Ejercicios: Automatización programada

Explica qué es un autómata programable o PLC, dónde se utiliza habitualmente y qué tres operaciones realiza de forma repetida mientras está en marcha (leer entradas, ejecutar el programa, activar salidas).

Las entradas de un PLC reciben señales y las salidas gobiernan elementos. Clasifica estos elementos como posible entrada o posible salida de un autómata: (a) un pulsador de marcha, (b) un motor, (c) un sensor de presencia, (d) una electroválvula, (e) un final de carrera y (f) una lámpara de señalización.

Antes de los PLC, las automatizaciones se hacían con relés cableados: cambiar el proceso exigía recablear el armario. Explica qué cambió con la llegada del autómata programable y qué ventaja supone «cambiar el programa» frente a «cambiar el cableado».

El PLC trabaja repitiendo el «ciclo de scan»: leer las entradas, ejecutar el programa y actualizar las salidas. Explica ese ciclo con tus palabras y por qué se repite muchas veces por segundo.

Las entradas de un PLC pueden ser digitales (todo o nada) o analógicas (un valor continuo). Clasifica estas señales como entrada digital o analógica: un pulsador de marcha, un sensor de presencia, una sonda de temperatura de $0$ a $100\ ^\circ\text{C}$ y un detector de nivel por boya.

Las salidas de un PLC gobiernan relés o contactores. Explica qué es un relé de salida y por qué hace falta entre la electrónica del autómata y un motor de potencia (separar el circuito de mando del de potencia).

Explica qué es un final de carrera, dónde se instala físicamente y qué información da al PLC. Pon un ejemplo de su uso en una puerta automática de garaje.

Toda automatización documenta su lista de entradas y salidas (qué sensor llega a cada borne y qué actuador sale de cada uno). Explica por qué esa documentación es imprescindible años después, cuando otra persona distinta debe reparar la máquina.

La figura muestra un autómata que gobierna una cinta transportadora: dos elementos envían señales al equipo central y este gobierna dos elementos de la cinta, como se muestra en la figura.

Indica qué equipo ocupa la posición central, describe el recorrido de las señales desde el pulsador y el sensor hasta el motor y el pistón, y explica dónde reside la «inteligencia» del sistema (qué decide y con qué criterio).

Una barrera de estacionamiento funciona así: un sensor magnético detecta un auto, el autómata comprueba que la barrera está abajo, activa el motor para subirla, espera unos segundos a que pase el auto y la baja de nuevo. Describe esta secuencia como una lista ordenada de pasos, señalando en cada paso si interviene una entrada, una decisión del programa o una salida.

Una fábrica cambia su producto dos veces al año y con ello cambia el orden de las operaciones de su línea de envasado. Explica por qué con PLC esos cambios se hacen en horas y con relés cableados llevaban días, y qué otros costos (paro de producción, errores de cableado, documentación) se reducen con la automatización programada.

El proceso de una embotelladora sigue este cronograma: con la botella detectada ($t = 0\ \text{s}$), la cinta se detiene; a los $0.5\ \text{s}$ se abre la válvula de llenado durante $3\ \text{s}$; a los $4\ \text{s}$ la cinta avanza de nuevo. (a) Describe la secuencia completa en pasos ordenados. (b) Calcula cuánto tiempo está parada la botella bajo la boquilla. (c) Razona por qué la válvula no se abre si no hay botella detectada (enclavamiento).

El cronograma de la figura muestra el funcionamiento de una barrera automática de estacionamiento durante diez segundos: la señal superior indica cuándo la barrera está abierta y la inferior, cuándo el sensor detecta un auto, como se muestra en la figura.

(a) Indica en qué instante llega el auto. (b) Calcula cuántos segundos permanece abierta la barrera. (c) Analiza, a la vista del cronograma, qué riesgo aparece si el auto se queda parado bajo la barrera más tiempo del previsto.

Un enclavamiento impide que la barrera de un estacionamiento baje mientras el auto está debajo. Explica qué es un enclavamiento en la programación de un autómata, cómo se consigue que una salida dependa de una condición adicional (la señal del sensor en serie lógica con la orden de bajar) y por qué se considera una medida de seguridad.

Para automatizar una máquina se puede elegir entre relés cableados, un PLC industrial o un microcontrolador educativo. Compara los tres (robustez en entorno industrial, facilidad de cambiar el proceso, costo, formación necesaria) y razona cuál elegirías para el taller de la preparatoria y cuál para una fábrica de alimentos.

Por un error lógico, un programa activa a la vez las salidas «subir» y «bajar» de un motor. Explica qué puede ocurrir (cortocircuito o esfuerzo mecánico destructivo), por qué además de evitarlo en el programa se instala protección por hardware (enclavamiento eléctrico entre los dos contactores) y en qué consiste esa protección.

En una planta de envasado se requiere automatizar una cinta transportadora que abastece a dos estaciones consecutivas separadas por una distancia fija: una de llenado de líquido y otra de taponado.

1. a) Un operario propone programar el PLC para que una botella entre, se llene (duración 3.0 s), avance a la taponadora, se coloque el tapón (duración 1.5 s) y sea evacuada antes de dejar entrar la siguiente. Calcula la producción máxima teórica (botellas/hora) si cada desplazamiento de la cinta (entrada, entre estaciones y evacuación) tarda 1.2 s.
2. b) Diseña el diagrama de estados (GRAFCET) de una solución eficiente concurrente, donde ambas estaciones trabajen a la vez sobre botellas distintas cuando estén posicionadas.
3. c) Define la tabla de entradas/salidas (I/O) del PLC necesaria para esta solución concurrente, incluyendo sensores de posición y un sensor óptico de control de calidad que impida llenar si la botella llega volcada.

En seguridad de máquinas con PLC rige el principio de «seguridad positiva» (fail-safe): ante cualquier fallo de energía o rotura de cable, el sistema debe evolucionar espontáneamente al estado de menor riesgo.

1. a) Un instalador propone conectar las setas de parada de emergencia como contactos normalmente abiertos (NA), de modo que al pulsarlas envíen un «1» lógico a la entrada del PLC. Justifica técnicamente el grave riesgo de este planteamiento frente a una desconexión accidental del hilo conductor.
2. b) Para cada uno de estos tres sistemas, determina el estado seguro ante un corte eléctrico total y selecciona el tipo de actuador o mecanismo pasivo necesario para garantizarlo sin intervención de la CPU:

• Puerta basculante de garaje de 200 kg.

• Cinta transportadora inclinada que eleva mineral.

• Prensa hidráulica de estampación de chapa.

1. c) Explica por qué la parada de emergencia nunca debe depender exclusivamente del programa del PLC estándar y cómo se implementa a nivel de hardware mediante relés de seguridad específicos.

Una empresa de inyección de plásticos estudia sustituir la extracción manual de piezas por un sistema automatizado con manipulador neumático controlado por PLC.

• Inversión inicial del equipo e instalación: 32,000 pesos.

• Mantenimiento y consumo anual del sistema: 2,400 pesos/año.

• Dos operarios se turnaban en esta labor (coste de 21,000 pesos/año por operario).

• Con el PLC, el tiempo de ciclo por pieza pasa de 14.0 s a 9.5 s y la tasa de piezas defectuosas por manipulación baja del 3.2 % al 0.4 % sobre una producción de 150,000 piezas/año (el coste de reprocesar una pieza defectuosa es de 0.80 pesos).

1. a) Calcula el ahorro económico anual neto que genera la automatización y el periodo de retorno de la inversión (payback en años).
2. b) A la vista de los datos, analiza la transformación técnica del empleo en la fábrica: qué tareas rutinarias desaparecen, qué nuevos perfiles técnicos (programación, mantenimiento electromecánico) se vuelven imprescindibles y qué riesgos ergonómicos se eliminan para el personal.

Diseña la automatización de un paso peatonal con botón: define las entradas (botón pulsador) y las salidas (semáforo de autos verde/amarillo/rojo y semáforo de peatones), escribe la secuencia de estados con sus tiempos razonables y explica qué debe hacer el programa si se presiona dos veces seguidas (no acumular pasos ni reiniciar la secuencia a la mitad).

El freno de retención del motor de un ascensor es de tipo electromagnético accionado por muelles antagónicos: cuando no hay corriente en la bobina, unos resortes mecánicos presionan las zapatas contra el tambor; para liberar el freno, la bobina debe energizarse.

1. a) Justifica por qué este diseño responde al principio de seguridad positiva en comparación con un freno que requiera corriente para apretar las zapatas, analizando qué sucedería ante un disparo del diferencial o un fallo en la CPU del PLC.
2. b) Diseña la secuencia de activación/desactivación del motor y del contactor de freno al iniciar la marcha y al detenerse en planta: ¿por qué no deben conmutar exactamente al mismo milisegundo si se quiere evitar que la cabina caiga unos centímetros por gravedad o que el motor trabaje frenado?
3. c) Determina cómo deben reaccionar el mecanismo de apertura de puertas y los actuadores de cabina ante una caída total de tensión de red, y describe cómo se ejecuta un rescate controlado.

Un reactor químico dispone de sensores digitales de nivel alto para evitar derrames de sustancias corrosivas. Se evalúan dos arquitecturas de seguridad en el PLC:

1. a) Con dos sensores ($S_1$ y $S_2$), formula la tabla de verdad y la función lógica booleana simplificada para dos salidas distintas: 1) orden de corte de entrada de reactivo (activada si al menos uno marca nivel alto) y 2) alarma de discrepancia por sensor defectuoso (activada si solo uno de los dos marca nivel alto durante más de 3.0 s). Explica por qué este diseño puede provocar paradas falsas innecesarias si un sensor falla en cortocircuito.
2. b) Para solventar el problema anterior, se implanta un sistema de votación mayoritaria 2oo3 (dos de tres) con tres sensores independientes ($A$, $B$ y $C$). Obtén la función lógica booleana simplificada para la orden de parada y justifica cómo reacciona el sistema ante el fallo aislado de uno cualquiera de los tres sensores.
3. c) Si la probabilidad de que un sensor falle en falso positivo durante un mes es $p = 0.05$, calcula razonadamente la probabilidad de que el sistema 2oo3 detenga el reactor por error (al menos dos sensores fallando a la vez) frente a un sistema simple de un solo sensor.

En una línea de transporte de cajas hacia una paletizadora, un sensor fotoeléctrico detecta el paso de paquetes (a razón de uno cada 2.0 a 4.0 s cuando la línea anterior produce con normalidad).

1. a) Diseña en lenguaje de contactos (Ladder) o mediante diagrama de estados un temporizador tipo «watchdog» que detenga la cinta y active una señal de alarma si el sensor no detecta ninguna caja durante 25.0 s ininterrumpidos con el motor de arrastre activado.
2. b) Explica dos causas de naturaleza totalmente distinta que pueden provocar esta condición (una avería mecánica/operativa y un fallo eléctrico en el lazo del sensor) y deduce qué prueba diagnóstica debería realizar el PLC o el operario para discernir entre ambas.
3. c) Justifica el impacto económico, energético y de seguridad para los operarios que tendría omitir este control por temporización y dejar la cinta girando indefinidamente en vacío.

Diseña la automatización completa mediante PLC de una puerta corredera para un aparcamiento de vehículos con las siguientes condiciones operativas:

• Accionamiento mediante motor reversible (señales: Abrir / Cerrar).

• Sensores de final de carrera de puerta totalmente abierta ($FC_A$) y totalmente cerrada ($FC_C$).

• Fotocélula de infrarrojos en el vano de la puerta ($FT$) y pulsador de apertura manual ($P$).

• Temporizador de pausa con puerta abierta de 12.0 s antes de iniciar el cierre automático.

1. a) Confecciona la tabla de asignación de entradas y salidas del PLC, razonando para cada sensor si debe conectarse físicamente como Normalmente Abierto (NA) o Normalmente Cerrado (NC) en función de la seguridad ante rotura de cable.
2. b) Dibuja el diagrama de estados (GRAFCET) del sistema, modelando con precisión el comportamiento de seguridad: si la fotocélula se corta durante el cierre, la puerta debe detenerse de inmediato y reabrirse por completo, reiniciando la cuenta de 12.0 s.
3. c) Añade a la lógica un intermitente de aviso que se active 2.0 s antes de que la puerta empiece a moverse y se mantenga encendido durante todo el desplazamiento.