Fundamentos de La Tecnica de Automatizacion

Fundamentos de la tcnica de automatizacin Libro tcnico

Referencia: Actualizacin: Autores: Redaccin: Grficos: Layout:

563062 enero de 2008 F. Ebel, S. Idler, G. Prede, D. Scholz Reinhard Pittschellis Doris Schwarzenberger 06/2008, F. Ebel, S. Durz

Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, Alemania, 2007 Internet: www.festo-didactic.com e-mail: [email protected] Se permite el multicopiado de partes del presente documento por el usuario autorizado, aunque nicamente con fines didcticos. Importante Se sobreentiende que el uso de trminos en gnero masculino (por ejemplo, estudiante, instructor, etc.) incluye tambin los correspondientes trminos de gnero femenino. Se prescinde de la alusin explcita a los dos gneros nicamente con el fin de no complicar la formulacin de las frases y facilitar la lectura.

Contenido1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2 2.1 2.2 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.8 3.9 3.9.1 Cmo trabajan los ingenieros? _______________________________________________________7 Dibujos tcnicos y listas de piezas _____________________________________________________8 Esquemas de distribucin __________________________________________________________ 11 Diagramas de flujo y programas _____________________________________________________ 12 Esquemas tcnicos y diagramas esquemticos _________________________________________ 13 Clculos y simulacin ______________________________________________________________ 14 La tcnica de la automatizacin como parte de las ciencias de ingeniera ___________________ 15 Importantes etapas en la historia del desarrollo de la tcnica de la automatizacin ____________ 15 Consecuencias de la automatizacin para el ser humano _________________________________ 17 Fundamentos de la ingeniera elctrica _______________________________________________ Corriente continua y corriente alterna _________________________________________________ Resistencia elctrica y potencia elctrica ______________________________________________ Conductor elctrico________________________________________________________________ Resistencia elctrica _______________________________________________________________ Ley de Ohm ______________________________________________________________________ Potencia elctrica _________________________________________________________________ Funcionamiento de un electroimn ___________________________________________________ Estructura de un electroimn ________________________________________________________ Aplicaciones de electroimanes ______________________________________________________ Funcionamiento de un condensador elctrico __________________________________________ Funcionamiento de un diodo ________________________________________________________ Funcionamiento y estructura de interruptores y conmutadores. ____________________________ Contacto normalmente abierto ______________________________________________________ Contacto normalmente cerrado ______________________________________________________ Conmutador _____________________________________________________________________ Rels y contactores________________________________________________________________ Aplicaciones de rels ______________________________________________________________ Estructura de un rel ______________________________________________________________ Rel de temporizacin _____________________________________________________________ Funcionamiento y construccin de una unidad de alimentacin ____________________________ Mediciones en un circuito elctrico ___________________________________________________ Forma de proceder al efectuar mediciones en un circuito elctrico__________________________ 19 19 20 20 20 21 21 22 23 23 24 25 26 26 27 27 28 28 29 30 32 33 34

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Contenido

4 4.1 4.1.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2 5 5.1 5.1.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.6 5.6.1 5.6.2 5.7 5.7.1

Detectores_______________________________________________________________________ Detectores de posicin _____________________________________________________________ Detectores magnticos_____________________________________________________________ Detectores electrnicos ____________________________________________________________ Detectores de posicin inductivos____________________________________________________ Detectores de posicin capacitivos ___________________________________________________ Detectores de posicin pticos ______________________________________________________ Sensores de presin _______________________________________________________________ Presostato mecnico con seal de salida binaria ________________________________________ Presostato electrnico con seal de salida binaria ______________________________________ Fundamentos de la neumtica ______________________________________________________ Fundamentos fsicos _______________________________________________________________ Unidades bsicas _________________________________________________________________ Unidades derivadas _______________________________________________________________ Ley de Newton ___________________________________________________________________ Presin _________________________________________________________________________ Propiedades del aire_______________________________________________________________ La ley de Boyle-Mariott_____________________________________________________________ Ley de Gay-Lussac ________________________________________________________________ Ecuacin general de gases __________________________________________________________ Los componentes individuales de un sistema de control neumtico y sus funciones ___________ Funciones y caractersticas de actuadores: cilindros neumticos ___________________________ Cilindro de simple efecto ___________________________________________________________ Cilindro de doble efecto ____________________________________________________________ Regulacin de la velocidad en cilindros de simple efecto _________________________________ Regulacin de la velocidad en cilindros de doble efecto __________________________________ Funciones y caractersticas de vlvulas neumticas______________________________________ Denominacin y smbolos de vlvulas neumticas ______________________________________ Tipos de accionamiento de vlvulas neumticas ________________________________________ Accionamiento de un cilindro de simple efecto _________________________________________ Accionamiento de un cilindro de doble efecto __________________________________________ Funciones y caractersticas de actuadores neumticos ___________________________________ Actuadores guiados, actuadores lineales sin vstago y actuadores giratorios ________________ Pinzas neumticas ________________________________________________________________ Inclusin de unidades de control neumticas en el esquema de distribucin _________________ Smbolos en esquemas de distribucin________________________________________________

37 37 38 39 40 41 42 45 45 46 47 48 48 48 48 49 50 50 51 52 53 55 55 55 56 58 60 61 62 62 63 64 64 65 67 68

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Contenido

6 6.1 6.1.1 6.1.2 7 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.3 8 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.2 8.2.1 8.2.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.4 8.4.1 9 9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.4

Actuadores elctricos _____________________________________________________________ Principios fsicos y tcnicos del motor de corriente continua ______________________________ Accionamiento de motores de corriente continua _______________________________________ Electroimanes como actuadores sencillos _____________________________________________ Fundamentos de la tcnica de control ________________________________________________ Estructura y funcionamiento de un control lgico programable (PLC) _______________________ Fundamentos de matemticas: enlaces lgicos bsicos __________________________________ Datos generales __________________________________________________________________ Afirmacin (funcin de SI) __________________________________________________________ Negacin (funcin de NO) __________________________________________________________ Conjuncin (funcin de Y) __________________________________________________________ Disyuncin (funcin de O) __________________________________________________________ Otros enlaces lgicos ______________________________________________________________ Ejemplos de la configuracin de un sistema de control ___________________________________ Utilizacin de rels en la electroneumtica ___________________________________________ Accionamiento directo e indirecto con rels ____________________________________________ Accionamiento directo de un cilindro de simple efecto ___________________________________ Accionamiento indirecto de un cilindro de simple efecto __________________________________ Control de un cilindro de doble efecto_________________________________________________ Enlaces lgicos con rels ___________________________________________________________ Conexin en paralelo (enlace de O) ___________________________________________________ Conexin en serie (funcin de Y) _____________________________________________________ Memorizacin de seales con rel y electrovlvula biestable ______________________________ Memorizacin de la seal mediante un circuito con rels y funcin de autorretencin __________ Control manual de avance y retroceso con rels y autorretencin __________________________ Memorizacin de seales mediante una electrovlvula biestable __________________________ Control automtico del retroceso mediante una electrovlvula biestable ____________________ Comparacin entre la memorizacin de seales con un rel con funcin de autorretencin y una electrovlvula biestable _______________________________________________________ Conmutacin retardada con rel _____________________________________________________ Control de un cilindro en funcin del tiempo ___________________________________________

71 71 74 76 77 79 80 80 80 81 82 83 85 87 89 89 90 90 91 92 92 93 94 94 95 96 97 97 98 98

Controles lgicos programables (PLC) ________________________________________________ 99 Datos generales __________________________________________________________________ 99 Smbolos lgicos del software de control FluidSIM ____________________________________ 100 Programacin de un sistema de control lgico con un PLC _______________________________ 101 Ejemplo 1: Autorretencin _________________________________________________________ 101 Ejemplo 2: Enlace de Y, temporizador ________________________________________________ 102 Programacin de un mando secuencia con cadenas de pasos secuenciales _________________ 104


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Contenido

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Cmo trabajan los ingenieros?

Las ciencias de ingeniera, al igual que las ciencias humansticas, sociales y naturales, son una disciplina acadmica propia y, por lo tanto, tienen sus propios conceptos tcnicos, procedimientos y medios. Se sobreentiende que se basan en otras ciencias y las utilizan, especialmente las matemticas y la fsica, aunque tambin las ciencias sociales. Sin embargo, estas otras ciencias tambin recurren en buena medida a los resultados de la investigacin realizada en el mbito de las ciencias de ingeniera. A diferencia de las ciencias naturales, las ciencias de ingeniera no se dedican nicamente al descubrimiento de leyes naturales; su objetivo ms bien consiste en encontrar soluciones tcnicas para satisfacer necesidades del ser humano. Por lo tanto, el ingeniero siempre se pregunta primero cmo solucionar un problema determinado. Esta actitud redunda en formas de trabajo que son tpicas en las ciencias de ingeniera, como la forma de pensar en cajas negras. Ello significa que utilizan sistemas tcnicos para sus fines, sin que tengan que saber exactamente cmo funcionan sus partes. Al ingeniero le basa saber que un aparato que recibe un input (entrada) determinado ofrece un output (salida) determinado.

Salida

Figura 1.1: La caja negra de un sistema tcnico

Un ejemplo: En mquinas automticas se utilizan motores elctricos de diversos tamaos y de potencias diferentes. El ingeniero encargado del diseo de una mquina no tiene que saber cmo funciona exactamente el motor elctrico. Es suficiente que sepa seleccionar el motor apropiado en funcin de diversos parmetros como dimensiones, momento de giro, revoluciones, consumo de corriente, potencia, etc. La situacin es diferente, claro est, si el ingeniero est a cargo de la construccin de motores elctricos. En ese caso, debe disponer de conocimientos detallados sobre el funcionamiento y las caractersticas fsicas del motor elctrico y de todas sus partes.


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1 Cmo trabajan los ingenieros?

Otra caracterstica de las ciencias de ingeniera consiste en la forma de representar las soluciones tcnicas. Los ingenieros y tcnicos recurren a medios descriptivos estandarizados, que se entienden en todo el mundo y que, por lo general, son medios grficos. Los ms importantes son los siguientes: Dibujos tcnicos y listas de piezas Esquemas de distribucin Diagramas de flujo y programas Esquemas tcnicos y diagramas esquemticos

1.1 Dibujos tcnicos y listas de piezas La configuracin de los productos se describe mediante dibujos tcnicos. En ellos se especifican detalladamente las dimensiones, tolerancias, calidades de la superficie, materiales de las piezas (dibujos acotados) y la forma de efectuar el montaje para obtener grupos funcionales (dibujos de montaje). La configuracin y los lados de una pieza dibujada sobre papel se rigen por la regla de planos abatibles, lo que significa que cada plano de la pieza se muestra girada en 90. De esta manera es posible representar como mximo seis planos de la pieza. Pero por lo general slo se muestra la cantidad de planos necesaria para que consten todas las medidas que se necesitan para la fabricacin de la pieza. En la figura 1.2 se muestra un ejemplo de un dibujo acotado.

Figura 1.2: Dibujo acotado del cilindro empujador de un cargador (tamao original A4)

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Los dibujos de montaje muestran cmo el producto o el grupo estn compuesto de piezas individuales. En estos dibujos se incluyen menos dimensiones y, en cambio, se indican las denominaciones precisas de cada una de las piezas (ver figura 1.3).

Figura 1.3: Dibujo de montaje del cargador (tamao original A3)


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Las piezas individuales se incluyen en una lista de piezas en la que consta la cantidad que se necesita de cada una de las piezas para efectuar el montaje del producto (ver tabla 1.1).Cantidad 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 1 Nmero de material 00705947 00701251 00701925 00019186 00175056 00191614 00200577 00347601 00209537 00200715 00002224 Referencia Tubo de cada Corredera Cuerpo bsico Cilindro neumtico DSNU 10-50-PA Vlvula reguladora GRLA-M5-QS-4-LF-C Tornillo de gota de sebo M5 x1 0 ISO 7380 Arandela B 5,3 DIN 125 Tuerca con cabeza de martillo M5 Tornillo Allen M4 x 8 DIN 912 Tuerca M4 DIN 934 Anillo de junta

Tabla 1.1: Ejemplo de lista de piezas (relacionada con la figura 1.3)

Cada pieza tiene su propio dibujo acotado para su representacin exacta. nicamente las piezas normalizadas o estndar adquiridas de proveedores, como, por ejemplo, tornillos, rodamientos de bolas, no tienen dibujos propios de Festo. Las piezas estndar de terceros que se incluyen en las listas de piezas pueden identificarse de modo sencillo, ya que se hace referencia a la norma correspondiente como, por ejemplo, DIN 125 o ISO 7380. Los ingenieros utilizan piezas normalizadas siempre que sea posible, ya que diversos fabricantes especializados las ofrecen a precios ventajosos, con la calidad exigida y en las cantidades necesarias. Por lo general, es ms econmico adquirir estas piezas de terceros que fabricarlas internamente. El uso de estas piezas normalizadas o estndar no solamente simplifica el diseo de los productos, sino tambin consigue que las reparaciones sean ms sencillas en caso de producirse un fallo.

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1.2 Esquemas de distribucin Mientras que los dibujos tcnicos muestran el exterior de los productos, los esquemas de distribucin explican cmo estn unidos entre s los componentes elctricos, neumticos o hidrulicos de un sistema o equipo tcnico. Independientemente de la forma real de los componentes, en estos esquemas siempre se utilizan smbolos estandarizados que se refieren al funcionamiento y no a la forma de dichos componentes. Por ello, los esquemas de distribucin son mucho ms abstractos que los dibujos tcnicos. En la figura 1.4 se muestra el esquema de distribucin de un sistema neumtico real.

A1 cilindro de simple V13

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3/2-vlvula magntica1

compresorFigura 1.4: Componentes reales representados en el esquema neumtico

Para no perder la orientacin en un esquema, los componentes, las conexiones, etc., estn numerados. Los componentes montados en la mquina se identifican de la misma manera, para que sea posible encontrarlos posteriormente en el esquema de distribucin.


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1.3 Diagramas de flujo y programas La mayora de los sistemas de control modernos estn constituidos por programas de control. Ello significa que un programa informtico se encarga de coordinar y controlar cada una de las operaciones. Para resolver las numerosas tareas tcnicas se crearon lenguajes de programacin especficos como, por ejemplo, Fortran (Formula Translation) principalmente para tareas matemticas, Cobol (Common Business Oriented Language) para programas de contabilidad, diagramas escalonados para controles de enlaces lgicos y Basic (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code), un lenguaje fcil de aprender y tambin apropiado para principiantes. Ejemplo de la redaccin de un programa sencillo: Antes de empezar con la programacin, se desarrolla el algoritmo en forma de un diagrama de flujo. En la figura 1.5 se muestra un diagrama de flujo que representa la siguiente secuencia de mando: Se comprueba el estado de conmutacin de los pulsadores 1 y 2. Si su estado es 1 (activado), el cilindro avanza. En todos los dems casos se repite la consulta.

T1

T2

(T1=1)&(T2=1)

n

y action

Figura 1.5: Diagrama de flujo

El programa en Basic para la secuencia que se muestra en la figura 1.5 podra ser el siguiente: 10 T1 = Pulsador 1 20 T2 = Pulsador 2 30 If (T1 = 1) and (T2 = 1) then cilindro avanza, else goto 10

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Figura 1.6: Programa lgico

Esquemas tcnicos y diagramas esquemticos Un esquema tcnico, tambin llamado diagrama esquemtico, se utiliza para explicar grficamente el funcionamiento de una mquina. El grado de abstraccin puede variar segn la finalidad, aunque es importante que las relaciones recprocas entre los componentes y grupos y su distribucin queden reflejadas del modo ms realista posible. Para explicar las relaciones existentes, es posible atribuir las mismas denominaciones que en el programa o en el esquema de distribucin a los detectores y actuadores incluidos en el esquema tcnico. En la figura 1.7 se muestra un ejemplo.

M1

M2

S2

S1

Figura 1.7: Imagen y diagrama esquemtico del mdulo cinta transportadora


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1.4 Clculos y simulacin Uno de los pasos ms importantes de todo el proceso de desarrollo consiste en calcular y configurar los componentes. En muchos casos, las leyes incluso exigen datos especficos relacionados con la resistencia de los productos (por ejemplo, en la arquitectura o en la aeronutica), con el fin de evitar peligros ocasionados por mquinas o sistemas demasiado dbiles. Adems, con frecuencia deben realizarse clculos para garantizar el buen funcionamiento de las mquinas en cualquier circunstancia. El clculo de fuerzas y momentos de giro son ejemplos de clculos necesarios para configurar actuadores. Lo mismo sucede con el clculo de intensidades elctricas para la configuracin de redes de cables. Las simulaciones estn estrechamente relacionadas con los clculos. Siempre que es posible, los ingenieros efectan simulaciones para comprobar el funcionamiento de la solucin que proponen y para realizar las mejoras necesarias, antes de construir un prototipo que suele ser muy costoso. Un buen ejemplo es el programa FluidSIM, con el que los estudiantes pueden hacer pruebas simuladas con sus soluciones neumticas, lgicas o elctricas, antes de proceder al montaje de la solucin. Si el esquema funciona, el esquema de distribucin propuesto puede utilizarse para controlar el modelo real. Adems, las simulaciones tienen la ventaja de permitir que varios estudiantes puedan dedicarse a la vez a la solucin de una tarea, necesitndose una menor cantidad de componentes didcticos reales.

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La tcnica de la automatizacin como parte de las ciencias de ingeniera

Ejemplos de especialidades de la ciencia de ingeniera: Ingeniera mecnica Ingeniera elctrica Ingeniera de las tcnicas de fabricacin Ingeniera de la construccin Todas tienen en comn la investigacin, la obtencin de soluciones tcnicas y su aplicacin. Se distinguen por la materia que tratan y por la orientacin de cada especialidad. La tcnica de la automatizacin es una disciplina que abarca varias especialidades y que, por lo tanto, recurre a conocimientos y mtodos de diversas ciencias de ingeniera. La norma DIN 19223 define un autmata como un sistema artificial que se comporta de determinadas maneras relacionando comandos de entrada con estados del sistema, con el fin de obtener las salidas necesarias para solucionar tareas. Para configurar procesos automticos modernos se necesitan tres componentes: Sensores para captar los estados del sistema Actuadores para emitir los comandos de control Unidades de control para la ejecucin del programa y para tomar decisiones

2.1 Etapas importantes en la historia del desarrollo de la tcnica de la automatizacin Hoy en da, cuando se usa el concepto tcnica de la automatizacin, se piensa en robots industriales y en sistemas de control mediante ordenadores. Pero, en principio, la tcnica de la automatizacin empez mucho antes en los talleres artesanales y en las plantas industriales. Concretamente, desde que se empez a utilizar la mquina de vapor de James Watt en el ao 1769. Fue la primera vez que la fuerza humana o animal fue sustituida por una mquina. Estas mquinas de vapor se utilizaban para extraer el agua de las galeras en las minas o para el funcionamiento de mquinas herramienta. Una sola mquina de vapor poda poner en funcionamiento varias mquinas a travs de una complicada estructura de ejes y correas de cuero (correas de transmisin) instalados en el techo de la nave de la fbrica. En 1820, el fsico dans Oersted descubri el electromagnetismo, Thomas Davenport desarroll en 1834 el primer motor de corriente continua con conmutador de polos y un ao despus patent su invento. Sin embargo, transcurrieron muchos aos hasta que en 1866 se empez a utilizar el motor elctrico a gran escala. La utilizacin se generaliz cuando Werner von Siemens invent la dnamo, que ofreci la posibilidad de generar corriente elctrica de modo sencillo en grandes cantidades. A partir de entonces, el motor elctrico fue sustituyendo a la mquina de vapor como elemento de accionamiento.


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2 La tcnica de la automatizacin como parte de las ciencias de ingeniera

En 1913, Henry Ford introdujo el primer sistema de fabricacin de productos en grandes series con cintas de transporte. El primer producto fabricado de esta manera fue el famoso automvil Modelo T de Ford (fig. 2.1). Con este sistema no solamente aument considerablemente la productividad sino que el tiempo necesario para fabricar un automvil se redujo de 750 horas a tan slo 93 horas. Tambin fue el inicio de la produccin de automviles en grandes series. Gracias al mayor nivel de productividad, la empresa Ford fue capaz de pagar en 1913 a sus trabajadores un sueldo de 5 dlares por una jornada laboral de 8 horas. El precio del Modelo T baj a ms o menos 600 dlares estadounidenses. El automvil se transform en un producto de consumo accesible para una gran parte de la poblacin, con lo que perdi su carcter de exclusividad. El trabajo cientfico realizado por el estadounidense Frederick Winslow Taylor sobre la fabricacin mediante cintas o cadenas de montaje sirvi de base para la configuracin de sistemas de produccin constituidos por pasos de trabajo muy sencillos, de los que tambin podan hacerse cargo trabajadores sin instruccin especial alguna.

Figura 2.1: Cadena de montaje en Ford, 1921

En 1873 se otorg una patente a una mquina automtica para la fabricacin de tornillos, en la que se utilizaban discos de levas para memorizar cada una de las secuencias del programa. En 1837, Joseph Henry invent un conmutador electromagntico que tom el nombre de relais o rel, tal como se llamaban en francs las postas, es decir, el conjunto de caballeras que se apostaban a distancia de dos o tres leguas para que, cambiando los caballos, hicieran el viaje con ms rapidez los viajeros y en especial el correo.

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Primero, los rels fueron utilizados para amplificar las seales en las estaciones telegrficas que transmitan datos en cdigo Morse. Posteriormente fueron incluidos en sistemas de control elctricos. Estos sistemas de control, en los que se incluan rels fijamente cableados, se llamaron controles lgicos cableados. Este es un trmino que se sigue utilizando hasta el da de hoy. Cuando aparecieron los rels, fue posible realizar tareas de control ms complejas, pero el diseo de los circuitos requera mucho tiempo debido al cableado y, adems, la localizacin de fallos era muy complicada. Joseph Engelberter present en 1959 el prototipo de un robot industrial que empez a utilizarse a partir del ao 1961 en las plantas de General Motors para fabricar automviles. Aqul robot an tena actuadores hidrulicos. Posteriormente, los robots industriales tenan nicamente motores elctricos. Un equipo de investigadores estadounidenses de la empresa Allen Bradley, dirigidos por Odo Struger, desarroll en 1968 el primer control lgico programable (PLC). A partir de entonces fue posible modificar un programa de manera sencilla, sin tener que modificar el cableado de una gran cantidad de rels. Los robots industriales empezaron a difundirse en la produccin industrial a partir del ao 1970. Y su xito perdura hasta la actualidad. Ningn sistema moderno de fabricacin puede prescindir de robots industriales. Incluso se puede afirmar que su importancia va en aumento. Tan slo en Alemania hay ms de 100 000 robots, la mayora de ellos en las fbricas de automviles y en las plantas de los proveedores de ese mismo sector industrial.

2.2 Consecuencias de la automatizacin para el ser humano Una de las razones principales para el uso de sistemas automatizados fue y sigue siendo la necesidad de producir a costos cada vez menores para ser competitivos. La tcnica de la automatizacin contribuye a ese fin de varias maneras: En las secciones de fabricacin automatizada se necesitan menos operarios. Se puede fabricar las 24 horas del da, interrumpiendo los procesos nicamente para realizar trabajos de mantenimiento. En trminos generales, las mquinas cometen menos errores que los humanos, por lo que los productos tienen un alto y constante nivel de calidad. Los tiempos de los procesos son menores. Es posible entregar a los clientes ms productos en menos tiempo. Gracias a la automatizacin, los operarios no tiene que hacer trabajos montonos, pesados y peligrosos o nocivos para la salud. Sin embargo, estas ventajas de la automatizacin se enfrentan a varias desventajas: Eliminacin de puestos de trabajo, especialmente aquellos que pueden ocupar trabajadores de bajo nivel de cualificacin (en vez de 10 trabajadores no cualificados, se necesita un solo operario cualificado, encargado del servicio tcnico). La automatizacin de los procesos de fabricacin implica que los operarios tomen decisiones especficas, cuyas consecuencias no puede apreciar en su totalidad debido al carcter complejo de las instalaciones. Los costos originados por un sistema automtico tienen como consecuencia que los individuos asumen una mayor responsabilidad en relacin con el xito de la empresa.


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Fundamentos de la ingeniera elctrica

3.1 Corriente continua y corriente alterna Una de las tecnologas ms importantes en automatizacin es la electrotecnia, porque la mayora de los sistemas tcnicos necesitan energa elctrica para funcionar y, adems, para procesar las seales de entrada. Por ello, a continuacin se ofrecen informaciones generales sobre los fundamentos esenciales de la electrotecnia. Un circuito elctrico sencillo est compuesto por una fuente de tensin, una unidad consumidora y de los cables para la conduccin de la energa elctrica. En cualquier circuito elctrico se aplica una regla muy sencilla: Desde la fuente hacia la unidad consumidora y de regreso. En trminos fsicos, en un circuito elctrico los portadores de carga elctrica negativa, es decir, los electrones, avanzan a travs del conductor desde el polo negativo de la fuente de tensin hacia el polo positivo. Este movimiento de los portadores de carga se llama corriente elctrica. Una corriente elctrica nicamente puede fluir si el circuito elctrico est cerrado. Se puede diferenciar entre corriente continua y corriente alterna: Si la tensin en un circuito siempre acta en un mismo sentido, la corriente siempre fluye en un mismo sentido. En ese caso, se trata de corriente continua, es decir, de un circuito de corriente continua. Tratndose de corriente alterna, es decir, de un circuito de corriente alterna, la tensin y la intensidad cambian su sentido y carga en una frecuencia determinada.Corriente Continua Corriente Alterna

Corriente I

Tiempo t

Corriente I

Tiempo t

Figura 3.1: Corriente continua y corriente alterna en funcin del tiempo


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3 Fundamentos de la ingeniera elctrica

En la figura 3.2 se muestra un circuito elctrico sencillo de corriente continua, compuesto de una fuente de tensin, cables, un conmutador y una unidad consumidora (en el ejemplo, una bombilla).

Figura 3.2: Circuito de corriente continua

Sentido tcnico del flujo de la corriente Cerrando el interruptor, fluye una corriente I a travs de la unidad consumidora. Los electrones se mueven desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de tensin. Antes de conocerse la existencia de los electrones, se determin que la corriente elctrica flua de positivo a negativo. En la prctica, esta definicin sigue siendo vlida en la actualidad. Se trata de la definicin tcnica del sentido del flujo de la corriente elctrica.

3.2

Resistencia elctrica y potencia elctrica

3.2.1 Conductor elctrico Bajo corriente elctrica se entiende el movimiento rectificado de portadores de carga. Una corriente nicamente puede fluir en un material si ste contiene una cantidad suficiente de electrones libres. Los materiales que cumplen esta condicin se llaman conductores elctricos. Los metales cobre, aluminio y plata son conductores especialmente buenos. En la tcnica de control se utiliza principalmente el cobre como material conductor.

3.2.2 Resistencia elctrica Cualquier material, aunque sea buen conductor, ofrece una resistencia a la corriente elctrica. Esta resistencia se produce porque los electrones libres chocan con los tomos del material conductor, por lo que se inhibe su movimiento. En el caso de los materiales conductores, la resistencia es menor. Los materiales que ofrecen una gran resistencia al flujo de la corriente elctrica se llaman aislantes elctricos. Para aislar los cables elctricos se utilizan materiales que son mezclas de goma o de plstico.

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3.2.3 Ley de Ohm La ley de Ohm describe la relacin entre la tensin, la intensidad y la resistencia. Segn esta ley, en un circuito elctrico que tiene una resistencia determinada, la intensidad de la corriente cambia segn cambia la tensin. Es decir: Si aumenta la tensin, tambin aumenta la intensidad. Si baja la tensin, tambin baja la intensidad.U = R I

U R I

= Tensin Unidad: Voltios (V) = Resistencia Unidad: Ohmios () = Intensidad Unidad: Amperios (A)

3.2.4 Potencia elctrica En la mecnica, la potencia se define en funcin del trabajo. Cuanto ms rpidamente se ejecuta el trabajo, tanto mayor debe ser la potencia. Por lo tanto, potencia significa: trabajo por unidad de tiempo. Tratndose de una unidad consumidora incluida en un circuito elctrico, la energa elctrica se transforma en energa cintica (por ejemplo, movimiento giratorio de un motor elctrico), en radiacin de luz (por ejemplo, lmpara elctrica) o en energa trmica (calefaccin elctrica, lmpara elctrica). Cuanto ms rpidamente se transforma la energa, tanto mayor es la potencia elctrica. Por lo tanto, en este caso potencia significa lo siguiente: energa transformada por unidad de tiempo. La potencia aumenta en la medida en que aumentan la intensidad y la tensin. La potencia elctrica de una unidad consumidora tambin se llama consumo elctrico.P = U I

P U I

= Potencia Unidad: Vatios (W) = Tensin Unidad: Voltios (V) = Intensidad Unidad: Amperios (A)


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Ejemplo de aplicacin: Potencia elctrica de una bobina La bobina de una vlvula (por ejemplo, la electrovlvula de 4/2 vas de la estacin de manipulacin) se alimenta con una tensin continua de 24 V. La resistencia de la bobina es de 60 . Calcule el consumo elctrico de la bobina.

La intensidad se calcula con la ley de Ohm:I= U 24 V = = 0,4 A R 60

El consumo elctrico se obtiene multiplicando la intensidad por la tensin:P = U I = 24 V 0,4 A = 9,6 W

La bobina consume 9,6 W.

3.3 Funcionamiento de un electroimn Alrededor de cualquier conductor por el que fluye corriente elctrica se crea un campo magntico. Si se aumenta la intensidad, aumenta el campo magntico. Los campos magnticos tienen un efecto atrayente para piezas de hierro, nquel o cobalto. Esta fuerza de atraccin aumenta al aumentar el campo magntico.

Bobina

Bobina elctrica con y sin ncleo de hierro

I

I

Figura 3.3: Bobina elctrica con y sin ncleo de hierro y las correspondientes lneas de campo magntico

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3.3.1 Estructura de un electroimn Un electroimn tiene la siguiente estructura: El conductor, por el que fluye la corriente elctrica, se arrolla en forma de una bobina (bobina sin ncleo). El campo magntico aumenta debido a la superposicin de las lneas de campo de todas las espiras de la bobina (ver fig. 3.3). Se introduce un ncleo de hierro en la bobina. Si fluye corriente elctrica, se magnetiza adicionalmente el hierro. Sin cambiar la intensidad, es posible obtener de esta manera un campo magntico mucho mayor que con una bobina sin ncleo. Aplicando ambas medidas, un electroimn atrae piezas ferrticas con gran fuerza, aunque la intensidad sea pequea.

3.3.2 Aplicaciones de electroimanes En sistemas de control electroneumticos, los electroimanes se utilizan principalmente para la conmutacin de vlvulas, rels o contactores. Ejemplo de aplicacin: vlvula de vas de reposicin por muelle. Si fluye una corriente elctrica a travs de la bobina, se acciona el mbolo de la vlvula. Si se interrumpe el flujo de corriente, el muelle presiona sobre el mbolo de la vlvula para que vuelva a su posicin inicial.

Figura 3.1: Funcionamiento de una electrovlvula


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3.4 Funcionamiento de un condensador elctrico Un condensador est compuesto por dos conductores (armaduras) separados por una capa aislante (dielctrico). Si se conecta un condensador a una fuente de tensin continua (se cierra el pulsador S1 en la fig. 3.5), fluye brevemente una corriente de carga. Por ello, las dos armaduras se cargan elctricamente. Si, a continuacin, se interrumpe la conexin con la fuente de tensin (se abre el pulsador S1), la carga queda almacenada en el condensador. Cuanto mayor es la capacidad del condensador, tanto mayor es la cantidad de portadores de carga, siendo igual la tensin. La capacidad C es una magnitud importante para describir las caractersticas de un condensador. La capacidad expresa la relacin entre la cantidad de portadores de carga Q y la tensin U conectada al condensador.C= Q U

La capacidad se expresa en faradios (F):1F = 1 As V

Si se conecta una unidad consumidora al condensador cargado elctricamente (se cierra el pulsador S2 en la fig. 3.5), se produce una compensacin de carga. La corriente elctrica fluye a travs de la unidad consumidora hasta que el condensador est completamente descargado.

Corriente de carga mA mA

S1

S2

U

Figura 3.5: Funcionamiento de un condensador

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3.5 Funcionamiento de un diodo Los diodos son semiconductores elctricos cuya resistencia vara dependiendo del sentido de flujo de la corriente elctrica. Si el diodo abre el paso en el sentido de flujo, la resistencia es mnima, de modo que la corriente elctrica puede fluir casi sin resistencia. Si el diodo est cerrado en el sentido de flujo, la resistencia es muy alta, por lo que no fluye corriente elctrica. Si se monta un diodo en un circuito elctrico de corriente alterna, la corriente elctrica nicamente puede fluir en un sentido. Ello significa que la corriente est rectificada (ver fig. 3.6). El efecto que un diodo tiene en la corriente elctrica puede compararse al efecto que tiene una vlvula de un neumtico en el paso de aire: permite la entrada de aire al neumtico, pero no permite que salga el aire.

I

V

R

V

t

I

t

Figura 3.6: Funcionamiento de un diodo


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3.6 Funcionamiento y estructura de interruptores y conmutadores Para permitir o interrumpir el flujo de corriente en un circuito elctrico, se utilizan interruptores o conmutadores. En principio, puede distinguirse entre interruptores tipo pulsador e interruptores con enclavamiento. Los pulsadores mantienen la posicin de conmutacin nicamente mientras se mantienen pulsados. Una aplicacin tpica de pulsadores es, por ejemplo, el timbre de una casa. Los interruptores con enclavamiento, por lo contrario, mantienen su posicin de conmutacin (ON/OFF). Estos interruptores mantienen su posicin hasta que son accionados nuevamente. Una aplicacin tpica de pulsadores con enclavamiento son, por ejemplo, los interruptores de luz en una casa. Otro criterio para clasificar y elegir interruptores es su estado de conmutacin normal, es decir, cuando no estn accionados.

3.6.1 Contacto normalmente abierto En el caso de un contacto normalmente abierto, el circuito de corriente est interrumpido mientras el interruptor se encuentra en su posicin normal. Accionando el interruptor, se cierra el circuito elctrico y se alimenta corriente elctrica a la unidad consumidora. Soltndolo, el interruptor tipo pulsador recupera su posicin normal por accin de un muelle, por lo que se interrumpe nuevamente el circuito elctrico.1 3 4

2 3

Figura 3.7: Contacto normalmente abierto: vista en corte y smbolo

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3.6.2 Contacto normalmente cerrado En el caso de un contacto normalmente cerrado, el circuito de corriente est cerrado por efecto de la fuerza del muelle mientras el interruptor se encuentra en su posicin normal. Al accionar el pulsador, se interrumpe el circuito de corriente.1 1 2

2 3

Figura 3.8: Contacto normalmente cerrado: vista en corte y smbolo

3.6.3 Conmutador Un conmutador combina en una sola unidad las funciones de un contacto normalmente cerrado y de un contacto normalmente abierto. Los conmutadores se utilizan para cerrar un circuito y abrir otro con una sola operacin. Durante la operacin de conmutacin, los dos circuitos estn interrumpidos durante unos breves instantes.1 2 4

2

1

3 4

Figura 3.9: Conmutador: vista en corte y smbolo


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3.7

Rels y contactores

3.7.1 Aplicaciones de rels En sistemas de control electroneumticos se utilizan rels con los siguientes fines: Multiplicar de seales Retardar y convertir seales Enlazar informaciones Separar el circuito de control del circuito principal Tratndose de sistemas de control puramente elctricos, se utilizan adicionalmente para separar circuitos de corriente continua de circuitos de corriente alterna.

Figura 3.10 Rel

Figura 3.11: Esquema bsico del circuito de un rel

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3.7.2 Estructura de un rel Un rel es un interruptor accionado electromagnticamente, en el que el circuito controlado y el circuito controlador estn separados entre s galvnicamente. Esencialmente est compuesto por una bobina con ncleo de hierro (ver (3) (1) en la fig. 3.12), un inducido como elemento de accionamiento mecnico (4), un muelle de recuperacin (2) y los contactos de conmutacin (6). Al conectar una tensin en la bobina del electroimn se produce un campo electromagntico. De esta manera, el inducido mvil es atrado por el ncleo de la bobina. El inducido acta sobre los contactos del rel. Dependiendo del tipo de rel, los contactos se abren o cierran. Si se interrumpe el flujo de corriente a travs de la bobina, el inducido recupera su posicin inicial mediante la fuerza de un muelle.2 3 12 14 A1 A2 4 11 21 22 24

1 5 6

A1

A2

4

2

1Aislamiento (5)

Ncleo de la bobina (1)

Bobina del rel (3) Contacto (6)

Muelle de reposicin (2) Inducido (4) Figura 3.12: Rel: vista en corte y smbolo

Con un rel se pueden activar uno o varios contactos. Adems del tipo de rel antes descrito, existen otros tipos de interruptores o conmutadores accionados elctricamente, como, por ejemplo, el rel de remanencia, el rel de temporizacin y el contactor.


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3.7.3 Rel de temporizacin Los rels temporizadores se clasifican en rels con retardo a la conexin y rels con retardo a la desconexin. En el caso de los rels con retardo a la conexin, el inducido reacciona despus de transcurrido un tiempo tv, mientras que la desconexin se produce de inmediato. En el caso de los rels con retardo a la desconexin sucede exactamente lo contrario. La conmutacin de los contactos se produce en concordancia con este comportamiento (ver figs. 3.13 y 3.14). Es posible ajustar el tiempo de retardo tv .

a) +24 V

1

2

A1 A2

17 18

27 28

3 S1 4 A1 K1 A20V b)

17 K1 18

1M1

Cerrado

Abierto tVa) Forma de representacin en el esquema de distribucin b) Comportamiento de las seales Figura 3.13: Rel con retardo a la conexin

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a) +24 V 1 2

A1 A2

17 18

27 28

3 S1 4 A1 K1 A2 0V b) Tensin en la bobina del rel 1M1 K1

17 18

Cerrado

tVa) Forma de representacin en el esquema de distribucin b) Comportamiento de las seales Figura 3.14: Rel con retardo a la desconexin


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3.8 Funcionamiento y construccin de una unidad de alimentacin Las unidades de control reciben energa alimentada a travs de la red elctrica. Por ello, la unidad de control de MecLab incluye una unidad de alimentacin (ver fig. 3.15). Los grupos de la unidad de alimentacin tienen las siguientes funciones: El transformador reduce la tensin de funcionamiento. La tensin de la red est conectada a la entrada del transformador (por ejemplo, tensin alterna de 230 V); en la salida, la tensin es menor (por ejemplo, tensin alterna de 24 V). El rectificador convierte la tensin alterna en tensin continua. El condensador que se encuentra en la salida del rectificador se utiliza para filtrar los picos de tensin. La regulacin de la tensin en la salida de la unidad de alimentacin es necesaria para que la tensin elctrica sea constante, independientemente del flujo de la corriente.

Transformador

Rectificador unidad de alimentacin

Figura 3.15: Grupos de la unidad de alimentacin de un sistema de control electroneumtico

Advertencias de seguridad Considerando la elevada tensin de entrada, las unidades de alimentacin son consideradas parte de la instalacin de alta intensidad (DIN/VDE 100). Debern respetarse las instrucciones de seguridad aplicables a instalaciones de alta intensidad. nicamente personas autorizadas pueden manipular unidades de alimentacin!

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3.9 Mediciones en un circuito elctrico Medir significa comparar una magnitud desconocida (por ejemplo, la posicin de un cilindro neumtico) con una magnitud conocida (por ejemplo, la escala de una cinta de medicin). Un aparato de medicin (por ejemplo, una varilla de acero calibrada) permite llevar a cabo esa comparacin. El resultado, es decir, el valor medido, se expresa mediante un nmero y una unidad (por ejemplo, 30,4 cm). Las corrientes elctricas, tensiones y resistencias suelen medirse con aparatos de medicin mltiples. Estos aparatos pueden activar diversas modalidades de funcionamiento: Tensin alterna / corriente alterna y tensin continua / corriente continua. Medicin de intensidad, medicin de tensin y medicin de resistencias. La medicin slo puede ser correcta si se ajusta el modo de funcionamiento correcto y si el aparato de medicin se incluye correctamente en el circuito elctrico.

TTL

400 mA MAX 500 V MAX

1000 V 750 V

Figura 3.16: Aparato de medicin universal


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Advertencias de seguridad Antes de efectuar la medicin, cercirese de que la tensin no exceda 24 V en la parte del circuito donde quiere realizar la medicin. Las mediciones en partes del circuito que tienen una tensin mayor (por ejemplo, 230 V) nicamente podrn realizarse por personas que disponen de los conocimientos necesarios o que recibieron las instrucciones pertinentes. Si la medicin se lleva a cabo de manera indebida, puede peligrar la integridad fsica de la persona!

3.9.1 Forma de proceder al efectuar mediciones en un circuito elctrico Al realizar mediciones en un circuito elctrico, deber procederse en el siguiente orden: Desconectar la alimentacin de tensin en el circuito elctrico. Ajustar la modalidad de funcionamiento en el aparato de medicin universal (medicin de intensidad o tensin, tensin continua o alterna, medicin de resistencias). Tratndose de aparatos de medicin con escala y manecilla, comprobar el punto cero. En caso necesario, efectuar las correcciones del caso. Al medir tensin continua / corriente continua, conectar el aparato de medicin sin confundir los polos (borne + del aparato de medicin al polo positivo de la fuente de tensin). Seleccionar el mayor margen de medicin posible. Conectar la alimentacin de tensin. Observar la reaccin de la manecilla o la indicacin en el visualizador y, paso a paso, seleccionar un margen de medicin menor. Cuando se obtiene el movimiento mximo de la manecilla (con el margen de medicin ms pequeo posible), leer el resultado. Si se trata de un aparato de medicin con escala y manecilla, siempre leer perpendicularmente para evitar errores de lectura.

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Medicin de tensin Al medir la tensin, el aparato de medicin se conecta en paralelo en relacin con la unidad consumidora. La cada de tensin a travs de la unidad consumidora corresponde a la cada de tensin a travs de la unidad de medicin. Cualquier aparato utilizado para medir la tensin (voltmetro) tiene una resistencia interna. Para minimizar el error de medicin, el flujo de corriente a travs del aparato de medicin debe ser mnimo. Es decir: la resistencia interna del voltmetro debe ser lo mayor posible.

Voltmetro V V H

Figura 3.17: Medicin de tensin

Medicin de intensidad Al medir la intensidad, el aparato de medicin se conecta en serie en relacin con la unidad consumidora. La corriente que fluye a travs de la unidad consumidora tambin fluye a travs del aparato de medicin. Cualquier aparato utilizado para medir la intensidad (ampermetro) tiene una resistencia interna. Esta resistencia adicional disminuye el flujo de la corriente. Para minimizar el error de medicin, el aparato de medicin debe tener una resistencia interna muy pequea.

Ampermetro A

V

H

Figura 3.18: Medicin de intensidad


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Medicin de resistencia La resistencia de una unidad consumidora incluida en un circuito de corriente continua puede medirse de modo directo o indirecto. En el caso de la medicin indirecta, se mide la intensidad de la corriente que fluye a travs de la unidad consumidora y la cada de tensin que se produce por efecto de dicha unidad consumidora (fig. 3.19a). Ambas mediciones pueden realizar de modo consecutivo o simultneamente. A continuacin se calcula la resistencia aplicando la ley de Ohm. En el caso de la medicin directa, la unidad consumidora se separa del resto del circuito elctrico (fig. 3.19b). Se activa la modalidad de funcionamiento medicin de resistencia en el aparato de medicin y, a continuacin, se conectan los dos bornes a la unidad consumidora. La resistencia puede leerse directamente en el aparato de medicin. Si la unidad consumidora est daada (por ejemplo, porque se quem la bobina de una vlvula), se obtiene un valor infinitamente alto o el valor cero (cortocircuito) al medir la resistencia.

Atencin! La resistencia hmica de una unidad consumidora en un circuito de corriente alterna deber medirse aplicando el mtodo de medicin directa!

a) A

b)

V

Tensin U

R

H

R=

U I

Figura 3.19: Medicin de resistencia

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4

Detectores

Los detectores tienen la funcin de captar informaciones y de transmitir seales procesables a las unidades de evaluacin. En numerosas aplicaciones se utilizan detectores de diversas formas y modos de funcionamiento. Considerando su gran variedad, es importante clasificarlos sistemticamente. Los detectores pueden clasificarse de acuerdo con los siguientes criterios: Modo de funcionamiento (ptico, inductivo, mecnico, por fluidos, etc.) Magnitud de medicin (recorrido, presin, distancia, temperatura, valor pH, intensidad de luz, presencia de piezas, etc.) Seal de salida (analgica, digital, binaria, etc.) En la tcnica de la automatizacin se utilizan principalmente detectores con salida digital, ya que so mucho menos sensibles a posibles interferencias que los detectores con salida analgica. Adems, las unidades de control de tecnologa digital pueden procesar directamente las seales digitales, mientras que las seales analgicas primero tienen que transformarse en seales digitales mediante un convertidor correspondiente. Los detectores ms difundidos en la automatizacin industrial son los as llamados detectores de posicin, con los que se comprueba la presencia (o la aproximacin) de una pieza.

4.1 Detectores de posicin Los detectores de posicin conmutan sin establecer contacto y, por lo tanto, sin que sea necesaria la presencia de una fuerza mecnica externa. Por ello tienen una larga duracin y son muy fiables. Se puede ditinguir entre los siguientes tipos: Detectores con contacto de conmutacin mecnico Contacto Reed Detectores con salida electrnica Detectores de posicin inductivos Detectores de posicin capacitivos Detectores de posicin pticos


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4 Detectores

4.1.1 Detectores magnticos Los contactos Reed son detectores de posicin de accionamiento magntico. Estos detectores tienen dos lengetas de contacto que se encuentran en un tubo de vidrio lleno de gas inerte. Por efecto de un imn se cierra el contacto entre las dos lengetas, de modo que puede fluir corriente elctrica (ver fig. 4.1). Tratndose de contactos Reed normalmente cerrados, las lengetas estn pretensadas mediante un pequeo imn. Esta precarga se supera mediante un imn mucho ms potente. Los contactos Reed tienen una gran duracin y su tiempo de respuesta es muy corto (aprox. 0,2 ms). Adems, no precisan mantenimiento, aunque no deben utilizarse en zonas expuestas a campos magnticos fuertes (por ejemplo en las cercanas de mquinas de soldadura por resistencia o equipos de tomografa computerizada).

Figura 4.1: Contacto Reed (normalmente abierto): diagrama esquemtico y smbolo

Figura 4.2: Contacto Reed: imagen real

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4 Detectores

4.1.2 Detectores electrnicos Los detectores electrnicos pueden ser inductivos, pticos y capacitivos. Normalmente estn provistos de tres conexiones elctricas: Conexin para la alimentacin de tensin Conexin a masa Conexin para la seal de salida En los detectores electrnicos, la conmutacin no est a cargo de un contacto mvil. En vez de ello, la salida se conecta elctricamente a la tensin de alimentacin o a masa (= tensin de salida 0 V). En lo que respecta a la polaridad de la seal de salida, existen dos tipos de detectores electrnicos de posicin: En el caso de los detectores que conmutan a positivo, la salida tiene la tensin cero (OFF) si en la zona de reaccin del detector no se encuentra una pieza. La aproximacin de una pieza provoca la conmutacin de la salida (ON), de modo que se aplica tensin de alimentacin. En el caso de detectores que conmutan a negativo, se aplica tensin de alimentacin en la salida si en la zona de reaccin del detector no se encuentra una pieza. La aproximacin de una pieza provoca la conmutacin de la salida, con lo que la tensin es de 0 V.


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4 Detectores

4.1.3 Detectores de posicin inductivos Un detector de posicin inductivo est compuesto por un circuito oscilante (1), un flip-flop (2) y un amplificador (3) (ver fig. 4.3). Al aplicar una tensin en las conexiones, el circuito oscilante genera un campo magntico alterno (de alta frecuencia) en el frente del detector. Un conductor elctrico que se acerca a este campo magntico alterno provoca una amortiguacin del circuito oscilante. La unidad electrnica conectada detrs, compuesta de flip-flop y amplificador, evala el comportamiento del circuito oscilante y activa la salida. Los detectores de posicin inductivos pueden utilizarse para detectar todos los materiales que son buenos conductores, es decir, metales y, tambin, grafito.

Principio de funcionamiento

Metal

Smbolo

1

2

3

Circuito oscilante (1)

Flip-flop (2)

Amplificador (3)

Figura 4.3: Detector inductivo de posicin: principio de funcionamiento, esquema elctrico funcional y smbolo

Figura 4.4: Detector inductivo: imagen

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4 Detectores

4.1.4 Detectores de posicin capacitivos Un detector de posicin capacitivo consta de una resistencia elctrica (R) y de un condensador (C) que juntos componen un circuito oscilante RC y, adems, de una unidad electrnica para evaluar la oscilacin. Entre el electrodo activo y el electrodo conectado a masa del condensador, se crea un campo electrosttico. En la parte frontal del detector se forma un campo de dispersin. Si una pieza entra en ese campo de dispersin, cambia la capacidad del condensador (ver fig. 4.5). El circuito oscilante se atena y la unidad electrnica conectada detrs confirma la salida. Los detectores de posicin capacitivos no solamente reaccionan en presencia de materiales muy conductores (por ejemplo, metales), sino, tambin, en presencia de un aislante con gran constante dielctrica (por ejemplo, plsticos, vidrio, cermica, lquidos y madera).

Principio de funcionamiento

Simbolo

1Circuito oscilante (1)

2

3Flip-flop (2) Amplificador (3)

Figura 4.5: Detector capacitivo de posicin: principio de funcionamiento, esquema elctrico funcional y smbolo


41

4 Detectores

4.1.5 Detectores de posicin pticos Los detectores pticos tienen un emisor y un receptor. Estos detectores utilizan componentes pticos (luz roja e infrarroja) y electrnicos y mdulos para la deteccin de piezas que se encuentran entre el emisor y el receptor. Los diodos luminosos semiconductores (LED) son emisores especialmente fiables de luz roja e infrarroja. Son pequeos, robustos, econmicos, fiables y duraderos y, adems, pueden montarse de modo muy sencillo en sistemas tcnicos. La luz roja tiene la ventaja que es visible sin necesidad de usar medios auxiliares, lo que simplifica la orientacin (el ajuste) de los ejes pticos de los detectores. Los receptores de los detectores pticos suelen ser fotodiodos o fototransistores. Puede diferenciarse entre tres tipos de detectores pticos: Barrera de luz unidireccional Barrera de luz de reflexin Detector por reflexin

Barrera de luz unidireccional La barrera de luz unidireccional tiene un emisor y un receptor separados en el espacio. Estos componentes estn montados de tal manera que el haz de luz emitido por el emisor se proyecta directamente sobre el receptor (por ejemplo, un fototransistor) (ver fig. 4.6). Si un objeto, una pieza o, tambin, una persona, se interpone entre el emisor y el receptor, se interrumpe el haz de luz y se genera una seal que provoca una operacin de conmutacin (ON/OFF) en la salida.

principio de funcionamiento

Symbole

Emisor

Receptor

Emisor

Receptor

Figura 4.6: Barrera de luz unidireccional: diagrama esquemtico y smbolo

42


4 Detectores

Figura 4.7: Barrera fotoelctrica ahorquillada

Barrera de luz de reflexin En las barreras de luz de reflexin, el emisor y el receptor se encuentran uno junto al otro, montados en el mismo cuerpo. El reflector se encarga de reenviar el haz de luz proveniente del emisor hacia el receptor. El montaje se realiza de tal manera que el haz de luz emitido por el emisor se refleja casi totalmente hacia el receptor. Si un objeto, una pieza o, tambin, una persona, se interpone entre el emisor y el reflector, se interrumpe el haz de luz y se genera una seal que provoca una operacin de conmutacin (ON/OFF) en la salida.

principio de funcionamiento Emisor Emisor

Smbolo

Receptor

Reflector

Receptor

Reflector

Figura 4.8: Barrera de luz de reflexin: diagrama esquemtico y smbolo


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4 Detectores

Detectores por reflexin El emisor y el receptor del detector por reflexin estn montados uno junto al otro en un mismo cuerpo. A diferencia de la barrera de luz de reflexin, el detector de reflexin no tiene un reflector propio. Ms bien se aprovecha la capacidad de reflexin del objeto o de la pieza que se entra en la zona cubierta por el detector. Si el haz de luz se topa con una pieza de superficie reflectante, la luz es dirigida hacia el receptor y as conmuta la salida del detector. Considerando esta forma de funcionamiento, el detector por reflexin nicamente puede utilizarse para detectar piezas que tienen una gran capacidad de reflexin (por ejemplo, superficies metlicas, colores claros).

principio de funcionamiento Receptor Receptor

Smbolo

Emisor

Emisor

Figura 4.9: Detector por reflexin: diagrama esquemtico y smbolo

44


4 Detectores

4.2 Sensores de presin Existen diversos tipos de sensores de presin: Presostato mecnico con seal de salida binaria Presostato electrnico con seal de salida binaria Sensores de presin electrnicos con seal de salida analgica

4.2.1 Presostato mecnico con seal de salida binaria En el caso de un presostato mecnico, la presin acta sobre la superficie de un mbolo. Si la presin es superior a la fuerza del muelle, el mbolo se desplaza y acta sobre los contactos de los elementos de conmutacin.2 4 >p 1 1 4 2 X

Figura 4.10: Presostato de mbolo: diagrama esquemtico y smbolo


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4 Detectores

4.2.2 Presostato electrnico con seal de salida binaria La versin ms difundida de este tipo de sensor de presin es el presostato de membrana, en el que no se acta mecnicamente sobre un contacto, ya que la salida conmuta de modo electrnico. Sobre una membrana se montan sensores sensibles a la presin o a la fuerza. La seal emitida se evala por una unidad electrnica. Cuando la presin supera un valor definido previamente, conmuta la salida.

Figura 4.11: Presostato electrnico y smbolo

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5

Fundamentos de la neumtica

La palabra neumtica proviene del griego pneuma que significa aire o respiracin. Bajo neumtica se entiende la utilizacin de aire comprimido o, en general, cualquier sistema tcnico que funcione con aire comprimido. Las instalaciones neumticas modernas, utilizadas para la automatizacin, incluyen varios subsistemas que tienen las siguientes finalidades: Generar y alimentar aire comprimido (compresor, unidad de refrigeracin, filtro) Distribuir aire comprimido (tubos rgidos y flexibles, acoplamientos) Controlar el aire comprimido (vlvulas de presin, vlvulas de vas, vlvulas de bloqueo) Ejecutar tareas con aire comprimido (cilindros, actuadores giratorios) La utilizacin ms frecuente del aire comprimido es para generar fuerzas elevadas y para ejecutar trabajos mecnicos, es decir, para ejecutar movimientos. Los actuadores neumticos tienen la finalidad de transformar la energa contenida en el aire comprimido en energa cintica. Los actuadores neumticos ms comunes son los cilindros. Los cilindros se distinguen por existir una gran variedad de tipos, tener construccin robusta, ser fciles de instalar y, adems, por tener una favorable relacin entre el precio y el rendimiento. Gracias a estas ventajas, la neumtica se ha impuesto en la tecnologa moderna. Otras ventajas:Caractersticas Cantidad Transporte Acumulacin Ventajas de la neumtica El aire est disponible en casi cualquier parte en cantidades ilimitadas El aire puede transportarse de modo sencillo a largas distancias a travs de tubos. El aire comprimido puede almacenarse en un depsito para utilizarlo posteriormente. Adems, pueden utilizarse depsitos transportables. El aire comprimido es casi insensible a los cambios de temperatura. Por ello, el funcionamiento de los sistemas neumticos es fiable, tambin en condiciones extremas. Seguridad Pureza Construccin Velocidad El aire comprimido no alberga peligro de incendio o explosin. Las fugas de aire comprimido no lubricado no ocasionan contaminacin alguna. Los elementos de trabajo tienen una construccin sencilla, por lo que su precio es bajo. El aire comprimido es un fluido rpido. Con l, los mbolos ejecutan movimientos muy veloces y los tiempos de conmutacin son muy cortos. Las herramientas y los componentes neumticos pueden soportar esfuerzos hasta que estn completamente detenidos, lo que significa que resisten sobrecargas.

Temperatura

Seguridad frente a sobrecarga


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5 Fundamentos de la neumtica

5.1 Fundamentos fsicos El aire es una mezcla de gases y su composicin es la siguiente: Aprox. 78 % en volumen de nitrgeno Aprox. 21 % en volumen de oxgeno Adems, el aire contiene rastros de vapor, dixido de carbono, argn, hidrgeno, nen, helio, criptn y xenn. Para entender mejor las leyes fsicas aplicables en el caso del aire, se explican a continuacin las unidades correspondientes. Los datos corresponden al Sistema Internacional de Unidades que se abrevia con SI.

5.1.1 Unidades bsicasTamao Largo Masa Tiempo Temperatura Smbolo en la frmula l m t T Unidades Metro (m) Kilogramo (kg) Segundo (s) Kelvin (K, 0 C = 273,15 K)

5.1.2 Unidades derivadasTamao Fuerza Superficie Volumen Caudal Presin Smbolo en la frmula F A V qV p Unidades Newton (N), 1 N = 1 kg m/s2 Metros cuadrados (m2) Metros cbicos (m3) (m3/s) Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 1 bar = 105 Pa

5.1.3 Ley de Newton Fuerza = Masa Aceleracin F=ma En cada libre, a se sustituye por la aceleracin de la gravedad g = 9,81 m/s2

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5 Fundamentos de la neumtica

5.1.4 Presin 1 Pa equivale a la presin que aplica la fuerza vertical de 1 N sobre una superficie de 1 m2. La presin que impera en la superficie de la tierra se llama presin atmosfrica (pamb). Esta presin tambin se denomina presin de referencia. la presin superior a esa presin se llama sobrepresin (pe > 0); la presin inferior se llama vaco (pe < 0). La diferencia de la presin atmosfrica pe se calcula aplicando la siguiente frmula: pe = pabs pamb El significado de esta frmula se explica en el siguiente diagrama:kPa (bar)

pamb

pe, 1 >0

p abs, 1 pe, 2 =1 S E2

E1

Adems, en una disyuncin son vlidas las siguientes ecuaciones:a0 = a a1= 1 aa = a aa = 1

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7 Fundamentos de la tcnica de control

Otros enlaces lgicos Antes se explicaron las funciones de NO / Y / O y los respectivos esquemas. Se sobreentiende que todas estas funciones tambin puede solucionarse por medios neumticos o electrnicos. Adems, en el lgebra booleana tambin se conocen otras funciones lgicas. En la siguiente tabla se ofrece una informacin general al respecto.Denominacin Tabla de funciones Ecuacin Smbolo segn EN 60617-12 Representacin segn ISO 1219-1 (neumtica) Representacin segn EN 60617-7 (elctrica)

Afirmacin (S)

Q=I

Negacin (NO)

Q=I

Conjuncin (Y)

Q = I1 I2

Disyuncin (O)

Q = I1 I2

Tabla 7.1: Enlaces lgicos


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Denominacin

Tabla de funciones

Ecuacin

Smbolo segn EN 60617-12

Representacin segn ISO 1219-1 (neumtica)

Representacin segn EN 60617-7 (elctrica)

Inhibicin

Q = I1 I2

Implicacin

Q = I1 I2

NOR

Q = I1 I2

NAND

Q = I1 I2

Memoria

Tabla 7.1: Enlaces lgicos (continuacin)

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7.3 Ejemplos de la configuracin de un sistema de control La parte de un sistema de control electroneumtico que procesa las seales incluye tres bloques funcionales. En la figura 7.9 se muestra una configuracin posible a modo de ejemplo. La entrada de seales se obtiene mediante detectores o con interruptores y conmutadores. En la figura 7.9 se utilizan dos detectores de posicin (1B1/1B2) para la entrada de seales. El procesamiento de las seales suele estar a cargo de sistema de rels o de un control lgico programable. Las dems soluciones posibles para el procesamiento de seales tienen una importancia menor en el mbito de la automatizacin industrial. En la figura 7.9, el sistema de control mediante rels (K1/K2) se hace cargo del procesamiento de las seales. La salida de seales se realiza mediante vlvulas de vas de accionamiento electromagntico (1M1/1M2).

+24 V

1B1 I1 K1 K2 O1

1B2 I2

K1 K2

O2

1M2 K2 K1

1M1

0V entrada de seales procesamiento de seales emisin de seales

Figura 7.9: Parte del procesamiento de seales con sistema de rels (representacin esquemtica, no en concordancia con la norma)

Descripcin del funcionamiento del sistema de control mediante rels, mostrado en la figura 7.9: Los mdulos para la entrada de las seales (detectores inductivos 1B1 y 1B2) estn conectados a las bobinas de los rels (K1, K2, etc.) a travs de las entradas (E1, E2, etc.). El procesamiento de las seales est a cargo de la conexin de varias bobinas y rels. En este caso, los rels estn conectados a la salida A1 como funcin en Y, mientras que la conexin con la salida A2 constituye una funcin en O. Los mdulos utilizados para la emisin de seales (bobinas de las vlvulas 1M1 y 1M2) est conectados a las salidas A1, A2, etc.. Estos mdulos se activan mediante los contactos de los rels K1 y K2.


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+24 V Microcomputador 1B1 I1 O1

1B2 I2 O2

1M2

1M1

0V entrada de seales procesamiento de seales emisin de seales

Figura 7.10: Parte de procesamiento de seales con un control lgico programable (PLC)

En la figura 7.10 se muestra la parte de procesamiento de seales de un sistema electroneumtico, en el que se usa un control lgico programable para dicho procesamiento. Los mdulos de entrada de seales (en la fig. 7.10: detectores inductivos 1B1 y 1B2) estn conectados a las entradas del PLC (E1, E2) El sistema programable con microprocesador del PLC se hace cargo de todas las tareas de procesamiento de seales Los mdulos de salida de seales (en la fig. 7.10: bobinas 1M1 y 1M2) estn conectados con las salidas del PLC (A1, A2). La confirmacin se realiza mediante el circuito electrnico que es parte del sistema microprocesador

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8

Utilizacin de rels en la electroneumtica

Con rels es posible procesar todas las seales en un sistema de control electroneumtico. Antes existan grandes cantidades de sistemas de control por rels. Sus ventajas principales son su configuracin sencilla y su funcionamiento fcil de entender. Dado que funcionan de modo bastante fiable, los sistemas de control por rels siguen utilizndose actualmente en aplicaciones industriales, por ejemplo, en sistemas de PARADA DE EMERGENCIA. Pero tambin se utilizan cada vez ms para el procesamiento de seales en sistemas con controles lgicos programables.

8.1 Accionamiento directo e indirecto con rels El vstago de un cilindro de simple efecto deber avanzar cuando se pulsa S1 y cuando se vuelve a soltar el pulsador, el vstago deber retroceder. En la fig. 8.1 se muestra el correspondiente esquema de distribucin neumtico.a) 1A

1V 1M1 1

2

3

b) +24 V 1

c) +24 V 1 2

S1

S1

K1

1M1

K1

1M1

0V

0V

a) Esquema neumtico b) Esquema elctrico para el accionamiento directo c) Esquema elctrico para el accionamiento indirecto Figura 8.1: Los esquemas de distribucin de un sistema de control de un cilindro de simple efecto


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8 Utilizacin de rels en la electroneumtica

8.1.1 Accionamiento directo de un cilindro de simple efecto En la figura 8.1b se muestra el esquema elctrico del sistema de control directo de un cilindro de simple efecto. Presionando el pulsador fluye corriente a travs de la bobina 1M1 de la vlvula de 3/2 vas. El electroimn hace conmutar la vlvula y el vstago avanza. Soltando el pulsador se interrumpe el circuito de corriente. El electroimn se desconecta, la vlvula vuele a su posicin normal y el vstago retrocede.

8.1.2 Accionamiento indirecto de un cilindro de simple efecto En el caso de un sistema de accionamiento indirecto (fig. 8.1c), presionando el pulsador fluye corriente a travs de la bobina del rel. Se cierra el contacto K1 del rel y la vlvula de vas conmuta. El vstago avanza. Soltando el pulsador se interrumpe el flujo a travs de la bobina del rel. El rel se desconecta y la vlvula de vas conmuta a posicin normal. El vstago retrocede. El resultado es bsicamente idntico al del sistema de accionamiento directo. El accionamiento indirecto, ms complicado, se utiliza en las siguientes circunstancias: Si el circuito de control y el circuito principal de corriente tienen tensiones diferentes (por ejemplo, 24 V y 230 V) Si la intensidad en la bobina de la vlvula de vas supera la intensidad admisible en el pulsador (por ejemplo, intensidad en la bobina de 0,5 A; intensidad admisible en el pulsador de 0,1 A) Si con un mismo pulsador o un conmutador se controlan varias vlvulas Si es necesario considerar las relaciones entre varias seales provenientes de pulsadores diferentes

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8.1.3 Control de un cilindro de doble efecto El vstago de un cilindro de doble efecto deber avanzar cuando se pulsa S1 y cuando se vuelve a soltar el pulsador, el vstago deber retroceder.a) 1A b) 1A

1V 1M1

4

2 1M1

1V

4

2

1

3

5

1

3

c) +24 V 1

d) +24 V 1 2

S1

S1

K1

1M1

K1

1M1

0Va) Esquema neumtico con vlvula de 4/2 vas b) Esquema neumtico con vlvula de 5/2 vas c) Esquema elctrico con accionamiento directo d) Esquema elctrico con accionamiento indirecto

0V

Figura 8.2: Los esquemas de distribucin de un sistema de control de un cilindro de doble efecto

La parte de control elctrico es la misma que en el caso del control del cilindro de simple efecto. Dado que hay que aplicar presin y descargar las dos cmaras del cilindro, se utiliza una vlvula de 4/2 vas o una de 5/2 vas (figuras 8.2a y 8.2b). La denominacin de vlvulas de 4/2 y 5/2 vas se refiere a la cantidad de conexiones (4 5) y a las posiciones de conmutacin de las vlvulas (2 posiciones).


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8.2 Enlaces lgicos con rels Con el fin de conseguir que los cilindros neumtico ejecuten los movimientos deseados, con frecuencia es necesario combinar entre s las seales provenientes de diversos elementos de mando.

8.2.1 Conexin en paralelo (enlace en O) Utilizando por separado dos elementos de mando (pulsadores S1 y S2) deber conseguirse que avance el vstago de un cilindro. Con ese fin, los contactos de los dos pulsadores estn dispuestos en paralelo, tal como consta en el esquema de distribucin (figuras 8.3c y 8.3d). Mientras que no se presione ningn pulsador (S1 S2 = 0), la vlvula mantiene su posicin normal. El vstago se halla retrado. Si se presiona uno de los dos pulsadores (S1 S2 = 1), la vlvula de vas conmuta a posicin de activacin. El vstago avanza. Si se sueltan ambos pulsadores (S1 S2 = 0), la vlvula conmuta a posicin normal. El vstago retrocede.a) 1A b) 1A

1V 1M1 1

2 1M1 3

1V

4

2

5

1

3

c) +24 V 1 2

d) +24 V 1 2 3

S1

S2

S1

S2

K1

1M1

K1

1M1

0V

0V

a) Esquema neumtico con cilindro de simple efecto b) Esquema neumtico con cilindro de doble efecto c) Esquema elctrico con accionamiento directo d) Esquema elctrico con accionamiento indirecto Figura 8.3: Conexin en paralelo de dos contactos (funcin en O)

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8.2.2 Conexin en serie (enlace en Y) El vstago de un cilindro nicamente deber avanzar si se presionan los dos pulsadores S1 y S2 al mismo tiempo. Para ello, los contactos de los dos pulsadores estn conectados en serie, tal como consta en el esquema de distribucin (figuras 8.4c y 8.4d). Mientras que slo se presione un pulsador o ninguno de ellos (S1 S2 = 0), la vlvula mantiene su posicin normal. El vstago retrocede. Si se presionan los dos pulsadores al mismo tiempo (S1 S2= 1), la vlvula conmuta. El vstago avanza. Si se suelta uno de los dos pulsadores (S1 S2 = 0), la vlvula de vas conmuta a posicin normal. El vstago retrocede.a) 1A b) 1A

1V 1M1 1

2 1M1 3

1V

4

2

5

1

3

c) +24 V 1

d) +24 V 1 2

S1

S1

K1

S2

S2

1M1

K1

1M1

0V

0V

a) Esquema neumtico con cilindro de simple efecto b) Esquema neumtico con cilindro de doble efecto c) Esquema elctrico con accionamiento directo d) Esquema elctrico con accionamiento indirecto Figura 8.4: Conexin en serie de dos contactos (funcin de Y)


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8.3 Memorizacin de seales con rel y electrovlvula biestable En todos los sistemas explicados hasta ahora, el vstago nicamente avanza si se presiona el pulsador de la seal de entrada. Si se suelta el pulsador durante el movimiento de avance, el vstago retrocede sin haber alcanzado la posicin final delantera.

8.3.1 Memorizacin de la seal mediante un circuito con rels y funcin de autorretencin Sin embargo, en la prctica suele ser necesario que el vstago siga avanzando aunque el usuario slo presione muy brevemente el pulsador. Ello significa que la vlvula debe mantener su posicin aunque se suelte el pulsador. Es decir, que es necesario memorizar la activacin del pulsador. Si se presiona el pulsador MARCHA del esquema que consta en la figura 8.5a, se excita el rel. El rel cierra el contacto K1. Al soltar el pulsador MARCHA, sigue fluyendo corriente a travs de la bobina proveniente del contacto K1 y el rel mantiene su estado activado. La seal de MARCHA est memorizada. Se trata de un sistema de conmutacin por rel con funcin de autorretencin.

a) +24 V 1 2

b) +24 V 1 2

Start

K1

Start

K1

Stop

Stop

K1

K1

0V

0V

a) Con marcha prioritaria (activacin) b) Con paro prioritario (desactivacin) Figura 8.5: Circuito de autorretencin con rels

Slo cuando se presiona el pulsador PARO se interrumpe la corriente y se desactiva el rel. Si se presionan simultneamente los pulsadores MARCHA y PARO, se excita el rel. Este configuracin se llama de marcha prioritaria con autorretencin. La solucin que se muestra en la figura 8.5b tiene el mismo comportamiento que la solucin que aparece en la figura 8.5a, siempre y cuando nicamente se presione el pulsador MARCHA o slo el pulsador PARO. Si se presionan los dos pulsadores, el comportamiento es diferente. El rel no se excita. Este configuracin se llama de paro prioritario con autorretencin.

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8.3.2 Control manual de avance y retroceso con rels y autorretencin El vstago de un cilindro deber avanzar cuando se pulsa S1 y cuando se presiona el pulsador S2, el vstago deber retroceder. Para memorizar la seal se utiliza un rel con autorretencin.

a) Esquema neumtico con cilindro de doble efecto b) Esquema elctrico Figura 8.6: Control manual del avance y del retroceso con memorizacin de seales mediante un rel con autorretencin

Presionando el pulsador S1, el rel pasa a modalidad de autorretencin (fig. 8.6b). Mediante otro contacto de rel se activa la vlvula de vas. El vstago avanza. Si presionando el pulsador S2 se interrumpe la autorretencin, el vstago retrocede. Dado que se trata de un contacto de desconexin prioritaria, al presionar los dos pulsadores el vstago retrocede o mantiene su posicin final posterior.


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8.3.3 Memorizacin de seales mediante una electrovlvula biestable Una electrovlvula biestable mantiene su posicin de conmutacin aunque la bobina correspondiente ya no est excitada. Por ello, puede asumir la funcin de memoria. El vstago de un cilindro deber controlarse presionando brevemente dos pulsadores S1: avanzar, S2: retroceder)

a) Esquema neumtico con cilindro de doble efecto b) Esquema elctrico con control directo c) Esquema elctrico con control indirecto Figura 8.7: Control manual de avance y retroceso con memorizacin de seales mediante una electrovlvula biestable

Los dos pulsadores actan de modo directo e indirecto sobre las bobinas de una electrovlvula biestable (figuras 8.7b y 8.7c) Al presionar el pulsador S1, se excita la bobina 1M1. La electrovlvula biestable conmuta y el vstago avanza. Aunque se suelte el pulsador mientras avanza el vstago, el vstago sigue avanzando hasta la posicin final delantera, ya que la vlvula mantiene su estado de conmutacin. Si se presiona el pulsador S2, se excita la bobina 1M2. La electrovlvula biestable conmuta y el vstago retrocede. Aunque se suelte el pulsador S2, el movimiento se ejecutan sin cambio alguno.

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8.3.4 Control automtico del retroceso mediante una electrovlvula biestable Al presionar el pulsador S1 deber avanzar el vstago de un cilindro de doble efecto. Una vez que alcanz la posicin final delantera, el vstago debe retroceder automticamente. Para ello se monta un detector de posicin magntico S1 en la posicin final delantera que provoca la conmutacin de la electrovlvula a travs del rel K2. En la figura 8.6b se muestra el esquema de distribucin para el retroceso automtico del vstago. Presionando el pulsador S1, el vstago avanza. Una vez que el vstago alcanza la posicin final delantera, la bobina 1M2 puede recibir corriente a travs del detector de posicin 1S2 para que el vstago vuelva a retroceder.

a) Esquema neumtico b) Esquema elctrico con control indirecto Figura 8.8: Control de retroceso automtico con memorizacin de seales mediante una electrovlvula biestable

8.3.5 Comparacin entre la memorizacin de seales con un rel con funcin de autorretencin y una electrovlvula biestable La memorizacin de la seal en la parte de potencia del sistema de control puede estar a cargo de una electrovlvula biestable o, tambin, de un rel con funcin de autorretencin. Los esquemas muestran un comportamiento diferente en presencia simultnea de la seal de activacin y desactivacin, as como en caso de un fallo de la alimentacin de la corriente elctrica o de un defecto como, por ejemplo, ruptura del cable (tabla 8.1).


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Situacin

Memorizacin de la seal con electrovlvula biestable

Memorizacin de la seal con autorretencin elctrica combinada con una vlvula de reposicin por muelle Activacin prioritaria Desactivacin prioritaria La vlvula conmuta a posicin normal La vlvula conmuta a posicin normal

Seales de activacin y desactivacin simultneas Fallo de alimentacin elctrica

No cambia el estado de conmutacin de la vlvula No cambia el estado de conmutacin de la vlvula

Activacin de la vlvula

La vlvula conmuta a posicin normal

Tabla 8.1: Comparacin entre memorizacin de seales con autorretencin y con electrovlvula biestable

8.4 Conmutacin retardada con rel En muchas aplicaciones de automatizacin es necesario que el vstago de un cilindro neumtico mantenga su posicin durante un tiempo determinado. Ese es el caso, por ejemplo, en el sistema de accionamiento de una prensa, que debe aplicar presin uniendo dos piezas hasta que el pegamento surta efecto y queden unidas las piezas definitivamente. Para esta tarea se utilizan rels con retardo a la conexin o a la desconexin, tambin denominados temporizadores. Se trata de rels que provocan o interrumpen una operacin de conmutacin con un retardo definido.

8.4.1 Control de un cilindro en funcin del tiempo El vstago de un cilindro deber avanzar si se presiona brevemente el pulsador S1. Cuando llegue a la posicin final delantera, deber permanecer all durante diez segundos y, a continuacin, deber retroceder automticamente. La figura 8.9 muestra el esquema elctrico para el retroceso tras un tiempo de espera. Presionando el pulsador S1, el vstago avanza. Al llegar a la posicin final delantera, se cierra el contacto del detector 1S1. La corriente fluye a travs de la bobina del rel K2. El contacto K2 se mantiene abierto hasta que transcurri el tiempo previsto (en este caso, 1 segundo). A continuacin, se cierra el contacto y el vstago retrocede.

a) Esquema neumtico b) Esquema elctrico Figura 8.9: Retroceso retardado (rel de activacin retardada, memorizacin de la seal mediante electrovlvula biestable)

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9

Controles lgicos programables (PLC)

9.1 Datos generales Para solucionar tareas de control complejas, en la actualidad suelen utilizarse controles lgicos programables (PLC). Con estos controles, el programa no est determinado por la conexin entre varios rels individuales, sino por el contenido del software. Los PLC principalmente procesan seales binarias. Los PLC ofrecen las siguientes ventajas: Menor cantidad de bloques lgicos en el software, en sustitucin de numerosos rels Cableado sencillo Posibilidad de modificar los programas de modo rpido y eficiente Localizacin sencilla de fallos Solucin ms econmica que otras alternativas En el sistema para la enseanza MecLab se utiliza una simulacin de PLC incluida en el software FluidSIM. Sin embargo, la programacin es esencialmente igual a la programacin de un PLC estndar sencillo como, por ejemplo, el control LOGO! de Siemens, que se muestra en la figura 9.1.

24V I1 I2 I3 I4 I5 I6

0V Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

Figura 9.1: PLC LOGO! de Siemens y el smbolo correspondiente en el software FluidSIM.


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9 Controles lgicos programables (PLC)

9.2 Smbolos lgicos del software de control FluidSIM Los sistemas de control nicamente pueden ser eficientes si los pasos incluidos en los procesos se ejecutan en el momento preciso, en la posicin exacta y en el orden correcto. Para cumplir estas condiciones es necesario disponer de un hardware fiable y, adems, de un software que permita la planificacin de procesos tcnicos complejos y que sea capaz de controlarlos. Adems, la interfaz de usuario debe corresponder a los estndares internacionales. El software FluidSIM cumple estas condiciones. FluidSIM ofrece tres posibilidades para desarrollar un sistema de control: Esquemas de circuitos neumticos Esquemas de circuitos elctricos Esquemas de circuitos lgicos Todos estos tipos de esquemas pueden combinarse entre s. La modalidad de simulacin permite comprobar las funciones de control antes de aplicarlas en el modelo real. De esta manera es posible verificar el buen funcionamiento de la solucin en el ordenador, antes de hacerlo con los componentes reales y correr el riesgo de daarlos. En la siguiente tabla se ofrece una informacin general sobre los smbolos lgicos ms importantes, disponibles en FluidSIM.Smbolo Referencia AND Funcionamiento Conmuta la salida a 1 cuando todas las entradas estn en 1 Las entradas no ocupadas siempre estn en 1

&>1

-

OR

Conmuta la salida a 1 cuando, como mnimo, una entrada est en 1 Las entradas no ocupadas siempre estn en 0

1 & RS

NO

Invierte el valor de la entrada

NO Y (NAND)

Conmuta la entrada a 0 cuando todas las entradas estn en 1. Las entradas no ocupadas siempre estn en 1

Elemento de autorretencin

Conmuta la entrada a 1 cuando la entrada superior conmuta a 1. La salida slo conmuta a 0 cuando la entrada inferior conmuta a 1

Retardo de conexin/desconexin

Si la entrada est en 1, la salida conmuta a 1 despus de transcurrido el tiempo previsto. La entrada vuelve a conmutar a 0 despus de transcurrido el segundo tiempo ajustado previamente.

3

Tabla 9.1: Smb

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Fundamentos de La Tecnica de Automatizacion