Download Tema 5 .- El Ordenador y los microprocesadores 1. Lógica cableada

CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
Tema 5 .- El Ordenador y los microprocesadores
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Lógica cableada y programada.
El Hardware y software.
Los microprocesadores.
Los microcontroladores.
La automatización.
Características de un robot.
1
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
1. Lógica cableada y programada.
La invención del microprocesador en el año 1970, provocó una autentica revolución en la
sociedad. El desarrollo rapidísimo de la microelectrónica y la integración de los circuitos, hace que
a nivel de producción, se produzca una disminución los costes de los materiales y de la mano de
obra. Las dos tecnología existentes en este campo son: la lógica cableada y la lógica programada.
•
•
La lógica cableada.- La lógica cableada utiliza un circuito específico para resolver la
aplicación para la que se destina. Es necesario construir un circuito para cada aplicación.
La lógica programada.- La máquina que tiene como base una lógica programada, posee una
estructura principal que es común a todas las aplicaciones y que puede realizar cualquier
operación básica, que se ordena mediante un conjunto de instrucciones que compone un
programa específico.
En el esquema siguiente se puede apreciar la diferencia entre estas dos tecnologías:
Como ejemplos más característicos se encuentran:
a. Memoria cableada.- Una calculadora. El programa que hay que realizar se establece por
los circuitos que la forman.
b. Memoria programada.- El ejemplo más característico es el ordenador. En este caso el
programa se introduce en la memoria.
2
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
Desde el punto de vista histórico, inicialmente surgieron las tecnologías cableadas,
utilizándose para ello maquinas neumáticas, hidráulicas o eléctricas (usando relés o puertas
lógicas).Los inconvenientes que presentan estos dispositivos son el de ocupar un gran espacio, poca
flexibilidad y no permiten algoritmos de control muy complicados.
Posteriormente aparecieron loa ordenadores, más versátiles, con mayor capacidad de realizar
algoritmos más complicados pero con la necesidad de la presencia de personal especializado. Los
equipos eran sumamente complejos. La aparición de los microprocesadores hizo que el volumen de
los ordenadores disminuyera considerablemente y la aparición de los SO permitió que personal no
especializado pudiese realizar programaciones.
En el año 1970 General Motors encargó el diseño de autómatas programables, es decir,
equipos electrónicos susceptibles de ser programados por personal no informático y diseñados para
trabajar en procesos industriales y realizar controles a tiempo real.
En el esquema que aparece a continuación, se aprecia las distintas tecnologías de
automatización existentes:
2. E El Hardware y el Software. Los elementos de un ordenador.
El hardware es la parte física del ordenador, sus circuitos electrónicos . Se define como el
conjunto de los componentes físicos del ordenador
El software es el conjunto de instrucciones o programas que debe ejecutar la máquina. El
software se divide en las siguientes categorías:
a. El software del sistema . Controla los trabajos del ordenador, los periféricos , guardar
archivos, abrir programas, etc. Se incluyen los Sistemas Operativos ; Windows, Mac Os, Linux,
3
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
etc .
b. El software de aplicación. Dirige una serie de tareas dentro de los ordenadores. Se pueden
citar el Office, el Open Office, el Lotus Word Pro, en donde se encuentran procesadores de texto,
hojas de cálculo, base de datos, procesamiento de imágenes, diseño fotográfico, dibujo técnico,
simuladores de circuitos, etc.
c. El software de red. Permite que los diferentes puestos o Host se comuniquen entre si y con
la red externa. Para conseguir esto, se utilizan una serie de códigos o protocolos (TCP-IP)
d. El software de programación. Se utiliza par la realización de programas. Permiten estos
programas realizar una secuencia de instrucciones que se deben de compilar y traducirlos por la
máquina. Entre estos se pueden citar al lenguaje Pascal, Fortram, Logo, Visual C++ y Visual
Basic.Para poder utilizarlos, se necesita cargar un programa para poder escribir las instrucciones,
que sean entendidas y ejecutadas.
Los circuitos electrónicos del Hardware comprenden y traducen las instrucciones enviadas
por el software y permiten el funcionamiento del mismo.
Un virus informático es un programa capaz de reproducirse realizando múltiples copias del
mismo e invadiendo el disco duro del ordenador, capaces de inactivar hasta sectores de arranque.
Un antivirus detecta y elimina el virus que pueda llegar al ordenador. El primer virus recibió el
nombre de Creeper (enredadera) y fue creado en el año 1972 por Morris , Se eliminó con un
antivirus que se le dio el nombre de Reaper ( segadora).
El esquema básico de un ordenador es el siguiente:
La CPU es la central de procesamiento (Central Processing Unit) . Es la que gobierna el
ordenador; es su cerebro. Se compones de las siguientes partes:
1. La Unidad de Control. Es la encargada de interpretar y ejecutar las instrucciones.
2. La ALU , la unidad aritmético-lógica (Arithmetic and Logic Unit) . Sirve para realizar
cálculos, comparaciones y tomar decisiones lógicas (permite determinar si una afirmación es
cierta o es falsa mediante las reglas del álgebra de Boole ). Permite sumar, complementar,
desplazar, etc, los datos que recibe.
3. Los registros de trabajo. Se almacena información de una forma temporal, realizan un
seguimiento de las instrucciones y conservar la ubicación y los resultados de las operaciones
efectuadas.
La memoria.- Permite almacenar datos y las instrucciones que deben de realizarse en cada
momento. La unidad básica de memoria es el bit ( 1 o 0) .
Las memorias pueden ser
1. RAM.- (Random Access Memory) .Es una memoria de acceso aleatorio, puede ser
leída o escrita.
2. ROM.- (Read Only Memory) . Es una memoria de lectura; una vez grabada esta
4
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
memoria, solamente se puede leer y no escribir . Algunas variaciones de este tipo de
memoria son:
a. Memoria PROM.- Es una memoria ROM programable por el usuario. El usuario lo
graba de acuerdo a su propio programa.
b. Memoria EPROM.- (Erasable PROM) . Son programas PROM borrables.
Las entradas y salidas.- Controlan los periféricos conectados al ordenador, así como el
intercambio de instrucciones con el exterior.
La CPU de una máquina programada ejecuta las instrucciones que le proporciona la
memoria y procesa los datos recibidos desde los módulos de entrada. Los resultados producidos se
envían al exterior mediante los periféricos de salida.
Para conectar estos elementos entre si, se utilizan los Bus, son líneas de conexión muy
finas .
3. Los microprocesadores.
Un microprocesador es Circuito Integrado (CI) , que posee los elementos necesarios que
constituyen la CPU. Los microprocesadores actuales lo forman circuitos muy integrados , teniendo
decenas de millones de transistores, teniendo además, resistores, condensadores o diodos.
El número de patillas pueden ser hasta 132, permitiendo conectarse con los distintos buses
del sistema . El microprocesador va insertado en un zócalo o socket, que normalmente es cerámico.
Al efectuarse una gran cantidad de operaciones simultáneamente, es necesario refrigerarlo, usando
ventiladores apropiados.
Además de la CPU, el ordenador debe de disponer de una memoria y de periféricos de
entrada y salida .
Las dos grandes empresas multinacionales encargadas de la fabricación de los
microprocesadores son Intel con el Core Duo y la casa AMD, con su micro Montreal y Cyrix
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Como aplicaciones de los microprocesadores caben destacar:
El control de procesos.
El control del funcionamiento de la máquina-herramienta.
El control de la fabricación y las normas de calidad.
El control del tráfico y los ascensores.
Las calculadoras de bolsillo.
Las calculadoras matemáticas.
Los electrodomésticos como son las lavadoras, las cocinas, los lavavajillas.
Las alarmas.
Los instrumentos de medida.
El control administrativo de la producción, como son los clientes, los stocks, los
proveedores, etc.
La realización de nóminas, seguros,etc.
El cerebro de los ordenadores personales.
5
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
4. Los microcontroladores.
Un microprocesador no es operativo por si mismo , ya que no posee grandes cantidades de
memoria ni es capaz de comunicarse con los periféricos de entrada ni de salida, si no es mediante
una serie de buses.
Un circuito integrado diferente es el microcontrolador . Este dispositivo es un ordenador
completo inserto en un único chip. El microcontrolador contiene, ademas de un microprocesador
básico, o CPU, las memorias y los módulos de entrada y salida.
Cuando el microcontrolador funciona correctamente, se graba en la memoria EPROM,
obteniéndose un chip que trabaja solo.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Los microconroladores se utilizan en los siguientes campos:
La industria del automóvil. En el caso de la inyección de los motores, los frenos ABS, las
suspensiones activas, centrales de alarma y supervisión.
En las comunicaciones. Se encargan de generar las normas o los protocolos necesarios para
establecer la comunicación entre las computadoras.
El control de periféricos. Controlan los dispositivos externos que se conectan al ordenador,
como son las impresoras , plotters, etc.
El control de los sistemas de instrumentación. Realizan el tratamiento previo de los datos
que se recogen en el proceso, dentro de los bucles de automatización.
El control industrial. Permite la supervisión de los motores asincronos , los reguladores de
corriente alterna ,etc.
Las centrales de alarma inteligentes. Permite la supervisión y el seguimiento de los
procesos.
Los videojuegos.
La ingeniería médica.
El control de los electrodomésticos.
5. La automatización.
Para fabricar un producto se puede llevar a cabo según los siguientes tres procedimientos:
a. Utilizando las herramientas manuales.
b. El mecanizado del sistema productivo.
c. La automatización del sistema productivo.
Existe mecanización cuando la máquina sustituye al trabajo directo de la persona . Si la
máquina es capaz de controlar las operaciones que efectúa, pudiendo corregir sus propios errores,
aparece el concepto de automatización.
Un autómata intenta utilizar la capacidad de las máquinas para llevar a cabo determinadas
tareas que anteriormente se han efectuado de forma personalizada, permitiendo controlar la
secuencia de las operaciones sin la intervención del ser humano.
Los sistemas automáticos permite, por ejemplo, controlar todo el sistema productivo de una
6
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
planta de montaje, traduciéndose en una mejora de la calidad del producto obtenido.
La aplicación de los sistemas automáticos a la industria ha permitido:
a. Aumentar las cantidades obtenidas de un producto, debido a la producción en serie y a las
cadenas de montaje.
b. Mejorar la calidad de los productos.
c. Reducir los costes de producción.
d. Conseguir la producción de productos que de otra forma no podrían conseguirse por otros
medios.
La automatización puede ser de dos tipos:
a. La automatización fija, cuando el volumen de producción es muy alto. Se emplea en la
industria del automóvil, en la mecanización de los motores del automóvil y en las
transmisiones. La inversión es elevada y no es rentable si el volumen de producción es
inferior al previsto.
b. Automatización flexible. Este tipo de automatización lo emplea las máquinas enlazadas
mediante un sistema automático de transporte y manejo de los materiales. La secuencia del
trabajo se encuentra dirigido y coordinado por un ordenador central . Una de las
características de este sistema es la flexibilidad pues permiten la fabricación de piezas que
guardan entre si escasa relación y se puede programar según sea la configuración del
producto final.
Actualmente, cualquier mecanismo, sistema o planta industrial, posee los siguientes
elementos:
a. Parte actuadora.- Es el sistema físico que realiza la acción. Lo forman los utillajes, los
moldes las herramientas, etc.
b. Parte de mando y control. Genera las órdenes necesarias para que la acción se lleve a
cabo. Se encuentra constituida por un autómata programable que controla la máquina y se relaciona
con el operario.
Se puede realizar con la lógica cableada a base de contactores y relés que se configuran una
vez que se conoce la tarea que se debe realizar . Si el mando es con lógica programable, se utiliza el
autómata programable.
Un autómata programable es un cerebro que es capaz de conocer el estado de unos sensores
o captadores y, según ellos y del programa de control, actúa sobre unas salidas o elementos
actuadores.
Un autómata programable se utiliza para un mando con lógica programable , conocido como
PLC ( o controlador lógico programable). El PLC, como parte inteligente de la instalación es capaz
de decidir sobre el estado de determinadas salidas en función del programa de control realizado por
el usuario.
Los componentes son:
La fuente de alimentación.
Las entradas y las salidas. Las entradas informan del estado de la instalación, o de una parte
de la misma, gracias a la presencia de unos captadores o sensores; se utilizan para estos
fines, finales de carrera, pulsadores, sensores de proximidad, etc. Las salidas son los
7
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
actuadores que mueven la instalación; es decir, cualquier elemento que modifique el estado
de la misma, como por ejemplo los relés, contactores, motores, bombas, etc.
Una memoria donde se programa lo que se debe ejecutar.
Un procesador, que organiza la ejecución del programa o CPU.
En el siguiente esquema se determinan las partes que forman el autómata y que se conectan
entre si por medio de un bus:
Los autómatas pueden ser de tipo modular y compactos.
a. De tipo modular.- El PLC se construye a medida como si fuesen piezas de un mecano,
uniendo los módulos de entrada y salida a la CPU seleccionada . El S7-300 o el S7-400 de Siemens
son ejemplos de equipos totalmente modulares.
b. De tipo de contacto.- Son equipos que además de la CPU, presentan en un mismo bastidor
ciertas señales de entrada o salida ya integradas. El S7-200 de Siemens es compacto, pues lleva
incluidas a bordo determinadas señales. Este equipo garantiza , además su adecuación a las señales
del usuario, ampliándose de forma modular.
Cuando se arranca un autómata, realiza un chequeo a todas las entradas y salidas para
comprobar si son correctas o no. Posteriormente chequea el bus y si todo es correcto ejecuta el
programa que se encuentra almacenado en la unidad de memoria. Los programas ejecutados deben
de ser programados en un determinado lenguaje. Cualquier cambio o ampliación en el programa, se
consigue modificando una serie de instrucciones, por lo que este responderá de una forma rápida y
simple.
Como ejemplo se puede citar que el software de programación SIMATIC S5 permite el
manejo de los autómatas S5 de Siemens.
La automatización y la robótica son dos tecnologías muy unidas entre si. La robótica es una
forma de automatización industrial.
Se define como robot como un manipulador reprogramable y multifuncional, que permiten
mover piezas, materiales, utilizar herramientas o elementos especiales, mediante movimientos
programados variables para la realización de diversidad de tareas. Un robot trabaja por si mismo,
8
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
gracias a su inteligencia que es la memoria programable. Actualmente realizan tareas como la
soldadura, manipulación de materiales pesados, carga y descarga de máquinas, acabados con
pistola, etc. Los robots permite la eliminación de la mano de obra en lugares peligrosos e
inhóspitos.
6. Las características de un robot.
Un robot posee como características esenciales:
a. La movilidad.- Puede ser traslacional, o articulada.
b. Gobernabilidad.- Responde a las ordenes aportados mecánicamente o mediante un sistema
programable.
c. Autonomía.- Permitiendo que conozca el entorno gracias a una serie de sensores que se le
acoplan.
d. Polivalencia.- El robot puede hacer diversas tareas.
Las aplicaciones de la robótica en los diferentes campos de producción se resume en el
siguiente cuadro:
9
CIDEAD. Tecnología Industrial II. Tema 5 : El ordenador y los
microprocesadores.
El futuro con la utilización de la robótica, establece la producción de prototipos de
nanorobots, capaces de propagarse por el cuerpo humano y conseguir la eradicación de
enfermedades.
Por otra parte, el desarrollo de la inteligencia artificial, consigue que los robots sean cada
vez más autónomos, pudiendo realizar tareas cognitivas. El control de la aviación, los satélites
artificiales, la construcción de infraestructuras, la limpieza de conducciones subterráneas y otras
tareas, más simples, se les encargarán a los robots.
Anexo 1.- Convertidor de puertas.
Nº Puertas NAND
Puerta equivalente
1
2
3
4
NOT
AND
OR
NOR
Nº Puertas NOR
Puerta equivalente
1
2
3
4
NOT
OR
AND
NAND
10