Download - Automatas Programables PART 01
CAPITULO I:
CONFIGURACION DEL AUTOMATA Y MODOS DE OPERACION
1. AUTOMATISMOS
1.1Introducción. Definición de automatismo.
En nuestros días, los constructores de equipos de control y los
ingenieros automatistas no ignoran ya nada referente a los autómatas
programables con memoria. No solamente de una cuestión de precio,
sino, también de una mejora en tiempo, flexibilidad incrementada con el
manejo, alta fiabilidad, localización y eliminación rápida de fallos, etc.
Simultáneamente, el producto final, es decir, la maquina o la instalación
equipada con uno de tales autómatas alcanza un nivel tecnológico más
elevado.
Las primeras aplicaciones de los autómatas programables se dieron en
la industria automotriz para sustituir los complejos equipos basados en
relés. Sin embargo, la disminución de tamaño y el menor costo han
permitido que los autómatas sean utilizados en todos los sectores de la
industria. Se mencionan a continuación algunos de los múltiples campos
de aplicación:
AUTOMATAS PROGRAMABLES
Automóvil
Cadenas de montaje, soldadura, cabinas de pintura, etc.
Máquinas herramientas: Tornos, fresadoras, taladradoras, etc.
Plantas químicas y petroquímicas
Control de procesos (dosificación, mezcla, pesaje, etc).
Baños electrolíticos, oleoductos, refinado, tratamiento de aguas
residuales, etc.
Metalurgia
Control de hornos, laminado, fundición, soldadura, forja, grúas,
etc.
Alimentación
Envasado, empaquetado, embotellado, almacenaje, llenado de
botellas, etc.
Papeleras y madereras
Control de procesos, serradoras, producción de conglomerados y
de laminados, etc.
Producción de energía
Centrales eléctricas, turbinas, transporte de combustible, energía
solar, etc.
Tráfico
Regulación y control del tráfico, ferrocarriles, etc.
Domótica
Iluminación, temperatura ambiente, sistemas anti robo, etc.
Fabricación de Neumáticos
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Control de calderas, sistemas de refrigeración , prensas que
vulcanizan los neumáticos.
Control de las máquinas para el armado de las cubiertas,
extrusoras de goma.
Control de las máquinas para mezclar goma.
1.2 Principio de un sistema automático.
Todo sistema automático por simple que sea se basa en el esquema
representado en la siguiente figura:
Señales de detección
Automatismo Captadores
o parte de Máquina o proceso Trabajo
control operativo
Actuadores
Este circuito cerrado es lo que se conoce como bucle o lazo.
Un autómata programable está constituido por:
- Un dispositivo de alimentación: que proporciona la transformación de la
energía eléctrica suministrada por la red de alimentación en las
tensiones continuas exigidas por los componentes electrónicos.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
- Una tarjeta procesadora: es el cerebro del autómata programable que
interpreta las instrucciones que constituyen el programa grabado en la
memoria y deduce las operaciones a realizar.
- Una tarjeta de memoria: contiene los componentes electrónicos que
permiten memorizar el programa, los datos 1 (señales de entrada) y los
accionadores (señales de salida).
Ilustración de un circuito de automatismo:
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
2. AUTÓMATAS PROGRAMABLES
2.1Introducción. Definición de autómata programable.
Entendemos por Autómata Programable, o PLC (Controlador Lógico
Programable), toda máquina electrónica, diseñada para controlar en
tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Su manejo y
programación puede ser realizada por personal eléctrico o electrónico
sin conocimientos informáticos. Realiza funciones lógicas: series,
paralelos, temporizaciones, contajes y otras más potentes como
cálculos, regulaciones, etc.
Otra definición de autómata programable sería una «caja» en la que
existen, por una parte, unos terminales de entrada (o captadores) a los
que se conectan pulsadores, finales de carrera, fotocélulas, detectores...;
y por otra, unos terminales de salida (o actuadores) a los que se
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
conectarán bobinas de contactores, electroválvulas, lámparas..., de
forma que la actuación de estos últimos está en función de las señales
de entrada que estén activadas en cada momento, según el programa
almacenado.
La función básica de los autómatas programables es la de reducir el
trabajo del usuario a realizar el programa, es decir, la relación entre las
señales de entrada que se tienen que cumplir para activar cada salida,
puesto que los elementos tradicionales (como relés auxiliares, de
enclavamiento, temporizadores, contadores...) son internos.
Ilustración de un autómata programable:
2.2. Origen e historia de los autómatas.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Los autómatas programables aparecieron en los Estados Unidos de
América en los años 1969 – 70, y más particularmente en el sector de la
industria del automóvil; fueron empleados en Europa alrededor de dos
años más tarde. Su fecha de creación coincide, pues con el comienzo de
la era del microprocesador y con la generación de la lógica cableada
modular.
El autómata es la primera máquina con lenguaje, es decir, un calculador
lógico cuyo juego de instrucciones se orienta hacia los sistemas de
evolución secuencial. Hay que apreciar que, cada vez más, la
universalidad de los ordenadores tiende a desaparecer, el futuro parece
abrirse hacia esta nueva clase de dispositivos: maquina para proceso de
señales, para la gestión de bases de datos...
El autómata programable es, pues en este sentido un percusor y
constituye para los automatistas un esbozo de la maquina ideal.
La creciente difusión de aplicaciones de la electrónica, la fantástica
disminución del precio de los componentes, el nacimiento y el desarrollo
de los microprocesadores y, sobretodo, la miniaturización de los circuitos
de memoria permiten presagiar una introducción de los autómatas
programables, cuyo precio es atractivo incluso para equipos de
prestaciones modestas, en una inmensa gama de nuevos campos de
aplicación.
El autómata programable satisface las exigencias tanto de procesos
continuos como discontinuos. Regula presiones, temperaturas, niveles y
caudales así como todas las funciones asociadas de temporización,
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cadencia, conteo y lógica. También incluye una tarjeta de comunicación
adicional, el autómata se transforma en un poderoso satélite dentro de
una red de control distribuida.
2.3Estructura de un autómata programable.
La estructura básica de un autómata programable es la siguiente:
Un autómata programable se puede considerar como un sistema
basado en un microprocesador, siendo sus partes fundamentales la
Unidad Central de Proceso (CPU), la Memoria y el Sistema de Entradas
y Salidas (E/S).
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
La memoria se divide en dos bloques, la memoria de solo lectura o ROM
(Read Only Memory) y la memoria de lectura y escritura o RAM
(Random Access Memory).
En la memoria ROM se almacenan programas para el correcto
funcionamiento del sistema, como el programa de comprobación de la
puesta en marcha y el programa de exploración de la memoria RAM.
La memoria RAM a su vez puede dividirse en dos áreas:
Memoria de datos, en la que se almacena la información de los estados
de las entradas y salidas y de variables internas.
Memoria de usuario, en la que se almacena el programa con el que
trabajará el autómata.
Fuente de alimentación:
Es la encargada de convertir la tensión de la red, 220V corriente alterna,
a baja tensión de corriente continua, normalmente a 24V. Siendo esta la
tensión de trabajo en los circuitos electrónicos que forma el Autómata.
Unidad Central de Procesos o CPU:
Se encarga de recibir las órdenes del operario por medio de la consola
de programación y el módulo de entradas. Posteriormente las procesa
para enviar respuestas al módulo de salidas. En su memoria se
encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso.
Contiene las siguientes partes:
Unidad central o de proceso
Temporizadores y contadores
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Memoria de programa
Memoria de datos
Memoria imagen de entrada
Memoria de salida
Módulo de entrada:
Es al que se unen los captadores (interruptores, finales de carrera,
pulsadores,...). Cada cierto tiempo el estado de las entradas se
transfiere a la memoria imagen de entrada. La información recibida en
ella, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo a la
programación. Se pueden diferenciar dos tipos de captadores
conectables al módulo de entradas: los pasivos y los activos. Los
captadores pasivos son los que cambian su estado lógico (activado o no
activado) por medio de una acción mecánica. Estos son los
interruptores, pulsadores, finales de carrera. Los captadores activos son
dispositivos electrónicos que suministran una tensión al autómata,
que es función de una determinada variable.
Módulo de salidas:
Es el encargado de activar y desactivar los actuadores (bobinas de
contactores, lámparas, motores pequeños,...)
La información enviada por las entradas a la CPU, una vez procesada,
se envía a ala memoria imagen de salidas, de donde se envía a la
interface de salidas para que estas sean activadas y a la vez los
actuadores que en ellas están conectados.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar
diferentes módulos de salidas. Existen tres tipos bien diferenciados:
A relés: son usados en circuitos de corriente continua y
corriente alterna. Están basados en la conmutación
mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico
normalmente abierto.
A triac: se utilizan en circuitos de corriente continua y
corriente alterna que necesitan maniobras de conmutación
muy rápidas.
A transistores a colector abierto: son utilizados en circuitos
que necesiten maniobras de conexión / desconexión muy
rápidas. El uso de este tipo de módulos es exclusivo de los
circuitos de corriente continua.
Terminal de programación:
El terminal o consola de programación es el que permite comunicar al
operario con el sistema.
Las funciones básicas de éste son las siguientes:
Transferencia y modificación de programas.
Verificación de la programación.
Información del funcionamiento de los procesos.
Como consolas de programación pueden ser utilizadas las construidas
específicamente para el autómata, tipo calculadora o bien un ordenador
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
personal, PC, que soporte un software específicamente diseñado para
resolver los problemas de programación y control.
Ilustración del control de un proceso:
Periféricos:
Los periféricos no intervienen directamente en el funcionamiento del
autómata, pero sin embargo facilitan la labor del operario.
Los más utilizados son:
Grabadoras a cassettes.
Impresoras.
Cartuchos de memoria EPROM (memoria de sólo lectura)
Visualizadores y paneles de operación OP.
Memorias EEPROM.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
2.4. Configuración, instalación y puesta a punto.
Los autómatas son equipos electrónicos de cableado interno i
ndependiente del proceso a controlar (hardware). Un autómata se i
ntegra a la maquina o instalación a controlar mediante un programa que
define la solución de las operaciones que se desea (software) y de un
cableado directo a los elementos de entrada y de salida del autómata. El
autómata programable realiza funciones de control de tipo lógico y
secuencial dentro de las fabricas, es decir, en la proximidad de las
maquinas en un entorno industrial.
El funcionamiento de un autómata industrial puede adaptarse
plenamente a la formación y hábitos del personal de fabricación y
mantenimiento.
El número de instrucciones procesadas difiere de un autómata a otro. El
programa es directamente concebido por un automatista, electricista o
mecánico. Este trabajo se facilita aún más mediante el empleo de
consolas de programación.
El autómata programable industrial aporta una serie de ventajas como
son las siguientes:
- Diseñados y construidos para su aplicación en ambiente industrial.
- Son equipos flexibles, por su carácter programable
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
- Son fáciles de instalar y reutilizables.
- Construidos de forma que sea fácil el mantenimiento y la localización
de averías.
- Pueden emplearse en múltiples tipos de tarea de control en una misma
planta, lo que facilita el aprendizaje, permite un mayor conocimiento y
explotación de prestaciones.
- Su capacidad de comunicaciones permite la integración en la tarea
global de control, o sistema de producción integrado.
La configuración del autómata es un proceso mediante el que se
determina como y donde se sitúan los distintos componentes del sistema
de control.
La configuración dependerá de la tarea de control propiamente dicha y
del tipo de control que se haya decidido y contempla tanto los elementos
del autómata como sus periféricos.
Durante la elaboración del algoritmo de control, se han determinado las
entradas y salidas, tanto discretas como numéricas, y estas se han
relacionado mediante diagramas o esquemas lógicos: la cantidad y tipo
de las E / S determina qué componentes son necesarios.
La mejor manera de realizar la configuración es confeccionar un mapa
de direccionado, en el que mediante una representación de las
estructuras de E / S se indica qué componentes se ubican en el local
junto a la unidad central y cuáles se sitúan en posiciones remotas.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Concluida la configuración del sistema, pueden comenzar
simultáneamente dos trabajos: la programación y la instalación.
Instalación
Para la selección del autómata existen numerosos factores que pueden
agruparse en las siguientes categorías:
- Entradas/ Salidas ( E/S ): cantidad, tipo, prestaciones, ubicación, etc.
- Tipo de control: control de una o varias máquinas, proceso, etc.
- Memoria: cantidad, tecnología, expandibilidad, etc.
- Software: conjunto de instrucciones, módulos de programa, etc.
- Periféricos: equipos de programación, dialogo hombre – maquina, etc.
- Físicos y ambientales: características constructivas, banda de
temperatura
Dadas las características constructivas y de diseño de los autómatas
programables, su instalación es viable en prácticamente cualquier
ambiente industrial siempre que no se sobrepasen las especificaciones
dadas por el fabricante.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Cableado
Siempre que sea posible, en la configuración del sistema se intentará
agrupar los módulos por categorías en cuanto a entradas / salidas,
tensión alterna o continua, señales discretas o analógicas.
Una configuración por grupos permite un cableado racional y una
necesaria segregación de los cables de señal débil respecto a los que
alimentan cargas, y de los de comunicaciones. Siempre que sea posible
se separarán los cables de CC de los de CA, para minimizar las
interferencias producidos por la conmutación de cargas y también los
cables de interconexión de racks y de comunicaciones se separan
completamente de otros.
Determinar la cantidad de señales de Entrada y de Salida, tanto discreta
como numéricas y analógicas, que debe ser capaz de tratar el equipo es
el primer trabajo a realizar al iniciar la implementación del sistema de
control. No hay más remedio que contar el número de dispositivos cuyo
estado hay que leer o gobernar. Una vez obtenidas estas cantidades es
muy recomendable reservar espacio para futuras ampliaciones (entre un
10 y un 20 %).
Los fabricantes ofrecen una gran diversidad de soluciones en cuanto a
las características constructivas y funcionales de los elementos del
sistema de entrada / salida. Aparte de los indicadores LED de estado
para señales discretas, hay que procurar que las entradas incorporen
filtros para evitar lecturas falsas en caso de señales “sucias“ ( rebote de
un contacto ).
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Puesta a tierra
Se seguirá lo especificado en la normativa vigente y las
recomendaciones de los fabricantes, pero hay que recordar que cada
una de las estructuras (racks) del autómata, debe estar unida mediante
un cable independiente de sección adecuada, a la pletina de tomas de
tierra del armario. Nunca deben compartirse circuitos de tierra entre
racks o con otros componentes del sistema.
Circuitos de seguridad
Los dispositivos de parada de emergencia se instalarán con
independencia del autómata, para permitir la parada del sistema aún en
caso de avería del mismo; en general, deben actuar sobre un contactor
de maniobra que corta la alimentación a las cargas de la instalación.
Circuitos de disposición de E / S
En general, o por lo menos para los dispositivos de salida, es deseable
que exista un contactor de maniobra que permita cortar la alimentación
de esos elementos y que hará posible trabajar con seguridad en la
puesta a punto o investigación de averías, con el autómata alimentado.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
Alimentación
Se recomienda el empleo de transformadores separadores de
alimentación ya que proporcionan una buena protección frente a
interferencias introducidas en las líneas por la conmutación de cargas
importantes existentes en la instalación. Además es deseable que los
dispositivos de E/ S se alimenten de la misma línea que el autómata, ya
que la fuente de alimentación del mismo posee circuitos de detección de
nivel de tensión que provocan la secuencia de parada del equipo en
caso de anomalía en la red, y de este modo se evitarán las falsas
lecturas de señal de entrada.
Algunos autómatas incorporan una fuente auxiliar de 24 Vcc para uso
externo de los dispositivos de entrada sobre módulos de entrada a 24
Vcc.
Hay que vigilar que no supere la capacidad de esta fuente,
particularmente cuando se alimentan de ella dispositivos estáticos (
detectores inductivos, fotoeléctricos, etc. ) y deben seguirse las
recomendaciones de cableado del fabricante para minimizar la
posibilidad de interferencia sobre estos circuitos.
En caso de que se prevea la existencia de variaciones de tensión en la
línea de alimentación que puedan superar los márgenes de trabajo
especificados para el equipo, habrá que instalar transformadores
estabilizadores, para evitar frecuentes paradas del sistema; en estas
circunstancias es mejor alimentar las salidas del autómata directamente
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
desde la línea de entrada para descargar el transformador permitiendo
que sea de una menor potencia.
Consideraciones sobre la instalación de E / S.
Cuando se emplean dispositivos electrónicos de detección como
elementos de entrada, hay que tener en cuenta la corriente residual de
los mismos (detectores de 2 hilos de corriente alterna). En general, el
problema se reduce a que el indicador de entrada se ilumina
tenuemente, pero en ocasiones, cuando la corriente residual es elevada,
o dependiendo de los umbrales de disparo del circuito de entrada
pueden darse señales falsas.
Cuando los dispositivos de entrada trabajan a niveles de señal débil
como TTL, analógicas, termopares, etc., hay que realizar conducciones
de cableado separadas para evitar el problema de la inducción. Además,
para evitar las interferencias electromagnéticas, se recomienda la
instalación mediante cables trenzados y apantallados.
Los circuitos de salida controlan habitualmente cargas inductivas (sole
noides), que provocan la aparición de picos de tensión cuando se inte
rrumpe el circuito de alimentación (descarga del circuito inductivo). Estas
crestas, que pueden alcanzar varios centenares de voltios, deben ser
suprimidas, ya que pueden averiar los circuitos de salida (estáticos) y
provocar interferencias en todo el sistema. Los fabricantes suelen
incorporar supresores de transitorios en los circuitos de los módulos de
salida pero a veces no son suficientes para evitar anomalías.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
En general los módulos de salida incorporan circuitos fusibles de protec
ción dimensionados adecuadamente a las características nominales de
la salida (transistor, triac); si no es así, hay que instalarlos en el exterior
(regleta de bornes) teniendo en cuenta las especificaciones del
fabricante ya que no protegerán adecuadamente la salida en caso de
sobrecarga si no están bien dimensionados.
3. CONFIGURACIÓN, PUESTO A PUNTO E INSTALACIÓN.
La configuración depende de las especificaciones de control y del tipo de
control, ya sean controladores P, PD, PI o PID y contempla tanto los
elementos del autómata como sus periféricos.
A la hora de diseñar el control se han determinado las entradas y salidas
del sistema el cual queremos controlar y estas se han relacionado
mediante diagramas : el numero y tipo de las E / S determina qué
componentes son necesarios.
La mejor manera de realizar la configuración es confeccionar un mapa de
direccionado, en el que mediante una representación de las estructuras de
E / S se indica qué componentes se ubican en el local junto a la unidad
central y cuáles se sitúan en posiciones remotas.
Esquema de control
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
3.1 Instalación
Dadas las características constructivas y de diseño de los autómatas
programables, su instalación es viable en prácticamente cualquier
ambiente industrial siempre que no se sobrepasen las especificaciones
dadas por el fabricante. Se debe tener
especial consideración de temperatura y humedad y a la inmunidad
frente a interferencias eléctricas.
En general el autómata se montará en un armario de maniobra de
dimensiones adecuadas para contener con holgura los componentes del
equipo y el resto de elementos, como interruptores / seccionadores y
fuentes de alimentación, circuitos de protección, conductos de cableado,
etc. se recomienda el empleo de armarios metálicos ya que minimizan
los efectos de la radiación electromagnética generada por equipos de
conmutación instalados en las inmediaciones.
La convección natural es suficiente ya que la mayoría de los fabricantes
preparan los autómatas para que trabajen a una temperatura máxima de
60ºC.
3.2 Situación de los componentes.
Los componentes del autómata se montaran siguiendo las
recomendaciones del fabricante y en todo caso se pueden seguir las
siguientes pautas de aplicación general:
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
- Es recomendable el montaje vertical de los componentes para
facilitar la convección y disipación del calor.
- Las fuentes de alimentación deberán ocupar una posición por en
la parte superior del armario, ya que son generadores de calor.
- La unidad central ocupará una posición adyacente o por debajo
de las fuentes de alimentación, en la zona superior del armario,
quedando a una altura que facilite su inspección.
- Los racks de E / S estarán dispuestos de la forma más
conveniente para el acceso y cableado, en el espacio libre.
- Se dejarán espacios suficientes entre los componentes para una
adecuada disipación del calor.
- Para el resto de componentes del sistema, se recomienda su
instalación en posiciones lo más alejadas del equipo que sea
posible, principalmente si se trata de componentes
electromecánicos, para minimizar las interferencias
electromagnéticas.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
3.3. Cableado y puesta a tierra
En la configuración del sistema se intentará agrupar los módulos por
categorías: entradas / salidas, tensión alterna o continua, señales
discretas o analógicas, etc.
Una configuración por grupos permite un cableado racional y una
necesaria segregación de los cables de señal débil respecto a los que
alimentan cargas, y de los de comunicaciones. Siempre que sea posible
se separarán los cables de CC de los de CA, para minimizar las
interferencias producidos por la conmutación de cargas y también los
cables de interconexión de racks y de comunicaciones se separan
completamente de otros.
La puesta a tierra seguirá lo especificado en la normativa vigente y las
recomendaciones de los fabricantes, pero hay que recordar que cada
una de las estructuras del autómata, debe estar unida mediante un cable
independiente de sección adecuada a tierra. Nunca deben compartirse
circuitos de tierra entre racks o con otros componentes del sistema.
3.4Circuitos de seguridad
Los dispositivos de parada de emergencia se instalarán con
independencia del autómata, para permitir la parada del sistema en
caso de avería del mismo. En general, deben actuar sobre un contactor
de maniobra que corta la alimentación a las cargas de la instalación.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
3.5. Alimentación
Se recomienda el empleo de transformadores separadores de
alimentación ya que proporcionan una buena protección frente a
interferencias introducidas en las líneas. Es deseable que los
dispositivos de E/ S se alimenten de la misma línea que el autómata, ya
que la fuente de alimentación del mismo posee circuitos de detección de
nivel de tensión que provocan la secuencia de parada del equipo en
caso de anomalía en la red evitando falsas lectura. Algunos autómatas
incorporan una fuente auxiliar de 24 Vcc para uso externo de los
dispositivos de entrada sobre módulos de entrada a 24 Vcc, aunque no
es lo mas frecuente.
Hay que vigilar que no supere la capacidad de esta fuente,
particularmente cuando se alimentan de ella dispositivos estáticos (
detectores inductivos, fotoeléctricos, etc. ).
En caso de que se prevea la existencia de variaciones de tensión en la
línea de alimentación que puedan superar los márgenes de trabajo
especificados para el equipo, habrá que instalar transformadores
estabilizadores, para evitar frecuentes paradas del sistema; en estas
circunstancias es mejor alimentar las salidas del autómata directamente
desde la línea de entrada para descargar el transformador permitiendo
que sea de una menor potencia.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
3.6 Puesta en marcha
Antes de dar alimentación, hay que hacer una serie de comprobaciones
rutinarias pero importantes:
1.- Comprobar que todos los componentes del Autómata están en su
lugar (el que corresponde a la configuración) perfectamente insertados
en sus conectores y asegurados.
2.- Comprobar que la línea de alimentación está conectada a los corres
pondientes terminales de la fuente de alimentación del equipo, y que se
distribuye adecuadamente a los módulos de entrada y salida (si
procede).
3.- Verificar que los cables de interconexión entre racks están
correctamente instalados.
4.- Verificar que los cables de conexión a periféricos están correctamen
te instalados.
5.- Verificar que las conexiones de los bornes de E / S están firmes y
corresponden al esquema de cableado.
6.- Verificar que las conexiones a los módulos de E / S están firmes y
corresponden al esquema de conexiones
4. CONSIDERACIÓN EN SISTEMA DE E/S
En general, las entradas y salidas (E/S) de un autómata pueden ser
discretas, analógicas, numéricas o especiales.
Discreta: Las E/S discretas se caracterizan por presentar dos estados
diferenciados: presencia o ausencia de tensión, relé abierto o cerrado,
etc. Su estado se puede visualizar mediante indicadores tipo LED que se
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
iluminan cuando hay señal en la entrada o cuando se activa la salida.
Los niveles de tensión de las entradas más comunes son 5 Vcc, 24
Vcc/ca, 48 Vcc/ca y 220 Vca. Los dispositivos de salida más frecuentes
son relés, transistores y triacs.
Analógicas: Las E/S analógicas tienen como función la conversión de
una magnitud analógica (tensión o corriente) equivalente a una magnitud
física (temperatura, presión, grado de acidez, etc.) en una expresión
binaria de 11, 12 o más bits, dependiendo de la precisión deseada. Esto
se realiza mediante conversores analógico-digitales (ADC's).
Numéricas: Las E/S numéricas permiten la adquisición o generación de
información a nivel numérico, en códigos BCD, Gray u otros (véase
código binario). La información numérica puede ser entrada mediante
dispositivos electrónicos digitales apropiados. Por su parte, las salidas
numéricas suministran información para ser utilizada en dispositivos
visualizadores (de 7 segmentos) u otros equipos digitales.
Especial: Por último, las E/S especiales se utilizan en procesos en los
que con las anteriores E/S vistas son poco efectivas, bien porque es
necesario un gran número de elementos adicionales, bien porque el
programa necesita de muchas instrucciones. Entre las más importantes
están:
- Entradas para termopar y termorresistencia: Para el control de
temperaturas.
- Salidas de trenes de impulso: Para el control de motores paso a paso
(PAP).
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
- Entradas y salidas de regulación P+I+D (Proporcional + Integral +
Derivativo): Para procesos de regulación de alta precisión.
- Salidas ASCII: Para la comunicación con periféricos inteligentes
(equipo de programación, impresora, PC, etc.).
4.1. Circuito de los disposición de E / S.
En general, o por lo menos para los dispositivos de salida, es deseable que
exista un contactor de maniobra que permita cortar la alimentación de esos
elementos y que hará posible trabajar con seguridad en la puesta a punto o
investigación de averías, con el autómata alimentado.
Cuando se emplean dispositivos electrónicos de detección como elementos
de entrada, hay que tener en cuenta la corriente residual de los mismos
(detectores de 2 hilos de corriente alterna). En general, el problema se
reduce a que el indicador de entrada se ilumina tenuemente, pero en
ocasiones, cuando la corriente residual es elevada, o dependiendo de los
umbrales de disparo del circuito de entrada pueden darse señales falsas.
Cuando los dispositivos de entrada trabajan a niveles de señal débil como
TTL, analógicas, termopares, etc., hay que realizar conducciones de
cableado separadas para evitar el problema de la inducción. Además, para
evitar las interferencias electromagnéticas, se recomienda la instalación
mediante cables trenzados y apantallados.
Los circuitos de salida controlan habitualmente cargas inductivas (sole-
noides), que provocan la aparición de picos de tensión cuando se inte-
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
rrumpe el circuito de alimentación (descarga del circuito inductivo). Estas
crestas, que pueden alcanzar varios centenares de voltios, deben ser
suprimidas, ya que pueden averiar los circuitos de salida (estáticos y
provocar interferencias en todo el sistema. Los fabricantes suelen incorporar
supresores de transitorios en los circuitos de los módulos de salida pero a
veces no son suficientes para evitar anomalías. En general los módulos de
salida incorporan circuitos fusibles de protección dimensionados
adecuadamente a las características nominales de la salida (transistor,
triac); si no es así, hay que instalarlos en el exterior (regleta de bornes)
teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante ya que no protegerán
adecuadamente la salida en caso de sobrecarga si no están bien
dimensionados.
4. FUNCIONAMIENTO
La mayoría de los autómatas actuales se basan en el concepto de la
ejecución cíclica de las instrucciones ubicadas en su memoria. El programa
es una serie de instrucciones grabadas en la memoria, un ciclo de proceso
consiste inicialmente en la consideración de una serie de entradas que
seguidamente serán fijadas para todo el ciclo. Después, el autómata ejecuta
una instrucción tras otra hasta finalizar el programa y finalmente se definen
las ordenes a aplicar sobre las salidas. El ciclo se reproduce así
indefinidamente. Previo al ensayo de funcionamiento según lo programado,
hay que comprobar que los dispositivos de E / S funcionan correctamente,
a) Con el equipo en PARO (STOP, HALT, DISABLE, TEST, etc. depen
diendo del modelo) aplicar tensión al sistema.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
b) Verificar que los indicadores de diagnóstico de la Unidad Central
reflejan una situación correcta.
c) Comprobar que los paros de emergencia actúan correctamente.
d) Accionar los dispositivos de entrada manualmente y verificar que su
estado es registrado por el autómata; el funcionamiento se puede seguir en los
indicadores de los módulos y también se puede seguir visualizando la tabla de
E / S mediante un equipo de programación. Para la comprobación de los
dispositivos de salida, hay que cortar la alimentación de las cargas que
pudieran dar lugar a situaciones peligrosas y verificar con el procesador en
MARCHA (RUN) que las salidas se activan. Esta comprobación resulta más
fácil si se utiliza un terminal de programación en el modo “forzado de E / S"
para activar o desactivar las salidas una a una. Una vez finalizadas todas las
comprobaciones anteriores, hay que introducir el programa en la memoria de la
Unidad Central y dar alimentación al sistema. Se recomienda que siempre que
sea posible, las pruebas de funcionamiento se hagan por áreas,
particularmente si se trata de sistemas grandes, dejando fuera de servicio los
componentes de las áreas que no se prueban; esto puede realizarse cortando
la alimentación de campo de los racks de E / S o inhibiendo su funcionamiento,
incluyendo las oportunas instrucciones en el programa (MCR) que se
eliminarán una vez concluidas las pruebas. Verificadas y corregidas las
distintas secuencias, el sistema puede arrancar en automático debiendo
funcionar correctamente si todas las comprobaciones se han efectuado con
éxito. Las correcciones efectuadas, tanto en la instalación como en el programa
deben ser documentadas inmediatamente, y se obtendrán copias del programa
definitivo (copia, en disco o cinta) tan pronto como sea posible.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
5. EQUIPOS DE PROGRAMACIÓN
La misión principal de los equipos de programación, es la de servir de
interfaz entre el operador y el autómata para introducir en la memoria de
usuario el programa con las instrucciones que definen las secuencias de
control.
Dependiendo del tipo de autómata, el equipo de programación produce
unos códigos de instrucción directamente ejecutables por el procesador o
bien un código intermedio, que es interpretado por un programa residente
en el procesador (firmware).
El equipo de programación de un autómata tiene por misión configurar,
estructurar, programar, almacenar y aprobar las diferentes funciones del
automatismo, tanto las contenidas en la CPU básica, como las que
aparecen en las CPU auxiliares y módulos periféricos. Se define entonces
el equipo de programación como el conjunto de medios hardware y software
mediante los cuales el programador introduce y depura las memorias del
autómata las secuencias de instrucciones (en uno u otro lenguaje ) que
constituyen el programa a ejecutar.
Las tareas principales de un equipo de programación son:
Introducción de las instrucciones del programa.
Edición y modificación del programa.
Detección de errores.
Archivo de programas (cintas, discos).
Básicamente existen tres tipos de equipos de programación:
29
AUTOMATAS PROGRAMABLES
-Consola con teclado y pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT) o de
cristal líquido (LCD).
-Programador manual, semejante a una calculadora de bolsillo, más
económico que la anterior.
-Ordenador personal con el software apropiado.
Entre los equipos específicos, y según su complejidad, podemos distin
guir dos variantes:
o Consola o unidad de programación.
o Terminales de programación.
Aunque existen pocas diferencias entre unas y otros, éstas se hacen
diferentes cuando se considera la facilidad de manejo e integración de
ayudas al programador: almacenamiento, documentación, trabajo con
símbolos, etc., las cuales son funciones propias de los terminales que no
aparecen o son muy reducidas en las consolas de programación.
5.1. Consola de programación
Las consolas son pequeños dispositivos de bolsillo que permiten la
programación, ajuste y diagnostico del autómata , con un visualizador
(«display»), y un teclado alfanumérico dividido en tres. zonas:
- Teclas de comandos (insertar, borrar, transferir, etc.),
- Teclas de instrucciones (LOD, AND, NOT, TIM, etc.),
- Teclas numéricas, normalmente decimales ( 0, 1, 2, etc.).
30
AUTOMATAS PROGRAMABLES
Son dispositivos portátiles y de bajo precio ( aunque significativo frente
al de un microautómata), especialmente útiles para las intervenciones de
ajuste en planta: edición de alguna línea de programa, forzado de
variables durante la puesta a punto, modificación de valores numéricos
de preselección, etc., aunque para aplicaciones más ambiciosas
presentan los problemas inherentes a su simplicidad:
- Dificultades para trabajar con más de un programa simultáneamente,
- Dificultades para el almacenamiento y/o impresión de programas:
necesita conectarse a una unidad exterior (PC, terminal de
programación, módulo de conexión a impresora) para alcanzar estas
funciones.
- Muy baja o inexistente capacidad de documentación del programa (uso
de símbolos, textos de ayuda, etcétera).
Pese a estos problemas, las consolas de programación son verdaderos
terminales inteligentes, con su propio procesador y memorias, que
permiten trabajar, con una alimentación auxiliar, fuera del entorno del
autómata, lejos de la planta donde éste está instalado, facilitando el
desacoplo entre la edición y la explotación del programa.
En el caso de autómatas equipados con memorias extraibles, tipo
EPROM o EEPROM, la consola permite también la grabación de esta
memoria. La tendencia actual, sin embargo, pasa por incorporar la
memoria (EEPROM), junto con los circuitos de programación de la
misma, en el interior del autómata, oculta para el usuario, siendo la
propia CPU la que se encarga del control de grabación a partir de los
datos transmitidos desde la consola.
31
AUTOMATAS PROGRAMABLES
5.2. Terminales de programación.
El terminal de programación se distingue de la consola por su teclado tipo
QWERTY y su pantalla de gran tamaño, que permite la visualización de
bloques completos de programa, con identificación simbólica de las
variables y menús de ayuda “ on line “.
- Procesador, memorias, interfaces y puertos de entrada / salida,
monitor y teclado, sistema operativo y software de aplicación.
Los terminales constituyen verdaderas estaciones autónomas de trabajo
dedicadas a la programación de autómatas y, de hecho, su objetivo
común consiste en integrar un puesto de trabajo evolucionado que
permita programación combinada en distintos lenguajes, edición del
programa por bloques, manejo de librerías, simulación del programa
resultante, conexión a otros ordenadores por red informática, o a redes
de autómatas específicas del fabricante, etc. El manejo de estos
terminales es muy simple, gracias al empleo de teclas funcionales y
ayuda en línea que facilita el acceso a todas sus funciones.
6. Equipos Periféricos
Además de los equipos de programación, existen numerosos dispositivos
que sin formar parte directa del autómata, pueden conectarse al mismo
para realizar distintas funciones. Normalmente se conectan a las salidas
ASCII o a los canales de comunicación del autómata. Seguidamente se
describen algunos de los equipos periféricos más comunes:
32
AUTOMATAS PROGRAMABLES
Módulos de ampliación de entradas y salidas: Necesarios para aquellos
procesos en los que la estructura de E/S del autómata sea insuficiente.
Módulos de tratamiento de datos: Son pequeños ordenadores que
manejan distintos datos (contaje, tiempo, estado de E/S, etc.), para la
elaboración de informes, gráficos, etc.
Impresoras.
Visualizadores alfanuméricos.
Lectores de código de barras.
La forma de comunicarse el autómata con sus periféricos puede ser
unidireccional, cuando se establece en un sólo sentido, o bien
bidireccional, cuando se establece en los dos sentidos. Los enlaces para
ambos tipos de comunicación suelen ser por lo general del tipo serie,
siendo los más empleados los anteriormente mencionados RS-232C y
RS-422, ambos de acuerdo con las normas de la EIA (Electronic
Industries Association ).
El RS-232C es el método de transmisión de datos más difundido, pero
tiene la limitación de la distancia máxima de transmisión a 15 metros y la
velocidad máxima de transmisión de 19.200 baudios (1 baudio = 1
bit/segundo). El RS-422 resuelve en parte las limitaciones del RS-232C.
La distancia de transmisión puede superar un kilómetro y la velocidad
puede llegar a 10 Mbaudios.
33
AUTOMATAS PROGRAMABLES
6.1. Lenguaje de programación
Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la
necesidad de sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos
con contactores y relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-máquina
debería ser similar a la utilizada hasta ese momento. El lenguaje usado,
debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos
electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación.
Estos lenguajes han evolucionado, en los últimos tiempos, de tal forma
que algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el típico plano
eléctrico a relés.
Los lenguajes más significativos son:
* Lenguaje a contactos: Es el que más similitudes tiene con el utilizado
por un electricista al elaborar cuadros de automatismos. Muchos
autómatas incluyen módulos especiales de software para poder
programar gráficamente de esta forma.
* Lenguaje por lista de instrucciones: En los autómatas de gama baja, es
el único modo de programación. Consiste en elaborar una lista de
instrucciones o nemónicos que se asocian a los símbolos y su
combinación en un circuito eléctrico a contactos. También decir, que
este tipo de lenguaje es, en algunos casos, la forma más rápida de
programación e incluso la más potente.
34
AUTOMATAS PROGRAMABLES
GRAFCET (Gráfico Funcional de Etapas y Transiciones):Ha sido
especialmente diseñado para resolver problemas de automatismos
secuenciales. Las acciones son asociadas a las etapas y las condiciones
a cumplir a las transiciones. Este lenguaje resulta enormemente sencillo
de interpretar por operarios sin conocimientos de automatismos
eléctricos. Muchos de los autómatas que existen en el mercado permiten
la programación en GRAFCET, tanto en modo gráfico o como por lista
de instrucciones. También podemos utilizarlo para resolver problemas de
automatización de forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de
contactos.
7. Caso practico
Vamos a realizar un pequeño ejemplo de cómo se diseñaría un control
discreto, utilizando para ello el lenguaje de autómata finito, centrándonos
de forma más concreta en las Redes de Petri. Para ello vamos a utilizar
como ejemplo un pequeño proceso que podríamos encontrar en cualquier
planta del Polo Químico.
Se trata de obtener un Producto P, a partir de la mezcla de determinadas
cantidades de los productos Ay B que sigue el siguiente esquema:
35
AUTOMATAS PROGRAMABLES
La red que vamos a diseñar nos permitirá hacer las siguientes
funciones:
- Medir productos A y B
- Llenar el mezclador
- Mezclar durante un tiempo TM actuando el motor M
- Vaciar el mezclador
- Sistema de llenado de contenedores, compuesto por la cinta
activada por el motor M1 y el sensor S1
Para ello primero veremos algo de aspecto teórico sobre las redes de
Petri. Mediante una red de Petri puede modelizarse un sistema de
evolución en paralelo compuesto de varios procesos que cooperan para
36
AUTOMATAS PROGRAMABLES
la realización de un objetivo común. La presencia de marcas en una
ficha se interpreta habitualmente como presencia de recursos. El
franqueo de una transición (la acción a ejecutar) se realiza cuando se
cumplen unas determinadas precondiciones, indicadas por las
marcas en las fichas (hay una cantidad suficiente de recursos), y la
transición (ejecución de la acción) genera unas postcondiciones que `
modifican las marcas de otras fichas (se liberan los recursos) y así se
permite el franqueo de transiciones posteriores. Aplicaciones:
- Análisis de datos
- Diseño de software
- Fiabilidad
- Flujo de trabajo
- Programación concurrente
Ahora tenemos el siguiente diagrama de Petri:
37
AUTOMATAS PROGRAMABLES
A partir de esta red de Petri lo llevamos al programa Microwin
STEP7.Esté nos dará un esquema mediante relés que al insertarlo al
autómata programable que gobierne ese proceso será capaz de realizar
todas las funciones marcadas con la característica que le
condicionemos. Además podremos obtener una simulación del proceso
que estaba bajo estudio antes de llevarlo a la realidad. Lo cuál nos
permitirá comprobar que el sistema funciona correctamente e intentar
optimizarlo en la medida de lo posible antes de llevarlo a la práctica.
Al no contar con este programa no hemos podido llevar al cabo esa
simulación. En la siguiente imagen mostramos como quedaría el
esquema de control con dicho programa, aunque no corresponde con el
sistema puesto como ejemplo:
38
AUTOMATAS PROGRAMABLES
CAPITULO II
REDES ELMAN
1. RED NEURONAL.
Denominadas habitualmente como RNA o en inglés como: "ANN". son un
paradigma de aprendizaje y procesamiento automático inspirado en la
forma en que funciona el sistema nervioso de los animales. Se trata de
un sistema de interconexión de neuronas que colaboran entre sí para
producir un estímulo de salida. En inteligencia artificial es frecuente
referirse a ellas como redes de neuronas o redes neuronales.
2. REDES RECURRENTES
Cuando se trabaja con patrones dinámicos; es decir, con patrones de
secuencias en las que aparece el concepto tiempo, las RNA alimentadas
sólo hacia adelante se encuentran bastante limitadas ya que no permiten
conexiones que unan neuronas creando bucles. En las redes recurrentes
no se impone ninguna restricción en su conectividad, con lo que se gana
un número mayor de pesos por neurona y por lo tanto una mayor
representatividad, dado que las RNA representan la información de forma
distribuida en sus pesos. De esta forma, la principal característica de este
tipo de redes es la de realimentar su salida a su entrada, evolucionando
hasta un estado de equilibrio donde proporciona la salida final de la red
(Demuth, Beale, 1994). Esta característica las hace útiles cuando se
quiere simular sistemas dinámicos; sin embargo, su entrenamiento es
más lento que el de una red alimentada sólo hacia delante, y a la vez
mucho más complejo. El primer algoritmo de entrenamiento de este tipo
39
AUTOMATAS PROGRAMABLES
de redes aparece en 1987, cuando se adapta el algoritmo de
retropropagación del error de las RNA alimentadas sólo hacia delante a
las redes recurrentes aplicadas a patrones estáticos (``Recurrent
Backpropagation'') y se pudieron aplicar estas redes a los mismos
problemas a los que se aplicaban las multicapa alimentadas hacia
delante. Además, otros investigadores se centran en desarrollar
aproximaciones del algoritmo de aprendizaje que lo hagan más práctico
surgiendo el algoritmo llamado ``Real-Time Recurrent Learning'' o RTRL
indicado para tareas de tiempo real. A partir de entonces, las redes
recurrentes se han venido aplicando en un buen número de tareas, desde
reconocimiento del habla hasta la simulación de autómatas finitos. Sin
embargo, la aplicación de redes recurrentes presenta un mayor número
de problemas. En el caso de patrones estáticos, una red recurrente
funciona presentándole un patrón, haciendo después evolucionar la red
hasta que sus salidas se estabilizan. Sin embargo, esto no está
asegurado, pudiéndose dar comportamientos oscilatorios o caóticos y
aunque existen estudios para establecer las condiciones para que esto no
ocurra, se limitan a ciertas arquitecturas muy concretas como las Hopfield.
E1 caso de los patrones dinámicos es todavía más complicado, ya que, si
se sabe poco del comportamiento de una red recurrente (por ejemplo la
dificultad de estabilizarse), se sabe aún menos de su comportamiento
dinámico. El poco conocimiento es empírico y no existen estudios
formales ni de la red recurrente más simple: una neurona aislada con una
conexión a sí misma. Tampoco existen estudios teóricos que avalen
utilizar un algoritmo basado en el descenso del gradiente para tareas de
40
AUTOMATAS PROGRAMABLES
tratamiento de patrones dinámicos. Un problema sencillo, como es
enseñar a oscilar a una neurona aislada con realimentación, da muchos
problemas del tipo de mínimos locales y hasta ahora no se conoce su
justificación teórica. Además, en redes multicapa se conoce más o menos
bien qué arquitectura hay que utilizar en la mayoría de los problemas,
gracias a conocimientos basados fundamentalmente en la experiencia.
Sin embargo, por una parte, la variedad arquitectónica en redes
recurrentes es infinitamente superior, por lo que su diseño es más
complicado y, por otra, la gran variedad de este tipo de patrones hace
difícil su categorización.
3. LA RED RECURRENTE ELMAN
Es una red de retropropagacion de dos capas, con la adicion de una
retroalimentación de la salida de la capa oculta con la entrada de la red.
Esta retroalimentación le permite a la red generar y detectar patrones
variantes en el tiempo. La red elman tiene como función de activación el
tansigmoidal en su capa oculta y la función lineal en su capa de salida lo
que le permite aproximar cualquier función y cierta exactitud siempre que
se tenga suficientes neuronas en la capa oculta para el procesamiento.
La retroalimetnacion contiene un retraso que permite retener los valores
del primer paso para usarlos en el actual paso de procesamiento. Debido
a que la red puede grabar información para futura referencia es capaz de
aprender patrones temporales tan bien como patrones espaciales además
de generarlos
41
AUTOMATAS PROGRAMABLES
La función simuelm simula las redes elman. Toma los pesos y las bias
como argumento y la matriz de entradas p. La función puede ser usada
para regresar las matrices de salida de las dos capas o solo de una como
se muestra a continuación
4. ESTRUCTURA DE LA RED ELMAN
La red de Elman típicamente posee dos capas, cada una compuesta de
una red tipo Backpropagation, con la adición de una conexión de
realimentación desde la salida de la capa oculta hacia la entrada de la
misma capa oculta, esta realimentación permite a la red de Elman
aprender a reconocer y generar patrones temporales o variantes con el
tiempo.
42
AUTOMATAS PROGRAMABLES
La red de Elman generalmente posee neuronas con función
transferencia sigmoidal en su capa oculta, en este casotansig y n
euronas con función de transferencia tipo lineal en la capa de salida, en
esta caso purelin,la ventaja de la configuración de esta red de dos capas
con este tipo de funciones de trasferencia, es que según lo demostrado
por Funahashi [16], puede aproximar cualquier función con la precisión
deseada mientras que esta posea un numero finito de discontinuidades,
para lo cual la precisión de la aproximación depende de la selección del
numero adecuado de neuronas en la capa oculta.
Para la red de Elman la capa oculta es la capa recurrente y el retardo en
la conexión de realimentación almacena los valores de la iteración
previa, los cuales serán usados en la siguiente iteración; dos redes de
Elman con los mismos parámetros y entradas idénticas en las mismas
iteraciones podrían producir salidas diferentes debido a que pueden
presentar diferentes estados de realimentación.
5. ENTRENAMIENTO DE LA RED
La función trainelm entrena la red Elman usando retropropagacion con
momento y con una taza de aprendizaje adaptativa. Los argumento que
recibe son los pesos y bias junto con la matriz de entradas y el vector de
clases. El entrenamiento regresa los nuevos pesos y bias.
43
AUTOMATAS PROGRAMABLES
Trainelm también puede ser llamada con un vector adicional Tp que es
usado para sobre escribir los parámetros de entrenamiento. Estos se
listan en seguida
Esta función grafica el error y mantiene informado el avance del entrenamiento
en la ventana de comandos además de que también puede regresar el numero
de ciclos de entrenamiento ocurridos te y el vector que registra los errores que
se tenían durante el entrenamiento tr.
6. CONCLUSIONES
La red de Elman no es tan confiable como otros tipos de redes porque el
gradiente se calcula con base en una aproximación del error, para
solucionar un problema con este tipo de red se necesitan más neuronas
en la capa oculta que si se solucionara el mismo problema con otro tipo
de red.
44
AUTOMATAS PROGRAMABLES
CAPITULO III
REDES NEURONALES
1. RESUMEN
Las redes neuronales artificiales (RNA) son aplicadas en diversos
ámbitos de la actividad humana. Una de sus aplicaciones es
como herramienta de análisis de información, específicamente
dentro de la Bibliometría. En este trabajo se hace una
introducción sobre las particularidades de las RNA,
específicamente las basadas en el modelo Kohonen (Mapas auto-
organizativos). Se exponen los elementos que la integran y se
vincula su principio de funcionamiento con la Bibliometría. Se
utiliza y caracteriza un software llamado Viscovery SOMine que
retoma, para su funcionamiento, el concepto y los algoritmos de
los mapas auto-organizativos. Se ejemplifica la utilidad de las
RNA, dentro de la Bibliometría, a través de casos prácticos
2. INTRODUCCION
Las técnicas computacionales, desde sus inicios, marcaron un
paradigma en la creación. Sus aplicaciones, hoy día, van desde la
industria de los juegos hasta las cadenas de producción de varias
empresas. Para ello se han desarrollado múltiples técnicas como
las relacionadas con la inteligencia artificial. Las más conocidas
son la lógica difusa (aprendizaje inductivo), algoritmos genéticos y
redes neuronales.
45
AUTOMATAS PROGRAMABLES
En la década de los 50, existían grandes aspiraciones respecto a
las investigaciones relacionadas con la inteligencia artificial, sobre
todo con aquellas que tenían como objeto principal las redes
neuronales artificiales (RNA). Los trabajos Principles of
neurodynamic y The perceptron: A probabilistic model for
information storage and organization in the brain, desarrollados
por Rosenblatt1, abren nuevas perspectivas sobre la temática.
Sin embargo, las teorías desarrolladas durante este período son
arruinadas por Minsky y Papert2, pues ambos publican una obra
titulada Perceptrons donde se hace una crítica al modelo neural y
se trata de plasmar lo estériles que eran las investigaciones en
esta línea
Unos veinte años después, en la década de los 70, resurgen
estas teorías y se despierta el interés en sus aplicaciones.
Actualmente las redes neuronales se emplean en diferentes
campos, estos se agrupan según varios criterios. Uno de ellos es
el propuesto por Deboeck, quien los agrupa en:
• Modelación financiera y económica.
• Perfiles de mercado y clientes.
• Aplicaciones médicas.
• Gerencia del conocimiento y “descubrimiento de datos”.
• Optimización de procesos industriales y control de calidad.
• Investigación científica.
46
AUTOMATAS PROGRAMABLES
El objetivo del presente trabajo es utilizar la base teórica de las
redes neuronales artificiales como una herramienta práctica que
permita realizar análisis exploratorios de datos o minería de datos
vinculados con los indicadores bibliométricos. Para el logro de
este objetivo se utiliza y caracteriza un software llamado
Viscovery SOMine que retoma, para su funcionamiento, el
concepto y los algoritmos de los mapas auto-organizativos.
3. REDES NEURONALES ARTIFICIALES.
Una red neuronal, según Freman y Skapura, es un sistema de
procesadores paralelos conectados entre sí en forma de grafo
dirigido. Esquemáticamente cada elemento de procesamiento
(neuronas) de la red se representa como un nodo. Estas
conexiones establecen una estructura jerárquica que tratando de
emular la fisiología del cerebro busca nuevos modelos de
procesamiento para solucionar problemas concretos del mundo
real. Lo importante en el desarrollo de la técnica de las RNA es su
útil comportamiento al aprender, reconocer y aplicar relaciones
entre objetos y tramas de objetos propios del mundo real. En este
sentido, se uilizan las RNA como una herramientas que podrá
utilizarse para resolver problemas difíciles.
La posibilidad de resolver problemas difíciles es dable gracias a
los principios de las redes neuronales, los cinco más importantes
son citados por Hilera y Martínez. Estos son enunciados a
continuación:
47
AUTOMATAS PROGRAMABLES
Aprendizaje adaptativo: Esta es quizás la característica más
importante de las redes neuronales, pueden comportarse en
función de un entrenamiento con una serie de ejemplos
ilustrativos. De esta forma, no es necesario elaborar un modelo a
priori, ni establecer funciones probabilísticas. Una red neuronal
artificial es adaptativa porque puede modificarse constantemente
con el fin de adaptarse a nuevas condiciones de trabajo.
Autoorganización: Mientras que el aprendizaje es un proceso
donde se modifica la información interna de la red neuronal
artificial, la autoorganización consiste en la modificación de la red
completa con el fin de llevar a cabo un objetivo específico.
Autoorganización significa generalización, de esta forma una red
puede responder a datos o situaciones que no ha experimentado
antes, pero que puede inferir sobre la base de su entrenamiento.
Esta característica es muy útil sobre todo cuando la información
de entrada es poco clara o se encuentra incompleta
Tolerancia a fallos: En la computación tradicional la pérdida de
un fragmento pequeño de información puede acarrear
comúnmente la inutilización del sistema. Las redes neuronales
artificiales poseen una alta capacidad de tolerancia a fallos. Se
entiende por ello que las redes pueden reconocer patrones de
información con ruido, distorsión o incompletos, pero que,
además, pueden seguir trabajando aunque se destruya parte de
la red (con cierta degradación). La explicación de este fenómeno
se encuentra en que mientras la computación tradicional
48
AUTOMATAS PROGRAMABLES
almacena la información en espacios únicos, localizados y
direccionables, las redes neuronales lo hacen de forma distribuida
y con un alto grado de redundancia.
Operación en tiempo real: Las redes neuronales artificiales, de
todos los métodos existentes, son las más indicadas para el
reconocimiento de patrones en tiempo real, debido a que trabajan
en paralelo actualizando todas sus instancias simultáneamente.
Es importante destacar que esta característica solo se aprecia
cuando se implementan redes con hardware especialmente
diseñados para el procesamiento paralelo. Fácil inserción en la
tecnología existente: Es relativamente sencillo obtener chips
especializados para redes neuronales que mejoran su capacidad
en ciertas tareas. Ello facilita la integración modular en los
sistemas existentes.
Al profundizar en los principios de las RNA y observar
continuamente el término neurona no es de extrañar que se
piense por analogía en el cerebro humano, este hecho quizás se
deba a que las RNA están basadas en la inspiración biológica. El
hombre posee cerca de 10 000 000 000 de neuronas
masivamente interconectadas, la neurona es una célula
especializada que puede propagar una señal electroquímica. Las
neuronas tienen una estructura ramificada de entrada (las
dendritas) y una estructura ramificada de salida (los axones). Los
axones de una célula se conectan con las dendritas de otra, por
vía de sinapsis la neurona se activa y excita una señal
49
AUTOMATAS PROGRAMABLES
electroquímica a lo largo del axón. Esta señal transfiere la
sinapsis a otras neuronas, las que a su vez pueden excitase. Las
neuronas se excitan sólo sí la señal total recibida en el cuerpo de
las células, por conducto de las dendritas, es superior a cierto
nivel (umbral de excitación).
Las redes neuronales artificiales tratan de imitar este principio de
funcionamiento cerebral.
4. ESTRUCTURA DE UNA RED NEURONAL ARTIFICIAL.
Las redes neuronales artificiales están formadas por una gran
cantidad de neuronas, estas no suelen denominarse neuronas
artificiales sino nodos o unidades de salida. Un nodo o neurona
cuenta con una cantidad variable de entradas que provienen del
exterior (X1, X2, ......, Xm). A su vez dispone de una sola salida
(Xj) que transmitirá la información al exterior o hacia otras
neuronas. Cada Xj o señal de salida tiene asociada una magnitud
llamada peso este se calculará en función de las entradas, por lo
cual cada una de ellas es afectada por un determinado peso
(Wjo...Wjq+m) (13). Los pesos corresponden a la intensidad de
los enlaces sinápticos entre neuronas y varían libremente en
función del tiempo y en cada una de las neuronas que forman
parte de la red
50
AUTOMATAS PROGRAMABLES
El proceso de aprendizaje consiste en hallar los pesos que
codifican los conocimientos. Una regla de aprendizaje hace variar
el valor de los pesos de una red hasta que estos adoptan un valor
constante, cuando esto ocurre se dice que la red ya "ha
aprendido". Al conectar varias neuronas de un determinado modo,
se consigue una red. Existen variaciones de topologías, que se
clasifican según tres criterios:
1) Número de niveles o capas.
2) Número de neuronas por nivel.
3) Formas de conexión.
El diseño de una u otra tipología depende del problema a
solucionar por ejemplo para elaborar un programa de filtro digital
en una computadora, se debe emplear un algoritmo en que todas
las capas estén uniformemente interconectadas, o sea que todos
lo nodos de una capa esten conectados con los nodos de otra
capa. En la Figura 2 se muestra la arquitectura de una RNA
clásica con variables de entrada, dos capas de neuronas
51
AUTOMATAS PROGRAMABLES
intermedias y y una capa de salida. Todas ellas conectadas entre
sí.
Otro algoritmo de RNA es el que aparece en la Figura 3, en este
ejemplo las neuronas se organizan en una tipología de capas
diferentes. Solo incluye una capa neuronal oculta, este algoritmo
es muy elemental y es muy utilizado a nivel académico para la
construcción y prueba de diferentes tipos de modelos de red.
52
AUTOMATAS PROGRAMABLES
Existe una gran variedad de modelos de redes neuronales estos
dependen del objetivo para el cual fueron diseñados y del
problema práctico que solucionan. Hoy en día, su éxito depende
en, gran medida, del valor comercial que logren alcanzar sus
aplicaciones. En dependencia de ello unos serán más populares
que otros, entre los más conocidos están el Adaline/Madaline
(utilizado en el diseño y realización de filtros, para llevar a cabo la
eliminación del ruido en señales portadoras de información,
modems, etc.), el back propagation (utilizado en el proyecto de la
máquina de escribir neural fonética) y el modelo de los mapas
auto-organizados (Self-Organizing Map, SOM). Este último es
conocido como modelo de Kohonen por ser este su creador, un
análisis más detallado de este modelo aparece en el acápite
siguiente.
5. Modelo Kohonen
Este modelo surge ante la curiosidad de Teuvo Kohonen, quien
interesado en comprender la clasificación natural que hace el
cerebro en cuanto a su funcionalidad, ideó el algoritmo SOM. Una
definición simplificada sobre los mapas topológicos podría ser
que, en una correspondencia que respecte la topología, las
unidades que se encuentran físicamente próximas entre sí van a
responder a clase de vectores de entrada que, análogamente, se
encuentren cerca unos de otros. Los vectores de entrada de
muchas dimensiones representados sobre el mapa
53
AUTOMATAS PROGRAMABLES
bidimensional, de tal manera que se mantenga el orden natural de
los vectores de entrada. [3, 5, 9].
Estos mapas presentan la característica de organizar la
información de entrada, de entre un gran volumen de datos,
clasificándola automáticamente, esto permitirá visualizar
relaciones importantes entre datos. Este modelo es muy útil para
establecer relaciones desconocidas previamente Este modelo de
RNA es del tipo “aprendizaje autoorganizado” que como se
explicó con anterioridad es un proceso donde las neuronas
aprenden mediante la autoorganización. Durante el proceso de
aprendizaje, al ingresar un dato solo una neurona que tenga una
actividad positiva dentro de la vecindad será activada en la capa
de salida. La arquitectura SOM se ha extendido a infinidad de
aplicaciones, es por ello que este algoritmo y sus modelos se han
automatizado para dar vida a varios software como son el
Viscovery SOMine y el WEBSOM (7). Ambos son utilizados en
el análisis y filtrado de información, el Viscovery ha sido validado
tanto en estudios de mercado como análisis financiero o
proyecciones urbanísticas. Actualmente está incursionando en el
tratamiento de la información usando herramientas diseñadas por
la bibliometría
54
AUTOMATAS PROGRAMABLES
5.1 Los mapas autoorganizados aplicados a la
Bibliometría.
La Bibliometría es una disciplina que estudia los aspectos
cuantitativos de la información registrada, para ello se han
creado una serie de modelos estadísticos que aportan
datos numéricos sobre el comportamiento de la actividad
científica. También se han adaptado modelos de otras
disciplinas para facilitar los análisis y representar los
resultados desarrollados a partir de la Bibliometría. Los
mapas auto-organizados (SOM) o modelo de Kohonen
(basado en las RNA) es una de estas herramientas.
En los estudios métricos la aplicación de las redes
neuronales, y específicamente los SOM, están asociados
en lo fundamental con la clasificación de información, o
sea, la formación cluster y su representación en mapas
bidimensionales de conceptos y más específicamente con
el descubrimiento de información (data mining). Este último
vinculado con larecuperación de la información con "ruido"
e incompleta o con el tratamiento de información que
incluye diferentes tipos de datos (números, texto, registros
estructurados, etc.). Los SOM facilitan que el conocimiento
tácito se haga explícito, a partir de la extracción no-trivial
(apartir de los datos) de conocimientos implícitos
potencialmente útiles desconocidos previamente. Se
55
AUTOMATAS PROGRAMABLES
podrán encontrar patrones o estructuras en el conocimiento
tácito.
Las investigaciones bibliométricas, a través de la utilización
de las redes neuronales, incursionan en:
• La selección de variables,
• Clasificación de información o formación de cluster,
• Regresión,
• Relaciones entre variables,
• Cambios y desviaciones,
• Representación de las variables.
Lo anterior se puede ejemplificar a partir de algunas
aplicaciones prácticas relacionadas con la evaluación de
páginas web y trabajos relacionados con la clasificación de
revistas en un determinado campo temático [9]. Se
conocen, además, investigaciones relacionadas con la
minería de textos (text mining) sobre todo aplicado a la
asociación de palabras o co-word.
En todos estos ejemplos se utiliza como variante de las
RNA el modelo de los mapas autoorganizativos (self-
organizing map, SOM). En un análisis, realizado por los
autores sobre el tema, se examinaron cerca de 56
documentos sobre redes neuronales aplicadas al análisis
de información, con ello se constato que la mayoría
utilizaban el modelo SOM como herramienta de estudio.
56
AUTOMATAS PROGRAMABLES
Un ejemplo de SOM podría ser.el estudio de una temática
determinada, para este caso en un mapa cada documento
(artículo de revista, podría ser una patente, una tesis, etc.)
va a ocupar un lugar en el espacio, en función de su
contenido temático. Cada área del mapa va a reflejar un
contenido específico y los tópicos van variando levemente
a lo largo del mismo. Las diferentes tonalidades indican la
densidad de documentos, cuanto más oscura más
documentos se encuentran. Este uso frecuente de los SOM
quizás se deba a lo amigable de la interfaz de los mapas
para los usuarios finales y a la diversidad de sus utilidades
prácticas, estas representaciones son válidas para poder
identificar, además de los desarrollos temáticos antes
mencionados, relaciones entres áreas temáticas y
publicaciones, alianzas estratégicas y características de la
cooperación. Permite, también, visualizar los avances
tecnológicos que tienen lugar en un período, conocer la
evolución de una tecnología a través del tiempo e identificar
campos emergentes
En el acápite anterior se mencionó al Viscovery SOMine
como un software que ha automatizado el modelo SOM.
Este sistema es utilizado por un equipo de trabajo del
Instituto Finlay para elaborar mapas científico-tecnológicos.
La lógica de funcionamiento del Viscovery SOMine se
muestra en la siguiente Figura
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
6. APLICACIONES
Se estima que a pesar de las limitaciones técnicas, las redes
neuronales aplicadas a la Bibliometría constituyen un campo de
investigación muy prometedor. Un ejemplo es presentado a
continuación. La disciplina muldidisciplinar de las redes
neuronales es aplicada en esta sección, donde se asume a la
producción de los documentos de patentes como indicador de la
capacidad de desarrollo industrial. El objetivo es identificar
posibles competidores, alianzas estratégicas, dependencia
tecnológica, etc.
Se escogió para el primer ejemplo la representación de la
situación tecnológica de la Neisseria meningitidis.3
Las diferentes instituciones en la primera hoja de sus patentes
hacen referencias a otras patentes, a partir de estos datos se
puede inferir el impacto que produce una tecnología o institución
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
en otra. Con el objetivo de determinar la dependencia tecnológica
entre instituciones, se realizó un análisis de citas, estas formaron
los cluster que aparecen en la siguiente figura
El mapa tecnológico presentado en la figura anterior representa a
tres cluster: cluster 1 formado solamente por la Merck & Co., un
cluster 2 formado únicamente por el National Res. Council of
Canada y el cluster 3 que incluye al resto de las instituciones.
Este último grupo está formado por una gran cantidad de
instituciones que tienen igual estrategia de citación, sobre todo las
representadas con colores más claros y sin límites de separación.
Se presupone que estas firmas se basan para su desarrollo en su
propia base tecnológica, pues citan poco a otras instituciones. El
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
cluster 2 evidencia un alto nivel de autocitación, cuando esto
sucede, algunos investigadores en el tema señalan que
probablemente esta institución tenga un nicho de protección
cerrada sobre un espacio tecnológico. Puede estar ocurriendo
que exista una patente importante, la cual se ha rodeado de
invenciones mejoradas. El cluster formado por la Merck & Co.
indica un mayor nivel de citación, esto presupone una estrategia
balanceada: absorbe tecnología externa y produce tecnología
propia. La cercanía de los cluster también es una evidencia sobre
las instituciones que tienen estrategias parecidas a la de otras. La
Rockefeller University hace frontera con el cluster que incluye a
North American Vaccine, y el National Res. Council de Canada;
estas instituciones forman un colegio tecnológico invisible que
basa sus desarrollos en la misma innovación tecnológica.
Otro ejemplo
Otra aplicación se presenta en un campo diferente del
conocimiento: la agricultura. En este ejemplo no solo se tomó
como elemento de entrada la producción documental de
determinados países, también se consideraron otros tipos de
variables como "gastos en I+D" en cada uno de los países
analizados, "personal dedicado a actividades de I+D", etc.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
en la figura anterior se presenta un mapa auto-organizado sobre
la actividad en ciencia agrícola en América Latina y el Caribe (se
seleccionaron algunos países según los datos disponibles). Con
ello se pretende lograr una representación de la región, teniendo
en cuenta los indicadores de insumo y de resultados más
significativos. En la figura aparecen, en dos dimensiones, 22
países. La semejanza de los países, considerando de forma
simultánea los 20 indicadores, se expresa mediante la cercanía
de estos en el mapa. Los 22 países se agrupan (autorganizan) en
3 clusters o grupos: El cluster C1, que aparece en la esquina
inferior izquierda, es seguido por una banda de 4 países
correspondientes al cluster C2 (Cuba, Colombia, Chile y
Venezuela) y otro cluster (C3) con el resto de los países.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
En el ámbito regional e internacional hay un grupo de países
formado por Brasil, México y Argentina que tienen una
investigación en la temática con mayor solidez y con parecidos
niveles de desarrollo. Esto coincide con los países que presentan
mayor nivel regional en el desarrollo agrícola.
7. CONSIDERACIONES FINALES
Ante los ejemplos expuestos, se hace evidente que las redes
neuronales artificiales, específicamente las basadas en el modelo
Kohonen, pueden ser aplicadas como una herramienta de análisis
con múltiples propósitos. Existen experiencias prácticas sobre
estudios de mercado, análisis financieros, líneas de procesos
industriales, control de la calidad y sistemas de vigilancia
tecnológica. Existen análisis macro-económicos, por ejemplo,
para representar datos coleccionados durante un período de 20
años sobre un país determinado, el Viscovery SOMine genera
un mapa en el cual se representan el conjunto de los datos. Los
cluster representan, entre otros resultados, las diferentes fases
económicas durante ese período de tiempo. El vínculo de la
Bibliometría con las redes neuronales se muestra muy fructífero.
Esta herramienta de análisis debe ser estudiada no solo por la
Bibliometría, sino también por otras disciplinas, las cuales pueden
potenciar con ella su propio desarrollo.
El programa Viscovery SOMine se adjuntara en un CD junto con
toda la información sobre la investigación.
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AUTOMATAS PROGRAMABLES
8. BIBLIOGRAFIA
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technology: technical for business. Ashton, B., Klavans, R.A.
Ohio: Battelle Memorial Institute, 1997, 557 p.
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1993; 306 p.
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artificiales: fundamentos, modelos y aplicaciones. Madrid, RA-MA,
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