frecuencia prefijada, cuando en el campo de detección del sensor no existe ningún objeto, el circuito mantiene su oscilación de un manera fija, pero cuando un objeto se encuentra dentro de la zona de detección del mismo, la oscilación deja de producirse , por lo que el objeto es detectado. Estos tipos de sensores son muy utilizados como detectores de presencia, ya que al no tener partes mecánicas, su robustez al mismo tiempo que su vida útil es elevada. *-Sensores por ultrasonidos: este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta vez de tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que son de barrera o los de reflexión. -- Captadores de esfuerzos: este tipo de captadores, se encuentran basados en su mayor parte en el empleo de galgas extensométrica, que son unos dispositivos que cuando se les aplica una fuerza, ya puede ser una tracción o una compresión, varia su resistencia eléctrica, de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando sobre un determinado objeto. *-Sensores de Movimientos: este tipo de sensores es uno de los más importantes en robótica, ya que nos da información sobre las evoluciones de las distintas partes que forman el robot, y de esta manera podemos controlar con un grado de precisión elevada la evolución del robot en su entorno de trabajo. Dentro de este tipo de sensores podemos encontrar los siguientes: - Sensores de deslizamiento: Este tipo de sensores se utiliza para indicar al robot con que fuerza ha de levantar un objeto para que éste no se rompa al aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario que no se caiga de las pinzas del robot por no sujetarlo debidamente. Su funcionamiento general es simple, ya que este tipo de sensores se encuentran instalados en el órgano aprehensor (pinzas). Cuando el robot decide levantar el objeto, las pinzas lo agarran con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si se produce un pequeño deslizamiento del objeto entre las pinzas, inmediatamente es incrementada la presión le las pinzas sobre el objeto, y esta operación se repite hasta que el deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias a aplicar la fuerza de agarre suficiente. - Sensores de Velocidad: Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto tanto sea lineal como angular, pero la aplicación más conocida de este tipo de sensores es la medición de la velocidad angular de los motores que mueven las distintas partes del robot. La forma más popular de conocer la velocidad del giro de un motor, es utilizar para ello una dinamo tacométrica acoplada al eje del que queremos saber su velocidad angular, ya que este dispositivo nos genera un nivel determinado de tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje, pues si conocemos a que valor de tensión

corresponde una determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy fiable a qué velocidad gira un motor. De todas maneras, este tipo de sensores al ser mecánicos se deterioran, y pueden generar errores en las medidas. Existen también otros tipos de sensores para controlar la velocidad, basados en el corte de un haz luminoso a través de un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de la frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará la velocidad del motor.

- Sensores de Aceleración: Este tipo de sensores es muy importante, ya que la información de la aceleración sufrida por un objeto o parte de un robot es de vital importancia porque si se produce una aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que tiende a hacer poner el objeto en movimiento. Supongamos el caso en que un brazo robot industrial sujeta con una determinada presión un objeto en su órgano terminal. Si al producirse un giro del mismo sobre su base a una determinada velocidad, se provoca una aceleración en todo el brazo, y en especial sobre su órgano terminal. Si esta aceleración provoca una fuerza en determinado sentido sobre el objeto que sujeta el robot y esta fuerza no se ve contrarrestada por otra, se corre el riesgo de que el objeto salga despedido del órgano aprehensor con una trayectoria determinada, por lo que el control en cada momento de las aceleraciones a que se encuentran sometidas determinadas partes del robot son muy importantes.

http://roboticajoven.mendoza.edu.ar/rob_sens.htm

CLASIFICACION DE LOS SENSORES Se han inventado transductores eléctricos para medir prácticamente toda variable física, por lo que el numero de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que se deben clasificar siguiendo algunos criterios. CARACTERÍSTICAS IDEALES DE LOS SENSORES Las definiciones siguientes, además de formar parte del léxico básico del control y la automatización, son las características mas deseables que queremos obtener de todo sensor, aunque son pocos los sensores que las tienen todas, nos proporcionan una buena idea para seleccionar el sensor mas adecuado a nuestras necesidades. EXACTITUD Y PRECISION

Cualquier sensor responde a un principio físico, químico o biológico que permite su funcionamiento, es por eso que todo sensor tendrá limitaciones que serán inherentes a sus principios, y una de estas limitaciones es la exactitud, la EXACTITUD es que el valor verdadero de la variable monitoreada, se pueda DETECTAR SIN ERRORES en la medición, por lo tanto esta debe ser tan alta como sea posible. Y la PRECISION significa que en la medición de la variable, existe o no una pequeña variación aleatoria, es decir la precisión regula el margen de imprecisión instrumental; para entenderlo mejor pongamos el siguiente ejemplo, tenemos un sistema para medir temperatura, el cual tiene una precisión de 0.05 °C, cuando este sistema muestra una lectura de 26.8 °C, significa que la temperatura del proceso o ambiente que se esta midiendo está entre 26.75 °C y 26.85 °C. Normalmente la precisión se expresa como un porcentaje de la escala completa y esta asociada al cálculo de la desviación estándar del instrumento. Así entonces esta precisión debe ser lo mas alta posible. VELOCIDAD DE RESPUESTA El transductor debe de ser capaz de responder rápidamente a los cambios de la variable que se esta monitoreando o detectando; si la medición tiene una cinética mas lenta que la de la propia variable, tendremos que disponer de sistemas de predicción de este valor, si es que el proceso así lo requiere, y no depender solo del valor instrumental. CALIBRACIÓN Debe de ser fácil de calibrar y no debe de necesitar una recalibración frecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su recalibración. RANGO DE FUNCIONAMIENTO El sensor debe de tener un rango de funcionamiento amplio y debe de ser preciso y exacto en todo este rango, sabemos que el rango expresa los límites inferior y superior del instrumento, y muchos de éstos, sobretodo los industriales, permiten definir sub rangos. El rango de trabajo mejora resolución pero no necesariamente la sensibilidad. CONFIABILIDAD Debe de tener una alta confiabilidad, es decir, no debe de estar sujeto a fallos frecuentes durante su funcionamiento. COSTO Y FACILIDAD DE OPERACIÓN El costo para instalar manejar y comprar nuestro sensor debe de adecuarse a nuestro presupuesto, y lo ideal sería que la instalación y el manejo de estos dispositivos no necesite de personal altamente calificado.

Aunque es un poco complicado realizar una clasificación única, debido a la gran cantidad de sensores que existen actualmente, las siguientes son las clasificaciones mas generales y comunes. I.

II.

III.

Un tipo de clasificación muy básico es diferenciar a los sensores entre PASIVOS o ACTIVOS; los sensores activos generan la señal de salida sin la necesidad de una fuente de alimentación externa, mientras que los pasivos si requieren de esta alimentación para poder efectuar su función. Según el tipo de señal que proveen a la salida: o

Todo o nada, son los sensores que solo poseen dos estados, y que, estos estados, únicamente están separados por un valor umbral de la variable monitoreada.

o

Digitales, estos sensores proporcionan una señal codificada en pulsos o sistemas como BCD, binario, etcétera.

o

Analógicos, estos sensores proporcionan un valor de voltaje o corriente, donde la señal más común utilizada en aplicaciones industriales es un circuito de corriente de 2 hilos y 4-20 mA.

Según el tipo de magnitud física a detectar: a.

Medición de temperatura. Pirómetro óptico Pirómetro de radiación. Termistor. Termopar.

b. c.

Medición de esfuerzos y deformaciones. Medición de movimiento. Grandes distancias: Radar, láser, Ultrasonido, etc. Distancias pequeñas: Métodos ópticos. Métodos inductivos (LDT y VDT). Métodos resistivos y capacitivos. Posición linear o angular: Codificadores increméntales. Codificadores absolutos. Transductores capacitivos.

d.

Sensores de Presencia o Proximidad. Inductivos. Capacitivos. Fotoeléctricos. De efecto Hall. Radiación. Infrarrojos.

e.

Sistemas de visión artificial. Cámaras CCD.

f.

Sensores de humedad y punto de rocío. Humedad en aire – gases. Humedad en sólidos. Punto de rocío.

g.

Sensores de caudal. De sólidos, líquidos o gases. Presión diferencial. Medidores magnéticos. Medidores por fuerzas de Coriolis. Medidores de área variable. Medidores de desplazamiento positivo.

h.

Sensores de nivel. De líquidos y sólidos.

i. j.

Sensores de presión. Sensores de Fuerza y par. Calibrador de tensión. De array táctil.

k. l.

Sensores de intensidad lumínica. Sensores de aceleración.

m.

Sensores de velocidad lineal o angular.

n.

Sensores táctiles. Matriz piezoeléctrica, óptica o capacitiva. Matriz de os.

Como podemos apreciar, existen sensores para satisfacer cualquier necesidad, y sería muy largo el explicar el funcionamiento de cada uno de ellos, por lo que a lo largo de estos temas explicaremos el funcionamiento de solo algunos de estos, enfocándonos mas a los sensores de presencia o proximidad, y a algunos de temperatura o presión, que son para nuestro fin, los que mas utilizaremos para el estudio y aplicación de los PLC´s. Las siguientes ilustraciones nos muestran algunas aplicaciones típicas de los sensores de presencia, del tipo fotoeléctrico.

Control de posición de mecanismos.

Control de apertura y cierre de puertas automáticas.

Sistema para detección de objetos.

Control de flujo de objetos.

Sistema para detectar presencia, movimiento, posición o conteo de objetos.

http://www.techniforum.com/central_automa_14.htm