AUTOMATISMOS ELECTRICOS NEUMATICOS E ELECTRONEUMATICOS

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F.Jesús Cembranos Nistral

Automatismos Eléctricos Neumáticos e Hidráulicos

Instalación y Mantenimiento electromecánico de maquinaria y Conducción de líneas

Automatismos Eléctricos Neumáticos e Hidráulicos F. Jesús Cembranos Nistral

5ª Edición

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THOMSON

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XI

Prólogo

~ Principios de automatización l. l. Concepto de automatización 1.2. Técnicas de automatización ..... .. . . . . .. 1.2. l. Automatización mecánica 1.2.2. Automatización neumática .. . . . . . .. 1.2.3. Automatización hidráulica 1.2.4. Automatización eléctrica 1.2.5. Automatización electrónica 1.3. Tipos de controles de un proceso l. 3 .1. Control en lazo abierto 1.3.2. Control en lazo cerrado 1.4. Tipos de procesos industriales ... .. . . . . .. 1.4. l. Procesos continuos 1.4.2. Procesos discretos ................ 1.4.3. Procesos discontinuos o por lotes l. 5. Controladores secuenciales l. 5 .1. Asíncronos 1.5.2. Síncronos Problemas Actividades .

.... ....

.... ....

~ Álgebra de Boole . 2. l. Funcionamiento digital (binario) de un sistema . 2.1. l. El sistema binario 2.1.2. Sistemas lógicos 2.2. Puerta OR 2. 3. Puerta AND 2.4. Puerta NOT 2.5. El álgebra de Boole 2.6. Operaciones en el álgebra de Boole 2. 7. Teoremas importantes del álgebra de Boole 2.8. Funciones en el álgebra de Boole 2.9. Tabla de la verdad de una función lógica ... . . . . 2.10. Realización de funciones lógicas 2.10. l. Realización con puertas lógicas

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2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4

5 5 5 6 6

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2.10.2. Realización de esquemas con contactos . 2.10.3. Otras funciones importantes 2.11. Definición de sistemas combinacionales 2.12. Síntesis de sistemas combinacionales. Tabla de Karnaugh. Problemas Actividades .

~

12 12 13 13 15 16

Dispositivos de mando automáticos

17

3 .1. Sistemas cableados. Realización de esquemas básicos 3 .1.1. Relés 3. l .2. Contactor 3 .1. 3. Numeración de los contactos 3.2. Encendido de una lámpara mediante relé 3.3. Realización de automatismos básicos . 3.4. Automatismos con temporizadores ..... . . . . .. . 3 .4. l . Otros tipos de temporizadores . Problemas Actividades ... . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . .

18 18 18 18 19 19 20 21 23 23

~

Procedimientos para el arranque de motores .................. .

4.1. Arranque de un motor 4.1. l. Corriente de arranque 4.2. Conexiones en el motor asíncrono trifásico 4.3. Procedimientos de arranque para motores asíncronos trifásicos 4.3. l. Conexión estrella-triángulo 4.3.2. Arranque mediante autotransformador 4.3.3. Acción sobre el circuito del rotor 4.3.4. Arrancadores estáticos . 4.3.5. Variadores de frecuencia 4.4. Inversión del sentido de giro de los motores asíncronos 4.5. Puesta en marcha de los motores síncronos 4.5. l. Arranque como motor asíncrono . 4.5.2. Motor asíncrono sincronizado .

25 26 26 26

27 27 28 28 29 29 30 31 31 31

4.5.3. Arranque mediante motor de arrastre Problemas Actividades .

31 32 32

~

Elementos de protección y medida

33

5.1. Diagrama de bloques de los relés de protección 5.1. l. Características de los relés 5.1.2. Criterios para detectar una anomalía en una instalación 5.2. Características eléctricas de construcción de los relés de protección 5.2. l. Relés de inducción ....... .. . . . . .. . . . . 5.2.2. Relés electromagnéticos 5.2.3. Relés electrónicos 5.2.4. Relés electrodinámicos .. . . .. . . . . .. . . . . 5.2.5. Relés térmicos . 5.3. Relés de protección según la magnitud eléctrica que vigilan . 5. 3 .1. Relé diferencial 5.3.2. Interruptores diferenciales ... . . . . . .. . . . . 5.4. Relés de tensión 5.4. l. Relés de máxima tensión . 5.4.2. Relés de mínima tensión ........... . . . . 5.4.3. Relés de máxima y mínima tensión 5.5. Relés de intensidad 5.5. l. Relés de sobreintensidad con transformadores de intensidad 5.5.2. Relés térmicos .............. . . . .. . . . . 5.5.3. Relés térmicos diferenciales 5.5.4. Relés de máxima intensidad electromagnética 5.5.5. Relés de impedancia 5.5.6. Relés de frecuencia 5.5.7. Relés de potencia ........ .. . . . . .. . . . . 5.6. Puesta a tierra de las máquinas 5.6. l. Protección contra contactos 5.7. Aparatos de medida 5. 7 .1. Conexión de los aparatos de medida . 5.7.2. Símbolos de los aparatos de medida . 5.8. Normas del Reglamento electrotécnico de baja tensión para la puesta a tierra 5.8. l. Tomas de tierra ........... . . . . . .. . . . . 5.8.2. Líneas principales de tierra 5.8.3. Conductores de protección 5.8.4. Protección de las instalaciones ... . .. . . . . Problemas Actividades .

34 34

40 41 41 41 41 42 42

~

43

Circuitos combinacionales

6. l. Introducción 6.2. Decodificadores 6.2. l. Implementación de funciones lógicas con decodificadores 6.3. Codificadores ......... . .. . . . . .. . . . . .. . . . . 6.4. Multiplexores 6.5. Demultiplexores 6.6. Comparadores binarios 6. 7. Circuito semisumador 6.8. Ejemplos resueltos

34 34 34 35 35 35 35 36 36 36 37 37 37 37 37 38 38 38 38 38 38 39 39 39 39 39 40

44 44 45 46 46 47 47 48 48

Problemas .... . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . Actividades .

52 52

~

Sistemas de numeración y códigos

53

Sistema binario Sistema octal Sistema hexadecimal . Códigos decimales codificados en binario (BCD) Otros códigos binarios 7.5. l. Código Gray ....................... . 7.5.2. Código Johnson 7.5.3. Código BCD exceso tres 7.6. Códigos alfanuméricos Problemas. Actividades .

54 54 54 54 55 55 55 55 56 57 57

~

59

7 .1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5.

Autómatas programables .

8.1. Definición de autómata programable 8.1. l. ¿Para qué se utiliza? ........... . . . .. . . 8.1.2. Aspecto de un autómata 8.1.3. La base: el sistema digital. 8.2. Clasificación de los autómatas según su tamaño 8.3. Otros elementos del sistema 8.4. Sistemas programados. Programación básica 8.5. Representación de entradas y salidas 8.6. Programación de contactos de apertura y cierre . 8.7. Instrucciones básicas STEP 7 en KOP 8.8. Programación en formato FUP Problemas Actividades .

60 60 60 61 61 62 62 63 63 64 64 66 66

~

67

Programación de esquemas cableados

9.1. Realización de programas KOP a partir del esquema de cableado . 9.1. l. Realización de automatismos básicos 9.1.2. Relés incompatibles pasando por paro 9 .1. 3. Relés incompatibles sin pasar por paro . 9.2. Programación de temporizadores 9.2. l. Ejemplos de operación con temporizadores 9.3. Programación de contadores . 9.4. Uso de marcas Problemas Actividades .

68 68 68 69 69 70 71 72 73 74

~

75

Programación con OMRON

10. l. Serie CxxH 10.2. Serie CPM2A 10.3. Serie CQMl 10.4. Direccionamiento de entradas y salidas 10.5. Cable RS232 de conexión . 10.6. Ejemplos de programación 10.7. Control de flancos Actividades .

76 76 76 77 77 77 78 80

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~

Ejemplos de programas

81

11. l. Cableado de los S7-200 11. 1.1. Cableado de las entradas ... . . . . .. . . . . 11.1.2. Cableado de las salidas 11.2. Cableado de los S7-300 11. 3. Autómatas Omron 11.4. Relés interfaces 11.5. Cintas transportadoras ..... . . . . .. . . . . .. . . . . 11.6. Control de tolva . 11. 7. Control de velocidad de bombas de agua 11.8. Llenado de silos Actividades ........... . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . .

82 82 82 82 83 83 84 85 87 89 91

~ Sistemas secuenciales

93

12. l. Biestables .................. .. . . . . .. . . . . 12. l. l. Biestables asíncronos 12.1.2. Biestables síncronos 12.2. Contadores ................. .. . . . . .. . . . . 12.3. Registros de desplazamiento . Problemas Actividades .

94 94 94 95 96 98 98

~ Síntesis de sistemas secuenciales con

autómatas ..................... .

13. l. Modelos de síntesis con autómatas programables . 13 .1.1. Modelo de autómata de Moore . 13 .1.2. Modelo de autómata de Mealy ... . . . . . 13.2. Método de programación GRAFCET . 13 .2.1. Principios básicos 13.2.2. Etapas ................ . . . . . .. . . . . 13.2.3. Condición de transición 13.2.4. Reglas de evolución del GRAFCET . 13. 3. Ecuaciones lógicas 13.4. Otras posibilidades de GRAFCET 13 .4.1. Elección condicional entre varias secuencias 13 .4.2. Secuencias simultáneas 13.4.3. Salto condicional a otra etapa .. . .. . . . . 13.5. Acciones asociadas a las etapas 13.6. Realización del programa 13 .6.1. Condiciones iniciales ... .. . . . . .. . . . . 13.6.2. GRAFCET 13.6.3. Asignación de variables al autómata 13.6.4. Listado del programa del autómata 13.6.5. Movimiento de vaivén de un móvil 13. 7. Método visual de programación Problemas ........................ . . . . .. . . . . . Actividades .

~

Elementos de neumática

14. l. El aire comprimido. Principios fundamentales . 14.2. Producción del aire comprimido .

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99 100 100 100 100 100 100 101 101 102 103 103 104 104 104 105 105 105 105 105 106 108 113 114

117 118 118

14.2. l. Compresores volumétricos .. . . . . . .. . . 14.2.2. Turbocompresores . 14.2.3. Accionamiento del compresor ... . .. . . 14.3. Distribución del aire comprimido 14.3. l. Acumulador .............. . . . . . .. . . 14.3.2. Separador 14.3.3. Red de aire ......... . . . . .. . . . . .. . . 14.3.4. Preparación del aire 14.4. Componentes neumáticos .... . . . . .. . . . . .. . . 14.5. Cilindros neumáticos 14. 5.1. Cilindros de simple efecto .. . . . . . .. . . 14.5.2. Cilindros de doble efecto 14.5.3. Cilindros de doble efecto con amortiguador 14.5.4. Unidad oleoneumática 14.6. Válvulas. 14.6.l. Válvulas distribuidoras ......... . .. . . 14.6.2. Representación de las válvulas distribuidoras . 14.7. Estudio funcional de las válvulas distribuidoras 14.7.l. Válvulas2/2 14.7.2. Válvulas 3/2 14.7.3. Válvulas 4/2 ... . . . .. . . . . .. . . . . .. . . 14.7.4. Válvulas 5/2 14.7.5. Válvula 4/3 14.7.6. Empleo de las válvulas distribuidoras 14.7.7. Válvulas antirretomo. 14. 7.8. Selectores de circuito 14.7.9. Válvulas de escape rápido .... . . . . .. . . 14.7.10. Válvulas de simultaneidad 14. 7. 11. Reguladores de caudal . . . . . . . . . . . . . 14.7.12. Temporizadores 14.7.13. Accesorios ...... . .. . . . . .. . . . . .. . . Problemas Actividades ... . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . .

~

Mando neumático

15.l. Tipos de mandos neumáticos 15.2. Instalaciones neumáticas . 15. 2. l. Mando directo de un cilindro de simple efecto mediante pulsador 15.2.2. Mando directo de un cilindro de doble efecto mediante pulsador 15.2.3. Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos distintos 15.2.4. Mando condicional de un cilindro de simple efecto . 15.2.5. Control de la velocidad en los cilindros de simple efecto 15.2.6. Control de la velocidad en los cilindros de doble efecto 15.2.7. Aumento de la velocidad en los cilindros de doble efecto 15.2.8. Mando indirecto de un cilindro de simple efecto. 15.2.9. Mando indirecto de un cilindro de doble efecto. 15.2.10. Mando condicional de un cilindro de doble efecto . 15. 2. 11. Mando de un cilindro de doble efecto con retroceso automático 15.2.12. Mando automático de un cilindro de doble efecto .

118 119 119 119 120 120 120 121 121 121 122 122 122 122 122 123 123 124 124 124 124 124 124 125 125 125 125 126 126 126 126 127 127

129 130 130 130 130 131 131 131 132 132 132 132 133 133 133

15.2.13. Mando de un cilindro de doble efecto con control de tiempo en el retroceso . 15.2.14. Mando de un cilindro de doble efecto con anulador de señal 15.2.15. Señales intermedias durante el avance del cilindro . 15. 3. Electroneumática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3. l. Electroválvulas 15.3.2. Mando electroneumático. . . . . . . . . . . . . 15.4. Ejemplos realizados con autómatas Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Actividades .

~ Hidráulica aplicada 16. l. Principios físicos fundamentales. 16.2. Magnitudes físicas. 16.2. l. Unidad de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.2. Transmisión hidráulica de fuerza 16.2.3. Ley de circulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.4. Energía hidráulica 16.2.5. Rozamiento y circulación . . . . . . . . . . . . 16.3. Fluidos hidráulicos y sus principales características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3. l. Viscosidad 16.3.2. Índice de viscosidad . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4. Bombas hidráulicas. Sus tipos 16.4. l. Bombas de caudal fijo . . . . . . . . . . . . . . 16.4.2. Bombas de caudal variable 16.4.3. Bombas de engranajes . . . . . . . . . . . . . . 16.4.4. Bomba de paletas 16.4.5. Bombas de pistones 16.4.6. Características de las bombas y su rendimiento 16.5. Instalaciones hidráulicas 16.5. l. Estructuración en bloques de una instalación hidráulica 16.5.2. Depósito de aceite . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.3. Filtro 16.5.4. Manómetro 16.5.5. Válvulas de cierre y limitadoras de presión 16.5.6. Tuberías y conducciones . 16.6. Válvulas. 16.6.l. Válvulas distribuidoras 2/2 16.6.2. Válvulas distribuidoras 3/2 16.6.3. Válvulas distribuidoras 4/2 16.6.4. Válvulas distribuidoras 5/2

134 134 134 13 5 135 135 135 140 140

141 142 142 142 142 142 143 143 144 144 144 144 144 144 144 145 145 145 145 145 146 146 147 147 147 147 148 148 148 149

16.6.5. Válvulas distribuidoras 4/3 16.6.6. Válvulas de caudal 16.6.7. Válvulas reguladoras de presión 16.7. Elementos hidráulicos de trabajo ......... .. . 16. 7.1. Cilindros 16.7.2. Motores hidráulicos Problemas ..................... . . . . .. . . . . .. . . Actividades .

149 149 149 150 150 151 152 152

~

153

Circuitos hidráulicos

17 .1. Gobierno de un cilindro de simple efecto . 17 .2. Mando de un cilindro de doble efecto 17. 3. Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/3 . 17.4. Regulación de la velocidad de avance de un cilindro. 17. 5. Regulación del caudal de entrada .. . .. . . . . .. . 17.6. Regulación del caudal de salida 17. 7. Regulador de presión 17 .8. Circuito de avance rápido .... . . . . .. . . . . .. . . 17.9. Electrohidráulica 17. l O. Aplicación del autómata programable a la electrohidráulica Problemas Actividades ... . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . .

~

II. l. II.2. II.3. II.4.

154 155 155 156 156 157 157 158 160 160

161

Apéndice I: Programa SysWin

I. l. Inicio de un proyecto I.2. Introducción de un programa ... . . . . .. . . . . .. . . I.3. Administración de bloques

~

154 154

Apéndice 11: Programación Step7 MicroWin .................... .

Familiarizamos con el programa ... . .. . . . . .. . Comunicamos con el autómata Realización de un programa ejemplo . Conclusión ....................... . . . .. . .

162 163 164

165 166 166 167 169

Glosario

171

Bibliografía .. . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . .

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Dedico esta obra a mi esposa Amparo y a mis hijos Débora, Marta, Salomé, Juan Jesús y Pedro.

En el ciclo de grado medio de "Instalación y mantenimiento electromecánico de maquinaria", el módulo de "Automatismos eléctricos, neumáticos e hidráulicos" es un módulo de carácter transversal que hace referencia a las tres primeras unidades de competencia. Por tanto, los futuros técnicos de mantenimiento electromecánico deben tener una sólida formación en automatismos, ya que de ello dependerá gran parte de su trabajo, tanto en diseño de automatismos como en su mantenimiento. La experiencia nos ha demostrado que un técnico no podrá realizar un mantenimiento ni una instalación automática si no posee una formación completa en todas las ramas que forman la automatización.

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En este texto se recogen de una manera sistemática los métodos de automatización que actualmente nos podemos encontrar en cualquier parte de la producción. Así, abordaremos los automatismos eléctricos clásicos con relés y contactores, cada vez menos abundantes, pero muy importantes en la parte de fuerza del automatismo. Los autómatas programables que han ido desplazando a los automatismos clásicos estarán presentes en prácticamente todas las tareas de mando, pero junto con los autómatas nos encontraremos electrónica, principalmente digital y, por supuesto, ordenadores, y dentro de la parte de fuerza , la electricidad, la neumática y la hidráulica.

Vamos a comenzar el estudio de la automatización, para lo cual vamos a empezar estudiando en qué consiste una automatización. Iniciaremos este estudio definiendo las distintas formas de automatización y sus características.

.... .... .... .... ....

Concepto de automatización. Técnicas de automatización. Tipos de controles de un proceso . Tipos de procesos industriales . Controladores secuenciales.

(

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I

,1

uJJJ~!J Y!JJ .... Definir automatismo. .... Enumerar y diferenciar las distintas formas de automatizar. .... Definir sistemas secuenciales.

1.1. Concepto de automatización La automatización es la sustitución de la acción humana por mecanismos, independientes o no entre sí, movidos por una fuente de energía exterior, capaces de realizar ciclos completos de operaciones que se pueden repetir indefinidamente. Un sistema automático supone siempre la existencia de una fuente de energía, de unos órganos de mando, que son los que ordenan el ciclo a realizar, y de unos órganos de trabajo, que son los que lo ejecutan. Según el grado de automatización puede hablarse de dos niveles: completo y parcial. La automatización completa se prefiere en la producción masiva de productos homogéneos en ciclo continuo (botellas de vidrio, fármacos, etc.), mientras que la automatización parcial es propia de la producción variable y limitada. Según el punto de vista de la programación, la automatización puede considerarse de ciclo fijo y de ciclo programado. El primer caso es adecuado para la fabricación de grandes series porque el automatismo es invariable (siempre realiza el mismo ciclo). El segundo caso se orienta a la fabricación de piezas distintas, en series pequeñas y medias, porque el dispositivo programador de que dispone el sistema puede ordenar el ciclo que convenga, con las lógicas limitaciones tecnológicas que hacen al caso.

1.2. Técnicas de automatización Según la naturaleza del automatismo empleado puede hablarse de automatización mecánica, neumática, oleohidráulica, eléctrica y electrónica. Además existen técnicas mixtas que son combinaciones de las citadas y que, en la práctica, son las más habituales.

Los mecanismos que los componen son: ruedas dentadas y poleas para transmisiones del movimiento de biela-manivela, piñón-cremallera, etc. , para la conversión del movimiento rectilíneo en circular y viceversa; levas y palancas para la obtención de recorridos controlados, etc. (Figura 1.1 ). Los grandes problemas de la automatización mecánica es la longitud, en muchas ocasiones, de las cadenas cinemáticas y, por supuesto, la sincronización de movimientos en los órganos móviles. Existe una gran variedad de automatismos mecánicos en la industria: desde las máquinas herramientas (tomos, fresadoras, limadoras), hasta los relojes mecánicos, pasando por los telares, motores de combustión interna y toda la maquinaria que formó parte de la revolución industrial.

1.2.2. Automatización neumática La técnica neumática admite infinidad de aplicaciones en el campo de la máquina herramienta, especialmente en los trabajos de fijación de piezas, bloqueo de órganos, alimentación de máquinas y movimiento lineal de órganos que no requieran velocidades de actuación rigurosamente constantes. Prácticamente la totalidad de las automatizaciones industriales tienen, como elementos de mando, instalaciones neumáticas (Figura 1.2). Como principales ventajas del mando neumático cabe destacar: • La sencillez de los propios sistemas de mando: cilindros, válvulas, etc. • La rapidez de movimiento (respuesta) del sistema neumático. • La economía de los sistemas neumáticos una vez instalados.

1.2.1. Automatización mecánica Los sistemas mecánicos suelen ser complicados -por la abundancia de mecanismos- y de escasa flexibilidad. Por el contrario, la tecnología que regula su funcionamiento es relativamente accesible al personal poco cualificado, lo que se traduce en un montaje y mantenimiento económicos.

Figura 1.2. Automatismo neumático.

Como inconvenientes: • La instalación requiere un desembolso económico añadido a la propia automatización. Figura 1.1. Máquina automática mecánica.

• El mantenimiento del estado del aire, ya que debe mantenerse perfectamente limpio y seco.

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1.2.3. Automatización hidráulica

•

Control en lazo abierto: Cuando las señales de mando son independientes de los órganos receptores.

Prácticamente lo dicho para la automatización neumática vale para la hidráulica, aunque con algunas diferencias; por ejemplo, el mando hidráulico es más lento que el neumático, sin embargo, es capaz de desarrollar más trabajo. La hidráulica se prefiere en sistemas que deban desarrollar más trabajo y no sea primordial la velocidad de respuestas. Este tipo de mando lo encontraremos en prensas, diversas máquinas herramientas, y por supuesto, en el automóvil: frenos, dirección e, incluso, suspensión.

•

Control en lazo cerrado: Cuando las señales de mando dependen de la posición de los órganos móviles.

1.2.4. Automatización eléctrica Aunque a este tipo de automatización nos dedicaremos en un próximo tema, conviene tener en cuenta, que cualquier máquina, por sencilla que sea, va a tener algún tipo de automatismo eléctrico, encargado de gobernar los motores o como función de mando dentro de la propia máquina (Figura 1.3).

1.3.1. Control en lazo abierto El control en lazo abierto (Figura 1.4) se caracteriza porque la información o variables que controlan el proceso circulan en una sola dirección, desde el sistema de control al proceso. El sistema de control no recibe la confirmación de que las acciones que a través de los actuadores ha de realizar sobre el proceso se han ejecutado correctamente.

SISTEMA

OPERARIO

---l>

OE CONTROL

--1>

ACTUADORES

l PROOUC'TO

OE

, r~

EO .O

ENTFIADA

Figura 1.4. Control en lazo abierto. M1

E- -

K1

K1

K1

T1

T2

E0.1

1.3.2. Control en lazo cerrado T1

A0.2

A0.1

AO.O K1

K2

(LINEA)

(ESTRELLA)

(TRIANGULO)

Figura 1.3. Automatismo eléctrico.

1.2.5. Automatización electrónica Por supuesto, la llegada de la electrónica a la industria ha supuesto una verdadera revolución y ha permitido que la automatización industrial dé un paso de gigante. La base de este avance en la automatización ha sido el sistema digital, que ha desembocado en el ordenador y, naturalmente, en el autómata programable.

El control en lazo cerrado (Figura 1.5) se caracteriza porque existe una realimentación a través de los sensores desde el proceso hacia el sistema de control, que permite a este último conocer si las acciones ordenadas a los actuadores se han realizado correctamente sobre el proceso. La mayoría de los procesos existentes en la industria utilizan el control en lazo cerrado, bien porque el producto que se pretende obtener o la variable que se controla necesita un control continuo en función de unos determinados parámetros de entrada, o bien porque el proceso a controlar se subdivide en una serie de acciones elementales de tal forma que, para realizar una determinada acción sobre el proceso, es necesario que previamente se hayan realizado otra serie de acciones elementales.

OPERARIO CONSIGN!I.S Ol!nf'NFS

SISTEMA

---l>

OE CONTROL

ACTUADORES

l

PRODUCTO

1.3. Tipos de controles de un proceso

--1>

DE ENTRADA

---l>

i:::::-1 c:::__J ------"

PRODUCTO ------V TERMINADO

SENSORES

Existen dos formas básicas de realizar el control de un proceso industrial:

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Figura 1.5. Control en lazo cerrado.

determinados las variables pueden tomar infinitos valores.

1.4. Tipos de procesos industriales Los procesos industriales, en función de su evolución con el tiempo, pueden clasificarse en alguno de los grupos siguientes: •

Continuos.

•

Discontinuos o por lotes.

•

Discretos.

El estudio y aplicación de los sistemas continuos es objeto de disciplinas como "Regulación y Servomecanismos".

1.4.2. Procesos discretos

Tradicionalmente, el concepto de automatización industrial se ha ligado a la aplicación de los sistemas de control empleados en los procesos discontinuos y en los procesos discretos, dejando los procesos continuos a disciplinas como regulación o sen,,omecanismos.

El producto de salida se obtiene a través de una serie de operaciones, muchas de ellas con gran similitud entre sí. La entrada es habitualmente un elemento discreto que se trabaja de forma individual (Figura l. 7).

1.4.1. Procesos continuos Un proceso continuo se caracteriza porque las materias primas están constantemente entrando por un extremo del sistema, mientras que en el otro extremo se obtiene de forma continua un producto terminado (Figura 1.6).

CONTROL ACTUADOR PROCESO SALA A

SFIFCTORllf l~UA.II.AIA.

SENSORES ~

Figura 1.7. Esquema de un proceso discreto.

Un ejemplo de proceso discreto es la fabricación de una pieza metálica rectangular con dos taladros. El proceso para obtener la pieza terminada puede descomponerse en una serie de estados que han de realizarse secuencialmente, de forma que para realizar un estado determinado es necesario que se hayan realizado correctamente los anteriores. Para el ejemplo propuesto estos estados son:

Figura 1.6. Esquema de un proceso continuo.

•

Ejemplo típico de proceso continuo puede ser un sistema de calefacción para mantener una temperatura constante en una determinada instalación industrial. La entrada es la temperatura que se quiere alcanzar en la instalación; la salida será la temperatura que realmente existe. El sistema de control consta de un comparador que proporciona una señal de error igual a la diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura que realmente existe; la señal de error se aplica al regulador que adaptará y amplificará la señal que ha de controlar la electroválvula que permite el paso de combustible hacia el quemador de la caldera.

• • • •

El regulador en función de la señal de error y de las pérdidas de calor existentes en la instalación mantendrá la temperatura deseada en la instalación. El actuador está constituido por la electroválvula; se utilizan dos sensores: la temperatura real existente en sala y la temperatura programada por el operario. A la vista de la instalación se comprueban dos características propias de los sistemas continuos: •

El proceso se realiza durante un tiempo relativamente largo.

•

Las variables empleadas en el proceso y sistema de control son de tipo analógico; dentro de unos límites

Corte de la pieza rectangular con unas dimensiones determinadas, a partir de una barra que alimenta la sierra. Transporte de la pieza rectangular a la base del taladro. Realizar el taladro A. Realizar el taladro B. Evacuar pieza.

Cada uno de estos estados supone a su vez una serie de activaciones y desactivaciones de los actuadores (motores y cilindros neumáticos) que se producirán en función de: •

•

Los sensores (sensores de posición situados sobre la cámara de los cilindros y contactos auxiliares situados en los contactos que activan los motores eléctricos). Variable que indica que se ha realizado el estado anterior.

1.4.3. Procesos discontinuos o por lotes Se reciben a la entrada del proceso las cantidades de las diferentes piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. Sobre este conjunto se realizan las operaciones necesarias para producir un producto acabado o un producto intermedio listo para un procesamiento posterior.

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Un ejemplo de este tipo de proceso lo encontramos en las cadenas de fabricación de automóviles.

1.5.2. Síncronos

1.5. Controladores secuenciales

La transición a un determinado estado se produce en función de las variables de entrada sincronizadas mediante una señal de reloj de frecuencia fija, de forma que la transición entre estados sólo se produce para cada señal de reloj (Figura 1.9).

Se comprueba que los procesos discretos y discontinuos, tienen una gran similitud entre sí. Ambos procesos podrán controlarse mediante el mismo tipo de sistema de control, que, debido a su forma de actuación, recibe el nombre de controlador secuencial.

CONTROLADOR SECUENCIAL ASÍNCRONO

Podemos resumir una serie de características propias a los procesos que se controlan de forma secuencial. • •

• •

El proceso se puede descomponer en una serie de estados que se activarán de forma secuencial (variables internas). Cada uno de los estados cuando está activo realiza una serie de acciones sobre los actuadores (variables de salida). Las señales procedentes de los sensores (variables de entrada) controlan la transición entre estados. Las variables empleadas en el proceso y sistema de control (entrada y salida internas) son múltiples y generalmente de tipo discreto que sólo toman dos valores: activado o desactivado. Por ejemplo, un motor sólo estará funcionando o parado; un sensor situado sobre un cilindro neumático estará activado cuando esté el émbolo del cilindro situado a su altura y desactivado en caso contrario.

En función de cómo se realice la transición entre estados, los controladores secuenciales pueden ser de dos tipos: asíncronos y síncronos.

Figura 1.8. Control asíncrono.

~

CONTROLADOR SECUENCIAL SÍNCRONO

¡,,!oJ 1~ ~-----~

1.5.1. Asíncronos La transición entre los estados se produce en el mismo instante en que se produce una variación en las variables de entrada (Figura 1.8).

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SALIDAS

~ - - - - - - - < PROCESO

Figura 1.9. Control síncrono.

SALIDAS

1.1. Define automatización. Enumera las distintas técnicas de automatizaciones que existen.

• • • • • •

1.2. Diferencias entre un automatismo neumático y otro hidráulico. 1.3. Características de los procesos continuos, discretos y discontinuos o por lotes. Por un ejemplo de cada uno.

Un ascensor. Una puerta automática. El alumbrado público. Los semáforos. Una caldera de calefacción. Luz automática de escalera.

1.4. Clasifica los siguientes procesos como: continuos, discretos, por lotes, asíncronos o síncronos:

Realizar un estudio de los automatismos más comunes que nos rodean. Puede servir la lista del Problema 1.4. •

Clasificar los procesos según el Problema 1.4

•

Diferenciarlos según el tipo de automatización: eléctrica, neum ática, etc.

•

Realizar diagramas de bloque de los automatismos explicando qué tipo de automatización lleva cada uno.

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Para poder estudiar los automatismos y los mecanismos que los rigen es imprescindible centrar, primero, el estudio en el sistema binario (base de los automatismos actuales) y, por supuesto, en el álgebra de Boole. Primero nos centraremos en el propio álgebra de BooÚ! y los sistemas lógicos. A continuación estudiaremos su realización mediante la tabla de la verdad. La tabla de la verdad es la base para la realización de automatismos de tipo combinacional Realizaremos algunos ejemplos empleando las puertas lógicas comerciales de la electrónica digital y su resolución con esquemas de contactos. También se verá el método de simplificación de Karnauhg, para realizar ejemplos más complejos.

Cu1 Jít1 Jj ci u .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

Funcionamiento digital (binario) de un sistema . Puerta OR. Puerta AND. Puerta NOT El álgebra de Boole . Operaciones en el álgebra de Boole. Teoremas importantes del álgebra de Boole . Funciones en el álgebra de Boole . Tabla de la verdad de unafimción lógica . Realización de funciones lógicas . Definición de sistemas combinacionales. Síntesis de sistemas combinacionales. Tabla de Karnaugh.

.... .... .... .... .... ....

Conocer el álgebra de Boole como base de los automatismos . Estudiar el sistema binario . Conocer las principales puertas lógicas . Conocimiento de la tabla de la verdad. Desarrollo de pequeñas aplicaciones a partir de la tabla de la verdad. Método de simplificación de Karnauhg.

10011 = 1 X 24 + 0 X 23 + 0 X 22 + 1 X 2 1 + 1 X 2º = 16 + O + O + 2 + 1 = 19

2.1. Funcionamiento digital (binario) de un sistema

En la Tabla 2.1 se da una reducida lista de números equivalentes entre el sistema binario y el decimal.

Aun en los sistemas digitales a gran escala, como computadoras, o procesadores de datos o sistemas de control, los procesos son operaciones simples realizados por una gran cantidad de circuitos digitales, como son los OR, AND, NOT y biestables o FLIP-FLOP. Todos ellos se denominan puertas o circuitos lógicos, ya que se emplean ecuaciones del álgebra de Boole (como pronto se demostrará). Esta álgebra fue ideada a mediados del siglo XIX por G. Boole como un sistema de análisis matemático de la lógica. En este capítulo se estudiará dicha álgebra de Boole.

Un dígito binario (1 o O) se denomina bit. Un grupo de varios bit que tengan un determinado significado es una información palabra o código. Por ejemplo, para representar los diez números (O al 9) y 26 letras del alfabeto, se necesitan 36 combinaciones diferentes de unos y ceros. Como 25 < 36 < 26 , se precisa un mínimo de 6 bits por información para obtener todos los caracteres alfanuméricos; en este sentido, una información se denomina a veces carácter o byte.

EJERCICIO: Como ejercicio realiza una tabla similar a la anterior con 6 bits.

2.1.1. El sistema binario Un sistema digital funciona en forma binaria. Emplea dispositivos en los que sólo son posibles dos estados. Un elemento puede tener tensión alta, por ejemplo, de 4 V, o baja de unos 0,2 V, pero ningún otro valor (Figura 2.1 ).

4

v.

0,2 V. Figura 2.1. Señal de tipo digital.

Estos dos estados se pueden designar de varias formas, siendo los más corrientes 1 o O, alto o bajo, verdadero o falso. La aritmética binaria y la manipulación matemática de las funciones lógicas y conmutaciones se manejan más cómodamente con la clasificación que se vale de los signos O y 1. Para explicar el sistema binario de representación de números emplearemos la referencia del sistema decimal. En este último, la base es 10 y se necesitan diez cifras, del O al 9, para expresar un número cualquiera. Para escribir un número mayor que 9, asignaremos un significado a la posición de cada cifra en el número completo. Por ejemplo, el número 1264 significa: 1264 = 1 X 10 3 + 2

X

102 + 6

X

10 1 + 4

X

100

Es decir, cada dígito de un número representa una potencia de 10. El primer dígito de la derecha (4 este caso) es el coeficiente de la potencia O, el siguiente de la potencia 1 y así sucesivamente. En el sistema binario de representación, la base es 2 y sólo se requieren dos cifras, el O y el 1, para representar un número. Las cifras O y 1 tienen el mismo significado que en el sistema decimal, pero difieren en cuanto a la potencia que representan. Así, en el sistema binario, la potencia es de dos en lugar de diez, como ocurre en el sistema decimal. Por ejemplo, el número decimal 19 se escribe en notación binaria como 10011, ya que:

Notación decimal

Notación binaria

o

00000 O O OO 1 OOO1 O OO O 1 1 OO1 OO OO1 O1 OO 1 1 O OO1 1 1 O 1 OOO O 1 OO 1 O1 O1 O O1 O1 1 O1 1 OO O1 1 O1 O1 1 1 O O1 1 1 1 1 O OO O 1 O OO 1 1 OO1 O 1 OO1 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2.1.2. Sistemas lógicos En un sistema digital, un bit se caracteriza por uno de los dos niveles de tensión. Si la tensión más-positiva es el nivel 1 y la otra es el nivel O, se dice que el sistema emplea lógica positiva. En cambio, un sistema lógico negativo es el que designa el estado de tensión más-negativo del bit como nivel 1, y el más-positivo como nivel O. Cabría destacar que los valores absolutos de las dos tensiones no tienen significado en estas definiciones. Concretamente el estado O no representa necesariamente el nivel de tensión O (aunque ello ocurra en algunos sistemas).

2.2. Puerta OR Una puerta OR tiene dos o más entradas y una sola salida y funciona de acuerdo con la siguiente definición: la salida de una puerta OR se halla en estado 1 si una o más de las entradas está en 1. Las n entradas de un circuito lógico las designaremos con las letras A, B, C ... N, y la salida por F.

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Figura 2.4. Puerta NOT.

Figura 2.2. Puerta OR.

En la Figura 2.2 se representa el símbolo normalizado de una puerta OR (normas ANSI y IEEE), junto con la expresión Boole para tal puerta. En la parte inferior se representa la tabla de la verdad, sistema más significativo de representación que se estudiará en el Tema 3.

2.3. Puerta AN D Una puerta AND tiene dos o más entradas y una sola salida y funciona de acuerdo con la siguiente definición: la salida de una puerta AND estará en estado 1 sólo si están en estado 1 todas las entradas.

A veces se emplea una apóstrofe (') en lugar de un guión (-) para indicar la operación NOT.

2.5. El álgebra de Boole El álgebra de Boole es una herramienta matemática desarrollada inicialmente con el objetivo de representar las formas de razonamiento lógico, sistematizarlas y profundizar en el conocimiento de sus mecanismos. La rama de la filosofía que hace uso de este método matemático es la lógica matemática. Fue presentada por George Boole (1815-1864). En sus formulaciones originales, el álgebra de Boole manejaba variables que representaban proposiciones que podían adoptar dos valores: verdadero o falso. Estudiando sus asociaciones se deducen leyes generales sobre la veracidad o falsedad de procesos lógicos que, básicamente, no son sino asociaciones de proposiciones elementales. En 1938, C. E. Shannon fue quien, por primera vez, extendió estas técnicas al estudio de circuitos compuestos de elementos que pueden adoptar dos estados estables. El nombre de circuitos lógicos que se aplica generalmente a los conjuntos de elementos que funcionan según estos principios, se debe a que, siendo idéntica la formulación matemática de la lógica formal con la de estos circuitos, es posible representar físicamente los procesos lógicos.

Figura 23. Puerta AND.

En la Figura 2.3 se da el símbolo de la puerta AND junto con la expresión de Boole para dicha puerta. A veces se coloca un punto (.) o un aspa (x) entre los símbolos para indicar la operaciónAND. Se puede comprobar que la tabla de la verdad de dos entradas de la figura responde a la definición de la funciónAND.

2.4. Puerta NOT Los circuitos NOT tienen una sola entrada y una sola salida y responden a la negación lógica de acuerdo con la siguiente definición: la salida de un circuito NOT tiene el estado 1 sólo si la entrada no toma el valor 1. La norma para indicar una negación lógica es un pequeño círculo en el punto en que la línea de la señal se une a un símbolo lógico.

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El álgebra de Boole opera con variables que admiten únicamente dos valores que, de forma convencional, se designan por Oy 1. Téngase presente que estos símbolos aquí no representan números, sino dos estados diferentes de un dispositivo. Por ejemplo, si la variable L representa el estado de una lámpara, se puede representar el hecho de que dicha lámpara está encendida asignando un 1 a la variable L y, si está apagada, un O.

2.6. Operaciones en el álgebra de Boole Se definen tres tipos de operaciones con las variables booleanas:

•

ADICIÓN: Aplicada a las variables Ay B se representa como: A+B La tabla de la verdad que la representa es la de puerta " OR".

•

•

PRODUCTO: Aplicado a las variables A y B se representa como: A.B o AB

booleana. Véanse las tablas de la verdad.

La tabla de la verdad que la representa es la de la puerta "AND" .

Teorema 2: Ley de la impotencia:

COMPLEMENTACIÓN: Se aplica a una sola variable. Si esta variable es A, se representa como: A' . La tabla de la verdad que la representa es la puerta "NOT". A

A+A=A A·A=A Estas relaciones pueden demostrarse por inducción perfecta, es decir, escribiendo todas las posibles combinaciones de las variables y realizando las operación indicada para cada una de ellas. Teorema 3: Ley de la involución:

A+B B

(A')' =A Teorema 4: Ley conmutativa: Respecto a la adición: A+ B = B + A Respecto al producto : A- B = B ·A Teorema 5: Ley asociativa: Respecto a la adición: A+ (B + C) = (A+ B) + e =A+ B + Respecto al producto: A(B C) = (A B)C = ABC

e

A

Teorema 6: Ley distributiva:

A

Respecto a la adición: A+ BC = (A+ B)(A + C) Respeto al producto: A(B + C) = AB + AC

Figura 2.5. Representación de puertas lógicas mediante contactos.

Teorema 7: Ley de la absorción: Con objeto de visualizar estas operaciones supóngase que A y B representan el estado de dos contactos de modo que, si valen 1, significa que el contacto está cerrado; si valen O, por el contrario, el contacto está abierto. La Figura 2.5 proporciona una representación de las tres operaciones en forma de asociaciones de contactos. La asociación en paralelo representa la suma; es decir, existirá continuidad entre extremos de la misma si A o B valen 1. La asociación en serie representa el producto, puesto que para que exista continuidad deben valer 1 A y B. Por último, la complementación se representa bajo la forma de contactos complementarios de un mismo interruptor, de modo que si uno está cerrado, el complementario estará abierto y viceversa.

2.7. Teoremas importantes del álgebra de Boole Teorema 1: El resultado de aplicar cualquiera de las tres operaciones definidas a variables del sistema booleano es otra variable del sistema y este resultado es único. Para comprobarlo no hay más que tabular estas operaciones, aplicadas a todas las combinaciones posibles de variables de entrada, y verificar que la salida es siempre una variable

A+AB=A A(A+B) =A Ejercicio: Mediante inducción perfecta demostrar los teoremas 4, 5, 6 y 7. Teorema 8: Ley de De Morgan:

A ·B =A+B A+B=A·B La ley de De Morgan se puede generalizar a más variables. A continuación se representan algunas relaciones interesantes que se deducen de la definición de las operaciones lógicas y de los teoremas anteriores. a)O+A=A b) 1 A=A c)OA=O d) 1 +A= 1 e)A+A'= 1 f)AA' = O g) Si A+ B = 1 y AB = O, necesariamente, B = A' y A= B' Ejercicio: Demostrar las relaciones anteriores.

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2.8. Funciones en el álgebra de Boole

producto de las variables, en forma normal si valen 1 (uno) y complementada si valen O (cero). Por ejemplo, el producto correspondiente a la combinación 001 es el a'b 'c. Este producto sólo valdrá uno cuando efectivamente a=O; b=O y c=l.

Se define como función en el álgebra de Boole todo conjunto de variables relacionadas entre sí por cualquiera de las tres operaciones que se han definido. Se representará, de forma general, como:

De lo dicho se deduce que la función por "unos" de la tabla de la verdad que se ha representado es:

F = f(A, B, C ... ) Ejemplos de funciones son las expresiones: F 1 (A,B,C) =AB·C+XB·C +AB ·C F 2 (A,B,C) = A+B(C+A) F3 (A,B,C,D) = A B+c--~~~--r'--~-t--1--t--+-~~- PE

W1

ms

~~NAlO

A

~ /

PELIGR/w\7

A M E

30

100

l~I

200

300

400 mA

INTENSIDAD

Figura 5.10. Curva característica de disparo de un interruptor diferencial.

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Disipador Mecánica del dispositivo de protección Electrónica para la desconexión con corrientes de defecto continuas aisladas T Dispositivo de prueba n Devanado secundario W1 Transformador diferencial para la detección de corrientes de defecto senoidales W2 Transformador diferencial para la detección de corrientes de defecto continuas aisladas

Figura 5.12. Esquema de un interruptor diferencial.

• §

El interruptor automático o el fusible no abren el circuito al pasar una corriente a través del cuerpo humano. En cambio, el interruptor diferencial, de alta sensibilidad, puede abrir, instantáneamente, el circuito. El tiempo de apertura (Figura 5.10) es de suma importancia en la protección diferencial.

5.5. Relés de tensión. Código ANSI Las siglas ANSI hacen referencia al American National Standards Institute que traducido sería Instituto Nacional Americano de Estándares. Esta organización supervisa diversos productos y fija normas. Dentro de estas normas se encuentran las que fija la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y aquí se encuentran, entre otras muchas, las que rigen las condiciones que deben cumplir todos los elementos de protección. En el cuadro siguiente se pueden ver algunas de las funciones que deben cumplir los relés de protección y el número de código asignado ANSI. Veamos los principales relés de protección y el código ANSI que cumplen. Número de código ANSI

25 26 27 32P 320/40 46 49 50 51 51N 52 59 59N 64 67N 81M 81m 87 89L 89S 89T

Los relés de máxima tensión trabajan con valores de 11 a 18 veces el valor de la tensión nominal, y tienen la facultad de evitar que la tensión de trabajo de la máquina sea excesiva. Estos relés no sólo protegen las sobretensiones, sino que también son de uso frecuente en otras aplicaciones, como detección de faltas a tierra en barras o en generadores de corriente alterna.

5.5.2. Relés de mínima tensión (27) Los relés de protección contra las hipotensiones desconectan el interruptor de barras siempre que la tensión disminuye de un valor prefijado de antemano o la tensión se corta. Se vuelven a conectar únicamente cuando la tensión adquiere el valor adecuado para que el relé trabaje en condiciones normales.

5.5.3. Relés de máxima y mínima tensión Este dispositivo es la combinación de las funciones que realizan los relés de máxima y mínima tensión. Están dotados de dos contactos, uno de los cuales se cierra con tensiones crecientes y el otro con tensiones decrecientes.

Funciones que deben cumplir los relés

Relé de sincronismos Protección de temperatura Relé de protección de mínima tensión (simple/ compuesta) Relé de protección de máxima potencia activa direccional Relé de protección de máxima potencia reactiva direccional Relé de protección de máximo componente inversa Relé de protección de control de temperatura Rel é de protección de máxima intensidad de fase instantánea Relé de protección de máxima intensidad de fase Relé de protección de máxima intensidad de tierra 1nte rru pto r Rel é de protección de máxima tensión (simple/compuesta) Relé de protección de máxima tensión residual Relé de faltas a tierra Relé de protección de máxima corriente de tierra direccional Relé de protección de máxima frecuencia Relé de protección de mínima frecuencia Relé de protección diferencial Selecc ionador con carga Seccionador Seccionador de puesta a tierra

Los relés de protección de tensión suelen ser monofásicos, y el tipo de disco de inducción y de acción temporizada regulable. Se utilizan para la protección y control de generadores, motores, transformadores y circuitos monofásicos y trifásicos de corriente alterna, en los que la tensión constituye el factor más importante. Se dividen en: • • •

5.5.1. Relés de máxima tensión (59, 59N)

Relés de máxima tensión. Relés de mínima tensión. Relés de mínima y máxima tensión.

5.6. Relés de intensidad Son comúnmente llamados relés de sobreintensidad. Se utilizan para la protección de los excesos de intensidad, contra faltas de fases o faltas de tierra en los circuitos eléctricos de instalaciones industriales, tanto en los sistemas de producción de energía como en la distribución y consumo. Por su gran aplicación e interés, se indican los tipos más comúnmente empleados: • Relés de sobreintensidad con transformadores de intensidad. • Relés térmicos. • Relés térmicos diferenciales. • Relés electromagnéticos.

5.6.1. Relés de sobreintensidad con transformadores de intensidad (50, 51, 51 N) La constitución es muy variada, según las características eléctricas de funcionamiento. Una bobina amperimétrica es la encargada de vigilar el exceso de intensidad de su propia fase. La corriente está controlada por el relé de protección y es equivalente a la que circula por la línea. Los relés de sobreintensidad se calibran, normalmente, para que actúen con intensidades superiores a la de plena carga de la instalación que protegen y para que, en las condiciones de máximo cortocircuito, proporcionen una coordinación de tiempos en el disparo de los interruptores que controlan. Los intervalos de tiempo mínimos S deben ser igual al tiempo que tarda el interruptor en despejar la falta desde que recibe la señal de actuación del relé. Los tiempos están comprendidos, generalmente, entre 0,25 y 0,45 s, según las características del relé.

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5.6.2. Relés térmicos (26) El elemento fundamental de los relés térmicos es generalmente un bimetal formado por dos láminas delgadas de metales diferentes. El coeficiente de dilatación es muy distinto, según sea de ferroníquel , para lámina muy dilatable, o invar para lámina menos dilatable. Este bimetal se calienta directamente o mediante una resistencia calefactora en función de la corriente que absorbe la máquina, con lo que la curvatura de dilatación de la chapita varía y provoca, si la temperatura es alta, la apertura del contactor (Figura 5.5). Al tratarse de motores trifásicos, los tres bimetales actúan sobre el árbol móvil, en el que va montada una uñeta metálica, que se apoya en un tope, cuya posición puede variarse por medio del botón de reglaje. Los relés térmicos pueden ser disparados cuando la sobreintensidad es del orden de un 5 al 15% de la de reglaje (Figura 5.13).

• .

.

.

Se dividen en: • Relés de máxima impedancia o de cortocircuito. • Relés de mínima impedancia o de sobrecarga. En ambos casos se considera que el valor de la tensión de alimentación se mantiene constante.

5.6.6. Relés de frecuencia (25, 81 M, 81 m) La frecuencia en una red trifásica tiene que mantenerse rigurosamente constante. Como ésta depende de la velocidad del generador, es por ello por lo que estos relés de protección contra alteraciones de frecuencia vigilan la velocidad de las máquinas y accionan dispositivos especiales para que la velocidad sea controlada de manera que, ante cualquier alteración de velocidad, reaccionen en sentido contrario los reguladores de velocidad de la máquina. La construcción de estos dispositivos es de inducción y electrónicos.

5.6.7. Relés de potencia (32P, 32Q, 40) 1

liS 1

F~uraS.13. Relé térmico montado sobre un contador para la protección de un motor.

Están diseñados para vigilar el exceso o defecto de potencia a que una instalación eléctrica está sometida. Los más conocidos son los llamados relés de protección asimétrica. Cualquiera de las variables de tensión e intensidad que intervienen en la potencia, si son de un valor mayor que el calibrado de antemano en el relé, hace que éste se dispare. Si la tensión e intensidad son muy elevadas, necesariamente se emplean transformadores de medida. En la Figura 5.14 podemos ver un relé comercial que engloba varias de las funciones de protección. Se trata del modelo comercial Sepam de la casa Merlín Gerin utilizado en la protección de Líneas de Alta y Media Tensión en Centros de Transformación.

5.6.3. Relés térmicos diferenciales (87) Controlan el desequilibrio de intensidad que por sobrecarga puede circular por una fase diferente a la que pasa por las otras. Si la sobrecarga es equilibrada, el relé térmico puede ser el ideal, pero si las sobreintensidades son desequilibradas (falta de una fase, etc.), el relé aconsejable para una buena protección es el térmico diferencial.

5.6.4. Relés de máxima intensidad electromagnética (50) Los relés de acción instantánea se componen de un circuito magnético de acero y un mecanismo de accionamiento del contactor. Normalmente, son empleados para equipos donde los motores son de gran potencia y están sometidos a grandes esfuerzos, como equipos de metalurgia, aparatos de elevación, máquinas herramientas, etc. La acción de protección se realiza contra fuertes sobreintensidades que reclaman la apertura rápida del contactor.

5.6.5. Relés de impedancia También conocidos por relés de cociente, al ser la impedancia el valor de la tensión dividido por la intensidad que circula por el circuito.

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Figura 5.14. Fotografía de un equipo de protección de línea.

5.7. Puesta a tierra de las máquinas Para prevenir accidentes personales, se hace una buena toma de tierra. Las partes metálicas de una instalación que no pertenecen al circuito de corriente de trabajo tendrán toma de tierra.

Los dispositivos y máquinas que, necesariamente, tienen que tener toma de tierra, son: • Los transformadores de intensidad y tensión. • Las carcasas de todas las máquinas herramientas, transformadores, generadores, aparatos y dispositivos eléctricos. • Los transformadores de baja tensión conectan a tierra el centro de estrella. • Los pasamuros, armazones, postes, bridas de aisladores, etc.

5.7.1. Protección contra contactos En la protección contra contactos se pueden distinguir entre: • Contacto directo, que impide el acceso con los elementos que durante el funcionamiento de la instalación están bajo tensión, como son los elementos activos. • Contacto indirecto, el establecido con piezas, conductores, elementos inactivos que, sin estar bajo tensión, pueden estarlo por un defecto de aislamiento. La protección contra los contactos directos consiste en aislar las partes normalmente en tensión, haciéndolas inaccesibles por alejamientos: líneas aéreas, barreras, cajas de aislamiento de plástico, etc. Para la seguridad contra los contactos indirectos puede, entre otros sistemas, usarse: • •

•

•

El doble aislamiento, que consiste en dotar a los aparatos de un aislamiento suplementario. La protección por separación de circuitos basta con alimentar uno o varios aparatos a través de un transformador con especiales características de seguridad. La protección de puesta a neutro, que tiene por objeto colocar la carcasa de los aparatos eléctricos al conductor neutro (Figura 5.15). Poder trabajar con tensiones inferiores al límite de seguridad, con lo que se libra al usuario de cualquier peligro.

En la siguiente tabla podemos ver una relación de las principales magnitudes eléctricas que podemos medir, su unidad y el aparato adecuado para medir su magnitud. M agnitudes

Sím bolo

Denom inación

Aparato

Corriente Tensión Resistenc ia Potencia Energía

A V

Amperio Voltio Ohmio Vatios Julios

Amperímetro Voltímetro Óhmetro Vatímetro Contador

Faradios Hertzios Grados

Capací metro Frecuencímetro Fasímetro

Q

w j

(Watios -hora) Capacidad Frecuencia Factor de potencia

F Hz e ~

Cuando el silo esté lleno (finales de carrera 2 y 4), se cerrará la puerta de la tolva, 10 segundos más tarde se parará el tomillo sinfín y al cabo de otros l O segundos se parará la cinta transportadora correspondiente y se cerrará la compuerta. El proceso puede repetirse siempre que sea necesario y es independiente un silo de otro, es decir, puede estar llenando los dos simultáneamente (Figura 11.21 ). La distribución de entradas y salidas para un autómata S7200 será: ENTRADAS

SALIDAS

Final de Carrera 1

1o.o

Compuerta principal

QO.O

Final de Carrera 2

10.1

Sinfín

Q0.1

Final de Carrera 3

10.2

Compuerta superior

Q 0.2

Final de Carrera 4

10.3

Compuerta inferior

Q0.3

Cinta superior

Q0.4

Cinta inferior

Q0.5

~CINTA 2

FC 4

TOLVA

FC 1

FC 3

En la Figura 11.22 vemos la secuencia de marcha del programa.

SILO 1

SILO 2

Figura 11.21. Esquema del proceso del llenado de los silos.

10.0

El inicio lo realizamos con las marcas M l. O para un silo y M 1.1 para el otro. Una vez abierta la compuerta se inicia un proceso de temporizaciones para la puesta en marcha del resto de elementos en función del silo que hay a detectado falta.

M1.0

/ ~ ( S) DETECTAN FALTA DE PRODUCTO

Debido a la longitud del programa sólo se expone para el autómata S7-200; sin embargo, se deja al lector la posibilidad de realizar el programa para el CPM2A.

SIL01

1 10.2

T37

/ ~ ( S)

SIL02

T37 M1 .0

SECUENCIA DE MARCHA

H/ H/

M1 .1

M1.1

( ) Compuerta

T38

10.3

M1 .0

RETARDOS

ªº·º

10.1

T39

T37

100

Sinfín

M1 .0

~-r~ T40

~

~

Figura 11.22. Inicio del proceso de llenado de los silos.

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T38

f;[J

H

M1 .1

Sinfín 1

Sinfín 2

Comp"'rta 1

Compuerta 2

SECUENCIA DE PARO

10.1

10.3

T42

T43

~ ~ ~ ~

T44 Detiene sinfín 1

Ml.1

T46

~L T45

M1.0

T46

1

Detiene sinfín vertical cuando están las dos compuertas cerradas

100

1Y,

Detiene sinfín 2

Cierra compuerta 1

Cierra compuerta 2

T47

1

~

Cierra compuerta principal

Ml.O

~(R) 2

Borra marcas iniciales

Figura 11.23. Secuencia de paro. En la Figura 11.23 vemos la secuencia de paro. Básicamente es igual que el proceso de marcha, el proceso se inicia cuando alguno de los finales de carrera de silo lleno se activa. A continuación se irán iniciando los temporizadores que irán deteniendo cada uno de los elementos. El sinfín vertical sólo se detendrá cuando los dos silos estén llenos (obsérvese el temporizador T46).

FUNCIONAMIENTO QO.O

T46

T37

Q0.1

H!H ~C) T38

Por último, en la Figura 11.24, vemos el funcionamiento del proceso. T39

T44

M1.0

M1.1

T42

T43

Compuerta 2

Q0.4

H/~( T41

Compuerta1

Q0.3

H /H ~( )

T40

vertical

Q0.2

H/H ~( ) T45

Sinfín

)cinta1

Q0.5

H/~( )

cinta2

Figura 11.24. Secuencia de marcha y paro.

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Se propone como actividades de este capítulo realizar de forma práctica los ejemplos en él expuestos, así como

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el esquema de cableado de entradas y salidas de cada ejemplo.

Sistemas secuenciales son aquellos cuya salida en cualquier momento depende no solamente de la entrada al circuito en ese momento, sino también, de la evolución anterior, es decir, de la secuencia de entradas y salidas a que estuvo sometido. Un sistema secuencial se caracteriza por su capacidad de responder de distinta forma a secuencias iguales de entrada, dependiendo del estado de la anterior entrada. Ahora bien, para que el circuito pueda discriminar entre una secuencia y otra, es necesario que posea unas variables internas que puedan ser modificadas por las entradas y que, de alguna forma, guarden información sobre la "historia del sistema".

.... Biestables (asíncronos y síncronos) . .... Contadores . .... Registros de desplazamiento.

O..UJ.~IJ.. Y!JJ .... Distinguir entre sistemas combinacional y secuencial. .... Conocer los distintos elementos secuenciales . .... Realización de pequeños procesos secuenciales.

12.1. Biestables Un sistema secuencial, en la práctica, está constituido por un sistema combinacional de salida, por un sistema combina-

cional de entrada, para modificar las variables internas, y por un conjunto de células o unidades de memoria capaces de almacenar el valor de dichas variables.

Qn es el valor de la salida Q 1en el estado anterior, mientras que Qn+l es el valor de la salida en el estado presente. Q 1y Q2 son siempre complementarias menos cuando las entradas R y S valen simultáneamente l. Para eliminar el defecto de este tipo de biestable, se utiliza el biestable J-K:

.. K

J

Estas unidades de memoria elementales se denominan genéricamente biestables o fli.p-flop , debido a su capacidad de conservar indefinidamente, en ausencia de estímulos exteriores, uno de dos estados estables, que pueden representar el valor de una variable interna.

ª"

o o o o o 1 o 1 o o 1 1 1 o o 1 o 1 1 1 o

La clasificación de los biestables, desde el punto de vista de su constitución y del número de entradas, puede resumirse en: biestable R-S, biestable J-K, biestable T y biestable D.

1 1 1

Qn+1

O (Qn)

1

(Qn)

o o 1 1 1

o

Tabla 12.2.

12.1.1. Biestables asíncronos

Si unimos las dos entradas del biestable J-K, obtendremos otro dispositivo llamado biestable T, cuya tabla de verdad es la siguiente:

Este tipo de biestable no necesita ninguna señal de reloj externa para su funcionamiento; a continuación vemos cada uno de ellos.

T

ª"

Q n+1

o o o 1 1 o

En la Figura 12. l se muestra un biestable R-S construido con dos puertas NOR, así como su representación simbólica. También se puede construir con puertas NAND. En la siguiente tabla se muestran los estados estables de dicho dispositivo para cada una de las combinaciones posibles a la entrada.

o 1 1

o

1 1

Tabla 12.3.

12.1.2. Biestables síncronos Son los que necesitan una señal de reloj para ser activados. A su vez, la activación puede ser por la presencia de un nivel lógico a la entrada o por un flanco de subida o bajada del reloj.

A)

En la Figura 12.2, se muestra un biestable R-S síncrono activado por nivel y el diagrama de tiempo; en este caso la señal de reloj es la C. 3

R

----t

t----º

s

----t

t-----º'

B)

e ______, 3

Figura 12.1. Biestable R-S. Constitución y símbolo.

e--~ R S

ª"

o o o o o 1 o 1 o o 1 1 1 o o 1 o 1 1 1 o 1 1 1

Tabla 12.1.

Q n+1

O (Q n) 1 (Q n) 1 1

o o o o

s---__, R -------------'

O-----'

Figura 12.2. Biestable R-S y diagrama de tiempos.

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En el caso del biestable D síncrono activado por nivel, la salida se mantiene en el mismo valor que la entrada, siempre y cuando la entrada de reloj permanezca activa. La tabla siguiente lo muestra.

14

1:1

------

ª"

o o o o o 1 o 1 o o 1 1 1 o o 1 o 1 1 1 o

Qn+1

1 (Qn)

L

J l 4

O (Qn) 1 (Qn) 1 1

1 1 1

·- - - -

Tabla 12.4.

En la Figura 12.3 se muestran los símbolos de los biestables síncronos activados por flanco, bien de subida, bien de bajada. Éstos son los biestables más complejos de todos los que vienen analizándose.

'1 ~

J

í' R

(!

(

o

F.

J 1~

L:LK K

L

,1

A)

:..:LK K

(i

e L

?5

1

< ~

.. :i

Ri

Existe una gran variedad de circuitos integrados comerciales que son conocidos como flip-flop y que adoptan alguna de estas dos configuraciones: disparo por flanco (edge triggered) o maestro-esclavo (master-slave). En la Figura 12.4 se muestra un modelo del dispositivo maestro-esclavo.

s

s

o

R

R

O'

2

Figura 12.4. Biestable R-S master-slave.

Cuando la señal de reloj pasa de nivel cero a nivel uno, la información presente en las entradas R y S del circuito entra al primer biestable, denominado master, a través de las puertas Y1 e Y2. Al pasar la señal de reloj a nivel cero, la información almacenada en el master pasa al slave. Se muestra en la Figura 12.5 el circuito comercial 7473 que corresponde a un doble biestable J-K master-slave y la tabla de funcionamiento:

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o

::1

e

K

~

J 4

.J

\f. .,

------.i

:.;.

4

1:

~

7

Figura 12.5. Circuito 7473.

12.2. Contadores

En la Figura 12.6 se muestra el diagrama de bloques del circuito 7493, que es un contador asíncrono binario formado por cuatro biestables J-K disparados por flanco de bajada. Tiene dos entradas de reloj , lo cual le confiere una mayor flexibilidad. En las Tablas 12.5 y 12.6 se muestran las tablas de verdad y de selección, respectivamente.

Nº

o _.__'-!

7

e,

Por otra parte, los contadores se dividen en síncronos y asíncronos. En los primeros, la señal de reloj se aplica simultáneamente a todos los biestables. En los asíncronos se aplica a la primera etapa, la salida de ésta a la entrada de la siguiente, y así sucesivamente.

Figura 12.3. Biestables síncronos activados por flancos. A) de subida. B) de bajada.

e_

:::

Un contador es un circuito secuencial cuyas salidas representan, en un determinado código (véase Capítulo 8), el número de impulsos que se aplican a la entrada. Tanto los contadores disponibles en circuito integrado como los construidos con bloques más elementales están constituidos por una serie de biestables interconectados. Los contadores pueden ser ascendentes, si su contenido se incrementa con cada impulso, o descendentes, si su contenido disminuye.

~

:.!

:!

----------

,11.::

:i

C: CL

o o

!l

(:

:)

O (Qn)

1:1

-~

7

e

1' (!

1

D

-~

1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14 15

Salidas

~

o o o o o o o o 1 1 1 1 1 1 1 1

Tabla 12.5.

ª2 a,

Clo

o o o o o 1 o 1 o o 1 1 1 o o 1 o 1 1 1 o 1 1 1

o o o o o 1 o 1 o o 1 1 1 o o 1 o 1 1 1 o 1 1 1

:,.J

1.,11

Figura 12.6. Diagrama de bloques del CI 7493.

Entrada de selección

ººo o,o

MR 1 MR 2 1

1

o

X

X

1

Solución: Si se observa detenidamente la Tabla 12.3, correspondiente a un biestable T, podremos comprobar que cuando el valor aplicado a la entrada T es O, la salida Q permanece invariable; sin embargo, cuando es l, la salida cambia de valor; es decir, niega el valor que tuviera anteriormente.

Salidas 02

03

o o

Cuent a Cuenta

Tabla 12.6.

12.3. Registros de desplazamiento

La conclusión es que para que aparezca un ciclo completo a la salida del dispositivo, es necesario aplicar dos señales a la entrada. El biestable T es, en consecuencia, un divisor de frecuencia. Estos dispositivos pueden aplicarse en cascada, de manera que cada etapa divide entre 2 la frecuencia de entrada. Por tanto, para dividir entre 4 es necesario acoplar dos biestables T, tal y como muestra la Figura 12.8.

Los registros de desplazamiento, al igual que los contadores, son circuitos secuenciales de aplicación general; están constituidos por una serie de biestables conectados en cascada. Los registros son capaces de almacenar una palabra binaria formada por tantos bits como biestables contenga. Además de almacenar información, los registros también tienen capacidad para transmitir o recibir datos en serie. Según su forma de funcionamiento , los registros se dividen en: •

Entrada serie, salida serie.

•

Entrada paralelo, salida paralelo.

•

Entrada serie, salida paralelo.

•

Entrada paralelo, salida serie.

-

Q

Q

T

-

T Q'

Q'

rl\TRAnA

------' Figura 12.8. Divisor de frecuencia entre 4.

El dispositivo más sencillo es el que recibe la información en serie y la transmite también en serie. En la Figura 12.7 se muestra un registro de estas caracteristicas formado por cuatro biestables D disparados por flanco de subida. Ejemplo l: Diseñar un circuito mediante biestables que divida entre 4 la señal simétrica digital aplicada a la entrada.

Ejemplo 2: Observando los valores de la Tabla 12.4, correspondiente a un biestable D donde el nivel activo de la señal de reloj es l , y dada la evolución en el tiempo de las señales de entrada que aparecen en la Figura 12.9 (dos superiores, correspondiente a C y D), dibujar el diagrama de tiempo (cronograma) de la salida de este dispositivo.

$A-DA

J

_ _.:..1-or.U I

.... Definir mando neumático . .... Realizar instalaciones neumáticas básicas . .... Aplicación de los autómatas programables a la neumática.

,1

15.1. Tipos de mandos neumáticos Atendiendo a la acción de mando, éste se divide en directo e indirecto. El mando es directo cuando la acción del operador incide directamente sobre los actuadores que gobiernan los órganos de trabajo. El mando es indirecto cuando la acción del operador se aplica sobre unos actuadores de mando que gobiernan (pilotan), a su vez, a los actuadores principales.

15.2.1. Mando directo de un cilindro de simple efecto mediante pulsador Ya se ha dicho que el mando de un cilindro de simple efecto puede hacerse con una válvula 3/2 (pulsador). El esquema de este circuito elemental aparece en la Figura 15. l.

Según su grado de autonomía el mando puede ser manual, semiautomático y automático. En el primer caso, el ciclo de trabajo se interrumpe cuando el operador suspende su acción de mando; en el segundo caso, el ciclo de trabajo se efectúa sin interrupción, aunque su repetición depende de una acción de mando del operador; por último, el mando automático permite la repetición indefinida del ciclo de trabajo. Todos estos conceptos de carácter general tienen perfecta validez en un sistema neumático y, en consecuencia, se puede hablar de mando neumático. Éste se efectúa a través de actuadores o componentes cuyas características tecnológicas y funcionales se han estudiado en los apartados anteriores. Los componentes neumáticos se agrupan y relacionan dentro de los circuitos neumáticos.

2

p

15.2. Instalaciones neumáticas En una instalación neumática capaz de funcionar automáticamente se da la siguiente organización interna, según el flujo que siguen las señales: •

Captación de la información.

•

Tratamiento de la información.

•

Órganos de gobierno.

•

Órganos de trabajo.

La captación de información es un bloque formado por todos los elementos capaces de recoger datos que definen la situación de la máquina o equipo en cada momento. Estos elementos son los finales de carrera, los detectores de proximidad, etcétera. Las señales procedentes de los captadores de información son analizadas y controladas por el grupo siguiente, y convenientemente tratadas, se envían a los órganos de gobierno. Los elementos que componen este segundo grupo son las memorias, los temporizadores, etcétera. Las señales tratadas que llegan a los órganos de gobierno carecen de capacidad de mover los órganos de trabajo. Por eso, aquéllos son los encargados de mandar, de suministrar el caudal de aire adecuado a los órganos de trabajo. Este grupo lo componen generalmente válvulas pilotadas de 3/2, 4/2 o 5/2.

Figura 15.1. Mando directo desde pulsador.

Al accionar el pulsador P, el aire a presión penetra desde la entrada (l) hacia el cilindro, a través de la conexión (2), lo que ocasiona el avance o movimiento positivo del vástago. Al soltar el pulsador, el aire escapa al exterior mientras el vástago efectúa la carrera negativa o de retroceso a la posición inicial. Para evitar que el operador tenga que apretar todo el tiempo el pulsador puede emplearse una válvula con enclavamiento. Es un mando muy empleado en máquinas herramientas para la fijación de piezas.

15.2.2. Mando directo de un cilindro de doble efecto mediante pulsador

Finalmente, los elementos de trabajo son los encargados de aplicar físicamente la energía acumulada en el fluido para realizar las operaciones correspondientes.

Como se sabe, para el mando de cilindros de doble efecto se utilizan válvulas 4/2 y 5/2. En la Figura 15.2 (A), al accionar el pulsador el aire a presión llega a la cámara posterior del cilindro a través del orificio (4 ), mientras que por el orificio (2) escapa el aire de la cámara anterior expulsado por el avance del vástago. Al soltar el pulsador se produce el retroceso del vástago porque el aire a presión llega ahora por (2) a la parte anterior del cilindro, mientras que la cámara posterior se comunica con el escape.

Como es natural, en una instalación no automática no se dan todos estos bloques de elementos, pues la captación y el tratamiento de la información la realiza el mismo operador.

En la Figura 15.2 (B) aparece un montaje equivalente aunque con una válvula 5/2. La diferencia radica en que las cámaras del cilindro evacuan por escapes distintos.

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4

4

2

2

Esto significa que el cilindro responde a la acción simultánea de dos pulsadores. Si P 1 y P 2 no se accionan, el vástago no avanzará. Esta forma de mando puede obtenerse de tres maneras:

p

p

15.2.4. Mando condicional de un cilindro de simple efecto

•

Montaje en serie de los pulsadores. Es evidente que el aire no puede llegar a P 2 si no se da paso pulsando P 1

•

Montaje con válvula de simultaneidad. Como se sabe esta válvula impide la salida de aire, si no hay señal simultánea en las dos entradas conectadas a los pulsadores. Por consiguiente, para que el cilindro se mueva es preciso apretar a la vez P 1 y P 2 . Al cesar la acción sobre uno cualquiera de los pulsadores el vástago retrocede a su posición inicial.

•

Mediante válvula 3/2 pilotada neumáticamente y con retorno por muelle (Figura 15.5). Cuando se acciona el pulsador P 1 se manda una señal a la válvula citada que abre el paso del orificio (l) hacia el cilindro pero, al mismo tiempo, es imprescindible pulsar P 1 para que el aire alimente la vía (l) de la válvula pilotada.

(B)

(A)

Figura 15.2. Cilindro de doble efecto mediante pulsador.

15.2.3. Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos distintos Para solucionar el problema hay que recurrir a una válvula selectora de circuito o módulo O (Figura 15.3).

De las tres soluciones la más económica es el montaje en serie, aunque también es la menos universal.

P2

P1

Figura 15.3. Mano desde dos puntos distintos.

Al accionar el pulsador P 1 se manda el aire a presión por la entrada (l) de dicha válvula y el cilindro efectúa la carrera positiva. Cuando se pulsa P2 ocurre lo mismo pero con la entrada de aire por la otra vía de la válvula selectora. En el caso de no accionar cualquiera de los dos pulsadores, el aire se escapa por la vía (3) de cualquiera de ellos y el vástago del cilindro retrocede. Si no se emplea válvula selectora, ocurrirá (Figura 15.4) que al apretar un pulsador, el aire se dirige al escape (3) del contrario, en lugar de penetrar en el cilindro.

P1

Figura 15.5. Válvula 3/2 pilotada y con retorno por muelle.

15.2.5. Control de la velocidad en los cilindros de simple efecto P1

P2

Figura 15.4. Sin válvula selectora.

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Cuando se describieron los reguladores de caudal ya se dijo que la regulación de la velocidad se logra con la regulación del caudal de aire. La válvula en cuestión se monta junto con una válvula 3/2 con pulsador, cuidando de que la posición del antirretorno sea la correcta según se desee regular el avance o el retroceso (Figura 15.6).

(A)

(B)

Figura 15.6. Control de velocidad en cilindros de simple efecto.

15.2.6. Control de la velocidad en los cilindros de doble efecto La regulación se efectúa de igual forma que en los cilindros de simple efecto (Figura 15.7, A) pero con válvulas 4/2.

Figura 15.8. Aumento de la velocidad en un cilindro de doble efecto.

15.2.8. Mando indirecto de un cilindro de simple efecto Cuando por problemas de montaje o por cualquier otra razón, la válvula de mando no puede colocarse cerca del órgano de trabajo y en un lugar accesible al operario debe realizarse el mando a distancia tal como se indica en la Figura 15. 9, A. Al accionar el pulsador de marcha P se pilota la válvula l y el vástago del cilindro se mueve hacia adelante. Al soltar el pulsador desaparece la señal de pilotaje y el vástago del cilindro retrocede.

(A)

(8)

Figura 15.7. Control de velocidad en cilindros de doble efecto. 2

Si se emplean válvulas 5/2, se pueden colocar reguladores montados en los escapes (Figura 15.7, B), aunque esta solución, evidentemente económica, resulta de difícil puesta a punto y mantenimiento. (A)

P1

P2

(8)

15.2.7. Aumento de la velocidad en los cilindros de doble efecto

Figura 15.9. Mando indirecto.

El aumento de la velocidad de avance en ambos sentidos se puede lograr con la aplicación de válvulas de escape rápido. Estos elementos permiten obtener el vaciado más rápido de la cámara correspondiente y, por consiguiente, al ofrecer menor resistencia al avance del émbolo crece la velocidad de éste (Figura 15.8).

15.2.9. Mando indirecto de un cilindro de doble efecto El mando del cilindro desde un solo punto se efectúa como en el caso precedente, con el empleo lógico de la válvula 4/2.

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(A)

(B)

(C)

Figura 15.10. Mando condicional de un cilindro de doble efecto.

Si el mando debe realizarse desde dos puntos, el montaje aconsejable es el de la Figura 15.9, B, que incluye un selector de circuito.

15.2.12. Mando automático de un cilindro de doble efecto

15.2.1 O. Mando condicional de un cilindro de doble efecto

En este caso el ciclo de trabajo del cilindro se reproduce indefinidamente, una vez iniciado, hasta que aparezca la orden de detención.

Se puede obtener mediante el montaje en serie de dos válvulas 3/2 que pilotan una válvula 4/2 (Figura 15.10, A); con las mismas válvulas pero intercalando una válvula de simultaneidad (Figura 15.10, B); o bien, mediante una válvula pilotada 3/2 (Figura 15.10, C).

En el montaje de la Figura 15.12 se ha sustituido el pulsador habitual por una palanca con enclavamiento y se han colocado dos finales de carrera 1.2 y 1.3.

En todos los casos es preciso actuar sobre los dos pulsadores P l y P2 para que el cilindro se mueva.

15.2.11. Mando de un cilindro de doble efecto con retroceso automático Al accionar el pulsador de puesta en marcha P l (Figura 15. 11) se pilota la válvula l y ésta hace avanzar el vástago del cilindro que, al final de su recorrido, oprime el pulsador de la válvula final de carrera, la cual manda una señal a la válvula l que invierte su posición, con lo que el vástago del cilindro retrocede. Éste es uno de los montajes básicos en neumática. Figura 15.12. Mando automático de un cilindro de doble efecto.

Al dar aire al sistema con el accionamiento de la válvula 2.1 y al estar en posición de reposo el final de carrera 1.2, el vástago del cilindro inicia la carrera de avance, ya que en el pilotaje ( 14) de la válvula 1.1 existe la señal de marcha. Cuando el vástago del cilindro llega a su posición más avanzada, acciona el final de carrera 1.3, que pilota a 1.1 en (12), y se invierte el movimiento; es decir, el vástago retrocede hasta 1.2 para reanudar inmediatamente el ciclo.

P1

Figura 15.11. Cilindro de doble efecto con retroceso automático.

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Para detener el proceso es preciso desenclavar la palanca 2.1 con objeto de que el sistema quede sin aire. No obstante, el montaje así dispuesto no permite controlar el punto de paro del vástago del cilindro. Para que esto ocurra la válvula 2.1 se monta en serie con el final de carrera 1.2 para que, cuando se cierre aquélla, quede sin alimentación este último y así se garantiza el paro del cilindro en la posición de vástago entrado, puesto que 1.2 no puede emitir señal.

p

15.2.13. Mando de un cilindro de doble efecto con control de tiempo en el retroceso El temporizador empleado (Figura 15.13) se monta en serie con el final de carrera 1.3. De esta forma, la señal que pilota a 1.1 en (12) se envía al citado temporizador l. 5 el cual, después del tiempo establecido, actúa sobre la válvula pilotada 1.1 en (12); así se consigue un retraso controlado de la señal de retroceso que emite 1.3. Es éste el montaje más empleado y prácticamente el único fiable , siempre que el tiempo no sea muy preciso.

1.3

Figura 15.14. Cilindro con anulador de señal.

No obstante, puede evitarse esta eventualidad con el temporizador montado como anulador de señal, tal como se observa en la Figura 15.14. Como éste se encuentra normalmente abierto, la señal de marcha pasa a la válvula 1.1 y al mismo tiempo al sistema temporizador, el cual anula la señal procedente de P después de un cierto tiempo que se mantiene constante.

15.2.15. Señales intermedias durante el avance del cilindro 1.5

p

Figura 15.13. Cilindro con control de tiempo de retroceso.

Siempre que proceda emitir una señal intermedia durante el avance del vástago de un cilindro para controlar un mando auxiliar, poner en marcha un motor, etc. , se recurre al accionamiento por rodillo escamoteable, ya que si el rodillo fuera normal, la válvula correspondiente sería accionada en dos ocasiones -ida y vuelta- y, por consiguiente, se obtendrían dos señales. Con el rodillo escamoteable sólo se tiene señal en un sentido, que se indica con la flecha correspondiente (Figura 15.15).

15.2.14. Mando de un cilindro de doble efecto con anulador de señal En un determinado montaje puede ocurrir que el operario tenga accionado el pulsador durante un tiempo excesivo y se produzca el deterioro del producto por respuesta a destiempo del sistema debido a una coincidencia de señales. En efecto, si se oprime el pulsador P (Figura 15.14) demasiado tiempo, en la válvula l. l aparecen dos señales simultáneas cuando el vástago del cilindro llega a l. 3. Al llegar primero la señal por (14) y después la señal por (12), ésta no es efectiva hasta que el operario deja de accionar el pulsador P, pero en este momento el producto puede haberse deteriorado.

MARCHA MOTOR

Figura 15.15. Señal durante el avance del cilindro.

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15.3. Electroneumática Cuando las distancias a cubrir por las conducciones neumáticas son grandes, las señales de mando se debilitan y retrasan sus efectos, debido a la pérdida de carga, lo que significa que ya no tienen la condición de rápidas y seguras. Por otro lado, las conducciones largas representan un consumo muy elevado de aire y los gastos que de ello se derivan pueden resultar intolerables.

al pulsar P 1 se excita la bobina x y la válvula actúa tal como se indica. Cuando se oprime el pulsador P 2 se excita la bobina y, se invierte la posición del distribuidor y, en consecuencia, el vástago del cilindro marcha en sentido contrario.

P2

P1

Por estas razones interesa, con frecuencia, combinar las ventajas del mando eléctrico con la simplicidad y eficacia de la neumática, lo que nos lleva a las aplicaciones electroneumáticas.

E-

E-

y

X

15.3.1. Electroválvulas Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas son elementos mixtos que, mediante una señal eléctrica exterior, efectúan las funciones propias de las válvulas distribuidoras. La parte fundamental de la electroválvula es el electroimán, capaz de mover directamente el distribuidor -si el caudal es pequeño- o bien por medio del mando indirecto. Una electroválvula de mando indirecto (servopilotada) 4/2 funciona de la siguiente forma (Figura 15.16):

b

Con tensión

Figura 15.17. Mando electroneumático.

15.4. Ejemplos realizados con autómatas Vamos a realizar una serie de ejemplos de resolución de automatismos, con autómatas programables, utilizando el mando neumático. Ejemplo l. Puerta automática

Se trata de realizar el automatismo para la apertura neumática de una puerta doble con el siguiente detalle: al llegar una persona a la puerta es detectada por un sensor (simularemos con un final de carrera), en este momento se abrirá la puerta a la máxima velocidad. Transcurridos 5 segundos se cerrará a velocidad regulada. Durante el proceso de cerrado puede volver abrirse si se detecta otra persona. Figura 15.16. Esquema de una electroválvula.

Cuando la bobina está bajo tensión, el núcleo es atraído, venciendo el esfuerzo del muelle. En este momento, el conducto de alimentación (l) puede alimentar la utilización (2) porque los pequeños émbolos distribuidores, pilotados a través del conducto derivación de ( l ), cierran la utilización (4) y abren la (2), respectivamente.

La puerta estará gobernada por dos cilindros de doble efecto uno por hoja de la puerta, situados según la Figura 15.18. La apertura y cierre de la puerta se realizará mediante electroválvulas biestables 5/2. Estas electroválvulas estarán mandadas por las salidas del autómata, según la Figura 15.19 CILINDRO

CILINDRO

Al cesar la tensión, el muelle devuelve al núcleo a su posición de reposo, se purgan los émbolos por la salida superior y el orificio (2) es puesto a escape mientras (4) es alimentado.

15.3.2. Mando electroneumático Un ejemplo muy sencillo de mando electroneumático lo constituye el montaje de la Figura 15.17. El distribuidor empleado para mandar el cilindro es una válvula electroneumática de mando directo desde unos pulsadores eléctricos P 1 y P 2 los cuales activan las bobinas x e y que mueven el distribuidor interno. Obsérvese el esquema eléctrico de mando;

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Figura 15.18. Esquema de la puerta del Ejemplo 1.

El diagrama de estados para este montaje se encuentra detallado en la Figura 15.20. El final de carrera se conectará a la entrada EO.O del autómata.

El proceso es el siguiente: El sensor M detectará la llegada de las piezas de la cinta transportadora. Al ser detectada una pieza en M, si el cilindro A está accionando el final de carrera AO, hará salir a dicho cilindro hasta el final de carrera A4 y retroceder. A continuación, cuando llegue una nueva pieza a M, saldrá nuevamente el cilindro A hasta A3 y retrocederá. El proceso se repetirá con A2 y Al . Cuando llegue A nuevamente a AO, dará la orden de retroceso al cilindro C hasta que llegue a CO, momento en que le llegará una orden al cilindro B que avanzará hasta llegar a B l. A continuación retrocederá hasta BO, C avanzará hasta C l y se terminará el ciclo. Solución: Para resolver este ejemplo utilizamos los cilindros que se ilustran en la Figura 15 .19. Según estos cilindros y el enunciado del ejemplo realizamos la tabla con las entradas y salidas que vamos a utilizar (Tabla 15. l ).

Figura 15.19. Cilindros para el Ejemplo 1. A0.1=1 A0 .2=1

Es fácil deducir a partir del enunciado y de la tabla el diagrama de estados que se representa en la Figura 15.20. Este diagrama, a pesar de tener 13 estados, es de fácil comprensión, siguiendo simultáneamente la Tabla 15. l.

T(1)=2 seg

A0.0 = 0 A0.1 = 0 A0.2 = 0 A0.3= 0 A0.4 = 0

Fin T(1)

E0.0=1

E0 .0= 1

Fin T(3)

E4

r:::'\

Ü

A0.4=1 T(2)=5seg

~

A0.0=1 A0.3=1 T(3)=5 seg

Figura 15.20. Diagrama de estados del Ejemplo 1.

CILINDRO A

Figura 15.22. Cilindros utilizados en el Ejemplo 1.

Ejemplo 2: Apiladora

Para resolver el ejemplo (Figura 15.21) partimos de los siguientes elementos: •

Tres cilindros: A (de simple efecto), By C (de doble efecto.

•

Cinco finales de carrera en el recorrido del cilindro A: AO, Al , A2, A3 y A4.

•

Dos finales de carrera para los cilindros By C.

•

Un sensor M.

CILINDROS BY C

A continuación realizamos el programa para el SIMATIC SS en formato AWL. Éste será:

A=O Ba=O

A=O

A=1

A=O

A L CONTENED OR

Figura 15.21. Esquema del Ejemplo 1.

Figura 15.23. Diagrama de estados del Ejemplo 1.

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Entradas

A AO.O

Ba A0 .1

Br A0.2

Salidas

Ca A0.3

Cr A0.4

M EO.O

AO E0.1

A1 E0.2

A2 E0.3

A3 E0. 4

A4 E0.5

BO E0.6

B1 E0.7

co EO.O

Tabla 15.1 •

Estado l:

•

UNA O.O UNAO.l UNA0.2 UNA0.3 UNA0.4 =MO.l •

Estado 6:

UM0.6 SAO.O •

Transición del estado lal estado 2:

Transición del estado 6 al estado 7:

UM0.6 U E 0.3 ; RM0.6 SM0.7

UMO.l UEO.O UEO.l SM0.2

UM0.7 RAO.O

•

•

•

Estado 2:

UM0.2 SAO.O ; •

Cilindro A activado

Transición del estado 2 al estado 3:

UM0.2 U E 0.5 ; RM0.2 SM0.3 •

Final de carrera A4

•

•

Transición del estado 3 al estado 4: SensorM Final de carrera AO

Estado 4:

•

;

Final de carrera A3

Estado 5:

UM0.5 RAO.O •

Transición del estado 8 al estado 9:

UM 1.0 UE0.2 RM 1.0 S M 1.1 •

•

Transición del estado 4 al estado 5:

UM0.4 U E 0.4 RM0.4 SM0.5

Estado 8:

Estado 9:

UM 1.1 RAO.O

UM0.4 SAO.O •

Transición del estado 7 al estado 8:

UM 1.0 SAO.O

Estado 3:

UM0.3 UEO.O UEO.l RM0.3 S M0.4

Estado 7:

UM0.7 UEO.O UEO.l RM0.7 S M 1.0 •

UM0.3 RAO.O •

Final de carrera A2

Transición del estado 5 al estado 6:

UM0.5 UEO.O UEO.l RM0.5 SM0.6

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Transición del estado 9 al estado 10:

UM 1.1 U E 0.1 RM 1.1 S M 1.2 •

;

Final de carrera Al

Estado 10:

UM 1.2 = A 0.4 ; Retrocede cilindro C •

Transición del estado l O al estado 11 :

UM 1.2 U E 1.0 ; RM 1.2 S M 1.3 •

Final de carrera CO

Estado 11:

UM 1.3 = A 0.1 ;

Avanza cilindro B

C1 E0.1

•

Transición del estado 11 al estado 12:

UM 1.3 U E 0.7 ; Final de carrera Bl RM 1.3 S M 1.4 •

Estado 12:

UM 1.4 =A0.2 •

Retrocede cilindro B

Transición del estado 12 al estado 13:

UM 1.4 UE0.6 RM 1.4 S M 1.5 •

Final de carrera BO

Estado 13:

UM 1.5 = A 0.3 ; •

CONDUCTO ALIMENTADOR

CILINDRO B

Figura 15.24. Gráfico del Ejemplo 2.

Avanza cilindro C

Transición del estado 13 al estado l :

UM 1.5 U E 1.1 ; Final de carrera Cl RM 1.5 BE

Aa;Q Ar ; Q

Ar;1 Motor;1

Aa; 1

Ca ; 1

Ejemplo 3: Taladradora automática

Ar;O Motor;1

Deseamos automatizar un taladro neumático, como el de la Figura 15.21, con el siguiente detalle. Las piezas se almacenan en el conducto alimentador. Si se detecta una pieza en dicho conducto, se activa S2 y hace salir al cilindro A, que introduce la pieza en el dispositivo de sujeción (detectada por el final de carrera 7). El cilindro A se retira hasta el final de carrera 2. El motor de taladro comienza a girar y desciende el cilindro C. Al cabo de 15 segundos (tiempo de taladrado), se retira el cilindro C hasta la posición de reposo (detectada por el final de carrera 5). El cilindro C empuja la pieza hasta la salida (final de carrera 6) y se retira (final de carrera 4). En este momento puede entrar otra pieza para ser taladrada. En este ejemplo disponemos de dos cilindros de doble efecto, que serán el A y el C, y uno de simple efecto que será el B, similar al ejemplo anterior. Los cuadros de entradas y salidas se detallan en las Tablas 15.2 y 15.3 y el diagrama de estados en la Figura 15.25.

Entradas: Detector S2 Fin de carrera Fin de carrera Fin de carrera Fin de carrera Fin de carrera

7 2 5 6 4

E O.O E 0.1 E 0.2 E 0.3 E 0.4 E 0.5

Tabla 15.2.

Salidas: Cilindro Cilindro Motor Cilindro Cilindro Cilindro

A avance A retroceso C avance C retroceso B

A A A A A A

O.O 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Tabla 15.3.

Ca;1 T(1);15 seg FinT(1) Motor;1

Cr;1 Fin6;1

8;1

Figura 15.25. Diagrama de estados del Ejemplo 2.

El programa para el autómata seria: •

Estado l:

UNA O.O UNAO.l UNA0.2 UNA0.3 UNA0.4 UNA0.5 =MO.l •

Transición del estado l al estado 2:

UMO.l UEO.O SM0.2 •

Estado 2:

UM0.2 = A O.O ; Cilindro A avanza •

Transición del estado 2 al estado 3:

UM0.2 U E 0.1 ; Fin de carrera 7 RM0.2 SM0.3

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•

•

Estado 3:

UM0.3 A 0.1 ; El cilindro A retrocede S A 0.2 ; Motor taladro S A 0.3 ; Desciende cilindro C (del taladro)

UM0.5 U E 0.3 ; Fin de carrera 5 RM0.5 R A 0.2 ; Para el motor del taladro SM0.6

=

•

Transición del estado 3 al estado 4:

•

UM0.3 U E 0.2 ; Fin de carrera 2 RM0.3 S M0.4 •

UM0.6 A 0.5 ; Avanza el cilindro B •

Estado 4:

•

•

•

Transición del estado 7 al estado l:

UM0.7 U E 0.5 ; Fin de carrera 4 RM0.7

UM0.5 A 0.4 ; Retrocede el cilindro del taladro

BE

=

15.2. Un alimentador gobernado por un cilindro de doble efecto debe adelantar una pieza hasta la posición más avanzada o de trabajo, permanecer en ella unos instantes y retroceder con rapidez hasta el punto de partida. El operario da la orden de marcha cada vez, pulsando el actuador correspondiente. Dibujar el circuito neumático que permita efectuar el ciclo expuesto.

Estado 7

(No es necesario incluir nada, porque no se realiza ninguna acción nueva.)

Estado 5:

15.1. Realiza el esquema de mando de un cilindro de doble efecto desde dos puntos distintos.

Transición del estado 6 al estado 7

UM0.6 U E 0.4 ; Fin de carrera 6 RM0.6 SM0.7

Transición del estado 4 al estado 5:

UM0.4 UT l RM0.4 R A 0.3 ; Se detiene el cilindro C SM0.5

Estado 6:

=

UM0.4 L S5T# 15S SE T l ; Temporización de 15 segundos •

Transición del estado 5 al estado 6:

Se trata de realizar el esquema de la instalación neumática necesaria.

< > 2

15.3. Un cilindro neumático de doble efecto mueve una palanca alternativamente para que un trinquete haga avanzar una rueda. Dibuj a el esquema del circuito neumático que permita el avance y retroceso automático del cilindro a partir de la orden de marcha que da el operador. 15.4. Un elevador neumático (Figura 15.26) consta de una plataforma (1), provista de un cilindro empujador de simple efecto (2), y el cilindro elevador de doble efecto (3). Cuando el vástago del cilindro (3) llega a la altura máxima, el cilindro (2) empieza a empujar a la pieza hacia la rampa (4); después su vástago retrocede por acción del muelle interno. En este momento, el cilindro (3) hace descender la plataforma hasta la posición de partida donde tennina el ciclo.

©

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Figura 15.26. Gráfico del Problema 15.4.

4

DISPOSITIVO PARA PEGAR PIEZAS DE PLÁSTICO:

ACCIONAMIENTO DE UNA CUCHARA DE COLADA:

Un pulsador manual da la señal de marcha. Al llegar a la posición final de carrera, el vástago del émbolo tiene que juntar las piezas, apretándolas durante 20 segundos y volver luego a su posición inicial. Este retroceso tiene que realizarse aunque el pulsador manual esté todavía accionado. La nueva señal de salida puede darse únicamente cuando el vástago del cilindro haya vuelto a su posición inicial.

Mediante un pulsador ha de hacerse bajar lentamente la cuchara de colada de la figura. Ésta ha de levantarse por inversión automática de la marcha lentamente.

R

Figura 15.27.

Realiza el esquema neumático siguiente: A

2

g

g

el

c2

y

Figura 15.29.

Realiza el esquema neumático siguiente:

2

y

Figura 15.28. A

Figura 15.30.

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DISTRIBUCIÓN DE BOLAS DE UN CARGADOR POR GRAVEDAD

Realiza los esquemas neumáticos anteriores utilizando electroneumática.

Hay que distribuir alternativamente las bolas de un cargador por gravedad entre los conductos ly 2. La señal debe ser mandada mediante un pulsador. A cada movimiento de vaivén del cilindro distribuidor le seguirá un impulso del cilindro de simple efecto.

Elevador clasificador para paquetes. Para la realización del programa tenemos: •

Cinco finales de carrera (AO, Al, BO, B l ).

•

Dos detectores de posición (CO, Cl).

•

Tres cilindros: dos de simple efecto (B y C) y uno de doble efecto (A).

•

Una báscula encargada de la clasificación de los paquetes.

•

Cuatro cintas transportadoras.

•

Dos luces indicadoras, que nos informarán sobre qué tipo de paquete estamos trabajando.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Figura 15.31.

Realiza el esquema neumático siguiente:

z

El proceso se inicia con el transporte de uno de los paquetes a la báscula; una vez clasificado el paquete en la báscula, se encenderá una luz indicadora del tipo de paquete (luz l será paquete grande y luz 2 será paquete pequeño). A continuación el paquete es transportado por la cinta l hasta el plano elevador. El cilindro C eleva los paquetes. Acto seguido, los paquetes son clasificados; los paquetes pequeños son colocados en la cinta 2 por el cilindro A, y los paquetes grandes son colocados en la cinta 3 por el cilindro B. El cilindro elevador C se recupera sólo cuando los cilindros A y B llegan a la posición final. Diremos que el problema se puede resolver de dos maneras diferentes, en modo digital y en modo analógico; ambos modos aparecen resueltos en el esquema de contactos. En la Figura 15.33 se ilustra el proceso a automatizar. C~LINDROB.·;

~\ jj} .r·

S1 = MARCHA S2

= MEDIDOR

BO ~

CILINDROA

AO

Figura 15.32.

CINTA 3

Figura 15.33.

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La hidráulica es una técnica que siempre ha estado ligada al hombre desde tiempos remotos. El arrastre de troncos por un río, el accionamiento de un molino o de una noria, etc., son ejemplos muy claros de aprovechamiento de la energía del agua anteriores a la revolución industrial Con el desarrollo industrial de los últimos tiempos estas aplicaciones, lejos de disminuir, han aumentado y se han diversificado sobremanera.

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Principios fisicos fimdam entales. M agnitudes fisic as. Fluidos hidráulicos y sus principales características. Bombas hidráulicas. Sus tipos. Instalaciones hidráulicas. Válvulas. Elementos hidráulicos de trabajo.

~ ~ ~

Conocer el fimcionamiento de una instalación hidráulica. Distinguir y conocer los elementos hidráulicos. Posibilidades de utilización en automatismos secuenciales.

16.1. Principios físicos

16.2.2. Transmisión hidráulica de fuerza

fundamentales La hidráulica se basa en los principios de la hidrostática y la hidrodinámica que constituyen la mecánica de fluidos. Como se sabe, los líquidos no son compresibles (en términos prácticos), al contrario de lo que ocurre con los gases. Carecen de forma propia y adoptan la que tiene el recipiente donde se introducen. Además, si sobre una masa líquida se ejerce una fuerza , ésta se transmite a todos sus puntos. Así, la fuerza F (Figura 16. l, A), aplicada al émbolo A, origina una presión que se transmite en todas direcciones y cuyo valor es idéntico en cualquier punto. Esta presión debe ser contrarrestada por las paredes del recipiente, como lo prueba el experimento que se ilustra en la Figura 7 .1, B.

Si se tienen dos cilindros de distinta sección unidos entre sí y se aplica una fuerza F 1 (Figura 16.2) al émbolo del menor de ellos, se tiene que la presión en cada uno de aquéllos, es:

P 1 = -F¡

A¡

1 ~Ml:lOLO lJI:: 11-:Al:lAJO

/

2 rlEZA

------,-~--' -----1

3 VÁLVULA DE CIERRE

O'_,,;

1 1

4 DEPÓSITO ,, VÁLVUL/\ i\NTIRRETOR\ló (i ~Ml:lOLO lJI:: Af'HII:: 11::

%

F1

lF ',1\1

A

\

"

t 1' 1' 1' 1' 1' t

r l

Pe ¿ J, J, J, J, J, J, J, J, \

~

1

A2

'J'v

•

.. • ~FJ • 4

5

3

4

Figura 16.1. Principios físicos.

Figura 16.2. Transmisión hidráulica de fueua.

Como las presiones P 1 y P 2 deben ser iguales, resulta:

16.2. Magnitudes físicas Las magnitudes básicas del Sistema Internacional (S.I.) empleadas en hidráulica son: longitud, masa, tiempo y temperatura. Las unidades respectivas son: el metro (m}, el kilogramo (kg}, el segundo (s) y el Kelvin (K) o el grado Celsius (°C). De ellas se derivan las demás magnitudes importantes en hidráulica: fuerza, superficie, volumen, caudal, presión y velocidad. Así, por ejemplo, la unidad de fuerza se deduce de la fórmula de Newton F = m · a. La ecuación de dimensiones es, por tanto F = kg · m/s- 2 . La unidad derivada de fuerza, a la que llamamos newton (N) es, por consiguiente: l N = l kg · rn!s- 2 .

16.2.1. Unidad de presión La presión es la fuerza aplicada en la unidad de superficie. La unidad de presión S.I. es el pascal, que es la presión equivalente a l N/m 2 (véase Capítulo 11, que trata sobre elementos de neumática, donde en el Apartado 11. l se explican estos conceptos).

!J._= Fz A1

A2

La ecuación resultante es el fundamento de la prensa hidráulica y permite aumentar la fuerza aplicada incrementando la sección del cilindro en la que se ejerce la resistencia. Es decir, el aumento de la fuerza es proporcional al incremento de la sección.

Ejemplo l. Dado un cilindro de una prensa, cuya sección es de 2 cm 2, sobre el que se efectúa una fuerza de 50 N, se desea saber cuál será la fuerza resultante en el otro cilindro si la sección del mismo es de 200 cm 2 . F 1 A 2 50 N 200 cm2 F 2 =--= A1 2 cm 2

= 5000 N

16.2.3. Ley de circulación Por un tubo de secciones desiguales A 1 A 2 A 3 ... circula una vena líquida (Figura 16.3). Si esta circulación es continua, por cada tramo de tubería pasarán los mismos volúmenes de líquido por unidad de tiempo.

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A3

A"l.

-

3

do mismo se produce rozamiento, que a su vez genera calor. La energía hidráulica se convierte así en energía térmica. Una pérdida de energía hidráulica significa una pérdida de presión del líquido hidráulico. En todos los lugares angostos del sistema hidráulico, el líquido hidráulico pierde presión. Esta pérdida de presión se debe al rozamiento del medio que circula y se denomina p (Figura 16.4, A).

Figura 16.3. Ley de circulación.

El caudal Q que fluye por el tubo es el volumen de líquido que circula por él en la unidad de tiempo: V

>

Q=t

/ I< 11,-""""''

Ahora bien, el volumen V es también igual al área de cada sección multiplicada por la longitud s. A)

Sustituyendo V por su valor, se tiene: A· s Q=-

V ~ ··1

t

Pero comos/tes la velocidad del líquido, resulta finalmente: Q=A·

V

Como los caudales deben ser iguales en cada sección, las velocidades deben variar proporcionalmente a ellas: A¡

>

B)

>

Pe2

f'e ºl

¡\

V2

Figura 16.4. Rozamiento y circulación.

16.2.4. Energía hidráulica Una masa líquida en movimiento tiene una determinada energía total, compuesta de tres energías parciales. •

Energía estática. Es la debida al peso y depende de la altura de la columna líquida sobre el plano de referencia que se tome.

•

Energía hidrostática. Es la debida a la presión y depende de la presión existente.

•

Energía hidrodinámica. Debida al movimiento. Varía con la velocidad de la masa líquida.

En la oleohidráulica se puede desestimar la energía estática, porque los circuitos oleohidráulicos no presentan generalmente grandes desniveles de construcción (por ejemplo, más de 20 m). La energía hidrodinámica es también pequeña y puede desestimarse porque la masa de aceite movida por los tubos relativamente estrechos (en general de menos de 40 mm de diámetro) es pequeña y su velocidad es de sólo algunos metros por segundo, o incluso menos. La energía de un líquido oleohidráulico resulta, pues, realmente de su presión.

16.2.5. Rozamiento ycirculación La energía hidráulica no puede transmitirse sin ninguna pérdida por las tuberías. En las paredes del tubo y en el líqui-

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Esta pérdida de presión en los estrechamientos, debido a que la energía de presión se convierte en energía térmica, se provoca a veces deliberadamente (por ejemplo, en la válvula reductora de presión). Si se interrumpe la circulación, el líquido se parará. Estando en estado de reposo, no se produce ningún rozamiento. Como consecuencia, la presión es la misma delante y detrás del punto de estrangulación (Figura 16.4, B).

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V,;;

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... ...

B> Figura 16.5. Efecto de la velocidad de circulación.

Los líquidos se trasladan por un tubo, hasta determinadas velocidades, de modo laminar; es decir según capas paralelas relativamente uniformes (Figura 16.5, A). La capa interior es la más rápida, mientras que las exteriores están teóricamente paradas y pegadas a las paredes del tubo. Si la velocidad de circulación crece hasta alcanzar un valor crítico, la corriente laminar se volverá turbulenta (Figura 16.5, B). Con ello aumentan la resistencia de circulación y las pérdidas hidráulicas. Por esta razón, generalmente no es conveniente que la corriente sea turbulenta. La velocidad crítica tiene un valor fijo que depende de la viscosidad del líquido a presión y del diámetro del tubo. Su valor puede calcularse y no debería ser sobrepasado en una instalación hidráulica.

16.4. Bombas hidráulicas.

Sus tipos Las bombas hidráulicas son elementos esenciales en las instalaciones. Son las impulsoras del caudal hidráulico, capaces de convertir la fuerza mecánica en fuerza hidráulica. Las bombas hidráulicas se dividen en dos tipos, atendiendo al caudal que otorgan: • Bombas de caudal fijo. • Bombas de caudal variable.

16.4.1. Bombas de caudal fijo

16.3. Fluidos hidráulicos y sus

principales características Los fluidos utilizados en las instalaciones hidráulicas tienen que cumplir los objetivos para los que han sido creados. La transmisión de la fuerza aplicada a los mismos es característica fundamental. La incompresibilidad ha de ser prácticamente nula, con el fin de que la acción sea instantánea. Deben tener amplia facilidad para lubricar las piezas móviles de todo el circuito, además de evitar la oxidación y la corrosión. Otra característica importante es la capacidad de disipación del calor generado por los frotamientos.

Estas bombas siempre conceden el mismo caudal; es decir, el mismo volumen de aceite por unidad de tiempo. Solamente variará el caudal cuando se varíe la velocidad de giro. Generalmente su uso está destinado para bajas presiones o para sistemas auxiliares.

16.4.2. Bombas de caudal variable Las bombas de caudal variable tienen la propiedad de poder variar el caudal emitido sin disminuir la velocidad de giro. Son las más empleadas en los sistemas hidráulicos modernos. Se utilizan para presiones superiores a las que pueden otorgar las bombas de caudal fijo.

16.3.1. Viscosidad

Las bombas hidráulicas, atendiendo a su forma constructiva, se dividen en tres tipos:

Se define como la medida de la resistencia que opone un líquido al fluir. Influye en esta característica la temperatura, siendo más fluidos (menos viscosos) conforme la temperatura aumenta.

• Bombas de engranajes. • Bombas de paletas. • Bombas de pistones.

Atendiendo a la temperatura, la viscosidad se mide en grados Engler (Eº). Es decir, es el cociente entre el tiempo que tarde en fluir un aceite por un orificio calibrado y el que tarda el agua a una temperatura determinada: t

Eº=t¡

La viscosidad también se mide por números (5 W, l OW, 20 W, 30, 40, 50, etc., según norma SAE). Es decir, el fluido es más denso conforme la numeración va subiendo.

,,

16.3.2. Indice de viscosidad El índice de viscosidad tiene como finalidad la medida de la variación de la densidad de un líquido cuando la temperatura varía. Así, se dice que los aceites de menor variación de la viscosidad con la temperatura tienen un índice de viscosidad alto.

16.4.3. Bombas de engranajes Son las más sencillas y económicas. Aunque son de caudal fijo se utilizan mucho en los mandos hidráulicos que no necesiten variación de caudal. Un ejemplo de su forma constructiva es el de la Figura 16.6. La rueda dentada A, impulsada en el sentido de la flecha, arrastra la rueda B haciéndola girar en sentido opuesto. La cámara S tiene comunicación con el depósito de aceite. Al girar las ruedas y separarse los dientes, quedan vacíos los entredientes, y por la depresión originada se aspira líquido del depósito que llena las cámaras existentes entre los dientes. Éstas transportan el líquido a lo largo de las paredes del cuerpo hasta la cámara P. Los dientes engranados impelen el líquido de sus cámaras al espacio P y evitan que regrese de éste a la entrada S. Como consecuencia de esto, el líquido enviado a la cámara P ha de salir forzosamente de la cámara del cuerpo para dirigirse hacia el consumidor.

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16.4.6. Características de las bombas y su rendimiento El caudal de una bomba, así como la presión de entrega y el número de revoluciones a que gira, son las variables que permiten establecer sus características y, en último término, determinan su rendimiento.

o

En el rendimiento de una bomba intervienen: •

Rendimiento volumétrico o relación entre el caudal efectivo y el caudal teórico.

•

Rendimiento mecánico o relación entre el rendimiento total de la bomba y su rendimiento volumétrico.

•

Rendimiento total o relación entre la potencia hidráulica que otorga y la potencia mecánica que absorbe.

Como media general se puede decir que el rendimiento en las bombas hidráulicas es del 75% al 95%, según sean de engranajes, paletas o pistones, respectivamente.

Figura 16.6. Bomba de engranajes de caudal fijo.

16.4.4. Bomba de paletas

16.5. Instalaciones hidráulicas

Este tipo de bombas (similar a la representada en la Figura 16.6) actualmente está sustituyendo a las de engranajes, sobre todo a las de caudal constante.

En toda instalación hidráulica se reúnen una serie de elementos que, trabajando conveniente y ordenadamente, consiguen la transformación de una energía hidráulica en energía mecánica. Todas ellas tienen un común denominador, que es el líquido a presión.

16.4.5. Bombas de pistones

El líquido a presión tiene que satisfacer diversas tareas; a saber:

Estas bombas se utilizan mucho actualmente debido a la capacidad de otorgar altas presiones. Las hay de dos clases, según sea la posición de los émbolos o pistones:

•

Transmitir la energía hidráulica generada por la bomba hidráulica y que se transforma en los motores y cilindros hidráulicos.

•

Bomba de pistones axiales.

•

Lubricar todas las piezas de una instalación.

•

Bomba de pistones radiales.

•

Evitar la corrosión en las partes móviles inferiores.

•

Evacuar suciedades, abrasión, etcétera.

•

Disipar el calor.

La Figura 16.7 representa una bomba de pistones axiales. El árbol motor ( l ), unido a una fuente externa de energía (motor eléctrico de explosión) hace girar el disco (6) en el que se ha tallado una leva (2) encargada de impulsar los pistones axiales (3). Éstos aspiran el aceite por la entrada (4) y lo impulsan hacia el orificio de salida (5).

Por ello el líquido, en nuestro caso el aceite, debe satisfacer unas exigencias mínimas, ya establecidas de antemano en cada caso.

16.5.1. Estructuración en bloques de una instalación hidráulica 5

Por lo general, todas las instalaciones hidráulicas funcionan según la siguiente estructura de bloques: La bomba hidráulica es el elemento de generación del fluido a presión. Con ella trabajan elementos auxiliares cuya misión resulta, no obstante, indispensable. Entre ellos se pueden citar: el depósito de aceite, el filtro, el manómetro indicador de presión, la válvula de cierre, la válvula limitadora de presión, etcétera.

Figura 16.7. Bomba de pistones axiales.

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En la distribución del aceite intervienen las tuberías y el racordaje. Después existen los elementos de mando y, final-

mente, los elementos de trabajo que se estudiarán en diversos apartados de este tema.

16.5.2. Depósito de aceite El depósito de aceite es el recipiente metálico que contiene el fluido destinado a alimentar una instalación hidráulica. Normalmente aparece como un bloque cerrado, llamado central oleohidráulica, que contiene también la bomba, el motor eléctrico, el filtro , las válvulas precisas, etc. (Figura 16.8).

La bomba (4), movida por el motor (3) aspira aceite a través del filtro (5) y lo envía a la válvula limitadora de presión (9) provista de un manómetro (10), de donde sale hacia la instalación. El aceite se introduce por el orificio de llenado, quitando el tapón correspondiente (7). El vaciado se efectúa por el orificio de purga (8). El nivel del líquido en el depósito se controla por medio de la mirilla (6) o bien, por medio de una varilla metálica de sonda. Todo depósito debe disponer de un sistema suficiente de aireación y desaireación, provisto de un filtro de aire (11 ). Es necesario airearlo y desairearlo para que la presión atmosférica pueda actuar sin ningún impedimento sobre el nivel del líquido, con el objeto de que la bomba pueda aspirar y el aceite se mantenga sin burbujas de aire. El retomo del aceite se efectúa por el tubo de retomo (12). En la Figura 16.9 aparece la fotografía de una bomba hidráulica.

Figura 16.9. Bomba hidráulica.

1~--------,

~

1

L _____ J Figura 16.8. Central oleohidráulica.

El depósito (l ), propiamente dicho, se construye de chapa de acero, con unas aletas de refrigeración para contribuir a la eliminación del calor generado. La tapa del depósito (2) se atornilla firmemente a éste y sirve de soporte a los elementos auxiliares que se citaban.

16.5.3. Filtro El filtrado del líquido a presión en las instalaciones tiene gran importancia para conservar las funciones y la duración de los equipos hidráulicos. La abrasión metálica, la abrasión de los elementos de estanqueidad, el polvo y la suciedad del aire se entremezclan con el líquido a presión, especialmente durante el rodaje. Estas partículas, más o menos grandes, deben ser filtradas continuamente, pues de lo contrario obstruirán poco a poco los conductos y las aberturas importantes de la instalación. Las perturbaciones producidas pueden ser graves. Las impurezas producen un desgaste muy grande en las piezas móviles de la instalación hidráulica. Los filtros de tamiz imantado garantizan un filtraje suficiente con el montaje de un elemento filtrante, consistente en un tejido de alambre de malla estrecha preimantado y un fuerte imán (Figura 16.10).

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16.5.5. Válvulas de cierre y limitadoras de presión Estos elementos se describen en los apartados siguientes, dentro del grupo de las válvulas, estudiándose su funcionamiento y construcción con detalle.

16.5.6. Tuberías yconducciones :.-,;ÍM-',:)I:)

Figura 16.10. Filtro.

El filtro mostrado en la figura está previsto para ser montado en la tubería de retorno, que es el caso más frecuente. Hay que distinguirlo del filtro de la bomba (5) (Figura 16.8), destinado a la protección directa de aquélla contra cuerpos extraños; a éste se le llama filtro de aspiración.

16.5.4. Manómetro Los manómetros son aparatos de control que sirven para medir la presión existente en un circuito en un momento dado. El manómetro más empleado (Figura 16.11) funciona del siguiente modo. La presión P del circuito tiende a rectificar el muelle tubular (2), el cual mueve el sector (4) que hace girar el piñón (5) unido a la aguja indicadora (6). En la escala (7) puede leerse entonces la presión registrada. La caña ( l O) del aparato lleva un estrangulador (8) que amortigua el impacto de la presión sobre la aguja.

Son elementos accesorios de una instalación hidráulica y, no obstante, ocupan un lugar muy importante en ella. La elección de la tubería es una tarea compleja para el proyectista de una instalación porque debe valorar una serie de variantes características que influyen directamente en la elección. La elección de una tubería depende del caudal de servicio, de la presión y de la temperatura. Un tubo de sección insuficiente estrangula el paso del aceite, lo sobrecalienta y causa pérdidas de presión. Por el contrario, un tubo con una sección excesiva puede hacer que resulte débil la presión a que debe trabajar el sistema. Los tubos pueden ser rígidos o flexibles, siendo estos últimos los más empleados, por las ventajas que la flexibilidad proporciona a la instalación. Con respecto a la presión, los tubos se dividen en: tubos para baja, media, alta y muy alta presión, dependiendo de su construcción y uso. El cálculo de la sección de las tuberías se suele realizar mediante tablas y ábacos que a tal efecto se han concebido con el objeto de facilitar la tarea del proyectista. Estos ábacos son fruto de muchas experiencias prácticas por parte de los constructores y especialistas en hidráulica.

16.6. Válvulas Los elementos que sirven para gobernar los sistemas hidráulicos se denominan válvulas. Mediante las válvulas hidráulicas se regula la presión, se bloquea el paso del fluido y se gobiernan los elementos de trabajo. Estas válvulas se representan por símbolos en los circuitos hidráulicos. Dichos símbolos atienden al funcionamiento del elemento y no a su forma constructiva. Todo el conjunto de símbolos está normalizado según ISO 219. Los órganos internos de las válvulas pueden adoptar varias posiciones, llamadas posiciones de mando. Así pues, pueden ser dos, tres o más posiciones.

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Figura 16.11. Esquema de un manómetro.

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Las conducciones internas se indican por medio de flechas en los recuadros. Cada vía de la válvula se designa por una letra mayúscula o por un número (recuérdese lo dicho en el capítulo anterior). Por consiguiente: •

A, B, C .. son vías de trabajo o utilizaciones (O también 2, 4 ... ).

•

R, es el conducto de presión (equivale al 1).

•

R, S, T, son vías de escape (O también 3, 5 .. ).

Para evitar la realización en los esquemas de las tuberías de retomo se indica junto al escape el símbolo de depósito o tanque. Los elementos hidráulicos que distribuyen el paso del líquido y hacen posible el gobierno de los órganos de trabajo se llaman válvulas distribuidoras. También se emplean para gobernar (pilotar) otras válvulas, dentro del circuito hidráulico. A continuación vamos a estudiar las más importantes.

16.6.1. Válvulas distribuidoras 2/2 Las válvulas 2/2 sirven para gobernar el paso del fluido. La denominación 2/2 significa que este elemento adopta dos posiciones -paso y cierre- y tiene dos vías, P y A. La Figura 16.12, A) representa una de estas válvulas en reposo. En esta posición el paso de P hacia A está cerrado. Cuando se acciona el pulsador, el distribuidor pone en comunicación la entrada P con la utilización A (Figura 16.12, B); entonces se dice que la válvula está abierta.

A

Figura 16.13. Fotografía de una válvula hidráulica.

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A

2/2

p

~

3/2

p

T

A B

~ p

'T

A

4/2

B

~

5/2

RPT

Figura 16.14. Símbolos de las válvulas distribuidoras. /\

16.6.2. Válvulas distribuidoras 3/2 Estas válvulas permiten la circulación de aceite en una dirección y, al mismo tiempo, cortan el paso en la otra dirección. Su símbolo aparece en la Figura 16.14. Se emplean para gobernar cilindros de simple efecto.

Figura 16.12. Válvula distribuidora 2/2.

Al dejar de apretar el pulsador, el muelle obliga al distribuidor a recuperar la posición de partida, con lo que la válvula se cierra. Además de este modelo, denominado normalmente cerrado, existe otro normalmente abierto, cuyo funcionamiento es inverso al explicado. La válvula 2/2 se emplea para la apertura y cierre de circuitos hidráulicos. Su símbolo aparece en la Figura 16.14.

16.6.3. Válvulas distribuidoras 4/2 Las válvulas 4/2 permiten el paso del fluido en ambas direcciones. Cuando la válvula está en reposo, la vía de entrada está conectada con la utilización A, mientras que la otra utilización (B) está puesta a escape (T). Al accionar la válvula se vence la acción del muelle y la corredera cambia de posición; es decir, el fluido circula de P hacia B y de A hacia T. Estas válvulas se usan para gobernar cilindros hidráulicos de doble efecto.

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16.6.4. Válvulas distribuidoras 5/2 Estas válvulas de 5 vías y 2 posiciones, se pueden considerar como una ampliación de las válvulas 4/2. La diferencia consiste en que las válvulas 5/2 poseen una vía más de escape R (Figura 16.14).

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