Lamentablemente, el conocimiento sobre mantenimiento industrial ha pertenecido siempre a los profesionales del mantenimiento. Por escasez de demanda, las editoriales tampoco publican bibliografía especializada y los profesores, de antiguas ramas profesionales, hemos afrontado las circunstancias a base de palos de ciego, durante largos años. Por otra parte, en la enseñanza pública no se dispone siempre del dinero necesario y la formación profesional, costosa por principios, se resiente con el paso de pocos años de escasez de presupuesto. Sin dinero para instalaciones reales, adquirir experiencia es inalcanzable.
Los automatismos, como parte integrante en las instalaciones, deben ser comprendidos por los técnicos de mantenimiento, y aquí es donde las circunstancias vuelven a ser negativas, porque nos enfrentamos a un contenido complejo, que solo se trata en profundidad en algunas carreras universitarias como ingeniería. La inexistencia de bibliografía, fácil de seguir, plantea el reto de hacer más comprensible la automatización. En esa linea, se intenta colaborar con la presente documentación y un proyecto de la maqueta de regulación, con la esperanza de que aporte ese "granito de arena" al conocimiento general, conocimiento que nunca debería estar en manos privadas con fines lucrativos.
Los sistemas de numeración:
Seguramente, los números nos han acompañado desde que el hombre se interesó por los negocios. A necesidades simples, números rudimentarios. Pero si las necesidades se complican, los números evolucionan. Cuando los romanos diseñaron su famoso sistema de numeración, sus necesidades solo alcanzaban a contar, y no imaginaron que pronto necesitarían sumar, restar, multiplicar y dividir. Sin el cero, los romanos no podían operar, y los cambios mercantiles crearon la necesidad de "especialistas" que, a modo de notarios, certificaban la legalidad de las transacciones. Los árabes diseñaron el sistema decimal basándose en los dedos de las manos y, pensando en operar, cada cifra debía de tener un peso dependiente de la posición que ocupaba. Así, las posiciones que no correspondían a ninguna cifra significativa, solo podían llenarse con una cifra que indicase el vacío, la ausencia, y nació el número cero. El sistema decimal facilitó el cálculo y ha prevalecido hasta nuestros días como sistema universal. Los árabes no podían imaginar que algún día se plantearía la necesidad de automatizar el cálculo, pero ese día llegó y el sistema decimal no resultó ser el más apropiado. Para que un circuito pueda sumar en decimal, es necesario memorizar 100 reglas de suma, para sumar en binario solo hay que memorizar 4. El sistema binario tiene las mismas propiedades que el decimal y facilita la automatización del cálculo, pero no facilita el cálculo mental, por esa razón no ha desplazado al sistema decimal.
Hoy en día, es dificil profundizar en el campo de los automatismos sin encontrar referencias a diversos sistemas de numeración, especialmente el binario. Conocerlos es ampliar nuestros recursos de programación y nuestra comprensión de los automatismos.
Lógica digital:
Si prestamos un poco de atención a los circuitos de control de muchos automatismos, nos damos cuenta de que se componen solamente de contactos normalmente abiertos o cerrados, convenientemente conectados en serie y en paralelo. La realimentación de señales (enclavamientos eléctricos en relés y contactores) aporta a los circuitos una capacidad de memoria que, junto a la lógica de contactos en serie y paralelo, permite "cablear decisiones" tan complejas como la inteligencia humana sea capaz de imaginar y desarrollar.
Aparentemente, las diversas tecnologías de control serían el detonante de una evolución explosiva en inteligencia artificial. Pero no basta imaginar, porque no existen indicios de ninguna regla universal de desarrollo. Cada problema es único y su control solo se adapta a los cambios con dificultad, siendo necesario, en ocasiones, replantear el problema desde cero.
Cuando surgieron las primeras tecnologías de control (neumática y esquemas eléctricos de contactos), ya se conocía una herramienta de desarrollo, que había nacido por el afán de interpretar la lógica del razonamiento. Esta herramienta lógica, llamada álgebra de Boole, sigue siendo una alternativa cuando importa simplificar las decisiones lógicas que irán implementadas en circuitos cableados, o programadas en dispositivos programables con reducida cantidad de memoria. También es la base en el diseño y la comprensión de componentes electrónicos, como los registros, unidades aritméticas y lógicas, memorias, procesadores, etc.
Por otra parte, una lógica muy simplificada no suele ser más fácil de interpretar, sino más bien al contrario. Por esta razón, los procedimientos que hacen uso intensivo de elementos de memoria (cascada o paso a paso) darán mejores resultados, porque estructuran el control y facilitan su interpretación y búsqueda de averías. En definitiva, reducen el tiempo de mantenimiento. Por último, una representación gráfica del método "paso a paso", llamada GRAFCET, terminó generalizándose como procedimiento de diseño, seguimiento, y programación de automatismos secuenciales.
Regulación de procesos:
Es verdad que muchos procesos industriales se componen solamente de captadores y accionadores que solo pueden estar activos o inactivos. Estos procesos se abordan con técnicas de lógica digital, pero hay otros muchos en los que las señales y las acciones varían de forma continua en el tiempo. El sistema de regulación más antiguo que se conoce es el regulador de velocidad de la máquina de vapor. Este regulador utilizaba la fuerza centrífuga para cerrar progresivamente una válvula de paso de vapor, de forma que se alcanzaba un equilibrio y la velocidad de la máquina se mantenía constante. Hoy en día, la mayor parte de los reguladores son electrónicos o se programan, pero siguen existiendo reguladores eléctricos, mecánicos y neumáticos. Las variables físicas que habitualmente se regulan son muy diversas, por ejemplo la velocidad, posición, fuerza, presión, caudal, nivel, temperatura, etc.
Regular no es un problema trivial, no es tan simple como medir el error cometido y corregirlo en sentido contrario a la desviación ocurrida. Aplicar correcciones, sin comprender las reacciones del proceso, se convierte con frecuencia en oscilaciones de la variable regulada, que no desaparecen. La regulación está estrechamente relacionada con fenómenos oscilatorios que deben comprenderse. Muchos de los procesos industriales son muy estables y su control se consigue, casi siempre, con reguladores PID. Gran parte de este bloque de contenidos está dedicado al regulador PID, con muchos años de historia, pero tan interesante en la actualidad como en los primeros momentos de su invención. Estos reguladores han demostrado eficacia en gran cantidad de procesos, y siguen siendo apreciados por su relativa facilidad de ajuste frente a otros reguladores que, aunque mejores, son más complejos.
Ningún otro tipo de regulador ha sido más estuadiado que el PID, existiendo numerosas técnicas experimentales de ajuste. En el mundo industrial, evidentemente práctico, solo se profundiza en la regulación cuando fracasan las técnicas habituales. Por lo tanto, este bloque de contenidos puede cumplir tres objetivos: En primer lugar, comprender a grandes rasgos las dificultades para regular, distinguiendo los casos en los que un PID resultará satisfactorio. En segundo lugar, practicar (con simulación) el ajuste de reguladores PID con las diversas técnicas experimentales. Y en tercer lugar, asimilar conceptos que ayudarán a seguir con más rapidez el siguiente bloque de contenidos.
Automática:
Los sistemas de regulación y control están por todas partes, pero cuando intentamos conocer un poco sobre el tema nos encontramos una introducción matemática que asusta, basta mencionar el libro "Ingeniería de control moderna" cuyo autor es Katsuhiko Ogata, compuesto por más de 1000 páginas repletas de gráficos, ecuaciones y contenidos que deben leerse y releerse si se quiere seguir su desarrollo sin lagunas. Con suerte, se encuentra un poco de información que algunos califican como sencilla de seguir, casi tanto como una novela, pero, al final, resulta estar limitado a un conjunto de casos, que, a pesar de ser muchos, no representan la esencia de la regulación. Aparentemente, se trata de un campo reservado para ingenieros, pero este bloque de contenidos pretende demostrar que no es cierto. Si no perdemos el objetivo, que es regular sistemas, lo dividimos en pasos o contenidos concretos, nos centramos solamente en los procedimientos más simples y completos, y no nos perdemos innecesariamente en complejidades matemáticas, el resultado debería ser una teoría de regulación comprensible, completa, reducida y práctica.
En el estudio de procesos, son dos los procedimientos "favoritos" en este bloque de contenidos: En primer lugar, el procedimiento del lugar de las raices, porque no solo determina la estabilidad de los sistemas, sino que ofrece una técnica gráfica con la que probar soluciones de mejora, fácil de aplicar y comprender. Aunque el trazado manual del lugar de las raices es muy laborioso, este problema carece de importancia, porque en la práctica se utilizan programas de ordenador que lo trazan automáticamente. Con esta finalidad, y para evitar la adquisición de software comercial, se incluye un programa de libre uso en el tema "Programa de cálculo del lugar de las raices". El método del lugar de las raices resulta ideal a la hora de planificar el regulador más conveniente, es decir, para investigar qué debe hacer el regulador, a fin de conseguir precisión, estabilidad y rapidez de respuesta. Pero esto solo es posible si ya se conoce el comportamiento del proceso a regular, plasmado en una ecuación denominada "función de transferencia". Por esta razón también se trata, en segundo lugar, el procedimiento basado en el diagrama de Bode, ya que facilita la determinación experimental de funciones de transferencia, y ayuda considerablemente a comprender el comportamiento oscilatorio de los procesos. El diagrama de Bode también sirve para planificar los reguladores, aunque se aplica con menos frecuencia que el lugar de las raices.
Además de los dos procedimientos descritos en el párrafo anterior, en este bloque de contenidos también se analizan los tipos de comportamientos en que se puede dividir cualquier proceso, y que se reflejan en las funciones de transferencia como factores. Una vez investigada la regulación adecuda para un determinado proceso, y determinada la función de transferencia del regulador, los "factores" de esta función son la información que se necesita para implementar el regulador, tratándose 3 opciones en este bloque de contenidos: La primera sería utilizar un regulador PID (siempre y cuando resulte adecuado en el proceso concreto a regular), calculando sus parámetros de ajuste a partir de su función de transferencia. La segunda opción sería implementar el regulador mediante amplificadores operacionales (electrónica analógica), ya que la función de transferencia se traduce con facilidad a circuitos con operacionales. La tercera opción sería programar el regulador, convirtiendo los factores de la función de transferencia en instrucciones de programa, es decir, en operaciones sencillas de suma, resta, multiplicación y división.
Maqueta de regulación:
Es necesaria la teoría, pero también es importante "sufrir" los contratiempos que siempre acechan en la experimentación real, como único medio posible de adquirir experiencia. En ese sentido, el proyecto de la maqueta va más lejos, ya que a la práctica en múltiples campos de la automatización, se añade el esfuerzo de diseño, la fabricación y las pruebas necesarias hasta conseguir los resultados previstos. Cuando se adquieren equipos comerciales, casi siempre están diseñados para reducir el trabajo a unas cuantas pulsaciones, fáciles de comprender, pero sus programas, su electrónica y las posibilidades de probar modificaciones son inaccesibles. Con la maqueta proyectada ocurrirá lo mismo, posibilitando las prácticas más sencillas, pero también se facilita el acceso a todos los niveles de su configuración, entendiendo que será positivo en el área de proyectos, cuando las necesidades exigen equipos o cambios que los fabricantes no suministran. En definitiva, se trata de recursos que aumentarán la flexibilidad en el trabajo.