Los actuales sistemas de automatización industrial pueden considerarse como herederos de los autómatas mecánicos del pasado. La definición de autómata que aparece en la real academia índica que un autómata es una "máquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado".
La realización física de los automatismos ha dependido continuamente del desarrollo de la tecnología implementándose en primer lugar mediante tecnologías cableadas como la neumática, circuitos de relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas. En las dos últimas décadas se han abandonado las tecnologías cableadas sustituidas por los autómatas programables.
Los sistemas de automatización industrial han recibido un gran impulso en este siglo XX sobre todo por parte de la industria del automóvil. El término automatización fue acuñado en 1947 por Delmar S. Halder de la compañía automovilística Ford en Detroit. Halder opina que la automatización debería ser un concepto global que abarque todos los diseños y dispositivos realizados para conseguir una plena automatización de la producción. Inicialmente Halder desarrolló su campaña dentro de Ford, pero se extendió por si sola al resto de la industria americana, estableciéndose un debate sobre su aplicación en la industria y las consecuencias sociales que esto conllevaría. Se vertieron opiniones, no sin falta de razón, de que el objetivo final era sacar al ser humano fuera del proceso productivo, prediciendo que una gran cantidad de personas se quedaría sin trabajo.
También se vertieron opiniones favorables dentro del campo tecnológico e industrial, donde muchos consideraban la automatización como un concepto nuevo y revolucionario. La ciencia de la automatización ("Automatology") haría comenzar una nueva era. La automatización supondría "la segunda revolución industrial".
La formalización del tratamiento de los automatismos es muy reciente. Históricamente se puede decir que el tratamiento de los automatismos lógicos se ha basado en el álgebra de Boole y en la teoría de autómatas finitos. No fue hasta la década de los sesenta que se dispuso de herramientas como las redes de Petri, para el diseño y análisis de automatismos secuenciales y concurrentes.
Tecnologías cableadas:
Las primeras tecnologías disponibles para implementar controladores de sistemas de eventos discretos, se basaban en la aplicación de tecnologías cableadas, lo que de denominaba automatismos cableados. Se utilizaban principalmente las tecnologías neumática y electromecánica.
La tecnología neumática adquiere especial relevancia en la implementación cableada de automatismos, además cuenta con la ventaja de que es homogénea con numerosas máquinas de producción equipadas con cilindros neumáticos. Se debe resaltar que aunque sea una tecnología cableada, el mando neumático utiliza secuenciadores modulares que suprimen una parte del cableado. En la actualidad en muchas máquinas neumáticas industriales el sistema de control que sigue en activo esta integrado por circuitos neumáticos. Los nuevos productos desarrollados incorporan como sistema de mando, en el caso de algunas máquinas pequeñas, circuitos de relés electromagnéticos, pero la mayoría esta comandada por autómatas programables.
Los relés electromagnéticos disponen de contactos accionados por una bobina electromagnética. La puesta en tensión de la bobina hace que los contactos conmuten debido a la fuerza electromagnética creada. Los relés electromagnéticos pueden efectuar conmutaciones de grandes corrientes. Continúan siendo interesantes para automatismos muy sencillos. Aunque han sido prácticamente sustituidos por autómatas programables, se siguen utilizando alrededor de ellos en particular para realizar los circuitos de seguridad.
El desarrollo de los autómatas programables:
En las instalaciones de las fábricas de Automóviles se instalaban grandes armarios en paralelo con las líneas de producción. Dentro de estos armarios se construía mediante circuitos de relés electromagnéticos la inteligencia que controlaba el proceso de fabricación. Esta tecnología funcionaba y por supuesto se fabricaban coches pero también poseía una gran problemática.
- La tecnología cableada no era muy adecuada para implementar sistemas de control complejos.
- Los elementos que la forman eran electromecánicos ( en el caso de los relés), lo cual implica un número no ilimitado de maniobras (rompen) y la necesidad de implantar logísticas de mantenimiento preventivo.
- Ofrecían una gran dificultad para la búsqueda de averías (un cable que no hace contacto sigue estando visualmente junto al tornillo). Para facilitar la localización de averías se instalaban contactores y relés que señalizarán los fallos.
- A veces se debían realizar conexiones entre cientos o miles de relés, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseño y mantenimiento.
- Cuando se cambiaba el proceso de producción cambiaba también el sistema de control.
Los tiempos de parada ante cualquier avería eran apreciables. Si saltaba una parada de emergencia, se tenia que reiniciar manualmente el sistema, dado que se perdía el estado de la producción.
A finales de los años cincuenta los fabricantes de automóviles necesitaban nuevas y mejores herramientas de control de la producción. Los "nuevos controladores" debían ser fácilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida debía ser largo y los cambios en el programa tenían que realizarse de forma sencilla. Finalmente se imponía que trabajaran sin problemas en entornos industriales adversos. La solución fue el empleo de una técnica de programación familiar y reemplazar los relés mecánicos por relés de estado sólido.
Los autómatas programables se introducen por primera vez en la industria en 1960 aproximadamente. Bedford Associates propuso un sistema de control denominado Controlador Digital Modular (Modicon, Modular Digital Controler) al fabricante de automóviles General Motors.
Otras compañías propusieron a la vez esquemas basados en ordenador, uno de los cuales estaba basado en el PDP-8. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente.
A mediados de los 70 las tecnologías dominantes de los PLC eran máquinas de estado secuenciales y CPU’s basadas en desplazamiento de bit Los microprocesadores convencionales incorporaron la potencia necesaria para resolver de forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's. Por cada modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en el mismo.
Las funciones de comunicación comenzaron a integrarse en los autómatas a partir del año 1973. El primer bus de comunicaciones fue el Modbus de Modicon. El PLC podía ahora establecer comunicación e intercambiar informaciones con otros PLC's.
La implantación de los sistemas de comunicación permitió aplicar herramientas de gestión de producción que se ejecutaban en miniordenadores enviando ordenes de producción a los autómatas de la planta. En las plantas se suele dedicar un autómata programable a ejecutar la función de gestión. Este autómata recibe las ordenes de producción y se encarga de comunicarlas a los autómatas programables dedicados a control. A su vez estos los autómatas de control envían el estado de la producción al autómata de gestión.
En los 80 se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones con el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motors. También fue un tiempo en el que se redujeron las dimensiones del PLC y se pasó a programar con programación simbólica a través de ordenadores personales en vez de los clásicos terminales de programación. Hoy día el PLC más pequeño es del tamaño de un simple relé.
En la década de los noventa se ha producido una gradual reducción en el número de nuevos protocolos, y en la modernización de las capas físicas de los protocolos más populares que sobrevivieron a los 80.
Análisis y formalización de los automatismos lógicos industriales:
Realizando el análisis de las máquinas automatizadas desde el punto de vista de la ingeniería de sistemas, en un primer nivel de abstracción se puede observar que son máquinas que pueden estar en un número finito de situaciones que denominaremos estados y que muchas de ellas responden a la definición de sistema de eventos discretos. Recordando su definición:
Los sistemas de eventos discretos son sistemas en los que el tiempo y los estados son continuos. El estado del sistema puede variar instantáneamente en instantes separados de tiempo. Un evento es un suceso instantáneo que puede cambiar el estado del sistema. En un intervalo de tiempo finito no puede haber un número infinito de cambios de estado.
Los primeros trabajos dedicados al análisis de estos sistemas no aparecen hasta 1938 cuando Shannon desarrolla el primer análisis simbólico de las propiedades de los circuitos de conmutación utilizando como herramienta el álgebra de Boole. Esta fue desarrollada por el pensador y matemático G.Boole en su trabajo "The Mathematical Analysis of Logic" con el objetivo simular y formalizar las leyes del pensamiento
El álgebra de Boole constituye el método principal para efectuar el análisis y síntesis de circuitos lógicos sin memoria, es decir, que no poseen memoria. En estos circuitos las salidas en un instante determinado dependen exclusivamente del valor de las entradas en ese instante. Por lo cual en un principio solo sirven para realizar automatismos combinatorios. Otra herramienta disponible para la descripción de automatismos combinatorios son los programas de decisiones binarias desarrollados por C.Y. Lee en 1959.
Los automatismos provistos de una cierta capacidad de memoria, los sistemas secuenciales, se empezaron a estudiar a partir de los años 40. El primer método formal orientado a la síntesis de sistemas secuenciales se debe a Huffman. Se trata de un método cartesiano, el cual atrajo el interés de un gran número de investigadores, dedicados al estudio de las cuatro fases de que consta. La idea básica de este método es construir un sistema secuencial a partir de uno combinatorio realimentado. Pero se encuentra con un gran escollo tecnológico que fácilmente se comprenden al observar que los circuitos combinatorios se modelan mediante Álgebra de Boole, y esta no recoge más que situaciones estáticas. El álgebra de Boole no puede modelar la "dinámica" de los sistemas secuenciales.
El problema se planteaba en términos de eliminación de las aleatoriedades presentes en los circuitos desarrollados por el método de Huffman. La búsqueda de una solución implica el desarrollo de numerosos trabajos. Unger fue el primero que demostró la imposibilidad de la eliminación de aleatoriedades por métodos puramente lógicos.
En estos años también se investigan y desarrollan métodos de minimización de la realización de los Automatismos combinatorios y secuenciales. El desarrollo tecnológico de las últimas décadas hace que la minimización de la realización vaya perdiendo interés en favor de una modularidad que facilite las modificaciones, el análisis, la puesta en marcha y el test.
La complejidad que van adquiriendo algunas aplicaciones, sobre todo las desarrolladas en la industria del automóvil hacen que los diseñadores sean incapaces de dominar completamente el problema, por lo que en el proceso de implantación de los automatismos se invertía gran cantidad de tiempo en realizar verificaciones que permitan la detección de errores. La inaplicabilidad del método de Huffman hacía que la mayor parte de los desarrollos industriales se basaran en la experiencia e intuición del ingeniero, lo cual se mostraba insuficiente para abordar los sistemas complejos y concurrentes.
El ingeniero carecía de herramientas que le permitieran obtener un modelo del sistema y analizar su comportamiento. Se podría decir que estaban en la misma situación que los ingenieros de control de los años veinte antes de que Nyquist escribiera su artículo, aunque algunos opinen que el paralelismo se debe hacer con Maxwell.
Todo esto conlleva que se aumente progresivamente el uso de las redes de Petri, herramienta matemática propuesta por Carl Adam Petri en 1962 [Petri 62]. Las redes de Petri suministran un método de análisis y síntesis de automatismos secuenciales y concurrentes. La potencia de la herramienta es enorme y se aplica en el análisis y modelado de sistemas no solo en el campo de la automática, sino también en el de la informática, las comunicaciones…
Las redes de Petri consiguen que los ámbitos Universitario e Industrial pasen a utilizar un lenguaje común para diseñar y analizar automatismos. Al contrario que el método de Huffman, el cual no tuvo aceptación en el campo industrial, debido principalmente a su difícil manipulación. Este mismo año tuvimos el honor de asistir a la investidura del profesor Petri como Doctor Honoris Causa por la Universidad de Zaragoza.
En la actualidad los métodos basados en la experiencia e intuición han sido prácticamente abandonados, la gran mayoría de los programadores de autómatas utilizan como herramienta de análisis y diseño las redes de Petri.
