2.1 Control Electroneumatico-Libre PDF

 

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[UNIDAD II CONTROL DE PROCESOS]

UNIDAD 2 CONTROL DE PROCESOS Academia de Ingeniería Electrónica y Mecatrónica, Especialidad Automatización de Procesos

Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco

Panorama general Introducción

Los primeros sistemas de control conocidos, ya en la antigüedad, son mecanismos destinados al control del caudal para regular un reloj de agua o el control de nivel de líquido en una lámpara de aceite o en un recipiente de vino, que se mantiene lleno a pesar de los muchos vasos que se sacan. De hecho, el control del caudal de fluido se reduce al control del nivel del fluido, ya que un pequeño orificio producirá caudal constante si la presión es constante. El mecanismo de control de nivel de líquido inventado en la antigüedad y todavía usado para controlar nivel es la válvula flotante, semejante a la del depósito de agua de un inodoro corriente. El flotador está hecho de tal manera que, cuando el nivel baja, el caudal del depósito aumenta y cuando el nivel sube, el caudal disminuye y, si es necesario, se corta. En este casoyellasensor y el actuador combinados en el mismo dispositivo, el flotador combinación de tuboestán de alimentación.

Competencia específica a desarrollar Tabla de contenidos

Al término de la unidad, el alumno aplicara conocimientos previos para realizar el control de diversos procesos.

En esta unidad se trataran los siguientes temas: Tema 2.1 Control electroneumático. electroneumáti co. 2.2 Control electrohidráulico. electrohid ráulico.

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2.1 Control electroneumático 2.1.1 Introducción 

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 Expansión: Aumento de volumen de una masa

de aire al verse reducida la presión ejercida por una fuerza o debido a la incorporación de calor.

La neumática es la tecnología que emplea el Volumen: Es el espacio que ocupa el aire. aire  comprimido como modo de transmisión  Masa: (Presión atmosférica) : Es 1.18 kg/m³ 25 °C)= 1mPa s)  (a de la energía necesaria para mover y hacer  Densidad  funcionar mecanismos. Viscosidad  : Esdede 0.018 cP (a(centipoise La neumática (del griego (del griego πνεῦμα [ pneuma],  pneuma], ‘aire’) es la tecnología 20 °C) que emplea el  el aire comprimido como modo de transmisión de Propiedades de la mezcla Psicrometría.   la energía la energía necesaria para mover y hacer funcionar   mecanismos. El mecanismos. El aire

es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse, según dicta la   ley de los gases ideales. 

Psicrometría es una rama de la ciencia por la cual se estudian las  propiedades  termodinámicas del aire húmedo y del efecto de la  propiedades termodinámicas humedad atmosférica en los materiales y en el  confort humano.  humano. 

Se denomina aire  a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que  permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad.

constituido por una mezcla de aire de  aire seco y vapor de agua. agua.   El aire seco es una mezcla de varios gases. Su composición general es la siguiente:  siguiente:  Nitrógeno: Nitrógeno:   77%, 77%,   Oxígeno: Oxígeno:   22%, 22%,   Dióxido de carbono y otros gases: 1%. En relación con su temperatura, el aire tiene la  propiedad de retener cierta cantidad de vapor de agua. A menor temperatura, menor cantidad de vapor, y a la inversa: a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua, si se mantiene éste a  presión atmosférica constante. constant e. 

Composición del aire:   78.080% de nitrógeno (N2), 20.940% de oxígeno (O2), 00.035% de dióxido de carbono (CO2) y 00.930% de gases inertes, como argón y neón.  

El concepto deriva del griego ψυχρομετρία, compuesto por ψυχρός, frío, y μετρία, medición. Este aire, conocido como  aire húmedo, húmedo,   está

Aplicaciones del aire

-  Manejo de herramientas: Pulidoras,

 Figura 2.1.1 Composición del aire. Propiedades del aire

 Fluidez: no ofrecen ningún tipo de resistencia

-  -  -  -  - 

taladros, martillos, cinceles, llaves de impacto, remachadoras. Transferencia (carruseles, conveyors). Atomizado y mezclado de sustancias. Elevación de cargas. Accionamiento de frenos. Control de procesos (automatización).

Ventajas del aire

al desplazamiento, el flujo de aire de un lugar

-  Abundante.

de mayor a menor concentración sin gasto de energía.

  -  -  -  -  -  - 

Compresibilidad : un gas se puede comprimir

en un recipiente cerrado aumentando la  presión, Reducción de volumen del aire al verse presionado por una fuerza, pero este llega a un límite y el aire tiende a expandirse después de ese límite.  Elasticidad : la presión ejercida en un gas se

Almacenable. Antideflagrante. Fácil transporte. Soporta temperaturas de trabajo. Reversibilidad. Alta velocidad (hasta 60 m/mi m/min). n). A prueba de sobrecarga en los actuadores.

Desventajas del aire

transmite con igual intensidad en todas las direcciones ocupando todo el volumen que lo engloba. 

-  Requiere preparación. -  Fuerza limitada. -  Presión de trabajo máxima de 7 bar.

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-  Produce ruido en el escape. -  Es compresible, no soporta velocidades

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acumulada cuando se le permita expandirse, según la ley de los gases ideales.

 bajas. -  Tiene costos asociados (Instalación, operación y mantenimiento.

Presión atmosférica 

Fuerza que ejerce la columna de aire sobre todos los cuerpos. Su valor depende del lugar donde se mida. La presión atmosférica en un punto coincide numéricamente con el  el  peso  peso de una columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior de la atmósfera. Como la  la  densidad densidad  del  Figura 2.1.3 Presión atmosférica con aire disminuye conforme aumenta la altura, no referencias. se puede calcular ese peso a menos que seamos capaces de expresar la variación de la  Presión: Es la magnitud que relaciona la densidad del aire  ρ en función de la altitud  z  o  o fuerza con la superficie sobre la que actúa, es de la presión p.  Experimento de Torricelli (1643). Experimento realizado por E. decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie. Torricelli al introducir verticalmente un tubo de vidrio, cerrado por uno de sus extremos y de longitud superior a 76 cm, completamente lleno de mercurio y por el extremo abierto en el mercurio contenido en una cubeta. La diferencia de niveles de mercurio en el tubo y en la cubeta permite calcular la presión atmosférica. Para poder seguir las variaciones de presión atmosférica, se coloca una regla graduada al lado del tubo, cuyo cero coincida exactamente con el nivel que tenga el mercurio en la cubeta. En un lugar determinado la presión atmosférica experimenta variaciones que, en parte, están relacionadas con los cambios que sufre el estado del tiempo. El valor medio de la  presión atmosférica al nivel del mar corresponde a una columna de mercurio de 76 cm de altura (presión normal)

  Ecuación Ecuación

de los gases ideales: a partir de

observaciones experimentales se ha establecido el comportamiento de  P , V   y T   de los gases a baja densidad mediante la siguiente ecuación. De donde:  P : presión V : volumen m: masa  R: constante del aire T : temperatura

R del aire:  Figura 2.1.2 Experimento de Torricelli.

Atmósfera estándar: 1atm. = 760mmHg = 1.033Bar = 101.325kPa = 14.7psi = 1Kgf/cm 2.

De donde:

e l aire Leyes y principios que rigen el

El aire es un material elástico y por tanto, al aplicarle una fuerza, se comprime, mantiene esta compresión y devolverá la energía  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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Existen ecuaciones que nos definen los estados en un proceso, para los estados 1 y 2. Estado 1:

V 1 T 1

V 2 T 2

 

Proceso a volumen constante o proceso isócoro;

Estado 2:

 P  1

mRa  la Despejando e conocida igualandoecuac las ión ecuaciones  podemos llegar ecuación genera generall de los gases.

  Ley Ley



de Boyle-Mariotte:  El volumen de un

gas es inversamente proporcional a su presión  para un proceso a T  constante.  constante.  P V     P V     

1 1



2

2

donde:  P 1= Presión inicial

T 1



 P 2 T 2

 

Describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Se supone que el fluido es incompresible, flujo estable y el fluido no es viscoso o sea no tiene fricción.   Ecuación Ecuación

de

Bernoulli. 

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una  una corriente de a gua. gua.   Fue expuesto  por   Daniel Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) (1738)   y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad (sin viscosidad ni rozamiento) en régi régimen men ddee circulación por un conducto cerrado, la energía la  energía que posee el fluido  permanece constante a lo largo larg o de su recorrido.

 P 2= Presión final V 1= Volumen inicial V 2= Volumen final

Además, si se despeja cualquier incógnita se obtiene lo siguiente:  Figura 2.1.5 Esquema 2.1.5 Esquema del Principio de  Bernoulli.    Bernoulli.

. 

 Figura 2.1.4 A 2.1.4 A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que este ejerce.   Leyes Leyes de Charles y Gay-Lussac: ley, Jacques Charles  En esta ley,  Charles dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que la temperatura está directamente relacionada con la  energía cinética  la cinética (debido al movimiento) de las moléculas del gas. Así que, para cierta cantidad de gas a una presión dada, a mayor velocidad de las moléculas (temperatura), mayor volumen del gas.  

Proceso a presión constante o proceso isobárico;  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

Se toma para el análisis una porción del fluido limitado por las secciones A1 y A2. El trabajo realizado por el resto del fluido sobre la porción de control, cuando las secciones  A1  y  A2  se han desplegado S 1  y S 2  respectivamente es:  Sobre  A1, la fuerza debida a la presión  P 1  es ( P   P 11** A1) y efectúa un trabajo: W 1=(P 11** A1 )S 1 

Sobre A2, la fuerza debida a la presión P2  es (P2*A2) y efectúa un trabajo: W 2=-(P 22** A2 )S 2 

es negativo porque la fuerza tiene dirección opuesta a la del desplazamiento. Antología Antolo gía de Auto Automatizació matización n Industrial Industrial Ing. Juan José Ramos Romero Rel.1.0 junio 2014

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El trabajo neto de las fuerzas de presión, unidad de volumen y se denota comúnmente realizado sobre la porción de flujo es:  por la letra del alfabeto griego  ρ. W= W1+W2 W=(P 11** A1 )S 1 - (P 22** A2 )S 2  W= P 1*V 1- P 2*V 2 

Como: V 1= V 2 = V   W= (P 1-P 2 )V

Como:

V= m/     W= (P 1-P 2 )(m/    

Donde: m = Es la masa de un elemento de fluido.    =  = Es su densidad.  P 1 y P 2 = Son las diferentes presiones. W  =  = Es el trabajo. Humedad en el aire

 Humedad de saturación:  máxima cantidad de

vapor que contiene un metro cúbico de aire a una presión y temperatura dadas. T(° T(°C) -20 -10 0 10 20 30 40

g/m g/m 0.89 2.16 4.85 9.4 17.3 30.37 51.17

 Figura 2.1.6 Humedad de saturación del aire. Cuando el aire está saturado de vapor de agua, la presión parcial del vapor recibe el nombre de presión de saturación, el cual depende de la temperatura. Cuanto más caliente está una masa de aire, mayor es la cantidad de vapor de agua que admite. A temperaturas bajas puede almacenar menos vapor de agua. Cuando una masa de aire caliente se enfría se desprende del vapor que le sobra en forma de rocío o de  precipitación.

 Humedad absoluta: cantidad de vapor de agua

 por metro cúbico del aire que estamos analizando.  Humedad relativa: es el cociente de la

humedad absoluta entre la humedad de saturación, por lo general se expresa en  porcentaje.

 Densidad del aire. La densidad del aire es una

 propiedad que varía con las condiciones externas y a las cuales este sometido, la densidad está definida como la masa sobre la  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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2.1.2 Técnicas de mandos  

Una máquina está conformada básicamente  por dos partes bien definidas: La parte operativa  (también llamada de  potencia), formada por el conjunto de elementos en donde se llevan a cabo las

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independiente de las acciones de la parte operativa y por supuesto sin garantía de cumplimiento. Esta modalidad (orden  –   orden  –  orden),  orden), es conocida con el nombre de mando  por cadena abierta. Su aplicación es cada vez más relegada a automatismos simples y poco comprometidos.

acciones propias del procesollamado de trabajo. Y el mando   (también parte de comando), en donde se generan las órdenes que gobiernan al conjunto de elementos de la  parte operativa. Entre ambas partes existe una fluida comunicación. El mando comunica órdenes a la parte operativa, ésta ejecuta las acciones correspondientes e informa al mando su evolución. En función de la información recibida, el mando elabora nuevas órdenes, las que serán ejecutadas en la parte operativa y su

 Figura 2.1.8 Mando por cadena abierta.

evolución nuevamente al mando, esta situación se repite reportada hasta completar un ciclo de trabajo. Obsérvese, que el mando sólo emite nuevas órdenes cuando recibe confirmación del cumplimiento de la orden precedente en la fase operativa. Esta modalidad (orden  –   confirmación  –   orden) es conocida con el nombre de mando por cadena cerrada. Las garantías operativas que ofrece lo convierten en el de uso más difundido en el  Figura 2.1.9 Ejemplo de un mando de cadena campo de la automatización industrial. abierta y un mando de cadena cerrada.

El mando  o comando  es la acción engendrada en un sistema, sobre el cual uno o varios parámetros (señales) de entrada, modifican (según leyes del  propio sistema) a otros parámetros (señales), consideradoss de salida. considerado

 Figura 2.1.7 Mando por cadena cerrada.

Ciertos automatismos carecen de flujo de información desde la parte operativa al mando. Éste genera entonces las órdenes en forma  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

Representaremos el sistema como un bloque cerrado; las señales de entrada que actúan sobre este sistema,  X bb11 , X bb22 , X bb33, son combinadas dentro del bloque y salen del mismo como señales de salida,  X cc11 , X cc22, que intervienen luego en el proceso a comandar. Antología Antolo gía de Auto Automatizació matización n Industrial Industrial Ing. Juan José Ramos Romero Rel.1.0 junio 2014

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funciones, tales como contadores, registros, memorias y unidades aritméticas o lógicas.  Mando binario

Es un mando en el cual el mensaje está definido en sólo dos campos de variación del Las señales son el lenguaje por medio del cual  parámetro físico característico; cada campo se comunican sí elA mando y la parte operativa de la entre máquina. través de ellas, el tiene asignado un mensaje diferente. mando comunica las órdenes a la parte operativa y ésta informa su evolución al mando. Por medio de señales también se vinculan entre si la máquina y su operador. La orden o información transmitida se  Figura 2.1.11 Tipos de mandos. manifiesta por medio de cambios del valor de un parámetro físico característico de la señal Clasificación del mando según el proceso de (tensión, posición, presión, etc.). señales  Figura 2.1.10 2.1.10 Señales de mando o comando.

Tipos de mandos

Ciertos equipos industriales utilizan sólo la energía neumática en la parte de potencia, en tanto la parte de comando es realizada sobre una base eléctrica, por medio de relés o sistemas electrónicos de mando, y serán comandados por señales binarias de naturaleza eléctrica o electrónica. Estas señales son adecuadamente convertidas y amplificadas en neumática para el gobierno de los órganos de  potencia. Nacen así los sistemas electroneumáticos.

El motivo de esta clasificación es observar la forma en que las señales de un comando son combinadas, influenciadas y procesadas. La norma DIN 19.237 clasifica el mando en cuatro grupos: DIN  es el acrónimo de Deutsches Institut für Normung ("Instituto Alemán de Normalización", en idioma alemán). Elabora en cooperación con el comercio, la industria, la ciencia, los consumidores e instituciones públicas, estándares técnicos (normas) para la racionalización y el aseguramiento de la calidad.

 Mando analógico  Figura 2.1.12 Clasificación de mandos de Es un mando que trabaja en el bloque de acuerdo a la norma DIN19.237. tratamiento de señales con señales analógicas. El procesamiento de las mismas se realiza  Mando sincrónico  principalmente con elementos funcionales que Es un mando en el que el procesamiento de actúan permanentemente. señales se realiza sincronizadamente en  Mando digital relación a una señal cíclica. Es un mando que, en el bloque de tratamiento  Mando asincrónico de señales, trabaja a partir de información Es un mando que trabaja sin señal cíclica; por representada por números. El procesamiento de las señales es realizado ello en este comando el procesamiento de  principalmente con unidades digitales de señales se realiza en forma asincrónica, es decir, no están controlados por señales de  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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 Mando combinacional

Una ampliación de esta cadena debe ser efectuada cuando se trabaja en un sistema con diferentes técnicas, por ejemplo: eléctrica/neumática, eléctrica/hidráulica, etc. En estas o en otras combinaciones, debe ser introducido además un bloque que corresponda a la fase de transformación de señales. 

Se denomina mando combinacional a todo sistema digital en el que sus salidas son función exclusiva del valor de sus entradas en un momento dado, sin que intervengan en ningún caso estados anteriores de las entradas oy de de realimentación. las salidas. Por tanto, carecen de memoria  Mando secuencial

Es un mando con secuencia compulsiva paso a  Figura 2.1.13 Cadena de mando en un sistema con diferentes técnicas.  paso, en el que se efectúa el salto de un paso  próximo de acuerdo con el cumplimiento de El bloque de transformación puede llamarse las condiciones establecidas en la secuencia. también ““conversor conversor o transductor de señales”. señales”. La misma puede estar programada por la Estos elementos tienen la función de capacidad del mismo portador. transformar en otra naturaleza las señales que llegan de áreas de entrada y tratamiento de  Mando secuencial temporizado señales; y que están destinadas para el área de Es un mando secuencial, en el cual las salida de las mismas. Por ejemplo, una válvula condiciones de secuencia dependen solamente neumática con accionamiento a través de del tiempo. Para introducir las condiciones de solenoide (electroválvula neumática), secuencia, se utilizan temporizadores, transforma una señal eléctrica en neumática. contadores, cilindros de comando, lectores de cinta perforada, etc.  Mando secuencial operación

dependiente

de

la

Es un mando cuyas condiciones de secuencia dependen de señales del sistema comandado. Un comando secuencial dependiente de la operación trabaja en un circuito cerrado de acción. División de una cadena de mando

Un mando o una instalación de comandos,  podemos representarlo por una caja con entrada y salida de la siguiente manera: Esta división es válida cuando trabajamos en una misma técnica: eléctrica, electrónica, neumática o hidráulica. En estos casos el esquema de comando obedece a este flujo de señales.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

 Figura 2.1.14 Cuadro de asociación de elementos neumáticos y electroneumáticos.

En los esquemas de comando electroneumático, la representación del flujo de señales de la parte eléctrica es de arriba hacia abajo.

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• Mecánico   • Eléctrico   • Electrónico  • Neumático   • Neumático de baja presión   • Hidráulico  

 Figura 2.1.15 Sistema Electroneumático. Forma de energía para los comandos

La posibilidad de transformar las señales de una forma de energía en señales de otra naturaleza, a través de aparatos apropiados (conversores de señales), significa para la técnica de mandos que, dentro de un sistema, es posible trabajar con diversas formas de energía. Esto hace que podamos proyectar un mando de acuerdo con puntos de vista ideales, tanto técnicos como económicos.

 Figura 2.1.16 Algunas características de tipos de medios de mando.

2.1.3 Representación de la secuencia de los movimientos  

La complejidad siempre creciente de los automatismos industriales, se traduce en cada vez mayores dificultades para definir de modo claro el desarrollo de las fases operativas del equipo y sus estados de conmutación. Las extensas descripciones literales resultan de difícil o confusa interpretación, por lo que se hace imprescindible adoptar métodos de representación claros y concretos, ya sea en forma literal o gráfica. Es importante destacar que las formas de representación son independientes de la tecnología usada, por consiguiente, serán aplicables para automatismos de mando neumático, hidráulico, mecánico, eléctrico, electrónico o combinaciones de éstos.

En la práctica, escoger el tipo de energía para el mando no siempre es fácil; estamos limitados por factores externos tales como: el lugar de montaje, influencias del medio ambiente, nivel del personal de mantenimiento, etc; los cuales están casi siempre en contraposición con la solución del  problema propiamente dicho y pueden influenciar considerablemente en un proyecto. Debemos agregar además que dependiendo de la especialidad del técnico, éste tiende a una solución que utilice sus áreas de especialización y conocimiento. La solución ideal de un problema existente   Representación Representación descriptiva simplificada  presupone los conocimientos de todas las  Fase 1:  A  extiende su vástago, el cilindro  A  alternativas ofrecidas. sujeta la pieza. Medios de comando  Fase 2:  B  extiende su vástago, el cilindro  B  Existen diversos tipos de medios de mando, acciona el punzón de marcación.  Fase 3:  B  retrae su vástago, el cilindro  B  entre los cuales señalamos los siguientes: retrocede.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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 Fase 4:  A retrae su vástago, el cilindro A libera

la pieza.   Representación Representación

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Representación en forma de diagramas   Diagrama Diagrama

con vectores

 Ejemplo 2.1.1:

Espacio  –  Fase  Fase

En este tipo de diagrama se representa la secuencia de acción de las unidades de trabajo y el encadenamiento de las señales de mando; se utilizan para ello dos ejes de coordenadas. En el eje vertical, se representa el estado de los actuadores del sistema utilizando valores  binarios (0 - 1). Se adoptará valor “0” para indicar la posición de reposo del actuador, y el valor “1” para identificar el estado actuado del

elemento actuador. En el eje horizontal, se indican las fases o  pasos en que se subdivide el ciclo de trabajo. Estos pasos o fases están caracterizados por la modificación o cambio de estado de un elemento del mando. Estos cambios se   Representación Representación

abreviada por signos

En este caso el movimiento de los actuadores es designado por los signos (+) y (-). Se adopta convencionalmente:

indicarán con líneas verticales auxiliares el diagrama, que denominaremos líneassobre de fase. Deberá tratarse siempre que los principios de representación y los símbolos utilizados sean iguales en todos los casos, a efectos de lograr que la lectura y comprensión pueda interpretarse sin dificultad e inequívocamente.   Representación Representación

 Ejemplo 2.1.2:

de los órganos de trabajo

Los actuadores se representan por líneas. Las líneas horizontales representan estados de reposo del actuador (ver fases 0-1 y 2-3). líneas inclinadas significan movimientos  Las del actuador (ver fases  1-2 y 3-4).

 Figura 2.1.17 Representación del órgano de trabajo (actuador).

Las líneas de distinta inclinación evidencian distintas velocidades de movimiento, por ejemplo: aproximación rápida, trabajo lento y retorno rápido (ver fase 0-1 aproximación  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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rápida, fase 1-2 trabajo lento, fase 2-3 retorno rápido).

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Cuando en un mando existan varios elementos de trabajo, éstos serán representados individualmente uno debajo del otro, estableciendo su relación por medio de las líneas de fase.

 Figura 2.1.18 Representación de distintas velocidades de movimiento.

El arranque y parada de los motores se indicará con una línea vertical desde el estado "0" al estado "1" y viceversa.

 Figura 2.1.19 Representación de arranque y  parada de motores.  Figura 2.1.22 Representación de un mando Los motores con posibilidad de giro en los dos con varios elementos de trabajo. sentidos se representarán como en la figura. El nivel 1 superior indica por ejemplo,   Representación Representación de los elementos de rotación en sentido horario mientras que, el  señalización inferior antihorario. El 0 central indica reposo Los elementos de señalización son aquellos (motor detenido). que al ser actuados emiten una señal capaz de modificar el estado de algún componente del mando.

 Figura 2.1.20 losenestados de un motor conRepresentación posibilidad de de giro los dos  sentidos.

Los motores con aceleración y desaceleración  prolongada podrán representarse como lo indica la figura (caso de inversión del giro).  Figura 2.1.23 Elementos de señalización del operador.  Figura 2.1.21 Representación de motores con aceleración y desaceleración prolongada, (doble giro).  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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 Figura 2.1.24 Elementos de señalización del  sistema.   Representación Representación

de la cadena de señales

La vinculación entre los distintos elementos del mando lo establecen las señales; éstas se representan con líneas. Las líneas tendrán un origen y un destino: su origen será un elemento de señalización y su destino aquel cuyo estado deba ser cambiado (válvula o cilindro). Una flecha indicará el sentido de la señal. Se representarán los símbolos gráficos establecidos en la figura subsiguiente.

 Figura 2.1.25 Símbolos representación de la cadena de señales.   Aplicación Aplicación

 Figura 2.1.26 Representaciones del ejemplo 2.1.3. Diagrama Espacio  –  Tiempo  Tiempo

El diagrama  Espacio-Tiempo  constituye una variante del diagrama Espacio-Fase, en donde en el eje horizontal   se indican los tiempos  en reemplazo de las fases o pasos utilizados en aquél. Cuando el tiempo de ejecución constituye una variable de consideración en el equipo, la escala de tiempo se superpone a la de fases. Valen para este diagrama las mismas reglas y símbolos gráficos ya mencionados. Su aplicación resulta adecuada en aquellos mandos programados en función del tiempo, mientras que el diagrama Espacio-Fase lo es  para los mandos po porr programa de recorridos y de evolución secuencial.

del diagrama Espacio  –  Fase  Fase

 Ejemplo 2.1.3:

Representar en forma de diagrama Espacio Fase la siguiente secuencia de máquina expresada en forma literal abreviada con signos. (A+) (B+) (A - C+) (B- C-) Se exige un funcionamiento a ciclo simple. El inicio se producirá oprimiendo un mando  bimanual y estará condicionado a la finalización del ciclo anterior.

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 Figura 2.1.27 Representaciones de diagrama espacio-tiempo.

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Esquemas circuitales de mando

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Es conveniente tener en cuenta las siguientes reglas básicas:

Un esquema circuital   representa en forma gráfica la relación entre los distintos a) La posición de actuación de los finales de componentes del mando, dando a conocer la carrera se indica con un trazo vertical en las  posiciones que q ue son realmente actuados, act uados, con su lógica operativa del mismo. El esquema circuital constituye un elemento de correspondiente identificación.

elemento se dibujará según la posición inestimable el del hombre anterior, es decir, en el bloque de entrada y en mantenimiento;valor es el para comienzo caminodea El recorrer para la detección sistemática de fallas. la posición que resulte más adecuada, Sin él poco podría hacerse en forma racional, apuntando a simplificar el trazado de líneas de lo que finalmente concluiría en una búsqueda interconexión.  por tanteos de los desperfectos con las  b) Los elementos se dibujan en el estado siguientes pérdidas de tiempo, materializadas determinado por su pilotaje, con el equipo en en cuantiosas pérdidas de producción. reposo y listo para el arranque.   Simbología

de los elementos

Los símbolos gráficos indicados en los esquemas circuitales responden en todo a las normas ISO 1219.   Disposición Disposición

de elementos en el esquema

circuital

La disposición de los elementos en el esquema circuital se realizará respetando la cadena de mando (flujo de señales) en sentido vertical ascendente, según se indica en la siguiente figura.

 Figura 2.1.29 Dibujo del elemento.

c) Aquellos elementos que en la condición inicial estén actuados (fines de carrera), se dibujan actuados, indicando la presencia del elemento actuador sobre el mando.

 Figura 2.1.30 Elemento activado o actuado.

d) Las conducciones se representan por líneas rectas, evitando cruces innecesarios. Las conducciones de trabajo se dibujan con líneas continuas. Las conducciones de pilotaje se dibujan con líneas de trazo.

 Figura 2.1.28 Disposiciones de los elementos en el esquema circuital.

La disposición indicada se respetará dentro de lo posible, excepto en los casos particulares en donde probablemente otra disposición resulte más favorable atendiendo a la realización, interpretación y lectura del esquema.

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 Figura 2.1.31 Representaciones de las conducciones.

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e) Puede evitarse el trazado de las conducciones de alimentación a las válvulas direccionales y válvulas fines de carrera, indicando el símbolo simplificado de fuente de  presión.

 Figura 2.1.32 Símbolo simplificado con fuente de presión. Denominación esquema

de

los

elementos

en

el

La designación deberá aportar claridad a la lectura y una fácil interpretación del rol de cada elemento en el mando. Facilitando de esta forma la tarea de mantenimiento y la búsqueda de fallas. Es importante adoptar una

 Figura 2.1.34 Ejemplo de designación de los elementos de un sistema de mando.   Colores

de identificación para botones e indicadores luminosos (DIN 43.605)

metodología simple y clara, sin ambigüedades o indefiniciones. Existen varias formas de denominar los componentes del mando, desde las totalmente literales a las totalmente numéricas.   Método Método

alfanumérico

 Figura 2.1.35 Colores de identificación para botones e indicadores luminosos (DIN 43.605).

El esquema circuital debe ser realizado de un modo claro, de fácil interpretación y que pueda ser entendido por todos. Para lo cual deberán utilizarse símbolos de representación normalizados, respetando además ciertas reglas en cuanto a la disposición de los elementos.  Figura 2.1. 33 Método alfanumérico para denominar los elementos.

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2.1.4 Esquemas para cilindros

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electroneumáticos

Estos esquemas se componen de una parte neumática y una parte eléctrica. Recomendaciones para su representación:

Mandos Indirectos

En general se necesita de mandos indirectos en electroneumática, debido a la separación entre los circuitos de trabajo y de mando, y la conversión de energía resultante. Existe la posibilidad de efectuar un comando



  El esquema deben neumáticosery el dibujados esquema eléctrico

indirecto una válvula de impulso (botonera)a otravés de undecircuito de auto-retención. separadamente. En mandos electroneumáticos encontramos   Es conveniente efectuar la disposición ambos tipos. El tipo de mando será escogido según el esquema de flujo de señales. de acuerdo a las necesidades y la dificultad del   Representar el esquema eléctrico en forma  problema. de diagrama de circulación de corriente.





 Circuito Circuito

biestable con mando por válvulas

Mandos directos

de impulso

  Mando Mando

La figura muestra un circuito con válvula electroneumática biestable por impulsos eléctricos (5/2). Los dos solenoides C 1  y C 2  necesitan, en el diagrama de circulación de corriente, dos trayectos de corriente. Un impulso a través de los botones b1 y b2  para para conmutar la válvula 1.1 y mantenerla conmutada hasta la llegada de la señal contraria.

de un cilindro de simple efecto

El sistema de accionamiento de la válvula 3/2 electromagnética es dibujado separado de la  parte neumática. Se desea que exista mando inmediato de retorno al liberar b1. En este circuito no es necesario un elemento de conmutación adicional.

 Figura 2.1.36 Mando de un cilindro de simple efecto.   Mando Mando

de un cilindro de doble efecto

En este caso se utiliza una válvula 5/2 en lugar de la válvula 3/2. El sistema de accionamiento de la válvula 5/2 es similar al caso anterior.

Figura 2.1.38 Circuito biestable con mando  por válvulas de impulso.   Circuito

de auto-retención

En circuitos de auto-retención podemos tener un comportamiento dominante de conectar o de desconectar. Circuito de auto-retención con desconectar dominante

 Figura 2.1.37 Mando de un cilindro de doble efecto.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

La señal de desconectar es dada a través del  botón b2. Antología Antolo gía de Auto Automatizació matización n Industrial Industrial Ing. Juan José Ramos Romero Rel.1.0 junio 2014

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El circuito de auto-retención es constituido por el contacto normalmente abierto del relé d 1, conectado en paralelo con b1; el cual mantiene el sistema de accionamiento d 1  con corriente, aun retirando la señal en b1. Esta retención  puede ser interrumpida a través tr avés de b2.  Figura 2.1.41 Mando con retorno automático de un cilindro simple efecto.   Mando Mando

de un cilindro de doble efecto (movimiento continuo con parada)

 Figura 2.1.39 Circuito de auto-retención con desconectar dominante. Circuito de dominante

auto-retención

con

conectar

Utilizaremos una válvula electroneumática 5/2  biestable, dos fines de carrera eléctricos, que  pueden ser mecánicos, inductivos u ópticos,  para el movimiento continuo. Una llave b3 para conectar y parar el circuito.

En este caso el circuito de auto-retención está constituido por el contacto normal abierto del relé d 1, en serie con el contacto normal cerrado del fin de carrera.  Figura 2.1.42 Mando de un cilindro de doble efecto (movimiento continuo con parada).   Circuito

para múltiples contactos

Un problema que ocurre repetidamente en mandos neumáticos, es el del accionamiento  Figura 2.1.40 Circuitodominante. de auto-retención con conectar   Mando Mando

con retorno automático de un cilindro simple efecto

Se utiliza un fin de carrera eléctrico b2  en el final de la carrera del cilindro  A para conmutar su retorno, una botonera b1 para su acción. Se usa una electroválvula direccional 3/2 con reacción a resorte (monoestable).

de varios de se mando con de unavarios sola señal. Paraprocesos lograr esto necesita contactos, que se pueden obtener, en caso que no existan en el equipo utilizado, a través de un circuito de multiplicación de contactos. En la figura se muestra la disposición más simple  para esta multiplicación, multiplicación, por ejempl ejemploo la de una u na señal de un fin de carrera b1. Se necesitará de un relé auxiliar d 1.

También podemos hacerlo utilizando una válvula electroneumática 5/2 biestable, no siendo necesaria entonces la retención.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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 Figura 2.1.43 Circuito para múltiples contactos.

Si los contactos del relé d 1  no fueran suficientes, existe la posibilidad de conectar varios relés en paralelo. Mientras tanto debemos introducir en este caso un bloqueo adicional, lo que hará que los relés sean conmutados en secuencia y que una eventual retención ocurra cuando todos los relés estén  Figura 2.1.45 Símbolos eléctricos de relés con accionados. retardo. Esto asegura que el mal funcionamiento de un En la figura siguiente se observa un ejemplo relé el accionar de toda laver instalación. En lainhiba siguiente figura podemos un circuito de comportamiento temporizado de cierre, con retorno automático por acción de un fin de de este tipo con tres relés y auto-retención. carrera b2 que da inicio a la temporización. Luego de transcurrido el tiempo correspondiente se abre el contacto d 2 (normal cerrado), desconectando d 1  y retornando el vástago a la posición retraída.

 Figura 2.1.44 Conexión  paralelo.de varios relé en Circuitos temporizados

 Figura 2.1.46 Aplicación de un circuito temporizado.

El comportamiento temporizado en la técnica de mandos electroneumáticos puede ser conseguido, entre otras maneras, con relés de retardo. Puede utilizarse relés de contacto deslizante para la formación de impulsos. La próxima figura muestra un resumen de las  principales funciones de tiempo y los símbolos eléctricos correspondientes.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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2.1.5 Desarrollo de un comando

Antes de hacer un circuito, debemos esclarecer los tipos de válvulas que usaremos, si serán válvulas biestables por impulsos electroneumáticos o válvulas monoestables con señal de mando electroneumática y reacción a resorte o neumática. Por lo tanto, veremos si es necesario usar un comando de impulso o un comando de retención. Dependiendo de esta situación, proyectaremos el circuito. En un comando de impulso necesitamos observar apenas que el impulso necesario para la conmutación esté a disposición en el instante correcto y bloqueado en el momento de la conmutación de la señal contraria. En comandos de retención debemos observar un período de impulso definido exactamente. Una vez que se retira la señal de comando de la válvula entra en acción la reacción del resorte o neumática de la misma, invirtiendo el movimiento del cilindro. Los problemas ocurren en el bloqueo de las señales. En comandos más simples y  principalmente cuando no se exige gran seguridad de secuencia, podemos utilizar también fines de carrera con accionamiento  por rodillos escamoteables o unidireccionales. En todos los casos restantes se recomienda  bloquear señales a través de elementos de conmutación adicionales, como también se

 Figura 2.1 47 Diagrama espacio-fase del ejemplo 2.1.4.

 Figura 2.1.48 Diagrama de los fines de carrera.

Exigencias: 1. Posibilidad de movimiento continuo. 2. Parada de Emergencia: Los dos cilindros deben retornar inmediatamente, desde cualquier posición hacia la posición inicial. En la siguiente figura mostraremos un circuito sin exigencias adicionales, construido como mando de impulsos (válvulas biestables por impulsos eléctricos). Secuencia: (A+) (B+) (A-) (B-).

hace en comandos neumáticos. las Los ejemplos siguientes nos mostrarán diversas soluciones y aclararán el proyecto de esquemas de mandos electroneumáticos de trayectoria programada.  Ejemplo 2.1.4: Comando electroneumático de trayectoria  programada para la secuencia de movimiento de dos cilindros de doble efecto. 

Diagrama Espacio –  Fase  Fase  Figura 2.1.49 Circuito del ejemplo 2.1.4.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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En el diagrama Espacio  –   Fase podemos ver 2.1.6 Condiciones marginales claramente que no hay necesidad de bloquear señales para la secuencia de movimientos. El Son las condiciones de mando que no fin de carrera b3 es utilizado en el circuito sin  pertenecen directamente al funcionamiento exigencia adicional para el bloqueo del botón normal del mando; éstas pueden ser: Arranque - Automático/Manual - Parada de emergencia, de arranque. La introducción de exigencias adicionales es etc. efectuada paso por paso, también en este caso. Secuencia: (A+)(B+)(A-)(B-). En cambio en un mando de retención, después de retirada la tensión de las bobinas de En este caso mostramos un ejemplo de circuito accionamiento de las válvulas, los cilindros con válvulas biestables por impulsos eléctricos retornan inmediatamente a la posición inicial, y condiciones marginales adicionales: cumpliendo la condición de “parada de emergencia”. En un comando de impulsos   es

necesario efectuar un circuito más complejo  para la “parada de emergencia”.   En la figura siguiente mostraremos un circuito con comando de retención (con válvulas monoestables con reacción a resorte) siendo la

b5: Arranque. b6 : Automático. b7 : Desconectar automático. b8: Parada de emergencia. b9: Desbloqueo de parada de emergencia.

misma secuencia circuito anterior. (A+)del (B+) (A-) (B-).

 Figura 2.1.51 Representamos un mando de retención con las condiciones marginales introducidas.

 Figura 2.1.50 Circuito con comando de retención (con válvulas monoestables con reacción a resorte).

 Figura 2.1.52 Diagrama Espacio  –  Fase.  Fase.

Después de retirada la tensión de las bobinas de mando c1  y c2, los cilindros retornarán a su estado inicial.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

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Circuito con retención

Aquí también es necesario instalar un circuito de auto-retención adicional para el bloqueo de señales. Como en este circuito es necesaria una conmutación definida de c1  y c2, es  Figura 2.1.53 Diagrama fines de carrera.

recomendable estadosdeen las el diagrama de introducir comando estos (diagrama señales).

Debido a que se repiten las mismas condiciones de los fines de carrera en los  puntos 1 y 3 del diagrama de fases, debemos utilizar un relé d 1 adicional. Circuito con válvulas de impulso

Para el bloqueo o conmutación de la señal, se utilizará un circuito de auto-retención para el contactor d 1. Los contactos de d 1 se encargarán de bloquear señales en los diversos trayectos de lalas corriente. A través de un contacto normalmente cerrado de d 1, la señal de arranque b5 es bloqueada adicionalmente.

 Figura 2.1.55 Circuito con retención.

 Figura 2.1.54 Circuito con válvulas de impulso para el bloqueo o conmutación de la  señal.

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2.1.7 Diagrama ladder

El diagrama Ladder se usa para describir circuitos de relés electromecánicos. Sin embargo, la aplicación del mismo para circuitos con válvulas neumáticas o hidráulicas es relativamente nueva. Por lo tanto, vamos a describir el Diagrama Ladder Eléctrico y mostrar como este método puede ser aplicado a un circuito neumático.

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Los símbolos de varios dispositivos eléctricos son introducidos en estas líneas con un orden  propio. El dispositivo al ser actuado por una línea es siempre dibujado a la derecha del fin de cada línea. Los símbolos más utilizados son mostrados en el cuadro siguiente:

El Diagrama Ladder eléctrico se diferencia del diagrama eléctrico convencional en lo siguiente: • El diagrama eléctrico convencional muestra

el aspecto físico de varios componentes (fines de carrera, relés, solenoides, etc.) y de sus conexiones, tal como es usado por los electricistas para hacer la instalación eléctrica de un panel de control. • El diagrama Ladder muestra cada rama del circuito de control por separado en cada línea horizontal, siendo más fácil de visualizar la función de cada línea y la secuencia resultante de las operaciones. Estructura Del Diagrama Ladder

Básicamente, el diagrama consiste en dos líneas verticales: la de la izquierda será conectada a la tensión de la fuente, la de la derecha será conectada a tierra. Entre ellas tendremos un conjunto de líneas horizontales llamadas Rungs, que representan las diferentes líneas del sistema de control del circuito. 

 Figura 2.1.56 Estructura básica del Diagrama  Ladder.

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 Figura 2.1.57 Símbolos de elementos eléctricos de control.

La bobina y cada juego de contacto son dibujados separadamente en el diagrama Ladder en cada línea en la que pueda aparecer.al Los distintos contactos pertenecientes mismo relé, son todos identificados en el diagrama por una anotación tal como  K 7 7,  significando contacto del relé 7. Con esto es posible identificar relés que tengan solamente uno o dos contactos, o un gran número de contactos (10 ó 20), siendo éstos abiertos o cerrados. Un tipo de relé muy popular tiene uno o dos contactos dobles (conmutador) y su costo aumenta con el número de contactos. Antología Antolo gía de Auto Automatizació matización n Industrial Industrial Ing. Juan José Ramos Romero Rel.1.0 junio 2014

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Las llaves pueden tener diferentes tipos de accionamiento: mecánico, manual, por  presión, por temperatura, u otros. Estas llaves  pueden ser s er normalmente aabiertas biertas o cerradas, o contactos dobles.

 Figura 2.1.58 Ejemplo del uso de símbolos eléctricos de control.  Ejemplo2.1.5:

Aplicaremos el diagrama Ladder en el siguiente ejemplo. Secuencia: (A+) (A-B+) (B-).

 Figura 2.1.60 Diagrama de ladder, ejemplo 2.1.5.  Interpretación del ejemplo anterior

Presionando el botón "Arranque" de la línea 1, establecemos una tensión en la bobina K1, por intermedio del contacto K2 (porque el contacto

está cerrado). 1. Los cilindros serán comandados por K2 Como resultado, el relé K1 opera y cierra el válvulas monoestables, por señal eléctrica y contacto K1 en la línea 5, que alimenta la reacción a resorte.  bobina del solenoide C1, el qque ue a su vez hace 2. Las conmutaciones serán hechas por fines que el cilindro A avance, cumpliendo así con de carrera eléctricos de rodillo. el requerimiento del paso 1 del esquema 3. Los relés serán usados para controlar los Espacio - Fase. elementos. Un contacto normal abierto de K1 hace una auto-retención del relé y memoriza la señal del  botón “Arranque 2”.  Observando el diagrama Espacio  –   Fase, vemos que el cilindro “A” toca un fin de  

 Figura 2.1.59 Diagrama de espacio-fase y circuito neumático del ejemplo 2.1.5.  Academia de Ingenie  Academia Ingeniería ría Electrónica Electrónica y Mecatró Mecatrónica nica Especialidad Automatización de Procesos

carrera después de completar el línea avance. tensión S1 alimenta la bobina K2 en la 3 yLa el relé hace cuatro operaciones simultáneas: 1. Cierra el contacto K2 en la línea 6, actuando el solenoide C2 que hace avanzar al cilindro B. 2. Abre el contacto K2 en la línea 1, retirando la tensión de K1 y desconectando así C1 para que el cilindro A retroceda. 3. Cierra el contacto K2 en la línea 4 haciendo la retención de la bobina K2. 4. El cilindro B avanza y toca el fin de carrera S2 (N.C.), que al abrirse desconecta la bobina K2, la que a su vez abre el contacto K2 de la Antología Antolo gía de Auto Automatizació matización n Industrial Industrial Ing. Juan José Ramos Romero Rel.1.0 junio 2014

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línea 6, desenergizando la bobina C2, haciendo que el cilindro B retorne. Una vez completado todo el ciclo, el sistema  permanece en espera de un nuevo arranque. Por motivos de seguridad, utilizaremos un  botón de emergencia (N.C.) instalado en la línea 1. Si por algún situación anormal en el motivo circuito,ocurriera el botónuna de emergencia puede ser accionado, abriendo las auto-retenciones y consecuentemente los cilindros retornarán a sus posiciones de inicio. La ventaja del diagrama Ladder es que los componentes son agrupados de acuerdo con la tarea a ser ejecutada. Cada uno de estos cuatro componentes tiene una diferente línea. Cada una de ellas ejecuta una tarea diferente, por ejemplo: •  La tarea de la línea 1 es activar la bobina

K1. tarea de la línea 6 es energizar el •  La solenoide C2. El dispositivo a ser actuado será siempre dibujado a la derecha en el final de la línea. De este modo, resulta más fácil entender el sistema por completo y seguir el orden de los distintos pasos del programa. Esta ventaja es más acentuada cuanto más complejo es el programa.

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Simbología electroneumática Simbología Neumática (Norma ISO 5599/1) Generador de Energía 

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Simbología eléctrica

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