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1. TECNOLOGÍAS USADAS PARA LA AUTOMATIZACIÓN DE SISTEMAS DE PRODUCCIÓN

1.1 INTRODUCCIÓN En este capitulo se analiza el concepto de automatización y su clasificación según: a) sus dos componentes principales (trabajo y control): sistemas de mando o control en circuito abierto y sistemas de regulación o control en circuito cerrado y b) considerando la producción industrial: procesos continuos y discontinuos (o procesos de manufactura), y la subdivisión de este último en sistemas combinatorios y secuenciales. Se hace una revisión de las unidades básicas y derivadas empleadas en el campo de la automatización según el sistema internacional de unidades (SI). A continuación se estudia la estructura básica de un automatismo con los elementos constitutivos y las formas de energía para cada uno, se mencionan las características principales de las tecnologías o energías usadas para automatizar sistemas de producción, los criterios a tener en cuenta para la elección tecnológica y se señalan las múltiples aplicaciones de las tecnologías neumáticas y oleohidráulicas. Finalmente se presenta la simbología usada en los sistemas neumáticos y oleohidráulicos acordes con las norma ISO 1219. 1.2 CONCEPTO DE AUTOMATIZACIÓN El mundo industrial evoluciona rápidamente como consecuencia de la actual revolución científica – tecnológica a que se encuentra sometido. Por consiguiente la estrategia que debe adoptar cualquier empresa nacional para lograr la modernización industrial y aumentar significativamente la productividad y la competitividad en los mercados nacionales e internacionales, consiste en la Automatización de los medios de producción. Sin escatimar, naturalmente, el papel protagónico del Estado en el diseño de las políticas sobre Innovación Tecnológica e Investigación y Desarrollo. Recuérdese que el objetivo general de la automatización es ayudar al hombre o sustituirlo en los trabajos penosos y monótonos (manipulaciones repetidas), que requieren poco o ningún esfuerzo mental y de responsabilidad, con el fin de obtener una producción más rápida, económica y de una calidad constante. Sobre todo en el desarrollo de trabajos en los cuales hay que observar forzosamente un determinado orden de procesos individuales, unos dispositivos adecuados cumplen a cabalidad con este cometido. Sin embargo es conveniente anotar que la Automatización no sustituye al hombre totalmente, sino que multiplica su fuerza productiva y su dominio sobre la naturaleza. Sustancialmente cambia el carácter del trabajo del hombre, el número de obreros manuales disminuirá pero crecerá el número de los dedicados a la preparación técnica de la producción, afinación y supervisión de los equipos complicados. En síntesis, elimina la dependencia del proceso productivo de las posibilidades fisiológicas del hombre.

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El hombre siempre interviene para dar la orden de puesta en marcha. Según sea el grado de su intervención, se obtiene un mayor o menor nivel de automatismo, como se describe a continuación: − 1° escala: operación manual. Se elaboran piezas sin recurrir a máquinas. El ser humano

realiza las operaciones usando herramientas. Es responsable de seguir el orden correcto de operaciones. Ejemplo: dar forma a una pieza con lima.

− 2° escala: mecanizado. La máquina realiza la operación, sin embargo el ser humano opera la máquina y es responsable de seguir la secuencia de operaciones. Ejemplo: mecanizado de piezas con torno convencional.

− 3° escala: automatización parcial. La máquina realiza varias operaciones en secuencia y de forma autónoma, pero necesita de la intervención humana para poner y retirar piezas. Ejemplo: máquina dobladora automática.

− 4° escala: automatización total. La máquina es totalmente autónoma. No necesita

intervención humana. El operador realiza tareas de supervisión y mantenimiento preventivo. Ejemplo: centro de maquinado con alimentador y expulsor automático.

− Última escala: integración. Todas las máquinas están interconectadas y trabajan

cooperativamente. La intervención humana es requerida a nivel de gestión y planeación estratégica. Ejemplo: sistema de manufactura flexible. Un sistema de manufactura flexible (FMS) consiste en un grupo de estaciones de trabajo interconectadas en forma física y lógica por medio de sistemas automáticos de manejo de materiales e integrada por una red de procesadores digitales. El sistema regularmente tiene un procesador que realiza la función de supervisor del mismo con la finalidad de tomar decisiones, para que produzca las metas para las que fue creado a través de flujo de información digital y red de computadoras.

Resumiendo, desde un punto de vista técnico, se puede definir la Automatización como la conjunción de recursos tecnológicos tendientes a lograr que una serie de funciones, operaciones o actos se realicen en una determinada secuencia sin la intervención humana. Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que crea una automatización, es necesaria la energía. Entre las varias formas energéticas están la Neumática, Oleohidráulica, Eléctrica, Electrónica y Fluidica, además con la ayuda de elementos apropiados (convertidores de señales, etc.) un automatismo puede operarse con diferentes energía (sistemas híbridos). En el mundo moderno, la sociedad industrializada ha producido un perfeccionamiento y una ampliación constante de los sistemas y elementos existentes, siendo necesaria también una continua ampliación, modificación e incluso reorganización de sus prescripciones y normas. Por lo tanto, han surgido criterios diversos mediante los cuales pueden ser diferenciados los sistemas automáticos, tal como se describen a continuación.

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1) Según la interacción existente entre sus dos componentes principales (de trabajo y de control), se tiene:

− Sistemas de Mando o Control en Circuito Abierto (Open Loop Control) o Control Digital (o Binario)

− Sistemas de Regulación o Control en Circuito Cerrado (Closed Loop Control) o Control Analógico

2) Considerando la producción industrial, se tiene:

− Automatización de Procesos Continuos

− Automatización de Procesos Discontinuos (Procesos de Fabricación o de Manufactura). Este a su vez se divide en Sistemas Combinatorios y Sistemas Secuenciales.

La capacidad de diseño, evaluación, automatización y control de estos procesos, permitirá el fortalecimiento de la industria nacional y el asentamiento de inversión extranjera soportada en talento humano local. Ampliaremos a continuación estos conceptos. 1.3 SISTEMAS DE MANDO Y DE REGULACIÓN 1.3.1 Mando El concepto de mando puede definirse de acuerdo con la norma DIN 19226, en la forma siguiente: mandar o controlar, es el fenómeno engendrado en el interior de un sistema, en el cual uno o varios parámetros considerados de entrada, influyen sobre otros parámetros considerados de salida, en virtud de leyes propias del sistema. La característica para el mando es el desarrollo abierto de la acción a través del órgano individual de transferencia o a través de la cadena de mando. Este sistema está representado en un diagrama de bloques (figura 1). Los parámetros de entrada Xe … introducen las señales de información, son tratadas y convertidas bajo la forma de parámetros de salida Xs …, estos últimos intervienen entonces en el gobierno directo del flujo energético considerado. La expresión general es: Xs = f (Xe).

Figura 1. Diagrama de bloques de un sistema de mando

El esquema de flujo de señales en un circuito de mando se observa en la figura 2.

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Figura 2. Esquema de flujo de señales en un circuito de mando Ejemplo: en el caso de una máquina herramienta automática, ésta sigue operando sin tener en cuenta el estado de la herramienta (desgaste, etc.), es decir, las perturbaciones no pueden ser eliminadas. 1.3.2 Regulación De acuerdo con la norma DIN 19266, regular es el fenómeno mediante el cual el parámetro de salida se toma constantemente en consideración y comparado con otro de referencia, antes de ser adoptado, en función del resultado, a otro valor del parámetro de entrada. El desarrollo funcional que resulta es un circuito cerrado. La regulación tiene por finalidad adaptar el valor del parámetro a regular, a pesar de las influencias parásitas o perturbadoras, al valor predeterminado como parámetro de referencia. En el caso de la regulación, los parámetros disponibles a la salida del dispositivo, intervienen igualmente en el flujo energético, pero en este caso el parámetro de entrada del sistema está influenciado por la comparación con el valor de salida. El esquema de flujo de señales de un circuito de regulación se observa en la figura 3.

Figura 3. Esquema de flujo de señales de un circuito de regulación Ejemplo: en el caso de la máquina herramienta automática, la señal correspondiente a la pieza se introduce a la entrada del dispositivo de regulación y se compara con el valor prescrito (parámetro de referencia w). Si ambos valores coinciden, en la entrada del dispositivo de regulación actuará la señal cero y la herramienta no se moverá. Cada desacuerdo entre ambas señales tiene como consecuencia una señal de corrección que reajusta la herramienta.

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1.4 PROCESOS CONTINUOS Y DISCONTINUOS 1.4.1 Procesos Continuos Los procesos continuos, lineales o no, son aquellos donde se trabaja en forma continua o por “coladas”. Generalmente las variables son del tipo físico-químicas y se miden o regulan en forma continua. Los equipos se diseñan para responder variaciones de tipo analógico. En los procesos continuos se busca que el valor de las variables del proceso se mantenga en un valor deseado fijo o variable en forma predeterminada. Los materiales que se manipulan son generalmente gases y líquidos, y se opera sobre el flujo de un producto. Las variables a controlar son por lo regular: presión, temperatura, humedad, nivel, caudal y velocidad. Ejemplo: control de temperatura de una máquina termofijadora o control de flujo en una línea de vapor. En un control continuo el elemento controlador se le conoce como Regulador y casi toda la teoría del control automático gira alrededor del diseño del regulador apropiado para cada caso particular. Existen dos sistemas de control: el clásico o convencional, donde se establece un lazo de control y para realizar la acción de control se dispone de diferentes tipos de reguladores (P, PI, PD, PID, entre otros); y el moderno, donde se emplea la computadora o el microprocesador en la realización de la tarea de control.

En la industria de procesos continuos, el atributo distintivo es el flujo de materia en fase gaseosa, sólida o líquida de manera continua o por lotes. Sectores industriales de proyección nacional y mundial asociados a procesos continuos son: biocombustibles, farmacéutico, biotecnología de procesos y nuevos materiales. Sectores industriales tradicionales asociados a procesos continuos son: generación eléctrica, cemento, petroquímica, refinanciación, fertilizantes, alimentos (aceites, atunes, concentrados), transporte y uso de gas natural, entre otros. Los procesos industriales continuos están asociados con sectores estratégicos para la economía nacional (energía, alimentos, metales, farmacéutico).

1.4.2 Procesos Discontinuos Son aquellos donde se trabaja sobre piezas discretas e independientes pero que interactúan entre sí para la obtención de un producto determinado. Se les conoce también como Procesos de Fabricación o de Manufactura. Las variables a controlar son del tipo digital y responden a una secuencia, combinación o temporización determinada. Se trabaja individualmente sobre cada pieza o unidad del sistema, realizando tareas discretas basadas fundamentalmente en el control de posición o movimientos. Es el caso, por ejemplo, del control de máquinas embotelladoras y para procesar alimentos, sistemas para ensamble y montaje, ascensores, entre otros. 1.4.2.1 Sistemas Combinatorios Según la norma DIN 19226, es aquel según el cual existe una relación biunívoca entre el parámetro de salida y el de referencia. Es decir, que mediante las operaciones booleanas coordina los estados de las señales de entrada a determinados estados de las señales de salida.

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La secuencia en que las señales de entrada aparecen en estos sistemas no tiene importancia; sólo es importante la presencia de una combinación determinada de señales de entrada, para que se produzca una determinada orden de mando, de ahí proviene su denominación de sistemas combinatorios. Ejemplos: en el caso de un torno copiador, los movimientos de la herramienta de corte están mandados directamente por el palpador; en el mando directo de un cilindro, a la posición respectiva de conexión de la válvula está coordinada siempre una posición final del cilindro. 1.4.2.2 Sistemas Secuenciales Según la norma DIN 19226, es un mando con un desarrollo forzado de pasos, en el cual sucede la conmutación de un paso al siguiente paso programado, en función de condiciones de conmutación. El programa de desarrollo secuencial esta memorizado en un transmisor de programa, el cual, en función del estado respectivamente alcanzado por el sistema gobernado, hace desarrollar el programa paso a paso. Lo característico de un mando de desarrollo secuencial es un transmisor de programa y adicionalmente un dispositivo que este en condiciones de consultar los estados alcanzados por el sistema a mandar. La norma también distingue entre los mandos de desarrollo secuencial en función del tiempo y en función del desplazamiento. En el primero, las magnitudes piloto se emiten mediante un transmisor de programa en función del tiempo; y en el segundo, las señales de salida se emiten según el espacio recorrido o la posición de una pieza móvil del sistema gobernado. Los sistemas de control secuencial aplicables a los procesos de manufactura, han sufrido una gran evolución particularmente en el ámbito de la unidad de procesamiento lógico (modulo de tratamiento), denominada también unidad de procesamiento central (CPU). Inicialmente la CPU se construyó mediante válvulas neumáticas, relés y semiconductores (tiristores y diodos) empleando lo que se denomina lógica cableada. Posteriormente aparecieron los microsecuenciadores neumáticos, bloques lógicos fluídicos y los circuitos integrados que permitieron la realización de funciones lógicas a mayor velocidad, ocupando menor espacio, con menor consumo y reduciendo el cableado de los elementos internos. La llegada de los microprocesadores aparece como una alternativa mejor a la lógica cableada existente y a la lógica de los semiconductores y circuitos integrados convencionales, configurándose la lógica programada. La lógica programada está íntimamente ligada con el Secuenciador u Ordenador, que asocia al automatismo la noción de ejecución paso a paso en un orden previsto. Comercialmente hay dos tipos de máquinas que realizan el automatismo mediante lógica programada: las Computadoras y los Controladores Lógicos Programables (PLC). La arquitectura de ambos es similar pero la computadora es empleada para campos de acción más diversos y no solo para aplicaciones industriales. Estos avances en la microelectrónica se consideran una de las más importantes expresiones de la actual revolución del conocimiento, que han permitido en pocos años un rápido aumento en la velocidad, capacidad, confiabilidad y costo / efectividad en el procesamiento y transmisión

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de información. Sus aplicaciones abarcan potencialmente todas las actividades humanas. Sus principales aplicaciones en la producción de bienes y servicios han sido: el diseño y la fabricación asistidos por computadora (CAD, CAM), el desarrollo de máquinas herramientas con el control numérico computarizado (MH-CNC), las estaciones de trabajo automatizados, los sistemas de manufactura flexible (FMS), la producción de robots para un creciente número de aplicaciones productivas, los sistemas de automatización integral de todas las etapas y procesos productivos (CIM), los sistemas de transmisión y procesamiento de información a grandes distancias (Telemática), y los sistemas de racionalización y automatización de los trabajos administrativos y de oficina. La nueva era de la automatización se basa en la fusión de la electrónica con los mecanismos que funcionaban utilizando diferentes medios mecánicos, neumáticos, oleohidráulicos, etc., dando origen a los robots, a las máquinas herramientas computarizadas, a los sistemas flexibles de producción, entre otros 1.5 SEÑALES Otro aspecto importante a considerar en el ámbito de los sistemas automáticos es lo referente a las definiciones de señales de acuerdo con la norma DIN 19226. Las señales son informaciones que se representan por el valor o la variación del valor de una característica física. Esta variación puede referirse a la transmisión, al tratamiento o la memorización de informaciones. 1.5.1 Señal analógica

Es una señal, en la que están coordinadas punto por punto diferentes informaciones en un campo continuo de valores del parámetro de la señal. Ejemplo: señal de presión en un manómetro, señal de temperatura en termómetros, indicación del número de revoluciones en el tacómetro, etc. 1.5.2 Señal digital

Es una señal con un número definido de valores del parámetro de la señal. A cada valor le corresponde una información bien determinada. Ejemplo: reloj digital, contador, aparato digital de medidas, etc. 1.5.3 Señal binaria

Es una señal digital con solo dos valores del parámetro de la señal. La señal contiene dos informaciones, por ejemplo, marcha – paro, sí – no, 1 – 0. En regulación se trabaja principalmente con señales analógicas, mientras que en la técnica de mando se trabaja con señales digitales, especialmente las binarias. Estas señales binarias son de gran importancia para el tratamiento de la información, ya que son fáciles de representar atendiendo a la técnica de los aparatos (por ejemplo, interruptores) y también son fáciles de procesar.

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En la práctica es indispensable atribuir a cada señal un campo de valores bien determinado. Por ejemplo, para la señal O de 0 a 0.8 bar, para la señal 1 de 3 a 8 bar; y para evitar interferencias, debe existir entre los dos campos de valores una zona de seguridad (de 0.8 a 3 bar), apropiado y no usable, ya que en dicho intervalo se originaria, por ejemplo, en una válvula un estado indiferente que puede conducir a conexiones erróneas. 1.6 SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) El sistema internacional de unidades (SI) fue creado por la ISO en 1961, derivado del sistema Giorgi o MKS, y su adopción legal es una realidad en distintos países, con tendencia a su aplicación universal. El sistema internacional trabaja con seis magnitudes básicas y cuyas unidades son: Longitud : Metro (m) Masa : Kilogramo (Kg) Tiempo : Segundo (s) Temperatura : Grados Kelvin (0 K) Intensidad de corriente : Amperio (A) Intensidad Luminosa : Candela (Cd) En el campo de la automatización es necesario utilizar unidades de medida derivadas de las básicas, tales como: fuerza, presión, trabajo, potencia y caudal. 1.6.1 Fuerza Definición: es aquella necesaria para mover un cuerpo de masa m imprimiéndole una aceleración a en la dirección del movimiento. Se expresa como: F = m . a Unidad : 1 N (Newton) = 1 Kg . 1 m/s2

Equivalencias : 1 Kp (Kilopondio) o Kgf (Kilogramo-fuerza) = 10 N (Newton) 1.6.2 Trabajo Definición: producimos trabajo cuando un cuerpo es desplazado una cierta distancia d por una fuerza F en la dirección del movimiento; el trabajo efectuado es el producto de la proyección de F en el sentido del movimiento por la distancia recorrida d, y se expresa como: T = F . d Unidad : 1J (Julio) = 1N (Newton) . 1m (metro) Equivalencias : 1J (Julio) = 0.1 Kp.m (Kilopondio-metro) ; 1 Kp.m = 10 J

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1.6.3 Potencia Definición: es el trabajo realizado en la unidad de tiempo. Se expresa como: P = T / t Unidad : 1 w (Watt) = 1 J (Julio) / s (segundo) Equivalencias : 1 Kw = 1000 w ; 1 Kw = 1.34 HP ; 1 HP = 0.746 Kw ; 1 HP = 75 Kp.m / s 1.6.4 Presión Definición: es la fuerza actuante sobre la unidad de superficie. Se expresa como: p = F / A Unidad : 1 Pa (Pascal) = 1 Newton (N) / m2

Como el Pascal es una unidad de medida muy pequeña, para las aplicaciones industriales se utiliza un submúltiplo del Pascal que es el bar, y cuya equivalencia es: 1 bar = 105 Pa En el antiguo sistema de representación de las unidades de presión debía determinarse claramente si se trataba de atmósfera técnica, atmósfera física, presión relativa, presión absoluta o depresión. En las nuevas normas SI al utilizar el Pascal y el bar estamos refiriéndonos a presiones manométricas. Por lo tanto, en las unidades de presión SI, no queda reflejado el punto de referencia, puesto que en la técnica solo se precisa la presión diferencial en relación con la presión atmosférica, y este valor se utiliza por ejemplo para calcular la fuerza ejercida por un cilindro neumático o hidráulico. Los manómetros, por ejemplo, nos indican la presión diferencial con relación a la presión atmosférica. Equivalencias : Para las aplicaciones prácticas existe la siguiente equivalencia :

1 bar = 105 Pa = 1 Kp / cm2 = 1 at (atmósfera) = 14.50 psi (poundal / in2) 1.6.5 Caudal Definición: se llama caudal o gasto de un fluido, al volumen de fluido que pasa por una sección normal de tubería en la unidad de tiempo. Se expresa como: Q = V / t Unidad : m3 / s

Equivalencias : 1 l/min = 0.0353 cfm (ft3/min) ; 1 gpm (galón/min) = 3.785 l/min

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1.7 ESTRUCTURA BÁSICA DE UN AUTOMATISMO En la definición de los sistemas de mando, el dispositivo de mando se ha representado como un bloque cerrado con entradas y salidas (numeral 1.3.1 y figura 1). Este bloque se puede descomponer atendiendo el sentido de flujo de las señales, tal como se muestra en el esquema de la figura 4.

Figura 4. Esquema de flujo de señales En los distintos campos tecnológicos como electricidad, electrónica, neumática e hidráulica se trabaja conforme a este esquema. Cuando se trabaja con diferentes técnicas, por ejemplo, neumática / electricidad, hidráulica / electricidad, es necesario intercalar otro bloque, tal como se ilustra en la figura 5.

Figura 5. Esquema ampliado de flujo de señales El bloque conversión de señales tiene como misión, recibir las señales del bloque de tratamiento y transferirlas amplificadas y/o convertidas a señales de la otra técnica al bloque de salida de señales. El esquema de flujo de señales muestra el camino de una señal desde la entrada, pasando por su tratamiento, hasta la salida. Esta descripción conduce hacia el siguiente esquema técnico de la fluencia de señales.

Figura 6. Esquema técnico de la fluencia de señales En el diseño de una automatización, la especificación descrita conduce a una separación amplia entre la sección de tratamiento de señales y la de potencia y accionamiento. En la práctica esta separación establece los dos componentes básicos de una automatización: de trabajo y de control, a los cuales hay que prestar especial atención en lo referente a la tecnología energética y de los elementos, tal como se aprecia en la figura 7.

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Figura 7. Estructura básica de un automatismo con elementos constitutivos y formas de energía

La parte de trabajo, es el último componente de un ciclo automático, con la cual se obtienen los movimientos lineales, oscilantes y rotativos. Es la que en definitiva convierte cierto tipo de energía en energía mecánica. Esta constituida por los actuadores lineales y rotativos (cilindros y motores, generalmente). La parte de control, es la encargada de coordinar y mandar el conjunto de movimientos de los elementos de trabajo y facilitar las intervenciones del operario. Comprende las siguientes partes:

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− El módulo de entrada, que es el primer componente del automatismo, a través del cual ingresa la información a procesar. Se les llama también captadores de información y esta constituido por: pulsadores, interruptores, finales de carrera, programadores, sensores, entre otros.

− El módulo de tratamiento, es la parte del circuito donde se procesan las señales y hacia donde fluyen las informaciones provenientes del módulo de entrada. Compuesto por: válvulas, relés, secuenciador neumático, unidades electrónicas, controlador programable.

− El módulo de potencia, que es el encargado de recibir las señales provenientes del módulo

de tratamiento y transferirlas amplificadas o convertidas al módulo de trabajo. Generalmente formado por válvulas distribuidoras, electroválvulas, contactores de potencia, transistores y tiristores de potencia.

1.8 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LAS TECNOLOGÍAS USADAS PARA

AUTOMATIZAR SISTEMAS DE PRODUCCIÓN En este apartado se explican las características principales de las diferentes tecnologías usadas para automatizar sistemas de producción, a saber: neumática, oleohidráulica, eléctrica, electrónica y fluidica. • La Neumática, utiliza como medio el aire comprimido. Por razones de rendimiento de

compresión, la presión práctica de empleo es de 7 bar (100 PSI). La fuerza máxima obtenida en un cilindro de 320 mm de diámetro es de 50.000 N (5 toneladas); las velocidades lineales son del orden de 3 m/s, por consiguiente, es un medio de trabajo muy rápido. Debido a la compresibilidad del aire, la velocidad de avance del cilindro no puede regularse con precisión, sin embargo, se puede obtener una buena regulación por medio de los sistemas mixtos de aire y aceite, llamados oleoneumáticos.

• La Oleohidráulica, utiliza un fluido no compresible (aceite). Las altas presiones de

utilización, 100 a 700 bar (1.450 a 10.000 PSI), permiten obtener fuerzas importantes, 5.000.000 N (500 toneladas) en un cilindro de 320 mm de diámetro. La velocidad de desplazamiento de los cilindros se puede regular con toda precisión. Es un medio de trabajo lento con velocidades lineales inferiores a 1 m/s.

Por regla general es necesario instalar en cada máquina un grupo motobomba y un depósito de reserva del fluido, porque ofrecería muchas dificultades (pérdidas de carga, tuberías de descarga, fugas, entre otras) y sería muy costosa una instalación centralizada y una red de distribución para una fábrica e incluso para un taller como se acostumbra en las instalaciones neumáticas.

• La Eléctrica, utiliza corriente alterna o continua. Su producción obedece a planes nacionales de electrificación, dependiendo de la localización (hidráulica, térmica, nuclear). Con ella se puede obtener fácilmente movimientos rotativos rápidos (motores eléctricos) o movimientos lineales de carrera corta (solenoides). Los movimientos lineales de media o gran amplitud no se pueden conseguir sin transformación mecánica, por ejemplo, los

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llamados gatos eléctricos constan de un motor eléctrico rotativo, un reductor de velocidad de engranajes y un sistema de tornillo - tuerca para obtener el movimiento lineal.

• La Electrónica, utiliza corriente rectificada y tensión estabilizada. El desarrollo de la

microelectrónica generó la base tecnológica necesaria para el desarrollo de una serie de recursos y técnicas de automatización, que en conjunto se han llamado Nuevas Tecnologías de Producción. Los elementos centrales de este desarrollo han sido los circuitos integrados de alta escala a bajo costo, los cuales han permitido la ejecución de programas cada vez mayores y más complejos, ejecutados a gran velocidad. Para la automatización de procesos industriales, se desarrolló el controlador lógico programable (PLC), dando paso a la tendencia actual de programar en lugar de cablear.

• La Fluídica, trabaja con aire comprimido seco, filtrado y desaceitado, con presión

estabilizada de 0.1 bar. En esta tecnología se miniaturizan los elementos y se alcanzan velocidades de señales del orden de la del sonido (300 m/s). En síntesis, la Fluídica es a la Neumática como la Electrónica es a la Eléctrica.

1.9 CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE TECNOLOGÍA A USAR

EN UN SISTEMA AUTOMATICO DE PRODUCCIÓN La información primaria obtenida en las empresas es una gran ayuda para este propósito, ya que nos permitirá establecer claramente, además del grado de automatización requerida para cada industria, el tipo de tecnología (neumática, oleohidráulica, eléctrica, electrónica, computarizada o híbrida) a emplear, de modo que proporcione una solución óptima tanto en el aspecto técnico como en el económico. Se recomienda hacer una elección con base a la reflexión lógica de los siguientes criterios: • Producción individual o en grandes series • Dimensión de la instalación • Tipos de movimientos de los elementos de trabajo: lineal, circular, angular • Fuerza necesaria • Distancia de transmisión de la energía de trabajo • Secuencia y número de operaciones • Tiempo de respuesta de los elementos • Velocidad de transmisión de las señales • Facilidad y exactitud de regulación de la fuerza y velocidad • Costos de energía • Características del ambiente de trabajo: húmedo, polvoriento, explosivo, con temperaturas

elevadas, con riego de accidente, etc. • Necesidades de capacitación del personal de servicio y de mantenimiento Como puede observarse la elección tecnológica correcta no siempre es fácil y clara en la práctica. Junto a las exigencias definidas por el planteamiento del problema son determinantes sobre todo las condiciones adicionales, como por ejemplo, lugar de emplazamiento, influencias ambientales, personal de mantenimiento disponible, entre otros, que a menudo están en gran desacuerdo con la propia solución del problema y que pueden influir

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considerablemente en el proyecto. Además, hay que considerar que en función de la propia formación, preferirá el especialista por fuerza una solución eléctrica, electrónica, neumática o hidráulica. Por consiguiente, la solución óptima de un problema planteado exige el conocimiento de todas las alternativas que se ofrecen. Es absolutamente necesario elegir el tipo de energía que mejor cumpla con las exigencias del conjunto de la automatización. Las figuras 8 y 9 muestran las principales formas de energía para los elementos de trabajo y de control respectivamente, con los correspondientes criterios que rigen en su elección. Dada la gran importancia que reviste este tema, se describen a continuación algunos criterios prácticos que pueden influir en la elección tecnológica. 1.9.1 Criterios prácticos para la elección tecnológica de los elementos de trabajo Movimientos lineales: la energía recomendada para ello es la neumática u oleohidráulica, dependiendo de las fuerzas y velocidades de trabajo. La razón para esta elección radica en que la forma más simple, económica y racional de obtener este tipo de movimiento es mediante un cilindro, ofreciendo la ventaja de facilitar la regulación de la fuerza y la velocidad a través de una válvula reguladora de presión y una válvula estranguladora, respectivamente. Con medios eléctricos es posible solo para recorridos cortos. Movimientos oscilantes: con cilindros neumáticos u oleohidráulicos, cremalleras y piñones es fácil obtener giros hasta de 360°. Movimientos rotativos: con energía eléctrica se obtiene rendimiento óptimo en este tipo de accionamiento. El motor eléctrico es el más comercializado para esta clase de movimiento. El motor neumático suministra un elevado número de revoluciones (500.000 rpm) y muy buena relación peso / potencia, de ahí su empleo en herramientas manuales tales como esmeriladoras, taladradoras, atornilladoras y en las fresadoras de los dentistas. El motor hidráulico con revoluciones más bajas que el neumático, posee buena relación peso / potencia, buen rendimiento y regulación de la velocidad sin escalonamiento; son de gran aplicación en la maquinaria agrícola y para la construcción. 1.9.2 Criterios prácticos para la elección tecnológica de los elementos de control Accionadores mayoritarios: si se trata de instalaciones con motores y resistencias eléctricas, no hay duda que, salvo excepciones las tecnologías eléctricas y electrónicas serán las preferidas. Por el contrario, si se trata de coordinar la acción de cilindros neumáticos e hidráulicos, las tecnologías de fluidos ofrecen la mejor solución. Sin embargo, esta solución monoenergética no siempre es posible, existiendo automatismos operando con varios tipos de energías. Es necesario por tanto analizar otros factores que influyen en la elección.

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Distancia entre captadores y accionadores del módulo de tratamiento: Si esta es mayor de dos (2) metros, las tecnologías eléctricas y electrónicas serán las elegidas. Una señal eléctrica se transmite a 300.000 km/s y una señal neumática no puede sobrepasar la velocidad del sonido, es decir, 300 m/s, luego la relación de velocidades es, por tanto, enorme: 106 a favor de las tecnologías eléctricas.

Tipo de ambiente: los automatismos susceptibles de trabajar en atmósfera explosiva utilizan al máximo los componentes neumáticos. En efecto, los componentes eléctricos son en este caso tan peligrosos, que es indispensable dotarlos de una protección “antideflagrante” costosa y de construcción voluminosa. Esto concierne a las industrias químicas, mineras y del petróleo, y a todas aquellas que manipulan gases o líquidos susceptibles de generar una mezcla explosiva con el aire ambiente. También trabajan con neumática, las industrias que requieren una energía limpia que no polucione el ambiente como es el caso de las alimenticias, de la madera, textiles y de la confección. Secuencias de trabajo: la neumática es la solución ideal y económica para aplicaciones de automatización sencillas que exijan hasta 12 secuencias de trabajo. En automatismos con un gran volumen de operaciones, necesitan tiempos de respuestas cortos que solo se pueden conseguir con la tecnología electrónica. Características de la tarea: al tratarse de posicionamiento, como son frecuentes en las operaciones de mecanización de las máquinas herramientas, un mando por control numérico CNC será la mejor solución. Una automatización que emplea cilindros como actuadores, que solo asumen dos posiciones, será controlado adecuadamente con un controlador lógico programable PLC.

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ENERGÍAS NEUMÁTICA HIDRÁULICA ELECTRICA MECÁNICA CRITERIOS

Medio Aire Fluido a presión Corriente Fuerza muscular Brazo de palanca

Fuerza lineal (Cilindro D= 320 mm)

50.000 N (5 toneladas)

(p = 7 bar)

5.000.000 N (500 toneladas)

(p = 700 bar)

≅ 12.000 N (1.2 toneladas)

≅ 10.000 a 100.000 N (1 a 10 toneladas)

Distancia de transmisión para la energía de trabajo

≤ 1.000 m ≤ 100 m ∞ ≤ 10 m

Velocidad de los elementos de trabajo

≤ 3 m/s ≤ 1 m/s ≅ 5 m/s ≤ 10 m/s

Tipos de movimientos de elementos de trabajo

Lineales Angulares Rotativos

= = =

Regulabilidad Fácil, de la fuerza a través de la presión y de la velocidad a través del caudal. Velocidad constante difícil.

Muy buena regulación de la fuerza y velocidad; también en el campo de baja velocidad es regulable con exactitud.

Posible solo de forma limitada siendo el gasto considerable.

Regulación de la fuerza según sistemas de palancas y de la velocidad por correas, engranajes, etc.

Almacenamiento de la energía

Simple: en botellas y tanques.

Limitado, solo posible indirectamente: usando la elasticidad de los gases (N) o la fuerza de un muelle.

Difícil y costosa: solo practicable en cantidades reducidas (baterías).

Mediante resortes de láminas, en hélices y en espiral.

Costos de energía

10 – 12 X 8 – 10 X 1 1.000 X

Influencias ambientales

Insensible a los cambios de temperatura; no hay peligro de incendio o de explosión. Con elevada humedad en el aire, altas velocidades de flujo y bajas temperaturas, existe peligro de congelación. Con fugas, aparte de pérdida de carga no existen otros inconvenientes.

Sensible a cambios de temperatura. Con fugas, pérdida de energía y existe peligro de incendio y polución del ambiente.

Insensible a cambios de temperaturas. En ambientes con riesgo son necesarios dispositivos protectores contra incendios y explosión. Con fugas, sin conexión con otras piezas no hay pérdida de energía (peligro con alta tensión).

Poco sensible a cambios de temperaturas. Dispositivos de seguridad para elementos en movimiento.

Manejo Con pocos conocimientos se obtienen buenos resultados. El montaje y puesta en servicio de los sistemas es simple y sin peligro.

Más difícil que con neumática. Seguridad con altas presiones. Líneas de fuga y de retorno. Problemas de sellado.

Solo con conocimientos profesionales; peligro de cortocircuito, una conexión equivocada puede destruir los elementos y el mando.

El servicio y mantenimiento con conocimientos técnicos y medidas de protección en el trabajo.

En general Elementos seguros contra sobrecargas; el ruido del aire de escape, se puede reducir aplicando silenciadores.

Elementos seguros contra sobrecargas; con altas presiones, ruidos de bombas y vibraciones de tuberías.

Elementos no seguros contra sobrecargas y solo con elevado gasto es posible; ruidos en las maniobras.

Sin seguridad contra sobrecargas. Ruidos en las maniobras.

Figura 8. Comparación de las formas de energía para los elementos de trabajo

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ENERGÍAS ELECTRICIDAD ELECTRONICA NEUMÁTICA DE PRESIÓN NORMAL

NEUMÁTICA DE BAJA PRESIÓN CRITERIOS

Condiciones de alimentación

Corriente alterna o continua

Corriente rectificada y tensión estabilizada

Aire comprimido a 7 bar (100 psi) con filtración y engrase de las redes industriales.

Aire comprimido a una presión estabilizada de 0.1 bar (1.45 psi), seco, filtrado y desaceitado.

Fiabilidad de los elementos

Insensible a las condiciones ambientales como polvo, humedad, etc. Duración limitada de 5 a 10 millones de accionamientos.

Muy sensible a las condiciones ambientales como polvo, humedad, campos perturbadores, golpes y vibraciones. Duración teóricamente ilimitada.

Insensible en gran medida a las influencias ambientales. Con aire limpio esta garantizada una gran duración: 100 millones de accionamientos.

Insensible a las influencias ambientales, sensible al aire sucio debido a los pequeños orificios de paso y presiones de funcionamiento. No tienen piezas móviles por tanto su vida es teóricamente ilimitada.

Tiempo de respuesta

> 10 ms << 1 ms > 5 ms > 1 ms

Velocidad de transmisión de la señal

Muy alta, velocidad de la luz.

= ≅ 10 a 14 m/s ≅ 100 a 300 m/s

Distancias máximas Prácticamente ilimitada

= Limitada por la velocidad de la señal.

=

Potencia de salida Aproximadamente 100 veces mayor que en electrónica. Se puede emplear directamente en automatismos industriales. (5 a 80 w)

Muy pequeña. Necesita una amplificación de la señal de salida para su utilización industrial. (0.006 a 1 w)

Aproximadamente 1000 veces mayor que en electrónica. Se puede emplear directamente en automatismos industriales. (100 a 5000 w)

Muy pequeña. Necesita una amplificación de la señal de salida para su utilización industrial. (0.08 a 0.8 w)

Consumo de energía Consumo no depende muy directamente de la frecuencia de inversión. Difícil de determinar en razón de la variedad de empleo de los relés. (Aproximadamente 0.01 – 10 w / elemento).

Cantidad sensiblemente constante, independiente de la frecuencia de inversiones. (Aproximadamente 0.01 – 1 w / elemento)

Proporcional al número de inversiones, no hay consumo si no hay inversión. Consumo interesante al sobrepasar la frecuencia de 1 inversión / seg.

Cantidad sensiblemente constante, independiente de la frecuencia de inversiones. (Aproximadamente 0.8 – 10 w / elemento)

Dimensiones necesarias

Pequeñas. Muy pequeñas. Pequeñas. Pequeñas.

Tratamiento principal de la señal

Digital. Digital / Analógico. Digital. Digital / Analógico.

Mantenimiento y reparaciones

Necesita un técnico electricista para cualquier intervención.

Exige un especialista. Periódico, pero fácil. Poco frecuente, pero necesita un especialista.

Figura 9. Comparación de las formas de energía para los elementos de control

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1.10 APLICACIONES DE LA NEUMÁTICA Y LA OLEOHIDRÁULICA De lo expuesto en el numeral anterior se observa las grandes ventajas que ofrecen las tecnologías neumáticas y oleohidráulicas en la automatización de sistemas de producción, por lo tanto a continuación se señalan sus numerosas aplicaciones en los diferentes campos. Aplicaciones Móviles El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:

• Tractores • Grúas • Retroexcavadoras • Camiones recolectores de basura • Cargadores frontales • Frenos y suspensiones de camiones • Vehículos para la construcción y mantenimiento de carreteras, entre otros. Aplicaciones Industriales En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:

• Maquinaria para la industria plástica • Máquinas herramientas • Maquinaria para la elaboración de alimentos • Equipamiento para robótica y manipulación automatizada • Equipo para montaje industrial • Maquinaria para la minería • Maquinaria para la industria siderúrgica, entre otro. Otras Aplicaciones Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aeroespaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:

• Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc. • Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores,

equipos de mantenimiento aeronáutico, etc. • Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas

especializados de embarcaciones o buques militares • Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e

instrumental odontológico, etc.

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La hidráulica y neumática tienen aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles, entre otros.

Figura 10. Ejemplos de aplicaciones de las tecnologías oleohidráulicas y neumáticas (Festo Didactic GmbH & Co. KG, Alemania).

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1.11 NORMA ISO 1219: “OLEONEUMÁTICA, DENOMINACIÓN Y SÍMBOLOS”

Los símbolos y denominaciones empleadas en el presente curso están de acuerdo con los de la norma internacional ISO 1219. La cual está en coherencia con las principales normas existentes en el mundo en el campo de la neumática y la oleohidráulica, tales como: DIN (Deutsche Industrie Normen: Normas de la industria alemana), para Alemania; CETOP (Comité Européen des Transmissiones Oelohydrauliques et Pneumatiques: Comité Europeo de las Transmisiones Oleohidráulicas y Neumáticas), que trabaja en el ámbito europeo y tiene su sede en Inglaterra y NFPA (National Fluid Power Association: Asociación Nacional de Potencia Fluida) para los Estados Unidos.

Figura 11. Simbología Oleoneumática según la Norma ISO 1219 (Festo Didactic GmbH & Co. KG, Alemania).

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ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE DEL MÓDULO 1

FORO DE DISCUSIÓN # 1: “LA AUTOMATIZACIÓN AL DEBATE”

1) Descripción:

En esta actividad se pretende que el estudiante ejercite su pensamiento crítico y creativo, en las respuestas que proporcione a las preguntas generadoras presentadas. 2) Propósito del Foro:

Los Foros de Discusión son actividades de modalidad asincrónica y tienen la función de enriquecer el aprendizaje intercambiando puntos de vista acerca de trabajos de campo y/o lecturas y vincularlos con vivencias propias y experiencias académicas, así como socializar los conocimientos y lograr nuevos insights. Por lo tanto, el objetivo de este Foro es permitir el intercambio de información o de opiniones relacionadas con las tecnologías utilizadas para automatizar, en un ambiente de cordialidad y respeto, de manera que permita la reflexión y generación de nuevos conocimientos. 3) Procedimiento:

3.1 Primeramente debes realizar la lectura reflexiva del módulo 1 complementada con las de las referencias bibliográficas.

3.2 A continuación presenta dos aportaciones de entrada al foro de discusión dando respuesta a las dos (2) preguntas generadoras que te corresponden según la Tabla adjunta. No se acepta colocar las 2 respuestas en un solo aporte sino en aportes diferentes, por lo tanto, deben identificarse en el Foro con el encabezado de APORTE # __ DE _______________.

3.3 Posteriormente debes responder los dos (2) aportes del participante que te corresponda según la Tabla adjunta. Las réplicas deben ser de tres formas, así: a) reafirmándolas: estoy de acuerdo con lo que expresas ya que… b) cuestionándolas: no estoy de acuerdo con lo que enuncias ya que… c) complementándolas: esta bien lo que dices, pero además ten en cuenta que… En todas las réplicas debe primar el genero argumentativo y conservando siempre las normas de respeto mutuo. Deben identificarse en el Foro con el encabezado de RÉPLICA # __ DE _______________.

3.4 Finalmente debes integrar una conclusión en la que se presenten sus acuerdos, desacuerdos, puntos importantes, nuevos hallazgos en su aprendizaje, entre otros. Deben identificarse en el Foro con el encabezado de CONCLUSIÓN DE __________________.

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4) Actividad:

ESTUDIANTE PREGUNTAS RÉPLICAS 1) ---------------, --------------- 1, 2 ---------------, --------------- (5, 6) 2) ---------------, --------------- 3, 4 ---------------, --------------- (7, 8)3) ---------------, --------------- 5, 6 ---------------, --------------- (3, 4)4) ---------------, --------------- 7, 8 ---------------, --------------- (5, 6) 5) ---------------, --------------- 9, 10 ---------------, --------------- (1, 2) 6) ---------------, --------------- 1, 2 ---------------, --------------- (9, 10)7) ---------------, --------------- 3, 4 ---------------, --------------- (7, 8) 8) ---------------, --------------- 5, 6 ---------------, --------------- (9, 10)9) ---------------, --------------- 7, 8 ---------------, --------------- (3, 4) 10) ---------------, --------------- 9, 10 ---------------, --------------- (1, 2) 11) ---------------, --------------- 1, 2 ---------------, --------------- (9, 10)12) ---------------, --------------- 3, 4 ---------------, --------------- (5, 6) 13) ---------------, --------------- 5, 6 ---------------, --------------- (7, 8) 14) ---------------, --------------- 7, 8 ---------------, --------------- (3, 4) 15) ---------------, --------------- 9, 10 ---------------, --------------- (1, 2) 16) ---------------, --------------- 1, 2 ---------------, --------------- (5, 6) 17) ---------------, --------------- 3, 4 ---------------, --------------- (7, 8) 18) ---------------, --------------- 5, 6 ---------------, --------------- (3, 4) 19) ---------------, --------------- 7, 8 ---------------, --------------- (9, 10) 20) ---------------, --------------- 9, 10 ---------------, --------------- (1, 2)

Preguntas generadoras:

4.1 ¿Explique la diferencia y presente un ejemplo entre control en circuito abierto (open loop control) y control en circuito cerrado (closed loop control)?

4.2 ¿Cuál es la diferencia y exponga un ejemplo entre automatización de procesos continuos y automatización de procesos discontinuos?

4.3 ¿Explique la diferencia entre lógica cableada y lógica programada?

4.4 ¿Cuáles son las características principales de las tecnologías usadas para automatizar

procesos de manufactura (neumática, oleohidráulica, eléctrica, electrónica, fluidica, electroneumática y electrohidráulica)?

4.5 Especifique los componentes de las automatizaciones neumáticas y oleohidráulicas.

4.6 Establezca comparaciones de la automatización oleohidráulica y neumática con otros

tipos de automatizaciones.

4.7 Describa las ventajas y desventajas de las automatizaciones neumáticas y oleohidráulicas

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4.8 ¿Cuál sería la tecnología o tecnologías más adecuadas para los equipos que actúan en los siguientes ejemplos (argumente su respuesta)?:

a) accionamiento de puertas; b) operaciones de torneado, fresado y taladrado; c) remoción de tierra; d) operaciones de montaje de piezas; e) alimentación de piezas en forma de barras y de cintas en las máquinas

troqueladoras; f) máquina empaquetadora de CD's; g) controles de nivel, presión y temperatura; h) control de presencia o ausencia de piezas; i) dispositivo de envase de productos lácteos; j) instalaciones de prensado.

4.9 ¿La creciente automatización de las empresas es la principal causa del desempleo?

4.10 ¿Cuáles serían las características de las empresas del futuro y cuál sería la actuación del profesional en esta nueva cultura de trabajo?

5) Criterios para la evaluación del foro de discusión:

5.1 Presentar las dos aportaciones que le correspondan, las dos réplicas al compañero que se le indica e integrar una conclusión de cierre de la discusión.

5.2 Reflejar directa y explícitamente la lectura de los temas propuestos por el programa, a través de citas textuales.

5.3 La no participación en las fechas marcadas por el calendario para la discusión en el grupo, causa no acreditación de los puntos de esta actividad.

5.4 No se acreditan las participaciones anecdóticas (p. ej.: ayer observé en el taller que es muy importante considerar el trabajo que realiza la fresadora, ya que...bla, bla, bla,...) o de socialización (me llamó fulano de tal y vivo en tal lugar) o de felicitaciones (excelente aporte, buen trabajo).

6) Modalidad del trabajo: Todos los estudiantes.