Introducción a la Automatización Industrial

Presentación

Una línea de producción moderna puede armar, probar y empacar miles de piezas por hora con muy pocas personas en el piso. Detrás de esa capacidad no hay una sola tecnología, sino varias trabajando juntas: sensores que detectan y miden, cilindros y motores que mueven, un controlador que ejecuta la lógica y una red que lleva los datos a las pantallas del operador y a los sistemas de la empresa. Ese conjunto es lo que llamamos automatización industrial.

Para un ingeniero en Electrónica, la automatización es un terreno natural: buena parte de ella son circuitos, señales, lógica y programación. Pero también exige entender tecnologías que no siempre se ven en la carrera, como la neumática y la hidráulica, y una forma de trabajar propia de la planta: los equipos deben operar años sin detenerse, en ambientes con ruido eléctrico, polvo y vibración, y sin poner en riesgo a las personas.

Este tema no pretende profundizar en cada tecnología. Su propósito es construir el mapa completo: qué hace cada bloque de un sistema automatizado, cómo se conecta con los demás y qué criterios de ingeniería guían su selección.

Convenciones del texto

• Términos en inglés: se indican en cursiva la primera vez que aparecen, porque son los que encontrará en catálogos, hojas de datos y software de programación. El glosario al final reúne ambos idiomas.
• Unidades: se usa el Sistema Internacional. La presión se expresa en bar porque es la unidad de los manómetros y catálogos de neumática e hidráulica (1 bar = 10⁵ Pa ≈ 14.5 psi).
• Recuadros: Ejemplo para cálculos resueltos, En el banco de pruebas para verificaciones prácticas y Error frecuente para fallas típicas en campo.

¿Qué es la automatización?

La automatización es la transferencia de tareas de producción, que habitualmente realizan operadores humanos, a un conjunto de elementos tecnológicos capaces de ejecutarlas por sí mismos. Esas tareas pueden ser físicas (mover, sujetar, ensamblar, dosificar), de medición (detectar, inspeccionar, probar) o de decisión (cuándo arrancar, qué hacer ante una falla, cómo ajustar una variable).

La palabra clave es por sí mismos: un sistema automatizado mide el estado del proceso, decide qué hacer según una lógica establecida y actúa, sin que una persona intervenga en cada ciclo. La persona no desaparece; su papel cambia de ejecutar a supervisar, ajustar y mantener.

Objetivos de la automatización

Una empresa decide automatizar un proceso cuando busca uno o varios de los siguientes resultados:

• Productividad y calidad: reducir el costo por pieza y la variabilidad del producto. Una máquina repite el mismo movimiento con la misma fuerza y el mismo tiempo en cada ciclo.
• Condiciones de trabajo y seguridad: eliminar tareas pesadas, repetitivas o peligrosas (cargas, temperaturas, sustancias tóxicas, zonas de atrapamiento).
• Operaciones imposibles de hacer a mano: tareas demasiado rápidas, precisas o complejas para controlarse manual o intelectualmente, como regular la presión de un reactor o posicionar un eje con resolución de micras.
• Disponibilidad del producto: producir las cantidades necesarias en el momento preciso y responder rápido a cambios en la demanda.
• Mantenimiento más sencillo: diagnóstico automático de fallas, de modo que el operario no requiera grandes conocimientos para operar y recuperar el proceso.
• Integración de la gestión y la producción: que los datos del piso (producción, paros, calidad) lleguen en tiempo real a los sistemas administrativos de la empresa.
• Trazabilidad: registrar qué se hizo a cada pieza, con qué parámetros y cuándo. En industrias reguladas, como la automotriz, la médica o la farmacéutica, es un requisito.

Estructura de un sistema automatizado

Todo sistema automatizado, desde una puerta de garaje hasta una planta química, se puede dividir en dos partes principales (Figura 1):

• Parte operativa: es la parte que actúa directamente sobre la máquina o el proceso. La forman los accionadores (motores, cilindros, resistencias calefactoras), los preaccionadores que les entregan la energía (contactores, electroválvulas, variadores de frecuencia) y los captadores que informan el estado del proceso (detectores de proximidad, finales de carrera, fotoceldas, transmisores de presión o temperatura).
• Parte de mando: es la que decide. Recibe la información de los captadores, la procesa según un programa y envía órdenes a los preaccionadores. Hoy suele ser un autómata programable (PLC) u otro controlador digital; hasta hace algunas décadas se construía con relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos.

En un sistema de fabricación automatizado, el controlador está en el centro: debe comunicarse con todos los elementos del sistema, incluidos el operador (mediante una interfaz hombre-máquina, HMI) y los demás controladores de la planta.

Dos tipos de energía

Una distinción práctica es la del nivel de energía. La parte de mando trabaja con señales de baja potencia (24 V CC y unos cuantos miliamperes), mientras que la parte operativa maneja potencia: motores trifásicos de kilowatts, aire comprimido a 6 bar o aceite a 200 bar. Los preaccionadores son la frontera entre ambos mundos: una bobina de 24 V y 2 W en un contactor puede conectar un motor de 30 kW.

Clasificación de la automatización

Por la tecnología de la parte de mando

Tabla 1. Lógica cableada frente a lógica programada.

Por su flexibilidad

Tabla 2. Tipos de automatización según su flexibilidad.

Por el tipo de proceso

• Manufactura discreta: produce piezas contables (autos, tarjetas electrónicas, electrodomésticos). Predominan las secuencias, las señales on/off y el control de movimiento. Es el terreno clásico del PLC.
• Procesos continuos: el producto fluye sin interrupción (refinación, generación eléctrica, tratamiento de agua). Predominan las variables analógicas y los lazos de regulación. Es el terreno clásico del DCS.
• Procesos por lotes (batch): se producen cantidades definidas siguiendo una receta (alimentos, farmacéutica, química fina). Combinan secuencias y regulación; la norma ISA-88 define su estructura.

Niveles de automatización

En una planta, los equipos se organizan en niveles jerárquicos según su función y su escala de tiempo. El modelo más usado es la pirámide de automatización, formalizada en la norma ISA-95 (adoptada internacionalmente como IEC 62264), que define cómo se integran los sistemas de control con los sistemas de la empresa (Figura 2).

• Nivel 0, campo: el proceso físico con sus sensores y actuadores.
• Nivel 1, control: controladores que leen sensores y actúan en milisegundos: PLC, PAC, DCS, variadores, controladores de robot.
• Nivel 2, supervisión: visualización y operación del proceso: HMI, SCADA, alarmas e historiadores de datos.
• Nivel 3, gestión de manufactura: el MES (Manufacturing Execution System) administra órdenes de producción, calidad, trazabilidad e indicadores como el OEE.
• Nivel 4, empresa: el ERP (Enterprise Resource Planning) maneja la planeación, el inventario, las compras y las ventas.

Este tema se concentra en los niveles 0, 1 y 2, que son el terreno del ingeniero de automatización. Los niveles 3 y 4 pertenecen más a la ingeniería industrial y a las tecnologías de información, aunque la frontera es cada vez más difusa (sección 16).

Sensores y transmisores

Los sensores (en la terminología clásica, captadores) son los ojos del sistema. Se dividen en dos grandes grupos según la señal que entregan: discretos (encendido/apagado) y analógicos (un valor proporcional a la variable medida).

Sensores discretos

Tabla 3. Sensores discretos más comunes. El alcance real depende del modelo, del tamaño y del material del objeto; consulte siempre la hoja de datos.

Los sensores electrónicos de tres hilos tienen una salida de transistor que puede ser de dos tipos (Figura 3):

• PNP (sourcing, "fuente"): al detectar, conecta la salida a +24 V. Se conecta a entradas de PLC tipo sink, cuyo común va a 0 V. Es el estándar en Europa y en gran parte de América.
• NPN (sinking, "sumidero"): al detectar, conecta la salida a 0 V. Se conecta a entradas tipo source, cuyo común va a +24 V. Es común en equipo de origen asiático.

Sensores y transmisores analógicos

Para medir una variable continua (presión, temperatura, nivel, flujo, posición) se usa un transmisor: un sensor más un circuito que convierte la medición en una señal estándar. La más usada en la industria es el lazo de corriente de 4–20 mA, por tres razones de ingeniería:

1. Inmunidad al ruido y a la distancia: la corriente es la misma en todo el lazo, sin importar la resistencia del cable. Una señal de voltaje, en cambio, pierde exactitud con la caída en los conductores.
2. Cero vivo (live zero): el 0 % de la variable corresponde a 4 mA, no a 0 mA. Un cable abierto da 0 mA y se distingue de inmediato de una medición válida.
3. Alimentación por el mismo par: los transmisores de dos hilos toman su energía de los 4 mA mínimos del propio lazo.

La recomendación NAMUR NE 43 fija las zonas de falla: una corriente menor a 3.6 mA o mayor a 21 mA indica un transmisor dañado o un lazo abierto. La conversión de corriente a unidades de ingeniería es lineal:

Otras señales analógicas frecuentes son 0–10 V (sencilla, pero sensible a caídas y ruido en distancias largas), los RTD como el Pt100 (resistencia de platino de 100 Ω a 0 °C, exacta y estable) y los termopares (tipo J, K, etc.), que generan unos cuantos milivolts y cubren temperaturas muy altas. Para estos dos últimos existen módulos de entrada dedicados, o bien transmisores que convierten la lectura a 4–20 mA.

Actuadores eléctricos

Los actuadores convierten una señal de mando en una acción física. Los eléctricos son los más comunes, y casi siempre necesitan un preaccionador entre el controlador y la carga.

• Relés y contactores: interruptores accionados por una bobina. El relé conmuta cargas pequeñas; el contactor, motores y cargas de potencia. Junto con el relevador de sobrecarga (térmico o electrónico), que protege al motor contra sobrecorriente sostenida, forman el arrancador directo clásico.
• Motores de inducción trifásicos: el caballo de batalla de la industria: robustos, baratos y sin escobillas. Su velocidad depende de la frecuencia de alimentación y del número de polos.
• Variadores de frecuencia (VFD, variable frequency drive): rectifican la línea y generan, mediante PWM, una tensión trifásica de frecuencia y amplitud variables. Permiten ajustar la velocidad, arrancar suavemente y ahorrar energía en bombas y ventiladores.
• Servomotores y motores a pasos: para posicionamiento. El servomotor trabaja en lazo cerrado con un encoder y su servoamplificador (servo drive); el motor a pasos suele operar en lazo abierto y es más económico para cargas ligeras.
• Válvulas solenoides, resistencias calefactoras y relés de estado sólido (SSR) para control de temperatura por ciclo de trabajo.

La velocidad síncrona de un motor de inducción es:

donde f es la frecuencia en Hz y p el número de polos. El rotor gira un poco más lento que el campo; la diferencia relativa se llama deslizamiento y suele ser de 1 a 5 % a carga nominal.

Neumática

La neumática usa aire comprimido para generar movimiento. Es la tecnología de actuación lineal más común en la manufactura discreta: sujetar, empujar, levantar, expulsar, cortar o transferir piezas. Sus ventajas son la rapidez, el bajo costo, la limpieza y la tolerancia a sobrecargas (un cilindro bloqueado simplemente se detiene); su principal limitación es que el aire es compresible, por lo que es difícil detener un cilindro con precisión en una posición intermedia.

Componentes de un sistema neumático

1. Generación: compresor, tanque de almacenamiento y secador. La red de planta suele distribuirse a 6–8 bar.
2. Preparación: unidad FRL (filtro, regulador y, cuando el equipo lo requiere, lubricador) a la entrada de cada máquina.
3. Distribución y mando: válvulas direccionales, que deciden hacia dónde va el aire. Se designan por dos números: vías (puertos) / posiciones. Una válvula 5/2 tiene 5 puertos y 2 posiciones.
4. Actuación: cilindros de simple efecto (avanzan con aire y regresan por resorte), de doble efecto (aire en ambos sentidos), actuadores giratorios, pinzas y ventosas de vacío.
5. Regulación: válvulas reguladoras de caudal (controlan la velocidad del cilindro) y reguladores de presión (controlan la fuerza).

La fuerza teórica de un cilindro es el producto de la presión por el área efectiva:

donde D es el diámetro del émbolo y d el del vástago. En retroceso la fuerza es menor porque el vástago ocupa parte del área. En la práctica se aplica un factor de 0.7 a 0.9 por fricción y por la diferencia entre presión de red y presión real en el cilindro.

Electroneumática

En la neumática pura, la lógica también se construye con aire: válvulas accionadas por pulsadores, rodillos o señales neumáticas. La electroneumática reemplaza esa lógica por control eléctrico: las válvulas se accionan con solenoides y la posición de los cilindros se detecta con sensores eléctricos. Así, la neumática conserva la potencia y la lógica pasa a relés o, lo más común hoy, a un PLC (Figura 6).

Válvulas monoestables y biestables

• Monoestable (solenoide y resorte): regresa a su posición de reposo si se pierde la señal. Si se corta la energía, el cilindro vuelve a un estado conocido.
• Biestable (dos solenoides, sin resorte): conserva la última posición aunque se pierda la señal. Funciona como una memoria y se usa cuando un movimiento no debe revertirse ante un corte de energía, por ejemplo una pinza que sostiene una pieza.

La elección entre ambas no es de comodidad, sino de seguridad: hay que analizar qué movimiento ocurre en cada cilindro cuando se pierde la energía eléctrica o neumática.

Secuencias y diagrama espacio-fase

Los ciclos de máquina se describen con una notación compacta: cada cilindro se nombra con una letra, "+" significa avance y "−" retroceso. Por ejemplo, A+ B+ A− B− describe un ciclo de sujetar y estampar: A sujeta la pieza, B estampa, A suelta y B regresa. Cada paso inicia cuando el sensor correspondiente confirma que terminó el anterior (Figura 7).

Las secuencias en las que un cilindro debe avanzar y retroceder mientras otro permanece quieto generan señales en conflicto si se usan válvulas monoestables sin memoria. Para resolverlo existen métodos sistemáticos (cascada, paso a paso) en lógica cableada; en un PLC, el problema se resuelve con una máquina de estados o con el lenguaje SFC (sección 11).

Hidráulica y electrohidráulica

La hidráulica usa aceite a presión. Como el aceite es prácticamente incompresible y se trabaja a presiones de 100 a 350 bar (contra 6 a 8 bar de la neumática), un cilindro hidráulico pequeño desarrolla fuerzas enormes y puede detenerse con precisión en cualquier posición. Por eso domina en prensas, inyectoras de plástico, maquinaria de construcción, elevadores y bancos de prueba de alta carga.

Además de la fuerza (ecuación 3), en hidráulica interesan la velocidad del cilindro y la potencia que exige a la bomba:

Electrohidráulica

Igual que en neumática, las válvulas hidráulicas se accionan con solenoides desde el PLC. La diferencia está en las válvulas proporcionales y las servoválvulas, que reciben una señal analógica (±10 V o 4–20 mA) y abren de forma proporcional. Con un sensor de posición o de presión en lazo cerrado permiten controlar posición, velocidad o fuerza con alta precisión; son la base de las prensas servohidráulicas y de los simuladores de esfuerzo.

Comparación de tecnologías de actuación

Tabla 4. Comparación cualitativa de las tres tecnologías de actuación.

El controlador lógico programable (PLC)

Un autómata programable industrial (API) o controlador lógico programable (PLC, programmable logic controller) es un equipo electrónico programable, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente industrial procesos secuenciales y continuos. Trabaja con la información que recibe de los captadores y con su programa interno, y actúa sobre los accionadores de la instalación.

Lo que distingue a un PLC de una computadora o de un microcontrolador no es su capacidad de cálculo, sino su diseño para la planta:

• Robustez: opera de 0 a 55 °C o más, con vibración, ruido eléctrico y fuentes de 24 V CC "sucias". La norma IEC 61131-2 define sus requisitos de hardware y de pruebas.
• Entradas y salidas industriales: acepta directamente señales de 24 V, 4–20 mA o termopares, con aislamiento y protecciones.
• Ejecución determinista y cíclica: repite su programa en un ciclo de tiempo acotado y predecible.
• Programación orientada al técnico: lenguajes gráficos como el diagrama de escalera, heredados de los esquemas de relés.
• Modularidad y vida larga: se amplía agregando módulos y se fabrica y soporta durante décadas.

Arquitectura

• CPU: ejecuta el programa y administra la comunicación. Su memoria se divide en memoria de programa, memoria de datos (variables, temporizadores, contadores) y la imagen de proceso, una copia del estado de entradas y salidas.
• Módulos de entrada: digitales (generalmente de 24 V CC), analógicos (4–20 mA, 0–10 V, RTD, termopar) y especiales, como los contadores rápidos para encoders.
• Módulos de salida: de relé (cualquier voltaje, pero lentos y con desgaste mecánico), de transistor (rápidos, solo CC) o de triac (CA), además de analógicos y de tren de pulsos para motores a pasos y servos.
• Fuente de alimentación y módulos de comunicación.

Ciclo de scan

Un PLC no ejecuta su programa una sola vez: lo repite de forma indefinida en un ciclo de scan (Figura 10):

1. Lee todas las entradas y guarda su estado en la imagen de entradas.
2. Ejecuta el programa de principio a fin usando esa imagen, que no cambia durante el ciclo.
3. Copia la imagen de salidas a las salidas físicas.
4. Atiende comunicaciones y diagnóstico, y vuelve a empezar.

El tiempo de un ciclo completo, T_scan, va de menos de 1 ms a decenas de milisegundos según el tamaño del programa y la CPU. Trabajar sobre una imagen congelada garantiza que todas las instrucciones del programa vean un estado coherente de las entradas.

Funciones del PLC

Las funciones básicas de un PLC son:

• Detección: leer las señales de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.
• Mando: elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
• Diálogo hombre-máquina: recibir las consignas de los operarios e informarles el estado del proceso.
• Programación: permitir introducir, modificar y depurar el programa de aplicación, incluso con el autómata controlando la máquina (modificación en línea).

Con la evolución de la tecnología se sumaron funciones avanzadas que hoy son estándar:

• Redes de comunicación: intercambio de datos en tiempo real entre PLC y con otros equipos, en ciclos de pocos milisegundos.
• Sistemas de supervisión: comunicación con computadoras que ejecutan software SCADA o HMI.
• Control de procesos continuos: módulos analógicos y bloques PID para regular temperatura, presión, nivel o flujo.
• Entradas y salidas distribuidas: los módulos de E/S no tienen que estar en el gabinete del PLC; pueden instalarse cerca de la máquina y comunicarse con la CPU mediante un cable de red.
• Buses de campo: un solo cable de comunicación conecta sensores y actuadores, en lugar de un par de hilos por señal.
• Control de movimiento, seguridad integrada y servidor web en los modelos de gama media y alta.

Ventajas y limitaciones frente a la lógica cableada

Tabla 5. Ventajas y limitaciones del PLC.

Campos de aplicación

El PLC se usa en cualquier instalación que requiera maniobra, control, señalización o supervisión. Es especialmente eficaz cuando hay espacio reducido, procesos que cambian periódicamente, secuencias, maquinaria con procesos variables o instalaciones grandes y complejas. Algunos ejemplos:

• Maniobra de máquinas: inyectoras de plástico, máquinas transfer, empacadoras, máquinas herramienta, estaciones de prueba funcional.
• Manejo de materiales: transportadores, almacenes automáticos, paletizadores, clasificadores.
• Instalaciones: climatización (HVAC), bombeo de agua, iluminación, subestaciones.
• Procesos: dosificación, mezclado, hornos, tratamiento de agua.
• Señalización y supervisión: reporte del estado de procesos, conteo de producción y registro de fallas.

Fabricantes y familias representativas

Tabla 6. Fabricantes y familias representativas de PLC. Antes de iniciar un diseño, verifique en el sitio del fabricante el estado del ciclo de vida de cada producto.

Programación del PLC: IEC 61131-3

La norma IEC 61131-3 define la sintaxis y la semántica de los lenguajes de programación de PLC. Su primera edición es de 1993; la edición vigente, la cuarta, se publicó en mayo de 2025. Aunque cada fabricante tiene su propio software y sus extensiones, los lenguajes son reconocibles en todos.

Tabla 7. Lenguajes de la norma IEC 61131-3.

El diagrama de escalera

El diagrama de escalera se lee como un circuito: dos rieles verticales (alimentación a la izquierda, retorno a la derecha) y "peldaños" horizontales con contactos y bobinas. Un contacto normalmente abierto (–| |–) "conduce" cuando la variable asociada vale 1; uno normalmente cerrado (–|/|–), cuando vale 0. La bobina (–( )–) escribe el resultado del peldaño en una variable o salida.

Este circuito de enclavamiento (latch o seal-in) es probablemente la estructura más común en la automatización discreta: es la versión programada del arrancador de motor con contactor que se ha usado durante un siglo. El mismo peldaño se escribe en texto estructurado así:

Texto estructurado (ST)

MOTOR := (START OR MOTOR) AND STOP_OK AND OL_OK;   (* STOP_OK, OL_OK = 1 mientras el contacto físico NC esté cerrado *)

Buenas prácticas desde el primer programa

• Use nombres simbólicos (Motor_Banda1, Sensor_PiezaPresente) en lugar de direcciones (%Q0.0, %I0.3).
• Comente cada peldaño o bloque con su intención, no con lo que ya dice el código.
• Separe la lógica en bloques reutilizables: un bloque de función para un cilindro, otro para un motor.
• Programe las secuencias como máquinas de estados (o en SFC), no como una cadena de enclavamientos sueltos.
• Mantenga respaldos con control de versiones y compare el programa del equipo con el respaldo antes de cada modificación.

Otros controladores

El PLC es el controlador más común, pero no el único. La elección depende del tamaño del sistema, del tipo de proceso y de la integración que se necesite.

Tabla 8. Controladores usados en automatización.

Las fronteras entre categorías son cada vez más difusas: muchos PLC actuales ofrecen funciones de PAC, y los DCS modernos integran controladores con capacidades de PLC. Más que la etiqueta, importan los requisitos: número y tipo de E/S, tiempo de ciclo, redundancia, certificaciones de seguridad, protocolos y el soporte disponible en la región.

Control de lazo cerrado y PID

Hasta aquí, casi todo ha sido control secuencial: si ocurre A, hacer B. En los procesos continuos el problema es distinto: mantener una variable (temperatura, presión, nivel, velocidad) en un valor deseado a pesar de las perturbaciones. Para eso se usa el control de lazo cerrado (Figura 12).

El algoritmo más usado en la industria es el PID (proporcional, integral, derivativo). En su forma estándar o ideal:

• Proporcional (K_p): actúa en proporción al error actual. Por sí solo deja un error permanente (offset) en procesos que no tienen integración propia.
• Integral (T_i): acumula el error en el tiempo y sigue corrigiendo hasta eliminarlo.
• Derivativo (T_d): reacciona a la velocidad de cambio del error y amortigua la respuesta. Es sensible al ruido, por lo que en muchos lazos industriales se usa poco o nada.

Para un proceso de primer orden con ganancia K y control solo proporcional, el error en estado estacionario ante un escalón unitario de referencia es:

Los PLC incluyen bloques PID listos para usar, con funciones de autoajuste, límites de salida, transferencia sin salto entre modo manual y automático, y protección contra la saturación del integrador (anti-windup). El ajuste (tuning) de los parámetros, los métodos de sintonía y las estructuras avanzadas, como cascada y prealimentación, quedan fuera del alcance de este tema.

HMI, SCADA y redes industriales

Interfaz hombre-máquina y supervisión

• HMI (Human-Machine Interface): pantalla, normalmente táctil, junto a la máquina. Muestra el estado del proceso, permite cambiar parámetros, operar en modo manual y atender alarmas.
• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): software de supervisión que recopila datos de muchos controladores, presenta pantallas de toda la planta o de instalaciones distribuidas geográficamente, administra alarmas y guarda el historial en un historiador de datos.

Un buen diseño de pantallas no busca verse espectacular, sino que el operador detecte una condición anormal de un vistazo. La guía ISA-101 recomienda fondos neutros y reservar el color para las alarmas y los estados anormales.

Redes industriales

Las redes industriales reemplazan miles de hilos individuales y permiten diagnóstico remoto. A diferencia de una red de oficina, deben ser deterministas: los datos de control tienen que llegar en un tiempo acotado, ciclo tras ciclo (Figura 14).

Tabla 9. Redes y protocolos industriales frecuentes.

Seguridad funcional y ciberseguridad

Seguridad funcional

Una máquina automatizada puede atrapar, cortar o aplastar. La seguridad funcional se ocupa de que las funciones que protegen a las personas (paro de emergencia, cortinas de luz, puertas con enclavamiento, control a dos manos) funcionen correctamente aun cuando algo falle. Sus principios básicos son:

• Partir siempre de una evaluación de riesgos (ISO 12100). La primera medida es eliminar el peligro por diseño; las protecciones y los avisos vienen después.
• Implementar las funciones de seguridad con componentes y controladores certificados: relevadores de seguridad o PLC de seguridad, con canales redundantes y autodiagnóstico.
• Dimensionar la confiabilidad de cada función según el riesgo. La norma ISO 13849-1 (edición vigente de 2023) la expresa en niveles de desempeño (PL, Performance Level) de "a" a "e"; la IEC 62061 y la familia IEC 61508 usan niveles de integridad (SIL).

Ciberseguridad industrial

Al conectar los controladores a la red de la empresa y a internet aparece un riesgo que no existía en la era de los relés. La serie IEC 62443 define cómo proteger los sistemas de automatización y control industrial: segmentar la red en zonas y conductos, restringir el acceso remoto, administrar contraseñas y actualizaciones, desactivar servicios que no se usan y mantener respaldos verificados de los programas.

Historia y tendencias

Del relé al PLC

Hasta finales de los años sesenta, la lógica de las máquinas se construía con gabinetes enteros de relés. Cada cambio de modelo en una línea automotriz exigía recablear y documentar de nuevo cientos de circuitos. En 1968, la división Hydra-Matic de General Motors solicitó a la industria un controlador electrónico reprogramable que sustituyera esos tableros. Entre las propuestas destacó la de Bedford Associates, encabezada por Richard (Dick) Morley, que había esbozado el concepto el 1 de enero de ese año. Su controlador se llamó 084 por ser el proyecto número 84 de la empresa, que fundó una nueva compañía para fabricarlo: Modicon (MOdular DIgital CONtroller). El primer 084 se entregó en 1969.

El éxito comercial llegó en 1973 con el Modicon 184. Durante los años setenta entraron al mercado Allen-Bradley, General Electric, Square D, Omron y Siemens, entre otros. La norma IEC 61131-3 unificó los lenguajes de programación en 1993.

Tendencias actuales

• Industria 4.0 e IIoT: sensores y controladores conectados que envían datos a plataformas de análisis. El objetivo es pasar del mantenimiento correctivo al predictivo, basado en el estado real de los equipos.
• Gemelo digital (digital twin): modelo virtual de la máquina que permite probar el programa del PLC antes de que exista el equipo (puesta en marcha virtual).
• Convergencia IT/OT: los mundos de la informática y de la operación se integran mediante OPC UA, MQTT y arquitecturas como la ISA-95 extendida.
• Robots colaborativos (cobots): robots diseñados para trabajar junto a personas con límites de fuerza y velocidad.
• Visión artificial e inteligencia artificial para inspección de calidad y clasificación.
• Control virtualizado y definido por software: PLC que corren como software en servidores o en equipos de borde (edge).
• Electrificación: sustitución de actuadores neumáticos por eléctricos donde la eficiencia energética o el posicionamiento lo justifican.

Resumen

• La automatización transfiere tareas de producción a elementos tecnológicos. Un sistema automatizado tiene una parte operativa (captadores, preaccionadores, accionadores) y una parte de mando (el controlador).
• Se clasifica por tecnología (cableada o programada), por flexibilidad (fija, programable, flexible) y por tipo de proceso (discreto, continuo, por lotes).
• La pirámide ISA-95 organiza la planta en cinco niveles: campo, control, supervisión, MES y ERP.
• Los sensores discretos PNP y NPN deben coincidir con el tipo de entrada. El lazo de 4–20 mA es inmune a la caída en cables y detecta un lazo abierto gracias al cero vivo; PV = PV_mín + (I − 4)/16 · rango.
• Neumática: rápida, económica y limpia, pero de baja fuerza. Hidráulica: fuerza muy alta y buen posicionamiento. En ambas, F = p · A; en hidráulica, además, v = Q/A y P = p · Q/600.
• La electroneumática y la electrohidráulica llevan la lógica a relés o a un PLC; las secuencias se describen con la notación A+ B+ … y con diagramas espacio-fase.
• El PLC lee entradas, ejecuta el programa y escribe salidas en un ciclo de scan; su respuesta en el peor caso es ≈ 2 T_scan más los retardos de E/S.
• La norma IEC 61131-3 (4.ª edición, 2025) define los lenguajes LD, FBD, ST y SFC. Los paros se cablean NC para que una falla lleve a un estado seguro.
• El control PID regula variables continuas: P reacciona al error, I elimina el error permanente y D amortigua.
• HMI, SCADA, redes industriales, seguridad funcional y ciberseguridad completan el sistema.

Ejercicios

1. En una estación de prueba identifique los elementos de la parte operativa (captadores, preaccionadores, accionadores) y de la parte de mando: un PLC, una electroválvula 5/2, un cilindro que presiona la pieza contra el conector de prueba, un sensor inductivo de pieza presente, un contactor de la banda transportadora, el motor de la banda y una HMI.

   Ver solución

   Mando: PLC (y la HMI como interfaz del operador). Captadores: sensor inductivo. Preaccionadores: electroválvula 5/2 y contactor. Accionadores: cilindro y motor de la banda.

2. Un transmisor de temperatura de 0–150 °C entrega 9.6 mA. ¿Qué temperatura indica y qué voltaje aparece en una resistencia de 250 Ω? Si la lectura fuera 2.1 mA, ¿qué concluiría?

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   T = (9.6 − 4)/16 × 150 = 52.5 °C; V = 9.6 mA × 250 Ω = 2.4 V. Una lectura de 2.1 mA está por debajo de 3.6 mA: según NAMUR NE 43 indica una falla (lazo abierto, transmisor dañado o sin alimentación), no una temperatura negativa.

3. Un sensor inductivo enciende su LED al acercar un metal, pero la entrada del PLC no cambia. La tarjeta de entradas tiene su común conectado a 0 V. ¿Cuál es la causa más probable?

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   Una entrada con común a 0 V es tipo sink y necesita un sensor PNP. El sensor instalado probablemente es NPN: al detectar conecta su salida a 0 V, igual que el común, y no circula corriente por la entrada. Solución: cambiar el sensor por uno PNP o, si la tarjeta lo permite, conectar el común a +24 V.

4. Calcule la fuerza teórica de avance y de retroceso de un cilindro neumático de 63 mm de émbolo y 20 mm de vástago a 6 bar.

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   A_av = π(0.063)²/4 = 3.117 × 10⁻³ m² → F = 1 870 N. A_ret = π(0.063² − 0.020²)/4 = 2.803 × 10⁻³ m² → F = 1 682 N.

5. Una prensa hidráulica debe desarrollar 50 kN a 150 bar. ¿Qué diámetro mínimo de émbolo necesita? Si los diámetros comerciales disponibles son 63 mm y 80 mm, ¿cuál elegiría?

   Ver solución

   A = F/p = 50 000 / 15 × 10⁶ = 3.333 × 10⁻³ m² → D = √(4A/π) = 65.1 mm. Un cilindro de 63 mm solo da 46.8 kN, insuficiente; se elige el de 80 mm (75.4 kN), que además deja margen.

6. Para el cilindro de 80 mm del ejercicio anterior se requiere una velocidad de avance de 0.1 m/s. ¿Qué caudal debe entregar la bomba? ¿Qué potencia hidráulica se necesita a 150 bar? Si la eficiencia total de la bomba es 85 %, ¿qué potencia debe tener el motor?

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   Q = v · A = 0.1 × 5.027 × 10⁻³ = 5.03 × 10⁻⁴ m³/s = 30.2 L/min. P_hid = 150 × 30.2/600 = 7.5 kW. P_motor = 7.5/0.85 ≈ 8.9 kW; se seleccionaría el siguiente tamaño comercial (por ejemplo, 11 kW).

7. Dibuje el diagrama espacio-fase de la secuencia A+ B+ B− A− e indique qué sensor habilita cada paso. ¿Qué uso práctico podría tener?

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   A avanza (START); con a1, B avanza; con b1, B retrocede; con b0, A retrocede; a0 indica fin de ciclo. Ejemplo: A sujeta una pieza, B la perfora y retrocede, y A la libera. Observe que en el paso 3 B debe retroceder mientras A sigue extendido: con válvulas monoestables y lógica cableada simple aparecería un conflicto de señales, que en un PLC se resuelve con una máquina de estados.

8. Un PLC tiene T_scan = 8 ms, filtro de entrada de 5 ms y salidas de relé con 10 ms de retardo. ¿Cuál es su tiempo de respuesta en el peor caso? ¿Detectará con seguridad un pulso de 12 ms?

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   t_resp ≈ 5 + 2 × 8 + 10 = 31 ms. Para garantizar la detección, el pulso debe durar más de T_scan + t_filtro = 13 ms; un pulso de 12 ms puede perderse. Opciones: reducir el filtro de entrada, usar una entrada de interrupción o de contador rápido, o aumentar la duración de la señal (por ejemplo, con un sensor más ancho o una velocidad menor).

9. Un motor de inducción de 4 polos de 50 Hz se opera con variador a 35 Hz. ¿Cuál es su velocidad síncrona en cada caso?

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   A 50 Hz: 120 × 50/4 = 1 500 rpm. A 35 Hz: 120 × 35/4 = 1 050 rpm. La velocidad real será ligeramente menor por el deslizamiento.

10. Un proceso con ganancia K = 4 se controla solo con acción proporcional, K_p = 2. ¿Cuál es el error permanente ante un escalón de referencia? ¿Qué pasaría si se duplicara K_p, y por qué no es buena idea seguir aumentándola?

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    e_ss = 1/(1 + 2 × 4) = 1/9 ≈ 11.1 %. Con K_p = 4: 1/17 ≈ 5.9 %. El error baja pero nunca llega a cero, y una ganancia excesiva aumenta el sobrepaso y, con tiempo muerto, lleva el lazo a oscilar o a la inestabilidad. La forma correcta de eliminar el error es agregar acción integral.

11. Modifique el diagrama de escalera de la Figura 11 para agregar un segundo botón de paro en otra estación y una lámpara piloto que indique "motor en marcha".

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    El segundo paro (cableado NC) se agrega en serie con STOP e OL, leído con contacto NA: cualquiera de los dos detiene el motor. La lámpara se activa con un peldaño nuevo: contacto NA de MOTOR → bobina LAMPARA_MARCHA. Mejor aún: usar un contacto auxiliar del contactor como entrada de confirmación, para que la lámpara indique que el motor realmente arrancó y no solo que el PLC lo ordenó.

12. Elija el controlador más adecuado para cada caso y justifique: (a) control de nivel de una cisterna con dos bombas; (b) refinería con 2 000 lazos analógicos y requisitos de redundancia; (c) línea de ensamble con 6 estaciones, 3 robots y 400 E/S; (d) red de 40 pozos de agua distribuidos en una ciudad.

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    (a) Relé programable o PLC compacto: pocas E/S y lógica sencilla. (b) DCS: muchos lazos, redundancia e ingeniería integrada. (c) PLC modular o PAC con Ethernet industrial para coordinar estaciones y robots. (d) RTU (o PLC con comunicación remota) en cada pozo y un SCADA central.

Glosario ES / EN

Accionador actuator

Elemento que produce la acción física: motor, cilindro, resistencia.

Captador sensor

Elemento que informa al controlador sobre el estado del proceso.

Cero vivo live zero

Representar el 0 % de la variable con 4 mA para detectar un lazo abierto.

Ciclo de scan scan cycle

Lectura de entradas, ejecución del programa y escritura de salidas, repetidas en forma continua.

Cilindro de doble efecto double-acting cylinder

Cilindro que avanza y retrocede con fluido a presión.

Contactor contactor

Interruptor electromecánico para cargas de potencia, accionado por bobina.

Diagrama de escalera ladder diagram (LD)

Lenguaje gráfico de PLC basado en esquemas de relés.

Enclavamiento latch / seal-in

Circuito que mantiene una salida activa después de soltar el pulsador de arranque.

Entradas y salidas remotas remote I/O

Módulos de E/S instalados lejos de la CPU y conectados por red.

Imagen de proceso process image

Copia en memoria del estado de entradas y salidas usada durante un ciclo.

Interfaz hombre-máquina HMI

Pantalla de operación y monitoreo junto a la máquina.

Lazo cerrado closed loop

Control que corrige su salida a partir de la medición de la variable controlada.

Nivel de desempeño performance level (PL)

Medida de la confiabilidad de una función de seguridad según ISO 13849-1.

Preaccionador pre-actuator / final control element

Elemento que gobierna la energía del accionador: contactor, electroválvula, variador.

Referencia setpoint (SP)

Valor deseado de la variable controlada.

Relevador de sobrecarga overload relay (OL)

Protección del motor contra sobrecorriente sostenida.

Seguridad ante fallas fail-safe

Diseño en el que una falla lleva al sistema a un estado seguro.

Sensor de tres hilos PNP / NPN sourcing / sinking

Salida de transistor que conmuta a +24 V o a 0 V.

Servoválvula servo valve

Válvula de apertura proporcional y respuesta rápida para control en lazo cerrado.

Transmisor transmitter

Sensor con acondicionamiento que entrega una señal estándar (4–20 mA, 0–10 V).

Válvula direccional directional control valve

Válvula que dirige el fluido; se designa por vías/posiciones (5/2, 4/3).

Válvula de alivio relief valve

Válvula que limita la presión máxima de un circuito hidráulico.

Variable de proceso process variable (PV)

Valor medido de la variable controlada.

Variador de frecuencia variable frequency drive (VFD)

Convertidor que alimenta un motor de inducción con frecuencia y voltaje variables.

Bibliografía

Textos básicos

1. Petruzella, F. D. Programmable Logic Controllers, 6.ª ed. McGraw-Hill, 2022.
2. Bolton, W. Programmable Logic Controllers, 6.ª ed. Newnes, 2015.
3. Groover, M. P. Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing, 5.ª ed. Pearson, 2019.
4. Mandado Pérez, E., Marcos Acevedo, J., Fernández Silva, C., y Armesto Quiroga, J. I. Autómatas programables y sistemas de automatización, 2.ª ed. Marcombo, 2009.
5. Hughes, T. A. Measurement and Control Basics, 5.ª ed. ISA, 2015.

Neumática e hidráulica

1. Esposito, A. Fluid Power with Applications, 7.ª ed. Pearson, 2008.
2. Festo Didactic. Neumática: nivel básico y Electroneumática: nivel básico. Manuales de estudio, Festo.
3. Bosch Rexroth. Hydraulics: Basic Principles and Components (Hydraulics Trainer, vol. 1).

Normas citadas

1. IEC 61131-3:2025. Programmable controllers – Part 3: Programming languages, 4.ª ed.
2. IEC 61131-2. Programmable controllers – Part 2: Equipment requirements and tests.
3. IEC 62264 / ANSI/ISA-95. Enterprise-control system integration.
4. ISO 1219-1. Fluid power systems and components – Graphical symbols and circuit diagrams.
5. ISO 12100:2010. Safety of machinery – General principles for design – Risk assessment and risk reduction.
6. ISO 13849-1:2023. Safety of machinery – Safety-related parts of control systems – Part 1: General principles for design.
7. IEC 62443 (serie). Security for industrial automation and control systems.
8. NAMUR NE 43. Standardization of the signal level for the failure information of digital transmitters.

Historia y recursos en línea

1. Control Engineering. "How programmable logic controllers emerged from industry needs". controleng.com
2. Automation.com. "The Dawn of the Programmable Logic Controller (PLC)". automation.com
3. IEC. Catálogo de la norma IEC 61131-3:2025. webstore.iec.ch
4. PLCopen. Recursos sobre IEC 61131-3 y bloques de control de movimiento. plcopen.org