AUTOMATISMOS ELECTRICOS NEUMATICOS

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------------------------------Instalaciones y Mantenimiento Electromecánico de Maquinaria y Conducción de Líneas

3ª Edición

F. Jesús Cembranos Nistal

Instalaciones y Mantenimiento Electromecánico de Maquinaria y Conducción de Líneas

F. Jesús Cembranos Nistal

3ª Edición

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Automatismos eléctricos, neumáticos e hidráulicos © Florencia Jesús Cembranos Nistal

Director Editorial y de Producción : José Tomás Pérez Bonilla

Diseño de cubierta :

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Gerente Editorial Área Técnico-Vocacional : Mª Teresa Gómez-Mascaraque Pérez

Preimpresión :

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Editoras de Producción: Clara Mª de la Fuente Rojo Consuelo García Asensio

Impresión: Gráficas Rogar. Políg. lnd. Alparrache Navalcarnero (Madrid)

Producción Industrial: Susana Pavón Sánchez Editora de Desarrollo: Mónica Elvira San Cristóbal COPYRIGHT © 1999 lnternational Thomson Editores Spain Paraninfo, S.A. 3ª edición, 2002 Magallanes, 25; 28015 Madrid ESPAÑA Teléfono : 91 4463350 Fax: 91 4456218 [email protected] www.paraninfo.es Impreso en España Printed in Spain ISBN: 84-9732-116-2 Depósito Legal: M-36.536-2002 (072/68/22)

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Prólogo .. . ... ...... .. . . . .. . ..... . .. ... . .. .

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XI

Principios de automatización 1.1. Concepto de automatización .. .... . . . . .. . . . . 1. . Técnicas de automatización . ... .... . .. . ... . 1.2. 1. Automatización mecánica .. ... . . . . . . . . 1.2.2. Automatización neumática . .... ....... . 1.2.3. Automatización hidráulica .. . ..... .. . . . 1.2.4. Automatización eléctrica ..... .. . . . . .. . 1.2.5. Automatización electrónica ... ........ . 1. . Tipos de controles de un proceso ..... . . .. .. . 1.3. l. Control en lazo abierto ... . . ... .... . . . 1.3 .2. Control en lazo cerrado . ... .... . .. ... . l. . Tipos de procesos industriales .. . . . ....... . . . 1.4. 1. Procesos continuos . . . . . . . . .... .. .. . . 1.4.2. Procesos discretos . .. . . .... ......... . 1.4.3. Procesos discontinuos o por lotes .. . ... . 1. - . Controladores secuenciales . . .. .. . .... . . .. . . 1.5.1. Asíncronos .... ... ......... . . . .... . 1.5.2. Síncronos . .. . . . . ...... . ......... . . Problemas . ...... . ....... .. . . ..... . ... . . .. . ..\ tividades . .. ..... ... ..... ... . . . .. ....... .

2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6

Álgebra de Boole .. .. . .. . . . ..... ... .. .

7

.1. Funcionamiento digital (binario) de un sistema . . 2. 1. 1. El sistema binario . . .. . . . ...... . ... . . 2. 1.2. Sistemas lógicos ....... .. . .. . ..... . . - ·- · Puerta OR ......... .... ..... . ... . . .. . . . . _.3_ Puerta AND . . . . ...... . ............ . . . . . _.4_ Puerta NOT . . ... .... . .... . . . .. ..... . .. . _ _5_ El álgebra de Boole . .. ... .... . . .. . .... .. . _.6. Operaciones en el álgebra de Boole ... . . ... . . . . Teoremas importantes del álgebra de Boole . .. . - · . Funciones en el álgebra de Boole .... .... .. . . _ _9 _Tabla de la verdad de una función lógica . . . .. . .1 0. Realización de funciones lógicas ... . .. . . . . . . 2. 10.1. Realización con puertas lógicas ...... .

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11 11

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 Kamaugh .. . .. . . . ... . . . ... ..... .. .... . Problemas .. .... .. . . .............. . ..... .. . Actividades ... .. ..... . . . . . . .. .. .. . . . . .... . .

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17 3. l. Sistemas cableados. Realización de esquemas básicos . . . .. ........... .. .. .. ... ...... . 3.1.1. Relés .. . . .. . . .. ... . ........ . .. . .. . 3.1.2. 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 ....... .. . . 3.4.1. Otros tipos de temporizadores . ... . .. . . . Problemas . .. . . .. .. .. . . . ....... . ... ... . .. . . Actividades ....... . .. ...... .... . .... . . . . .. .

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

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4.1 . Arranque de un motor . . . . .. . . .. . . . . .. ... . . 4 .1.1. Corriente de arranque ..... .. ... ... . . . 4.2. Conexiones en el motor asíncrono trifásico .... . 4.3. Procedimientos de arranque para motores asíncronos trifásicos . .... . .... . .... . . ... . . 4.3.1. 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 asíncronos .. . . 4.5 .1. Arranque como motor asíncrono .. . . . .. . 4.5 .2. Motor asíncrono sincronizado . ..... . . . .

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4.5.3. Arranque mediante motor de arrastre .. .. . Problemas ... ............ ... . . ............ . Actividades ... ........ ...... ........ .... . . .

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5 ,+''ª Elementos de protección y medida .. . ... .

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

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5.1. Diagrama de bloques de los relés de protección . 5. l. 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 ............... . ...... . 5.2.1. 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 .............. . ....... .. . 5.4.1. 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 ... . . .. .............. . . 5.5.1. 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 ............. . 5.6.1. 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 ..... .... .. .. . 5.8.1. 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 . . . .... . . . . . . . .. . .......... . . . . .

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7. l. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5.

Sistema binario .. .... .. ...... . . .. ... . . . . . Sistema octal .. .. . .. ....... . . .. . . .... . . . Sistema hexadecimal . .... .. .. . . .. .. . . . . . . . Códigos decimales codificados en binario (BCD) Otros códigos binarios . .. ..... .. . .. .... . . . 7.5.1. Código Gray . .. ... ........ . .. . .... . 7.5.2. Código Johnson . . . .. ... . .. . . . .. . .. . . 7.5.3. Código BCD exceso tres ........ . . . .. . 7 .6. Códigos alfanuméricos ... ..... . . . . .. ..... . Problemas .......... . .. . ... .... . ... .. . . . .. . Actividades .. . .. . .... . . . . .. .... . . . . . ..... . .

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59 8.1. Definición de autómata programable .. . ...... . 8.1.1. ¿Para qué se utiliza? ........ ........ . 8.1.2. Aspecto de un autómata ... . .. .... . . .. . 8.1.3. La base: el sistema digital . ... . ..... . . . 8.2. Sistemas programados. Programación básica .. . 8.2.1. Representación de entradas y salidas ... . . 8.2.2. Programación dé contactos de apertura y cierre .. .... . .............. . ...... . 8.2.3. Instrucciones básicas STEP 5 . . . . ... . . . 8.2.4. Realización de programas a partir de funciones de Boole . . ........ .... . .. . 8.3. Formas de representar un programa .... . . . . . . 8.3 .1. Programación en formato KOP . ...... . . 8.3.2. Programación en formato FUP ..... .. . . Problemas .. ..... . . .. . . ...... ........... . . . Actividades ......... . . . .. .. .. .. . . . .. . . .. . . .

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Programación de esquemas cableados ... .

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9.1. Introducción ........ . . ....... . .. ... . .. . . 9.2. Realización de automatismos básicos .. . .. ... . 9.3 . Programación de temporizadores .... . . . .... . Problemas . . . . ...... . . ............. . ... . .. . Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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43 6.1 . Introducción .. ... . . ... .. .. . ...... . . .. .. . 6.2. Decodificadores .... . ...... . ...... . . .. . . . 6.2. 1. 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 .. ... . ... . ... . . . . . .. .. .

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Sistemas secuenciales

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10.1 . Biestables .... . . . . . . ......... . ... . . . . . . 10.1.1. Biestables asíncronos .. .. .. . . .. . .. . 10.1.2. Biestables síncronos ... .... . . .... . . 10.2. Contadores ..... .. .... .. .... .. . . ... . . . . 10.3. Registros de desplazamiento . . ..... . ..... . . Problemas . ...... . . . .. ... . ... . . . .. .. . . .. . . . Actividades .... . .... . . ... . .... . ... .. ... . . . .

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Síntesis de sistemas secuenciales con autómatas ............ ... . . ........ .

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11 .1. Modelos de síntesis con autómatas programables . 11 .1.1 . Modelo de autómata de Moore ... . .. . 11 .1.2. Modelo de autómata de Mealy . ...... . 11.2. Método de programación GRAFCET . . ..... . 11.2.1. Principios básicos ... ... ... . . .. . . . . 11 .2.2. Etapas ... . ..... ... .. .. .. .... . . . . 11 .2.3. Condición de transición ... .... .. . .. . 11 .2.4. Reglas de evolución del GRAFCET . . . 11.3. Ecuaciones lógicas ........ ... . . . ... ... . . 1.4. Otras posibilidades de GRAFCET ........ . . . 11.4.1. Elección condicional entre varias secuencias ... ... . . . . .. ... ....... . 11.4.2. Secuencias simultáneas ........ .... . 11.4.3. Salto condicional a otra etapa ....... . . -. Acciones asociadas a las etapas ....... ... .. . 1.6. Realización del programa .. .... . . . . . .... . . 11.6.1. Condiciones iniciales .... . . . . ...... . 11 .6.2. GRAFCET .. .. ...... .. .... ..... . 11.6.3. Asignación de variables al autómata .. . 11.6.4. Listado del programa del autómata ... . 11 .6.5 . Movimiento de vaivén de un móvil ... . 11. . Método visual de programación . .......... . l. . Programación de contadores . ..... . . ...... . P oblemas . . . . .... ... .. .. . ..... . ... .. ..... . A ti vidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Programación con Simatic S7 .... . .. . . .

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__I. Características generales de la serie S7 . . . . . . . L.2. Programación de los S7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . L .3. Operaciones lógicas con contactos . . . . . . . . . . L .4. Operaciones lógicas con salidas . . . . . . . . . . . . L .5. Operaciones lógicas de pila . . . . . . . . . . . . . . . . L .6. Operaciones especiales con contactos . . . . . . . . L .. Operaciones con temporizadores . . . . . . . . . . . . L . . Operaciones con contadores . . . . . . . . . . . . . . . L .9. Ejemplos resueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L .10. Funciones integradas .. .............. .. .. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Elementos de neumática . . . . . . . . . . . . . . . 13. 1. El aire comprimido. Principios fundamentales 13.2. Producción del aire comprimido . . . . . . . . . . . 13.2.1. Compresores volumétricos . . . . . . . . . 13 .2.2. Turbocompresores . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.3. Accionamiento del compresor . . . . . . . 13.3. Distribución del aire comprimido . . . . . . . . . . 13.3.1. Acumulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 .3.2. Separador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.3. Red de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 .3.4. Preparación del aire . . . . . . . . . . . . . . . 13.4. Componentes neumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . 13.5. Cilindros neumáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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13.5.1. Cilindros de simple efecto . . . . . . . . . . . 13.5.2. Cilindros de doble efecto . . . . . . . . . . . . 13.5.3. Cilindros de doble efecto con amortiguador 13.5.4. Unidad oleoneumática . . . . . . . . . . . . . . 13 .6. Válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.6.1. Válvulas distribuidoras . . . . . . . . . . . . . 13.6.2. Representación de las válvulas distribuidoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7. Estudio funcional de las válvulas distribuidoras 13 .7.1. Válvulas 2/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7.2. Válvulas 3/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7.3. Válvulas 4/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7.4. Válvulas 5/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7.5. Válvula 4/3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7.6. Empleo de las válvulas distribuidoras . . 13.7.7. Válvulas antirretomo . . . . . . . . . . . . . . . 13.7.8. Selectores de circuito. ... .. . ...... .. 13.7.9. Válvulas de escape rápido . . . . . . . . . . . 13.7.10. Válvulas de simultaneidad . . . . . . . . . . 13.7.11. Reguladores de caudal . . . . . . . . . . . . . 13 .7.12. Temporizadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.7.13. Accesorios . . ..... . . . .. ....... .. . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Mando neumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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14.1. Tipos de mandos neumáticos . . . : .. . ........ 14.2. Instalaciones neumáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.1. Mando directo de un cilindro de simple efecto mediante pulsador . . . . . . . . . . . . 14.2.2. Mando directo de un cilindro de doble efecto mediante pulsador . . . . . . . . . . . . 14.2.3. Mando de un cilindro de simple efecto desde dos puntos distintos . . . . . . . . . . . 14.2.4. Mando condicional de un cilindro de simple efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.5. Control de la velocidad en los cilindros de simple efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.6. Control de la velocidad en los cilindros de doble efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.7. Aumento de la velocidad en los cilindros de doble efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.8. Mando indirecto de un cilindro de simple efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.9. Mando indirecto de un cilindro de doble efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.10. Mando condicional de un cilindro de doble efecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.11. Mando de un cilindro de doble efecto con retroceso automático . . . . . . . . . . . 14.2.12. Mando automático de un cilindro de dobleefecto .. .. . ... ...... . ... . . . 14.2.13. Mando de un cilindro de doble efecto con control de tiempo en el retroceso . 14.2.14. Mando de un cilindro de doble efecto con anulador de señal . . . . . . . . . . . . . 14.2.15. Señales intermedias durante el avance del cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 . Electroneumática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1. Electroválvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2. Mando electroneumático . . . . . . . . . . . .

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14.4. Ejemplos realizados con autómatas .. . ... ... . Problemas .. .. .. .. . . .. . ... . ............. .. . Actividades

Hidráulica aplicada

1

123 127 127

129

15.1. Principios físicos fundamentales ........ .. . . 15.2. Magnitudes físicas ................... . . . 15.2.1. Unidad de presión . .. . ..... . .... .. . 15.2.2. Transmisión hidráulica de fuerza ... .. . 15.2.3. Ley de circulación ..... . ....... ... . 15.2.4. Energía hidráulica ........... . . .. . . 15.2.5. Rozamiento y circulación .......... . 15.3. Fluidos hidráulicos y sus principales características .......... . . . ....... . . ... . 15 .3. l. Viscosidad .. . . .. .. ... . ... . ..... . . 15.3.2. Índice de viscosidad ............ .. . 15.4. Bombas hidráulicas. Sus tipos . .. . . . . . ... .. . 15.4.1. Bombas de caudal fijo . .. . . . ..... .. . 15.4.2. Bombas de caudal variable ....... . . . 15.4.3. Bombas de engranajes . . . . .. . .. .... . 15.4.4. Bomba de paletas ............... . . 15.4.5. Bombas de pistones . . . ........... . . 15.4.6. Características de las bombas y su rendimiento .... . .. .. . . .... ... .. . . 15.5. Instalaciones hidráulicas .. . . .. . . . . . . ... . . . 15.5.1. Estructuración en bloques de una instalación hidráulica .. . .. . . . . . ... . . 15.5.2. Depósito de aceite . . . ... . . ....... . . 15.5.3. Filtro .... . . . .... . . . ...... . .... . . 15.5.4. Manómetro ...... . . . ............ . 15.5.5. Válvulas de cierre y )imitadoras de presión 15.5.6. Tuberías y conducciones .. . .. ..... . . 15.6. Válvulas . ... . . . . . . . . .. . . . ... .. . . .. . . . . 15.6.1. Válvulas distribuidoras 2/2 .... . . . . . . 15.6.2. Válvulas distribuidoras 3/2 .. .. . . . . . . 15.6.3. Válvulas distribuidoras 4/2 ......... . 15.6.4. Válvulas distribuidoras 5/2 . . . .. .. .. . 15.6.5. Válvulas distribuidoras 4/3 .. .. . .. . . . 15.6.6. Válvulas de caudal . . . ... . ... . . . . . . 15.6.7. Válvulas reguladoras de presión .. . .. . 15.7. Elementos hidráulicos de trabajo .... . ... . . . . 15. 7. l. Cilindros ........ . ... .... ... .. .. . 15.7.2. Motores hidráulicos . ..... . ....... . . Problemas . . . . . ..... . ... ... . . . . . . . . . .. ... . . Actividades .. .. . ... ........ . . . ... . . . . . . .. . .

130 130 130 130 130 131 131

Circuitos hidráulicos . . .. .. . . .... . .. . .

141

16.1. Gobierno de un cilindro de simple efecto . . . . . 16.2. Mando de un cilindro de doble efecto . . . . . . . . 16.3. Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4. Regulación de la velocidad de avance de un cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5. Regulación del caudal de entrada . . . . . . . . . . . 16.6. Regulación del caudal de salida . . . . . . . . . . . . 16.7. Regulador de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.8. Circuito de avance rápido . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.9. Electrohidráulica..... .. . . .. . .. .... .. . . . . 16.1O. Aplicación del autómata programable a la electrohidráulica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

142 142

132 132 132 132 132 132 132 133 133 133 133 133 134 134 135 135 135 135 136 136 136 137 137 137 137 138 138 139 140 140

142

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

~ Apéndice I: Funcionamiento de la ,

148 148

programadora PG-605U .. . . . . .... . . .. .

149

1.1. Descripción de la programadora PG-605U . . . . . . 1.2. Funcionamiento de la PG-605U .... . .. . .. .. . . I.3. El teclado de la PG-605U . . . ....... . . . . . . . . I.4. Programación y operación con la PG-605U .. . . . 1.4.1. Entrada de instrucciones ... . . .. . . . . . . . . 1.4.2. Salida del "AG" .. . . . ... . .. . ...... .. . 1.4.3. Salida de la "PG" . . ...... .. .. .. . .. . . . 1.4.4. Búsqueda . . . ... . . . . .. ... . . .. .... .. . 1.4.4.1. Búsqueda de instrucciones u operandos ........ . . . ....... . 1.4.4.2. Búsqueda de direcciones .... .. . . 1.4.5. Corrección . .... .. . . .. . . ..... .. . . . . . 1.4.5.1. Borrado de instrucciones ... . . . . . I.4.5.2. Inserción de instrucciones .. . .. . . 1.4.5.3. Sobreescritura de instrucciones . . . I.4.6. Funciones de prueba . .... .. .. ... .... . 1.4.6.1 . STATUS . ...... . . .. ... . ... . . I.4.6.2. STATUS VAR .. . . . . .. .. .. . .. . I.4.7. Funciones de información .. .... .. ... . . 1.4.7. l. Directorio de todos los módulos . . 1.4.7.2. Directorio de módulos individuales 1.4.7.3. Pila de interrupción: (USTACK) . . 1.4. 7.4. Visualización de los parámetros del sistema ... ... ..... ... . . .. . I.4.8. Funciones especiales ......... . .. . . . . . I.4.8.1 . Arranque y parada del AG desde el PG .. .. . .. ......... . . . . .. . 1.4.8.2. Compresión de la memoria . . ... . 1.4.9. Funciones de borrado . ...... . .. .. .... . I.4.9.1. Borrado total del AG . ... . . . . . . . 1.4.9.2. Borrado de módulos .......... .

150 150 150 150 152 153 153 153

~ ,

- Apén~ice 11: Paquete de programación Off-Lme .... . ... . ..... . ...... . . .. . . .

154 154 154 155 155 155 155

157

. . . . . . .

158 158 159 159 159 160 160

- A~éndic~ 111: Programación Step7 M1cr0Wm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

161

II. l. Arranque del programa . ...... . ..... . . .. .. II.2. Programas de servicio . . . . ....... . . . . . . . . Il.3. Introducción de un programa ........ .. .. . . Il.3.1. Ajustes previos .. . . .. . ........... . . Il.3.2. Introducción de un programa ejemplo . . . II.4. Listado por impresora . . . . . ...... .. . . . . . . 11.5. Otras funciones . . .. .. . . ... .... . . . .. . . . .

~ "'

153 153 153 153 153 153 153 153 154 154 154 154 154

143 143 144 144 145 145

III. l. Familiarizarnos con el programa . . . III.2. Comunicarnos con el autómata . . . . Ill.3. Realización de un programa ejemplo III.4. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

146

. . . .

. . . .

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

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

162 162 163 165

Glosario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

167

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

169

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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.

Juirnüutdúu 1 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.

~ ~ ~

Definir automatismo. Enumerar y diferenciar las distintas formas de automatizar. Definir sistemas secuenciales.

1.1. Conce to 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.

1

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, fánnacos, 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 f,jo 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.

~-----------~

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111

Figura 1.2. Máquina automática mecánica (continuación).

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. (Figuras 1.1 y 1.2). 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. 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.

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.

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 1.3).

CM pieza

A

C

Figura 1.1. Máquina automática mecánica.

Figura 1.3. Automatismo neumático.

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Figura 1.4. Automatismo neumático (continuación).

1

o principales ventajas del mando neumático cabe des-

La sencillez de los propios sistemas de mando: cilinros, válvulas, etc.

Figura 1.5. Automatismo eléctrico.

• La rapidez de movimiento (respuesta) del sistema neumático. La economía de los sistemas neumáticos una vez instalados. C •

o inconvenientes: La instalación requiere un desembolso económico añaido a la propia automatización . El mantenimiento del estado del aire, ya que debe mancenerse perfectamente limpio y seco.

.23. Automatización hidráulica • .: ricamente lo dicho para la automatización neumática la hidráulica, aunque con algunas diferencias; por ·o, el mando hidráulico es más lento que el neumático, · rgo, es capaz de desarrollar más trabajo. La hidráuliefíere en sistemas que deban desarrollar más trabajo y primordial la velocidad de respuestas. Este tipo de lo encontraremos en prensas, diversas máquinas herra._.;;c:..u · : .,, - , y por supuesto, en el automóvil: frenos, dirección e, . suspensión.

. Automatización eléctrica ue a este tipo de automatización nos dedicaremos en -- · xim o tema, conviene tener en cuenta, que cualquier ,........-,._,·, na, por sencilla que sea, va a tener algún tipo de auto. , o eléctrico, encargado de gobernar los motores o como de mando dentro de la propia máquina (Figura 1.5). L_

_

.· ..., ·,. ,

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.

1.3. Tipos de controles de un proceso Existen dos formas básicas de realizar el control de un proceso industrial: •

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

•

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

1.3.1. Control en lazo abierto El control en lazo abierto (Figura 1.6) 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.

OPERARIO

SISTEMA

CONSIGNAS

DE CONTROL

---t>

1.4.1. Procesos continuos 1

ACTUADORES

ÓROENES

PRODUCTO DE ENTRADA

----{>

l EJ PROCESO

---{>

PRODUCTO TERMINADO

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 1.8).

Figura 1.6 Control en lazo abierto.

CONTROL ACTUADOR PROCESO SAlAA

CALENTAR

1.3.2. Control en lazo cerrado

1

SELEClORDE

El control en lazo cerrado (Figura 1. 7) 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 pretendo 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

SISTEMA

DE CONTROL

CONSIGNAS ÓflOENES

---t>

PRODUCTO DE

ENTRADA

ACTUADORES

----{>

l EJ PROCESO

---{>

PRODUCTO TERMINADO

SENSORES

Figura 1.7. Control en lazo cerrado.

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:

SENSORES ~

Figura 1.8. 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 determinados las variables pueden tomar infinitos valores.

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

• Continuos. • Discontinuos o por lotes. •

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 servomecanismos.

1.4.2. Procesos discretos 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 1.9).

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e

'º

]ns •

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 .

• --:::::;:==========-- - -- -;;~=====---,~o~======I ~ - - ~~ ~

e)

2

Figura 1.9. Esquema de un proceso discreto. lin ejemplo de proceso discreto es la fabricación de una - ·eza metálica rectangular con dos taladros. El proceso para ~:ener la pieza terminada puede descomponerse en una serie - estados que han de realizarse secuencialmente, de forma =-~ para realizar un estado determinado es necesario que se _· n realizado correctamente los anteriores. Para el ejemplo uesto estos estados son: •

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.

•

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

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 1.1 O).

Realizar el taladro A. Evacuar pieza.

CONTROLADOR SECUENCIAL ASÍNCRONO

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

SALIDAS

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.

. .3. Procesos discontinuos o por lotes reciben a la entrada del proceso las cantidades de las dife- :es piezas discretas que se necesitan para realizar el proceso. e este conjunto se realizan las operaciones necesarias para ucir un producto acabado o un producto intermedio listo un procesamiento posterior.

Figura 1.10. Control asíncrono.

1.5.2. Síncronos 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 1.11 ).

C n ejemplo de este tipo de proceso lo encontramos en las ~nas de fabricación de automóviles.

1.5. Controladores secuenciales e comprueba que los procesos discretos y discontinuos, en una gran similitud entre sí. Ambos procesos podrán rrolarse mediante el mismo tipo de sistema de control, __e. debido a su forma de actuación, recibe el nombre de conlador secuencial. Podemos resumir una serie de características propias a los ~ ocesos que se controlan de forma secuencial.

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i

Las variables empleadas en el proceso y sistema de control (entrada, 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.

Realizar el taladro B.

•

E S

~ IRE~J

CONTROLADOR SECUENCIAL ASÍNCRONO

1~ ~- - - - - ~

~ -- - ----< PROCESO

Figura 1.11. Control síncrono.

SALIDAS

1

= =-

1.1. Define automatización. Enumera las disti11tas 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:

1 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, neumática, etc.

•

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

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~

Algebrra de ID

Para poder estudiar los automatismos y los mecanismos que los rigen es imprescin. le centrar, primero, el estudio en el sistema binario (base de los automatismos actua) y, por supuesto, en el álgebra de Boole. Primero nos centraremos en el propio álgebra de Boole y los sistemas lógicos. A conuación estudiaremos su realización mediante la tabla de la verdad. La tabla de la verdad es la base para la realización de automatismos de tipo combiiona/. Realizaremos algunos ejemplos empleando las puertas lógicas comerciales de electrónica digital y s11 resolución con esquemas de contactos. También se verá el itodo de simpl~ficación de Karna11hg, para realizar ejemplos más complejos.

Funcio namiento digital (binario) de un sistema. Puerta OR. Puerta AND. Puerta NO T 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 una función lógica. Realización de fimciones lógicas. Defin ición 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 pequePias aplicaciones a partir de la tabla de la verdad. Método de simplificación de Karnauhg.

2.1. Funcionamiento digital (binario) de un sistema 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, ANO, NOT y biestables o FLIP-FLOP. Todos ellos se denominan puertas o circuitos lógicos, ya que se emplean ecuaciones del álgebra d e Boole (como pronto se demostrará). Esta álgebra fue ideada a mediados del siglo x1x por G. Boole corno un sistema de análisis matemático de la lógica. En este capítulo se estudiará dicha álgebra de Boole.

1001 1 = 1 X 24 + 0 X 2 3 + 0 X 2 2 + 1 X 2 1 + 1 X 2º = 16 + O + O + 2 + 1 = 19

En la Tabla 2.1 se da una reducida lista de números equivalentes entre el sistema binario y el decimal. 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 alfan uméricos; 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 fo rma 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 ).

Notación

Notación

decimal

binaria

o

00000 00001 000 1 0

1 2

4

v.

3

OOO 1 1

4

00100

5 6

OO 1 O 1 OO 1 1 O

7

OO1 1 1

8 9

O 1 OOO O1 OO1 O1 O1 O O1 O1 1 O1 1 OO

10

11 12

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 func iones 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 I O 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 10 2 + 6 X 10 1 + 4 X l Oº

Es decir, cada dígito de un número representa una potencia de 1O. 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 I 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:

13 14

15 16 17

O1 1 O1 O1 1 1O O1 1 1 1

18

1 OOOO 1 OOO 1 1 OO1 O

19

1 OO1 1

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 fu nciona 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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g

CICI

-=.. ~

~

..Q

A

A

8

F=A+B

f

A

1

A 8F

o

000 O1 1 1 O1

Figura 2.4. Puerta NOT.

111

Figura 2.2. Puerta OR. la Figura 2.2 se representa el símbolo normalizado de ·ena OR (normas ANSI y IEEE),junto con la expresión ~ para tal puerta. En la parte inferior se representa la de la verdad, sistema más significativo de representae se estudiará en el Tema 3.

. PuertaAND • ·- -. puerta AND tiene dos o más entradas y una sola salí. iona de acuerdo con la siguiente definición: la salida uerta ANO estará en estado 1 sólo si están en estado =,- las entradas. A B F = A· 8

ABF 000

O1 O 100 111

Figura 2.3. Puerta AND. Figura 2.3 se da el símbolo de la puerta ANO junto con ión de Boole para dicha puerta. A veces se coloca un . o un aspa (x) entre los símbolos para indicar la opera_-\_"-TI. Se puede comprobar que la tabla de la verdad de dos ·" '----"'~ - de la figura responde a la definición de la función ANO.

4. Puerta NOT - ircuitos NOT tienen una sola entrada y una sola saliesponden a la negación lógica de acuerdo con la e definición: la salida de un circuito NOT tiene el l sólo si la entrada no toma el valor 1. La norma para - --I una negación lógica es un pequeño círculo en el punto _ ~ la línea de la señal se une a un símbolo lógico.

'ARANINFO

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 filosofia que hace uso de este método matemático es la lógica matemática. Fue presentada por George Boole (1815-1864 ). En sus formu laciones 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 aso- · ciaciones 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 fisicamente los procesos lógicos. 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 A y B se representa como: A + B La tabla de la verdad que la representa es la de puerta "OR".

fe

,":;e

•

PRODUCTO: Aplicado a las variables A y B se representa como: A.B o AB La tabla de la verdad que la representa es la de la puerta "AN O".

•

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

Teorema 2: Ley de la impotencia: A+A=A A ·A = A Estas relaciones pueden demostrarse por inducción p e,f ecta, 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')' =A

A+ B

Teorema 4: Ley conmutativa: B

Respecto a la adición: A + B = B + A Respecto al producto : A·B = B·A

A

B

~----0----------0--------( " > -A- .-B- - - - -

Teorema 5: Ley asociativa: Respecto a la adición: A + (B + C)

= (A + 8 ) + C = A + B + C

Respecto al producto: A(B C) = (A B)C = ABC 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 ex ista continuidad deben valer I A y B. Por último, la complementación se representa bajo la fo rma 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

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) O A = O

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 booleana. Véanse las tablas de la verdad.

d) 1 + A = 1 e) A + A' = 1

f) A A' = O

g) Si A + B = l y AB = O, necesariamente, B = A' y A = B' Ejercicio: Demostrar las relaciones anteriores.

©

/TES -PARANINFO

8. Funciones en el álgebra de Boole - ~ define como función en el álgebra de Boole todo con. de variables relacionadas entre sí por cualquiera de las -- operaciones que se han definido . Se representará, de -. - . general, como: F = f(A, 8, C .. .)

~_"emplos de funciones son las expresiones: FI (A,B,C) = A-B·C+XB ·C + AB ·C F2 (A ,B,C) = A+B(C+A) F3 (A,B,C,D)

=

A-B+C(l + B +D)

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= 1. De lo dicho se deduce que la función por "unos" de la tabla de la verdad que se ha representado es:

F =A- B·C +XB·C + A·BC + A-BC + A-B·C Análogamente, la función por "ceros" será igual a tantos productos como ceros tenga la función F. Cada producto estará formado por la suma de las variables, en forma normal si valen O (cero) y complementada si valen 1 (uno). La función anterior por ceros vale:

F = (A+B+C)(l+B+C )(A+B+C)

- ~n el Teorema 1, toda función booleana es también una ·' le del sistema. .·-mos, a continuación otros dos teoremas basados en las nes.

2.1 O. Realización de funciones lógicas

Teorema 9: Ley de De Morgan generalizada. El comple-

=· de una función se obtiene complementando todas las · · les que en ella intervienen e intercambiando las opera- adición y producto.

F (A+B+C+... ) = F (A-B·C .. .) Teorema 10: Toda función puede descomponerse, con resa cualquiera de las variables de las que depende, según - iente relación:

F(A, B, C. .. ) = A F(l , B, C. .. ) +

A F (O, B, C. .. )

2.10.1. Realización con puertas lógicas Vamos a ver, mediante ejemplos, cómo podemos realizar funciones con puertas lógicas. Comenzaremos con una sencilla: F = A+B+C Esta función representa tres sumas lógicas; para poder realizarla utilizaremos dos puertas lógicas de tipo OR: la primera de ellas realizará la suma lógica de A y B y la segunda reas !izará la suma del resultado de A+B con C (ver Figura 2.6).

2.9. Tabla de la verdad de una función lógica bla de la verdad de una función lógica es una forma . esentación de la misma, en la que se indica el valor 1 ..:e toma la función para cada una de las combinaciones -:es de las variables de las cuales depende. En la siguien- a se representa la tabla de la verdad de una función de . :rriables:

2 A'.B'

Figura 2.6. Realización de funciones con puertas lógicas.

• :>i

A B

F

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

o 1 o

1

1

1

1

1 1

o 1

deducción de la función por medio de la tabla de la verdad sencilla. Podemos obtener la función por unos o por ceros.

función por unos será igual a tantos sumandos como - enga .l a función F. Cada sumando estará formado por el

-3

=--PA RA NINFO

Veamos otro ejemplo:

F

=

A-B+A-B·C+A-B

representado en la parte inferior de la Figura 2.6. Para realizar este tipo de funciones, realizaremos cada sumando por separado y, al final , hallaremos la suma lógica total. El primer sumando es A·B, esto es, un producto lógico, y para ello colocaremos una puerta AND ; el resultado lo llevaremos para sumarlo al final. El segundo sumando es: C' ·B·A, Situaremos una puerta de tipo NOT, a continuación de C, con lo que tendremos C' , ahora podemos hacer un producto lógico de C ' con el resultado del primer sumando (ver Figura 2.6).

QJ

l

QJ

"'C

~

..e ~

'<

El último sumando es A'B' que, aplicando las leyes de De Morgan, podría ser (A+B)', por tanto primero sumamos A + B y después negamos el resultado con la puerta NOT.

2.10.2. Realización de esquemas con contactos Podemos realizar las funciones del punto anterior mediante diagramas de contactos, aplicando los conocimientos del tema anterior (Figura 2.7). F=A+B+C

~

e

F

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

o o o

1

1

B

A

1

1

1

o 1

o

El paso siguiente es realizar la tabla de la verdad: a partir de las condiciones de principio, sólo tendremos que comprobar cuándo la suma de las potencias de los motores que están funcionando en cada momento es mayor de 15 kW:

A

Realizamos la función por unos: B

F =XB·C + A·B·C + A·B·C

e

Y el circuito que nos realiza este automatismo será, mediante puertas lógicas (Figura 2.9):

F = AB + CBA + AB B

A

~

A

B

Figura 2.7. Realización de funciones con diagramas de contactos.

EJEMPLO 1: En un determinado proceso industrial, disponemos de dos generadores de 15 kW, cada uno, para alimentar a tres motores de 5 kW, 1O kW y 15 kW, los cuales no funcionan siempre juntos (ver Figura 2.8). Queremos realizar un automatismo que detecte los motores que están funcionando en cada momento y haga entrar en funcionamiento al segundo generador cuando sea necesario.

Figura 2.9. Ejemplo realizado con puertas lógicas.

Y mediante diagrama de contactos (Figura 2.1 O):

MOTORES

5Kw

~

-

---< A >---

--< ENTRADAS: 1 MOTOR FUNCIONA O MOTOR PARADO

10Kw

15Kw

c

1---

AUTOMATISMO

~

SALIDAS 1 FUNC. 2 § GENER. •O NO FUNCIONA

A

B

C

A

B

C

- -- -+-- -~-------o------------------~ O-- --+-- -

~ - --------o-----------0---~ Figura 2.10. Esquema del Ejemplo 1 con contactos.

fiprall. Gráfico del Ejemplo l.

Partiendo del ,enuncíado del problema y de la Figura 2.8, podemos definir fas emtnadas al proceso, q\Jle serán los tres motores A, iB y C. !Estos motor.es serán 1 lógico cuando estén funcionando y O lógíco c u.ando estén parados.

2.10.3. Otras funciones importantes Como complemento a las puertas lógicas vamos a ver otras funciones muy importantes en electrónica digital que conviene conocer.

©

/TES- PARANINFO

F= A. B=A + B

F=A+B=A .B

~ ~ 7400

NANO

7402

NOR

Existen varias formas para simplificar las expresiones algebraicas, entre ellas el método de Kamaugh es el más impmtante. Para simplificar por este método las funciones se realiza el siguiente procedimiento:

F= A@B

~Di7486

evidente que, cuanto más sencilla sea la expresión algebraica, tanto más senci llo será el programa resultante.

l. Se parte de la tabla de la verdad.

OR-EXCLUSIVA

Figura 2.11. Funciones NANO, NOR y OR-EXCLUSIVA.

2. Se escribe dicha tabla de la verdad en una de las tres formas anteriores, según que la función tenga dos, tres o cuatro variables (para más variables se utilizan otros métodos).

:Jel teorema de De Morgan se obtienen dos nuevas funciofunciones NOR y NANO (Figura 2.11 superior).

,--

-

-

o

AB n

A B

F

o o

o

O 1 1 O 1

1

o

~

función OR-EXCLUSIVA (Figura2.11 inferior) de dos - · les A y B es aquella que toma el valor 1 cuando una de · •riables toma el valor 1 y la otra el valor O. Se represenun signo + (más) dentro de un círculo. La tabla de la es la representada anterimmente.

AB

e o

.-\ partir de la tabla de la verdad de una función puede cons·::-se directamente su expresión en forma canónica y, tam- - . representarla mediante la tabla de Kamaugh (ver apartasiguiente), que permite su minimización.

2.12. Síntesis de sistemas combinacionales. Tabla de Karnaugh Tal como hemos visto hasta ahora, las expresiones alge::8i as de las funciones nos sirven parn realizar el programa ::..= automatismo que queremos realizar. Resulta, por tanto,

$-PARANINFO

~ [I

01

-

-

CD

- definen como sistemas combinacionales aquellos siste, lógicos cuya salida depende en todo momento de los .es binarios que adopten las variables de entrada. Es .:..."'... - . un sistema combinacional es la realización fisica de las ~iones booleanas definidas en el Tema 2. Se pueden carne, por tanto, mediante una ecuación, sus funciones o · uiera de las formas gráficas descritas. Resulta normal ~ - ir al circuito combinacional mediante su tabla de la verignando a cada una de las variables el valor correspon.-e a la variable de salida.

00

11

10

-

1

AB

2-.11. Definición de sistemas combinacionales

-

1

1 1

o

1

--

00

00

1 11

01

-

,

l

10

-

01 11 10

3. Podemos realizar la función por unos o por ceros. Si la realizamos por unos debemos agrupar los unos que aparezcan en la tabla en grupos que sean potencia de dos (2n = 1, 2, 4, 8) y, además, dichos grupos deben formar una estructura rectangular o cuadrada. Hay que tener en cuenta que los lados opuestos de las tablas a efectos de agrupación están unidos, es decir, puedo agrupar un 1 (uno) del extremo superior derecho, con otro 1 (uno) del extremo superior izquierdo. La función será igual a tantos sumandos como grupos se hayan realizado y cada sumando estará formado por el producto de las variables que se repitan en el grupo, en forma normal si valen 1, y negada si valen O. Si realizamos la función por ceros hemos de agrupar de la misma manera indicada para los unos, todos los ceros de la función. La función será igual a tantos productos como grupos de ceros hayamos hecho y cada producto será la suma de las variables que se repitan en forma normal si valen Oy negada si valen 1. EJEMPLO 2: Obtener la ecuación de Kamaugh de la tabla de cuatro variables siguiente (Figura 2.12):

1~ B

00

Realicemos la función por unos: 00

O1

11

o

1O

1

1

1

O1

o

1

1

11

o

1

1

o

1O

o

o

o

o

l

1

-

1

En el primer grupo de unos de la izquierda A y B valen cero para cada uno de los unos del grupo, luego pondríamos A' · B' ; C también vale O, sería C'; sin embargo D vale O para el primer uno del grupo y 1 para el segundo, luego no se pondría. En el segundo grupo A varía, no se pone; B vale 1, C vale O y D también varía, luego quedaría B·D. De la misma forma, en el tercer grupo tan sólo varía B, luego quedaría A' ·C·D' . La función completa será:

EJERCICIO: Simplifica la tabla anterior por ceros.

F = A-B·C+B.D+A-C-D

Figura 2.12. Tabla de Karnaugh del Ejemplo 2.

© /TES-PARANINFO

== 2.10. Representar la tabla de la verdad de la función:

2.1. Escribir los siguientes números decimales en nota- · · decimal: 26, 100, 1024.

2.1. Escribir los siguientes números binarios en forma .::_ imal: 1101 , 11001101, 100011011010.

-.3. Definir: "lógica positiva" y "lógica negativa". _.4_ Definir una puerta OR y escribir su tabla de la ver-

F = A+B+A-B·C+A(B +C) 2.11. Una función de tres variables ha de tomar el valor cero cuando la variable "B" se encuentra en estado 1 y la variable "A" no esté en estado 1. En los demás casos posibles ha de estar en estado uno.

a) Rellenar la tabla de la verdad. 2.5. Definir una puerta AND y escribir su tabla de la ad.

b) Realiza la función con puertas lógicas y con diagramas de contactos.

1.6. Definir una puerta NOT y escribir su tabla de la ?""dad.

2.12. Comprobar que el circuito de la figura cumple la siguiente función:

~

l. 7. Valorar la siguientes expresiones: A", A' A, A' + A.

F=A-B+C-D+E

2.8. Citar dos formas de las leyes de De Morgan. 1.9. La función F (A, B, C, D) cumple la siguiente tabla .:.c: la verdad:

A BCD

A 8

2

3

12

F ·-

oooo O O O O O O O 1 1 1 1 1 1 1 1

O O O 1 1 1 1 O O O O 1 1 1 1

O 1 1 O O 1 1 O O 1 1 O O 1 1

1 O 1 O 1 O 1 O 1 O 1 O 1 O 1

1 1

o o 1

o 1 1 1

o o o 1 1

o o

a) Obtener las expresiones de la función por unos y por ceros. b) Simplificar mediante el método de Kamaugh. c) Realizar la función con puertas lógicas y con diagramas de contactos.

7 / TES-PARANINFO

e D

2

3

E

Figura 2.13. Gráfico del Problema 2.12. 2.13. Sea la función F(A, B, C, D) que debe tomar el valor uno cuando solamente dos variables cualesquiera adoptan dicho estado. Realiza la función y simplificala por el método de Kamaugh. 2.14. Obtener la expresión algebraica mínima de una función de cuatro variables que toma el valor lógico 1 cuando el número de variables que están en estado 1 es superior al de las variables que se encuentran en estado O. Nunca pueden estar más de tres variables en estado 1.

/

Una vez conocida la base matemática de la automatización, comenzamos el estudio de ésta partiendo de los dispositivos de mando eléctricos. Aunque hasta hace poco la mayoría de los automatismos eléctricos se basaban en el mando cableado, casi exclusivamente, vemos que, actualmente, la tendencia es ir introduciendo todo tipo de elementos de automatización, limitando el mando eléctrico para aquellas aplicaciones que lo requieren, es decir, principalmente en el arranque de motores eléctricos. De ahí que el estudio se basará, básicamente, en el arranque de motores eléctricos.

Cu11 í~11id u liJ,,,, Sistemas cableados. Realización de esquemas básicos. ... Encendido de una lámpara mediante relé. liJ,,,, Realización de automatismos básicos. 111!- Automatismos con temporizadores .

..,_ Definir mando eléctrico. 111!- Realizar pequeños automatismos mediante mando cableado. liJ,,,, Conocer los distintos elementos del mando eléctrico.

1

3.1. Sistemas cableados.

3.1.2. Contactor

Realización de esquemas básicos El elemento básico de un automatismo cableado es el relé o, en su versión industrial el contactor. El relé es un elemento electromagnético. Su palabra deriva del francés (relais) y se puede traducir por relevador; puede definirse como el componente que al recibir una determinada excitación eléctrica actúa de intermedio para alimentar o controlar un determinado aparato o circuito eléctrico.

3.1.1. Relés Un relé se compone básicamente de una bobina, un conjunto magnético y contactos (Figura 3.1).

Un contactor sería básicamente lo mismo que un relé, pero diseñado con más robustez para soportar mayores tensiones y corrientes. Según lo expuesto, podemos utilizar los relés y contactores para realizar di versos automatismos eléctricos, simplemente cableando los contactos de forma que al recibir coniente la bobina real icen la función para la que han sido diseñados. Otra diferencia consiste en que mientras que los contactos de un relé están formados por un común, otro abierto y otro cerrado, en un contactor los dos contactos se encuentran abiertos o cerrados, es decir, no tiene contacto común.

3.1.3. Numeración de los contactos Para saber si un contacto se encuentra cerrado o abierto en un contactor, se utiliza la normalización por numeración, de la siguiente forma (Figura 3.3). PULSADORES .

1

3

1

r~

1

E2 4

ABIERTO

CONTACTOS

Figura 3.1. Aspecto de dos modelos de relés.

Al recibir tensión la bobina, ésta hace bascular el conjunto magnético consiguiendo que los contactos cambien de posición, es decir, los contactos que estaban abiertos se cierren y los que estaban cerrados se abran (Figura 3. 1, derecha).

1

\

En la Figura 3.2 podemos ver un esquema eléctrico de un relé; en dicha figura se observan las tomas de corriente de la bobina y los contactos que, en reposo, es decir, sin corriente, están cerrados y abiertos, a l recibir corriente esta posición se invertirá. Contactos

CERRADO

-1

-3

-2 -4

ABIERTO

CERRADO

Armadura

NC

Pivote

Común

CONTACTOS DE FUERZA

Figura 3.3. Numeración de los contactos.

Bobina excitadora

Cula ta

Terminales bobina

Figura 3.2. Esquema eléctrico de un relé.

Nucleo

•

Los contactos cerrados se numeran como l y 2.

•

Los contactos abiertos como 3 y 4 .

•

La numeración de apertura o cierre serán las unidades en los contactos. Las decenas serán el número de contacto. Así en un contactor con 2 contactos abiertos y 2 cerrados, la numeración será:

©

/TES-PARANINFO

-

13-14 para el 23 -24 para el 31 -32 para el 41-42 para el

primer contacto abierto . segundo abierto. primer contacto cerrado. segundo.

220V

p

E-

Esto es, la cifra de las decenas indica el número de con.o ( 1., 2., 3., etc.) y las unidades indican si el contacto es - ·~n o o cenado.

13

23 M

E- -

K1

K1

14

24

4

3.2. Encendido de una lámpara mediante relé

K1

?ara encender una lámpara con un relé realizaremos el

= iente automatismo. Figura 3.5. Encendido con retención.

Encendido simple Conectaremos la bobina a la tensión de la red (220 V o ·. dependiendo de la tensión de la bobina). Uno de los bore la bobina irá directamente a neutro, mientras que el pasará por un pulsador (M) (ver Figura 3.4). En la =- iente fase (segunda rama del esquema) situaremos un -~ to normalmente abierto del relé (en adelante NA) y, a _ - inuación, la lámpara; el segundo contacto de la lámpara neutro. Al actuar sobre el pulsador la bobina es excitada, tacto NA camb,ia de posición y la lámpara se enciende.

,

220V

3.3. Realización de automatismos básicos Siguiendo la pauta marcada podemos realizar algunos automatismos sencillos que nos servirán para profundizar un poco en el estudio de los automatismos y comenzar el estudio, en el siguiente capítulo, de los métodos de arranque de motores. •

13

3 M

E- -

K1

14 4

Kl

H1

Dos relés incompatibles pasando por paro

Se trata de poder conectar dos relés a los que pueden estar conectados sendas lámparas mediante dos pulsadores. Estos relés son incompatibles, es decir, no pueden estar los dos activados simultáneamente, por lo que cuando se active uno, no podrá activarse el otro hasta que se actúe sobre el pulsador de paro. El esquema será el siguiente (F igura 3.6).

220 V

p

E-

Agura 3.4. Encendido de una lámpara mediante relé.

23

23

24

24

K1

Encendido con retención ·emos observar que realmente no hemos hecho gran ya que al pulsar se enciende la lámpara, pero al soltar se Esto se soluciona mediante un contacto de retención o ,·amiento.

11

11

K2

K1 12

tocamos un contacto NA del relé en paralelo con el r :VI (Figura 3.5) consegu iremos que al cenarse el con• eda puenteado el pulsador y, aunque soltemos M, i ulando coniente hacia la bobina. En este caso, debe- :Ldir un nuevo pulsador de paro P que nos permita abrir ito en cualquier momento. Este tipo de pulsador será -_ normalmente cenado (NC).

12

A1 K1

Al K2

A2

A2

Figura 3.6. Dos relés incompatibles pasando por paro.

En este esquema al pulsar sobre Ml se cierra el relé Kl , por tanto, se cerrará el contacto abierto de K 1 paralelo al pulsador M 1 - este contacto produce el enclavamiento- y, a su vez, se abrirá el contacto cerrado de K 1 que se encuentra en la segunda rama, evitando así que pueda funcionar K2 sin antes actuar sobre el pulsador de paro Pl y volver a la posición de inicio.

•

podemos ver una fotografía de un contactor a la izquierda y un contactor con cabeza temporizada a la derecha de la marca Telemecanique.

.

¡·

-,.

Dos relés incompatibles sin pasar por paro

Una situación parecida es este otro caso, en el que la incompatibilidad es simi lar (Figura 3.7), con la diferencia de que en este caso se puede pasar de un relé a otro sin pasar previamente por paro.

'

•

-

. ·'

-

"'-'

.

.....l

-

••

.. .. . •••

.. t

.JH

~

1

. . .-..,.s

- --- - -"·... --.... -

-

....· -

,," d

'

_.

--~

Se deja al lector su estudio de funcionamiento.

220 V

p

E2

Figura 3.8. Vista de un contador y contador con cabeza temporizadora. 23

3 M1

E- -

3

K1

M2

4

11

24

Como se observa en la Figura 3.9, la numeración de los contactos comienza por el circuito 53-54. Esta numeración es debida a que, generalmente, los contactores tienen 4 circuitos en su configuración básica y los bloques de temporizadores, al igual que los contactos auxiliares, que se colocan como circuitos anexos encima del bloque principal, comenzarán en el 50 su numeración.

11

K2

K1 12

12

A1

K1

En el siguiente ejemplo disponemos de un temporizador a la conexión que encenderá una lámpara al cabo del tiempo programado (Figura 3.9).

E- -

24

4

23

A1

220 V

K2 p

A2

E-

A2

M

E- -

3.4. Automatismos con

53

13

Kl 4

tem orizadores

23

3

Figura 3.7. Dos relés incompatibles sin pasar por paro.

Tl

Kl 24

E54

14

Al

Al

Hl Kl

Tl

A2

Un temporizador es un tipo de relé con retardo, es decir, desde que aplicamos el impulso al temporizador hasta que éste cierra los contactos, pasará un tiempo. Este tipo de temporizador se llama temporizador de conexión. Actualmente los temporizadores se encuentran como accesorios a los contactores colocándose encima de éstos mediante un senci llo sistema de anclaje. En la Figura 3.9

Figura 3.9. Iemporizador con retardo a la conexión.

En este esquema, al actuar sobre M se cie1Ta el relé K, por lo que llegará corriente al relé del temporizador, que se pondrá en marcha. Al cabo del tiempo t prefijado, el temporizador cerrará su contacto T y encenderá la lámpara Hl .

© !TES- PARANINFO

4.1. Otros tipos de temporizadores emás del tipo de temporizador que hemos estudiado, . en el mercado otros tipos de dispositivos temporiza- orno pueden ser: Retardo de activación: Temporizador que cierra los ontactos al cabo del tiempo fijado (el estudiado). •

Ejemplo 2: En este ejemplo vamos a realizar un encendido secuencial de 3 lámparas, de forma que al actuar sobre el pulsador de marcha M, se encienda la primera lámpara, al cabo de un tiempo la segunda y al cabo de otro tiempo la tercera (Figura 3.12). 220V

·1-1-

Retardo de desactivación: Al recibir tensión cierra los ontactos y permanecerá en esta posición durante el iempo fijado (Figura 3.10). M

Impulso a la activación: Tipo de relé temporizado que envía un impulso a los contactos al finalizar el tiempo 1jado. Impulso a la desactivación: Similar al anterior, pero hora el impulso será de desconexión.

J,,

In" E-

153

E-

TI S4

24

153

153

" E-

34

54

Al T2

"

Figura 3.12. Ejemplo del encendido secuencial de tres lámparas. T

r

Retardo activación

)1

Ejercicio 1: Modifica el esquema de la Figura 4.10, para que: • •

IJ D

Retardo desactivación 1 1

~ 1 1

Impulso desactivación

u

3.10. Símbolos de temporizadores y diagrama de funcionamiento. Ej mplo 1: En el siguiente ejemplo vamos a ver la diferencia temporizador a la activación y otro a la desactivación. ~

tuar sobre el pulsador de marcha (Figura 3.11) se actidos temporizadores. El TI es de retardo a la activación, o Ll lucirá durante el tiempo fijado. T2 es a la activar tanto L2 comenzará a lucir al cabo del tiempo fijado.

·ri

Ejemplo 3: Se trata de realizar un automatismo para el riego por aspersores de una finca. Para lo cual disponemos de una electroválvula para accionar los aspersores, que llamaremos El y un sensor de humedad. Cuando el sensor de humedad detecte falta de humedad en el terreno, se activará la electroválvula El, que pondrá en marcha los aspersores. Cuando el sensor de humedad deje de detectar falta de humedad, los aspersores seguirán funcionado durante un tiempo fijado .

Impulso activación

1

LI

Al encenderse una lámpara se apague la anterior. El funcionamiento sea cíclico.

En este ejemplo está claro que necesitamos un temporizador con retardo a la desactivación, para que siga activando la electroválvula de los aspersores, durante el tiempo fijado, después de que se deje de detectar falta de humedad. Para solucionar este ejemplo hemos realizado el automatismo de la Figura 3 .13. En este automatismo se pueden observar las siguientes ramas: 220 V

·t M

SEN SOR

h,

I ,,

K2

K2 24

54

23

113

1~

nt'

Kl

54

14

24

Al

1~ r, )-

Kl

T1

T2

T1

(DI

Figura 3.13. Automatismo del Ejemplo 2.

Hl

•

Figura 3.11. Esquema del Ejemplo 1.

K3

(El)

54

Al

=S-PARANINFO

E-

h,

Rama 1: Disponemos de un pulsador de Paro general. Al detectarse falta de humedad se cierra el contacto del sensor M y activa el contactor Kl.

•

Rama 2: La electroválvula El se activará al cerrarse el contacto de Kl o al cerrarse el contacto del temporizador Tl. Este temporizador sólo se cerrará al final.

•

Rama 3: La activación del temporizador se realizará cuando el contactor Kl se libere (deje de detectar humedad el sensor) y esté conectado el contacto K3.

•

Rama 4 : El contactor D se activará al recibir el impulso del contacto de Kl y permanecerá activado mientras esté activada la electroválvula EL; así conseguimos que el temporizador pueda estar funcionando el tiempo programado.

Ejemplo 4: En un paso de cebra se encuentra un semáforo para peatones (Figura 3.14). Mediante la actuación del pulsador se deberá desarrollar la conocida secuencia de "rojo" para vehículos y "verde" para peatones, y viceversa. Seleccionar los tiempos de manera que a los conductores de vehículos les corresponda una fase naranja de 3 segundos y 16 segundos para la fase roja. La fase verde para los peatones debe durar solamente 1O segundos.

o o o

En la Figura 3 .15 aparece el esquema para solucionar este ejemplo. En este esquema se observa que, siempre que exista corriente, estará en verde para vehículos y rojo para peatones. Al actuar sobre el pulsador M, la situación cambia a naranja para vehículos (obervar los contactos del contactor C). Al cabo de 3 segundos se activará el temporizador Tl que pasará a la situación de rojo para vehículos y verde para peatones y se activarán los temporizadores T2 y T3. T2 nos limita a 10 segundos el tiempo de verde para peatones; finalizado este tiempo, este semáforo pasará a rojo. T3 mantiene durante 16 segundos el semáforo rojo para vehículos; finalizado este segundo tiempo pasará a verde para vehículos volviendo a la situación de inicio. Ejercicio 2: Modificar el esquema para que: •

Al actuar sobre el pulsador M se espere un tiempo antes de comenzar la secuencia.

•

Al finalizar la secuencia no se pueda volver a repetir hasta haber transcurrido 30 segundos.

--------

Rojo

Ambar Verde

Figura 3.14. Gráfico del Ejemplo 4. 220V

p

E-

23 M

E- -

13

Kl

Kl 24

11

53 Kl

T1 54

14

23 Kl

12

Tl E-

72

Al

Al Kl

54

61

72

54

61 T2 E-

62

62 T1

53 T2 E-

Tl E64

61 T3E-

Al

71

63 T1 E-

24

71 T3

53 T1 E-

62

T2

A2

(VC)

IN C)

(RC)

iRP)

IVP)

Figura 3.15. Esquema del Ejemplo 4.

©

/TES-PARANINFO

3.1. El circuito de la Figura 3. 16 produce dos señalizaes: una visual (lámpara) y otra acústica (bocina), ndo ocurra el disparo del relé térmico. Se pretende, ~~más, que ambas señalizaciones sean alternadas en el .::upo y con una misma duración. Explicar su funciona- ·ento.

ciclo número 2. Cuando vuelva a alcanzar la posición de reposo número 1, la grúa se parará. El sistema cuenta con un interruptor de control o arranque que tendrá que ser activado cada vez que deseemos que la grúa realice los dos ciclos.

4

3

F2P

F2P

J

CICL01 CICL02

f+ +t

F3P K1A S1A

K1A

K1A

POSICIÓN DE REPOSO

K1A

POSICIÓN

DE REPOSO

2

1

K1A

Figura 3.17. Esquema del Problema 3.2.

Figura 3.16. Esquema del Problema 3.1. 3.2. Controlar la grúa representada en la Figura 3.17 que realice los ciclos representados en dicha figura. .:iendo de la posición de reposo (la representada en la - ;_ ra) realiza el ciclo 1, hasta llegar a la posición 2, donde , anecerá un tiempo determinado antes de realizar el

-:.:-3

3.3. Realiza una cerradura codificada utilizando relés. Tenemos 6 relés, cada uno asignado a un número y activado mediante un pulsador. El funcionamiento es el siguiente: al actuar sobre cualquiera de ellos se activará un temporizador de 20 segundos; durante este tiempo debemos pulsar por orden la combinación asignada y en el orden previsto; en caso de error (al cabo de los 20 segundos) se activará una alarma.

== Dos elementos calefactores se tienen que conectar para ionamiento manual mediante impulsos de mando, de ·_::naque con el primer impulso se conecte el primer ~le-t':l o calefactor, con el segundo impulso el segundo ele- ;:;:ito calefactor y con un tercer impulso se desconecten bos elementos. Los elementos calefactores se conectan iante los contactores de potencia Kl 1 y Kl2 . Además ~~ :-epresenta, mediante las lámparas de señalización Hl 1 . ~ 12, el estado de conexión de cada elemento calefactor -=-igura 3.1 8). Explicar el funcionamiento del esquema y realizar su - ntaje. ~

~¡

S1

1

1 K11

K2A

K1A

K11

K12

K1A

K2

K11

K2A

K12

K3A

K1A

Es conveniente realizar el montaje del mayor número ej emplos realizados en este capítulo.

Figura 3.18. Esquema de la actividad.

~

~-PARANINFO

J1ürnciurdón 1 Las diversas necesidades de la industria obligan a la fabricación de las más variaclases de motores; y aunque las más utilizadas en corriente alterna son los asínonos, síncronos y monofásicos, dentro de cada clase existen gamas de tensión, poten. J variedades de construcción que se adaptan a todos los casos. La puesta en servicio y la utilización de estos motores, por tener características pro. , variará según los casos, precisando en cada ocasión un método distinto. Debido al gran uso de los motores de corriente alterna en la industria y a que este ro de texto se basa en los automatismos, nos vamos a referir exclusivamente a este de motores, dejando el resto de motores para su estudio en la Electrotecnia.

Arranque de un motor. Conexiones en el motor asíncrono trifásico. Procedimientos de arranque para motores asíncronos trifásicos . Inversión del sentido del giro de los motores asíncronos. Puesta en marcha de los motores síncronos.

Comprobar la necesidad de los arrancadores. Elegir el método de arranque adecuado para cada motor. Realizar inversiones de giro en motores.

4.1. Arran ue de un motor

Disminuir los valores de la intensidad equivale a un descenso muy acusado en el par.

La puesta en servicio de un motor lleva consigo los problemas debidos a sus características; mientras el rotor asíncrono puede arrancar sin más, conectándolo directamente a la red, el síncrono precisa de un embalamiento; y el monofásico, de un bobinado o espira de arranque.

Para evitar este problema se recurre a diversos procedimientos, qL1e tienen por objeto arrancar el motor con un par máximo sin superar una corriente determinada.

"'e' "'~ e

-¡---+-_¡_

300

corriente en el (otc r

(l)

c.

La energía que absorbe un motor en el periodo de arranque comprende lo que precisa (por sí mismo) para mantener la velocidad adquirida en cada instante más la necesaria para acelerar las masas.

;!!. 150 e

-

o

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1

400 ~

\ u"' " ' O) 1 1 300 ~ ~

pa r motor a plena carga ' \

200 ;!!. e

(l)

100 $e

---

cor iente a plena carga ,\\ ·ve ocidad a plena carga-... o O 1 O 20 30 40 50 60 70 80 90 100 velocidad en % de la velocidad de sincronismo

o

"6-

500 1=

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1

100 50

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600

!",.

/"'

1

(l)

X

Este par debe ser mayor en cada en cada instante al par resistente para obtener un par acelerador. El aumento de este par tiene como consecuencia el aumento de la corriente para generar dicho par. Además, la corriente también debe ser grande para poder vencer la resistencia eléctrica del propio motor y la resistencia mecánica. En la Figura 4.1 podemos ver una gráfica ·en la que se aprecia cómo son el par y la intensidad en función de la resistencia de un motor.

_L_L lpar motor -...

(l)

En el momento del arranque el motor debe producir un par lo suficientemente grande como para vencer la resistencia que ofrecen los mecanismos propios y las cargas que estén aplicadas al eje del motor.

./'

250

4.1.1. Corriente de arranque

~-

(l)

·¡:

o u

Figura 4.2. Par e intensidad durante el arranque de un motor.

4.2. Conexiones en el motor asíncrono trifásico Un motor asíncrorio trifásico dispone, como se sabe de la electrotecnia, de un rotor y un estator. El estator está compuesto por uno o varios grupos de bobinados trifásicos, llamándose de un polo cuando sólo dispone de un grupo de bobinados, de dos polos cuando dispone de dos grupos, etc. Para diferenciar las bobinas se nombra al principio de cada bobina con las letras U-V-W y el final con las letras X-Y-Z (Figura 4.3 A).

Ql

e Ql

rpm = O

·;::

o > o

En la etapa de bornas del motor veremos solamente la letra de cada bobina (Figura 4.3 B).

u

o E

arranque T . = 300% del par motor max a plena carga

El hecho de que no estén enfrente las letras de principio y fin de cada bobina es porque, interiormente, las bobinas están cruzadas para facilitar la conexión de forma que ésta sea correcta y exista el campo magnético suficiente para que el rotor gire.

resistencia del rotor

U

V

W

Figura 4.1. Par motor e intensidad en función de la resistencia. Durante el arranque el par está en razón del cuadrado de la corriente absorbida y esto trae malas consecuencias para el arranque. Generalmente, se precisan fuettes pares de arranque y, en consecuencia, la corriente absorbida supera los valores límite de las compañías suministradoras de energía y del "Reglamento eléctrico para baja tensión", el cual fij a los valores de la relación entre la corriente máxima y la nominal del motor (Tabla 4. 1). Límites de la relación corriente máxima/corriente nominal

~~~--~~---~------------

Motores de 0,75 a 1,5 kW lmáx/ lnom < 4,5 Motores de 1,55 a Motores de 5

5 kW lmáx/ lnom < 3

a 15 kW lmáx/ lnom < 2

A

X

y

X

y

V

w

o o o o o o Z

u

Motores de más de 15 kW lmáx/ lnom < 1,5 B

Tabla 4.1.

Figura 4.3. Identificación de las bobinas.

©

/TES-PARANINFO

- - nimos las bomas X-Y-Z entre sí y conectamos las borL -V-W a la tensión trifásica tendremos una disposición la que podemos ver en la Figura 4.4.

A 3 80V

Z

y

X

0---0-0

u

o o o u

w

V

6220V X-Y-Z

u

V

V

w

V

Figura 4.6. Conexiones en un motor asíncrono trifásico. Figura 4.4. Conexión en estrella. -

es una conexión en estrella. Con este tipo de conexión -ión que llega a cada bobina es f3 veces menor que en , ión trifásica, esto es, si hemos conectado las bomas Uuna tensión de 380 V, en las bobinas sólo tendremos · -_ con la reducción de intensidad y del par motor (en el e apartado se profundizará algo más este aspecto). irnos los terminales U-Z, V-X y W-Y tendremos una -ón en triángulo, como vemos en la Figura 4.5. U-Z

4.3. Procedimientos de arranque para motores asíncronos trifásicos El procedimiento más sencillo para el arranque de estos motores es la conexión directa a la red. Este sistema, en cambio, no es . siempre el más adecuado, por las limitaciones ya señaladas y, por ello, deberán estudiarse las características de cada motor.

4.3.1. Conexión estrella-triángulo Es éste uno de los métodos más sencillos y de los que más se han utilizado en la industria a la hora de arrancar motores.

W-Y

Consiste en arrancar el motor, que en servicio normal está conectado en triángulo, conectándolo en estrella y, transcurrido el periodo de aceleración, conmutarlo a triángulo (Figura 4. 7 y 4.8).

V-X

Figura 4.5. Conexión en triángulo.

220V

este tipo de conexión, las bobinas soportan la misma -· que existe en la red. Si conectamos el motor a 380 V - bobinas habrá 380 V. - - :es de conectar un motor debemos aseguramos de cuál ensión máxima que son capaces de soportar las bobinas. placa de características del motor deben figurar estas - erísticas (Figura 4.6).

"''r

-

-PARANINFO

23

1 33 K1

24

1 ,,

1.3

34

1 53

TI

K1

44

T2

54

54

61

figura significa que en estrella se puede conectar a una - .. 380 V, pero en triángulo sólo a 220 V. :: este caso el arranque estrella-triángulo (que veremos a ·- uación) se realizaría con una red trifásica de 220 V para arrancar un motor en triángulo a 380 V, en su placa de .erísticas debe aparecer, junto con el signo de triángulo, ensión.

'l;

TI

A1

62 A1

K2

"' (LÍNEA)

A1 T1

IESTA ELLA)

A1 T2

A1 K3

(TRIÁNGULO)

Figura 4.7. Circuito de mando para el arranque estrella-triángulo.

.. .s r

la

5.5.7. Relés de potencia Están diseñados para vigilar el exceso o defecto de poten: ia a que una instalación eléctrica está sometida. Los más _-onocidos son los llamados re lés de protección asimétrica.

1e

NE UTR O

el

ta

5.6. Puesta a tierra de las máquinas Las partes metálicas de una instalación que no pertenecen ~- circuito de corriente de trabajo tendrán toma de tierra. ~

el le :s

n,

Los dispositivos y máquinas que, necesariamente, tienen e tener torna de tierra, son: • •

•

I-

ra

•

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 pasarnuros, armazones, postes, bridas de aisladores, etcétera.

5.6.1. Protección contra contactos r-

En la protección contra contactos se pueden distinguir ~ntre :

•

• le

Contacto directo, que impide el acceso con los elementos que durante el funcionamiento de la instalación están bajo tensión, como son los elenientos 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 aislas partes normalmente en tensión, haciéndolas inaccesiles por alejamientos: líneas aéreas, barreras, cajas de ais laiento de plástico, etcétera. :e

lo )-

•

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 protecc ión de puesta a neutro, que tiene por objeto colocar la carcasa de los aparatos eléctricos al conductor neutro (Figura 5 .11).

[l 1

:O

-

'f

-

't'

1

- íl

o

-

-

íl

000

1

EJ

-

1

L__J

1

Figura 5.11. Protección por puesta a neutro. •

Poder trabajar con tensiones inferiores al límite de seguridad, con lo que se libra al usuario de cualquier peligro.

5.7. Aparatos de medida Es necesario conocer las magnitudes eléctricas que intervienen en cualquier instalación o dispositivo eléctrico, con el fin de intervenir en su funcionam iento, poder diagnosticar su estado y llegar a repararlo en caso necesario. Existe una variedad de aparatos de medida en función de la magnitud que se desea medir; también se dispone de aparatos que engloban varias funciones, como es el caso de los polímetros que son capaces de medir tensión, corriente, resistencia; etcétera. 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.

Magnit udes

Símbolo

Denominación

Aparato

Corriente

A

Am perio

Amperímet ro

Ten si ón

V

Voltio

Voltímetro

Resistencia

n

Ohmio

Óhmetro

Potencia

w

Vatios

Vatímetro

Energía

J (Watios-hora)

Jul ios

Contador

Capacidad

F

Faradios

Ca pací metro

Frecuencia

Hz

Hertzios

Frecuencímetro

Factor de potencia

(j)

Grados

Fa símetro

Para la seguridad contra los contactos indirectos puede, ,;:ntre otros sistemas, usarse:

:-

y

1

1

Para prevenir accidentes personales, se hace una buena :.:ima de tierra.

!-

T

-

Cualquiera de las variables de tensión e intensidad que 1ervienen en la potencia, si son de un valor mayor que el ibrado de antemano en el relé, hace que éste se dispare. Si la tensión e intensidad son muy elevadas, necesariarnen· ~ se emplean transformadores de medida.

;a s.

-T

-

;;) /TES- PARANINFO

5.7.1. Conexión de los aparatos de medida Para poder medir correctamente las magnitudes eléctricas es indispensable conectar adecuadamente el aparato de medida que se vaya a uti lizar.

j.

•

do sus indicaciones: la bobina voltimétrica en paralelo con el circuito y la amperimétrica en serie. De igual forma utilizando el circuito de la figura podemos averiguar su potencia aplicando la relación P = VI.

Para medir tensión utilizaremos el voltímetro y lo situaremos en paralelo con el dispositivo eléctrico del que deseemos conocer su tensión (Figura 5.12). •

R

Figura 5.12. Disposición de un amperímetro y un voltímetro. •

Para la corriente utilizaremos el amperímetro, que debe situarse en serie con el circuito (Figura 5.1 2). Como en la mayoría de las instalaciones es bastante complicado abrir el circuito para situar un amperímetro, se utilizan las pinzas amperimétricas, que se sitúan intercalando en una fase del circuito a medir (Figura 5.13).

Los contadores de energía tienen una estructura similar a los vatímetros; en definitiva un contador de energía es un vatímetro que mide la potencia a lo largo del tiempo; su conexión seguirá la misma norma que para los vatímetros.

5.7.2. Símbolos de los aparatos de medida Para poder identificar cada aparato de medida, además de las indicaciones anteriores, disponen de una serie de símbolos que nos indican el tipo de aparato de medida, su conex ión, si es de corriente alterna o continua, su calidad, etc. Esta simbología es muy importante conocerla para no realizar conexiones que pudieran deteriorar los aparatos de medida. En la Figura 5.14 aparece una relación de la simbología más utilizada.

ro ro ro

Magnetoeléctrico

--

Corriente continua

Con rectificador

J'

Corriente alterna

Mag. diferencial

~

Trifásica

Electromagnét ico

J_

Pos. vertical

Elec. diferencial

n

Pos. horizontal

Elec. sin hierro

L

Ángulo de inclinación

Ferrodinámico

ú

Tensión de prueba

~

}

n +

~

Figura 5.14. Símbolos en los aparatos de medida..

5.8. Normas del "Reglamento electrotécnico de baja tensión" para la puesta a tierra •

Para medir ohmios dispondremos de un óhmetro, para lo cual el componente a medir debe estar aislado del resto del circuito, para no falsear la medida, y sin tensión, para no averiar al aparato de medida. También es posible medir resistencias por el método indirecto (Figura 5 .12) y aplicar la ley de Ohm (R = V/1).

La denominación "puesta a tierra" comprende toda la ligazón metálica directa sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre determinados elementos o partes de una instalación y un electrodo o grupo de electrodos enterrados en el suelo, con el objeto de conseguir que, en el conjunto de instalaciones próximas del terreno, no existan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de falta o la de descarga de origen atmosférico.

•

Los vatímetros constan de una bobina voltimétrica y otra amperimétrica, por lo que debe conectarse siguien-

Todo sistema de puesta a tierra constará de las siguientes partes.

Figura 5.13. Pinza amperimétrica.

©

/TES-PARANINFO

Tomas de tierra. líneas principales de tierra. Derivaciones de las líneas principales de tierra. Conductores de protección. njunto de conductores, así como sus derivaciones y es, que forman las diferentes partes de las puestas a onstituyen el circuito de puesta a tierra.

En otros casos reciben igualmente el nombre de conductores de protección aquellos conductores que unen las masas: • • •

Al neutro de la red; a otras masas. A elementos metálicos distintos de las masas. A un relé de protección.

5.8.4. Protección de las instalaciones 1. Tomas de tierra - ornas de tierra estarán constituidas por los elementos Electrodo. Es una masa metálica, permanentemente en uen contacto con el terreno, para facilitar el paso a éste e las corrientes de defecto que puedan presentarse o la rga eléctrica que tenga o pueda tener. Línea de enlace con tierra. Está formada por los conuctores que unen el electrodo o conjunto de electrodos n el punto de puesta a tierra. Punto de puesta a tierra. Es un punto situado fuera del suelo que sirve de unión entre la línea de enlace con tie:-ra y la línea principal de tierra.

Todo circuito estará protegido contra los efectos de las sobreintensidades que puedan presentarse en el mismo, para lo cual la interrupción de este circuito se realizará en un tiempo conveniente o estará dimensionado para las sobreintensidades previsibles. Las sobreintensidades pueden estar motivadas por: •

Sobrecargas debidas a los aparatos de utilización o defectos de aislamiento de gran impedancia.

•

Cortocircuitos.

Excepto los conductores de protección, todos los conductores que forman parte de un circuito, incluyendo el conductor neutro o compensador, estarán protegidos contra los efectos de las sobreintensidades.

instalaciones que lo precisen dispondrán de un núme- iente de puntos de puesta a tierra, convenientemente idos, que estarán conectados al mismo electrodo o o de electrodos.

•

Protección contra sobrecargas. El límite de intensidad de corriente admisible en un conductor ha de quedar, en todo caso, garantizado por el dispositivo de protección utilizado.

- . nto de puesta a tierra estará constituido por un dispoe conexión (regleta, placa, borne, etc.) que permita la ntre los conductores de las líneas de enlace y principal ~ . de forma que puedan, mediante útiles apropiados, .:.-""Se éstas con el fin de poder realizar la medida de la -~ ia de tierra.

•

Al igual que los dispositivos de protección contra sobrecargas, serán utilizados los fusibles calibrados de características de funcionamiento adecuadas o los interruptores automáticos con curva térmica de corte.

•

Protección contra cortocircuitos. En el origen de todo circuito se establecerá un dispositivo de protección contra cortocircuitos, cuya capacidad de corte estará de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en el punto de su instalación. Se admite, no obstante, que, cuando se trate de circuitos derivados de uno principal, cada uno de estos circuitos derivados disponga de protección contra sobrecargas, mientras que un solo dispositivo general pueda asegurar la protección contra cortocircuitos para todos los circuitos derivados.

2. Líneas principales de tierra - líneas principales de tierra estarán formadas por conque partirán del punto de puesta a tierra y a las cua_-:arán conectadas las derivaciones necesarias para la a tierra de las masas, generalmente, a través de los conres de protección. ~eS

.3. Conductores de protección - onductores de protección sirven para unir eléctricalas masas de una instalación a ciertos elementos con el :..= asegurar la protección contra los contactos indirectos. ~

~

el circuito de puesta a tierra, los conductores de protecirán las masas a la línea principal de tierra.

© !TES-PARANINFO

Se admiten como dispositivos de protección contra cortocircuitos los fusibles de características de funcionamiento adecuadas y los interruptores automáticos con sistema de corte electromagnético . •

Los conductores no podrán ser, en ningún caso, de menos de 16 mm 2 de sección para las líneas principales de tierra, ni de 35 mm 2 para las líneas de enlace con tierra, si son de cobre.

Para otros metales, la sección mínima será aquélla que tenga la misma conductancia que un cable de cobre de 16 mm 2 o 35 mm 2 , según el caso.

5.1. Los relés de protección, al detectar una anomalía, ¿sobre que dispositivos de acción suelen actuar?

5.7. ¿Qué diferencias hay entre un interruptor diferencial y un interruptor magnetoténnico?

5.2. Al referirse, en los relés de protección, a las palabras sensibilidad y fiabilidad, ¿qué significado eléctrico se les puede dar?

5.8. Cuando se instalan los interruptores antes mencionados, ¿cuál de ellos va colocado delante?

5.3. En los relés de protección de inducción, ¿qué fórmula definiría el par en función de los flujos? 5.4. ¿Qué otro nombre reciben los relés de potencia?

5.10. ¿PÍ.1ede circular a través de una persona una corriente de 200 mA en 200 ms?

5.5. ¿Qué diferencia hay entre un relé diferencial y un relé térmico diferencial?

5.11. Al colocar un interruptor diferencial y un interruptor magnetotérmico, ¿cuál irá instalado antes?

5.6. En los relés de máxima intensidad, ¿cómo se puede neutralizar la acción de ainnque para que el relé no pueda dispararse por el exceso de intensidad que absorbe?

1

•1 1 ,

5.9. El interruptor diferencial, ¿puede sustituir a la instalación de tierra?

5.1. Realícese un cuadro resumen sobre los tipos de relés de protección en el que aparezcan: el resumen de funcionamiento, tres aplicaciones prácticas de cada uno y sus características técnicas.

5.12. ¿Qué diferencia hay entre uno y otro?

5.2. Utilizando el "Reglamento electrotécnico para baja tensión", recopílense todos aquellos artículos que tratan sobre protecciones.

©

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Como ya se dijo en el Capítulo 2, un sistema combinacional es aquel cuya salida de en todo momento de los valores de las variables de las entradas. En el Capítulo 3, hemos visto algunos esquemas de automatismos realizados con · De los automatismos que hemos estudiado, son de tipo combinacional los que no t temporizadores, ya que un temporizador es una variable de tipo interna. En este · o estudiaremos, además, los circuitos integrados comerciales que nos servirán realizar automatismos combinacionales con componentes electrónicos.

Introducción. Decodificadores. Codificadores. Jfultiplexores. Demultiplexores. Comparadores binarios. Circuito semisumador. Ejemplos resueltos.

Conocer los distintos tipos de circuitos combinacionales. Comprender el funcionamiento de cada uno de ellos. Realización de automatismos con circuitos combinacionales.

Cll

cu ,a e

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18 j

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6.1 . Introducción

B

A

o o o 1 o

A lo largo de este capítulo se van a describir los principales tipos de circuitos combinacionales de integración disponibles comercialmente, así como sus aplicaciones más importantes. La realización de funciones lógicas mediante puertas es apropiada sólo en el caso de funciones sencillas o muy específicas de una aplicación concreta. En muchos casos, dada la enorme variedad de circuitos integrados existentes, resulta mucho más eficaz partir de éstos para, mediante la utilización de algunas de las técnicas que se expondrán, combinarlos para obtener la función lógica deseada.

Por ejemplo, un circuito decodificador con dos entradas A y B presentará cuatro salidas, Q 0 , Q 1, Q 2 y Q 3 , correspondientes cada una de ellas al producto canónico representado por el subíndice numérico, según la tabla de verdad siguiente:

o 11

o

o

B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 ~ =B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3 A3=B3

X

X A2>B2 A2>B2 Az=B2 A2=B2 Az=B2 Az=B2 A2=B2 A2=B2 Az=B2 A2=B2 A2=B2 A2=B2

X A1>B1 A1B AB AB0 Ao-----

---------

- ----< b

Figura 6.9. Esquema de circuito semisumador.

En la tabla observamos que la entrada de menor peso es 1, es decir, se activa; las otras entradas son indiferentes a su estado. Realizamos las ecuaciones por unos; serán:

s, = 8.i'ª1' ª0 + ª3'~'ª1'ª0 = a ,·ao·(8.i+a3·~) =a, ·ao·(8.i+a3) La tabla de la verdad que representa su funcionamiento es la Tabla 6.7:

S0=a 1·a0+a3·~·a1·a0 = a 0·(a 1+a 3·8.i·a 1) = a0·(a 1+~ ·8.i) De estas ecuaciones obtenemos el circuito de la Figura 6.11.

..

Entradas b a

o o 1 1

o 1 o

Salidas

s o

1

1 1

o

e o o o

Ejemplo 2: El 74148 es un codificador de ocho a tres líneas con salida en binario natural y prioridad a la entrada de mayor peso. Tanto sus entradas como sus salidas son activas en nivel bajo (O) y dispone, además, de tres líneas especiales: •

E 1• Es la entrada de inhibición que pone en nivel alto las salidas A 0, A 1 y A 2 , independientemente del valor de las entradas, cuando se le aplica un l. Desbloquea el codificador cuando se presenta un O en esta entrada.

•

E 0• Esta salida nos indica, con un nivel bajo, el momento en que no están activadas ninguna de las entradas del codificador (es decir, todas las entradas están en nivel alto), permaneciendo a 1 en el resto de los casos.

1

Tabla6.7. De la tabla anterior podemos deducir que la ecuación que cumple la salida del sumador Ses una OR-EXCLUSIVA, y la que cumple el acarreo C es una puerta AND; por tanto, el circuito sumador sería el de la Figura 6.1O:

©

!TES -PARANINFO

,:1)

Q,I

-;; e o

ºij e

ªº

a1

a2

:s

a3

E

oc;,J ,:1)

.s ·s ~

u 2

2

2

3

3

2

1-"3'-----""'so

2

l

2

12

S1

Figura 6.11. Codificador del Ejemplo 1.

El

~5

e14

~3

e 12

~ 1

e10

d

e8

~

e6

e3

~

e4

E

7404

76543210

E

G

s

o 1 5

2

1 4

2

1

E

G

s

o

1 4

6 7 9

1

7408

A3

AAA

2 1 O

765432 1 0

74148

2

AAA

6 7 9

2 7400

3

3

A2

A1

Figura 6.12. Circuito resultado del Ejemplo 2.

= S-PARANINFO

74148

2 1O

1

7400

eO

11 1 1 4 3 2 1 3 2 1O

5

1

e1 e2

1 7400

AO

•

GS. Esta salida se activa con un nivel bajo cuando se ha activado alguna de las entradas.

Teniendo en cuenta el funcionamiento del codificador 74148 anteriormente descrito, podemos obtener un codificador de 16 entradas y cuatro salidas sin más que acoplar dos circuitos 74148, de forma que, de una de ellas, se conecten las ocho entradas de menor peso y a la otra las restantes, tal como aparece en la Figura 6.12. En esta figura vemos cómo la salida A' 0 del codificador final se obtiene de una puerta NAND a la que entran las dos salidas A0 de ambos codificadores. La razón de emplear una puerta NAND está en que las salidas de los codificadores son activas a nivel bajo y, por otra parte, nosotros queremos que el codificador final tenga sus salidas activas en nivel alto. De fo1ma similar se obtienen las salidas A' 1 y A' 2 . Para conseguir que las puertas NAND anteriormente mencionadas funcionen adecuadamente es preciso que las salidas de los dos codificadores no se activen simultáneamente si llegaran a activarse entradas en ambos codificadores. Este problema se resuelve empleando las entradas de inhibición E1, las cuales nos servirán, además, para conseguir que el codificador que soporta las entradas de mayor peso tengan prioridad sobre el que soporta las de menor peso. Concertaremos la entrada de inhibición del conjunto E; a la entrada E1 del codificador C2 ( que sopmta las entradas de mayor peso) y la salida E0 de éste a la entrada E1 del codificador C1. De esta manera, si se activa una entrada de ambos codificadores, siempre tendrá prioridad el codificador que sopo1ta el mayor peso y, por tanto, su salida E0 adoptará un nivel alto que inhibirá al codificador C 1• Por último, para obtener la cuarta salida del codificador final A;, basta con llevar una pue1ta multiplicadora a la salida E0 del codificador de mayor prioridad C2 (ya que ésta valdrá 1 siempre que a las entradas del codificador les llegue información) a la entrada E 1 del codificador total.

Ejemplo 3: Utilizando un decodificador y puertas lógicas, realizar el circuito que es capaz de responder a los cronogramas de la Figura 6.13.

A

ENTRADAS

B

e

X

SALIDAS

y

Figura 6.13. Cronogramas del Ejemplo 3.

Solución: Analizando los estados de entrada y salida de los cronogramas de la Figura 6.13 se puede deducir la Tabla 6.8, que representa la tabla de verdad de la función que cumple dichos cronogramas. Para implementar la tabla de verdad anterior podemos emplear un decodificador 7442 de BCD a decimal, de forma que, cuando aparezca una determinada combinación binaria en las entradas se active la salida decimal equivalente del decodificador. Siguiendo el anterior método, la salida X del circuito deberá estar conectada, a través de una pue1ta NAND, a las salidas O, 2, 4 y 7 del decodificador, mientras que la salida Y se deberá conectar a las salidas 1, 2 y 4. La Figura 6.14 muestra el circuito completo.

2

X 4

5

o

A B

e

15 14 13 12

A B

e

D

7422

1 2 3 4 5 6

7

8 9

7442 2

• i

13 7412 Figura 6.14. Circuito resultado del Ejemplo 3.

©

/TES -PARANINFO

ABC

ooo oo1 o o o1 1 1 o o

Solución: El 7448 es un decodificador BCD a siete segmentos de cátodo común, causa por la cual es directamente compatible con el tipo de visualizador a emplear.

y

X

o o

1 O 1 1 1 o

1

1

o

o

1

1

o o

o o o

1 1 1

Teniendo en cuenta el funcionamiento de este decodificador, reflejado en la Tabla 6.9, el circuito que se ha de realizar es el de la Figura 6.15 . Como puede apreciarse en la Figura 6.14, en el decodificador Cl se han puesto a I las entradas LT, RBI y RI/RBO, por lo que decodifica de forma nonnal cada uno de los números presentes en sus entradas, incluyendo el O (0000 en BCD). Los decodificadores tienen conectada su patilla LT (Lamp Test) a 1 para que no se active este modo de funcionamiento del decodificador; asimismo, este terminal está a 1 en C3 y C2. La entrada de RBI del C2 (Ripple Blanking Input) está conectada a O, por lo que se decodificarán todas las entradas excepto cuando en ellas se introduce 0000; en este instante, las salidas del decodificador se pondrán a O, apagándose todos los segmentos del display y poniendo la salida Rl/RBO (Blanking lnput/Ripple Blanking Output) a O.

Tabla6.9. Ejemplo 4: Implementar un visualizador numérico de cuadisplays de siete segmentos en cátodo ~ mún y decodificadores de BCD a siete segmentos del tipo - 448. El visualizador deberá cumplir las siguientes n01mas: :10 dígitos, realizado con

•

Si el número decimal a representar es menor de 1.000, no deberán encenderse los ceros no significativos de la izquierda. El cero decimal se representará por un solo Oen la posición derecha.

•

LT

Entradas BCD

RBI

-o

X

X

X

1

1 ----~

83

-

·- ·

- --

11

.

'

8 .,

ª2

a,

X X X X X X X X

Como entrada a O

o o o --o

g

'

J

'

SPLAY

Todas las salidas a 1

Modo de funcionamiento normal

1

J Terminal utilizado como salida con .?

Decodifica el

~

y p one a O las salidas

~

DECENAS

g

1

"

L ~

u

~-

· -·------·---·

Todas las salidas a O

1 Te i:_minal utilizado como salida con

-

CENTENAS 1

Funcionamiento

BI/RBO

ªº

·-----· ··--·Terminal ut ilizado como salida con 1

-

Número BCD -

LARES .,

'

·-

o

1

Por otra parte, como la pati ll a de RI/RBO del decodificador C4 está conectada a la entrada RBI del C3, que visualiza las centenas, éste actuará de igual forma que el C4. La anterior operación se repite de nuevo entre el decodificador C3 de las centenas y el C2 de las decenas .

4

.,

u

o 6 7

,.,

DISPLAY

DISPLAY

UN IDADES

J:J

u

'

DISPLAY

11 1 1 11 3 2 1 O 954 ABCDEFG

1 1 1 1 1 1 3 2 1 O 954

11 1 1 11 3 2 1 O9 5 4 C4 7448

ABCD EF G

ABCDEFG

C3 7448

B 1

B 1

B 1 ~R BBL 1 24801 T

~R BBL 12480 1 T

l 1 l 1l2 l s 453

H

/

RR BB L 1 2480 1 T

1

-~ Figura 6.15. Visualizador de siete segmentos del Ejemplo 3.

-

ES -PARANINFO

11 1 1 11 32 1 0954 A BCDEF G B 1

~R 12488r i¡.

l , l 1l 2 lsT4 5 3

1l 2 l s 4 5 3

1

C2 7448

~¿48

6.1. Utilizando un decodificador BCD a decimal del tipo 7442 y puertas NAND de dos entradas, implementar los circuitos que corresponden a las siguientes funciones: F = A·B·C+A-B.C+A-B·C+A-B·C F

=XY+XZ·V+XY·V+Z·V+Y.V

Nota: Esta última ecuación ha sido simplificada por Kamaugh, por lo que deberá realizarse la tabla correspondiente de Kamaugh. 6.2. Utilizando dos decodificadores de tres a ocho líneas del tipo 74138 y puertas lógicas, implementar un decodificador de 4 a 16 líneas.

6.3. Realizar un comparador de dos números, a y b de un bit cada uno, empleando para ello solamente puertas lógicas.

6.4. Diseñar un circuito semirrestador de dos bits empleando sólo puertas lógicas.

6.5. Utilizando dos decodificadores del tipo 74148 y un multiplexor del tipo 74 157, diseñar un decodificador de 16 a 4 líneas. 6.6. Utilizando un circuito 7485 (comparador de cuatro bits) y puertas lógicas, implementar un circuito comparador de dos números de cuatro bits tanto en valor absoluto como con signo.

6.7. Diseñar un comparador de dos números digitales ab y cd de forma que disponga de dos salidas X e Y que proporcionen los siguientes niveles lógicos: • • •

X = 1 e Y = O si ab es mayor que cd. X = O e Y = O si ab es igual que cd. X = O e Y = l si ab es mayor que cd.

== 6.1. Realizar una tabla similar a la realizada en la actividad del Capítulo 2 con los circuitos integrados comerciales de todos los sistemas combinacionales que hemos estudiado y utilizado en el capítulo. Buscar información y comparar entre la tecnología TTL y la CMOS. 6.2. Implementar con circuitos combinacionales y puertas lógicas el siguiente ejemplo: Una planta embotelladora de vino completamente automatizada dispone, para controlar el número de botellas que forma cada pedido, de un programador variable de entre O y 99 botellas. E_l OP.erario dispone de ocho commutadores con los cuales md1ca en BCD el número de botellas que forman el pedido.

Asimismo, se dispone de un display en el que aparece dicho número. Un sistema contador unido a un sensor realiza la cuenta de las botellas y envía a un comparador, mediante un bus de ocho bits, el número BCD de botellas que han salido de la máquina. Diseñar el sistema que detecte que el número de boteHas que han salido es igual al númer? programa~o po~ el operario; asimismo, se diseñará el sistema de v1suahzación con displays de cátodo común.

©

/TES-PARANINFO

JJJírnLlw:dóJJ 1 Como ya se expuso en el Capítulo 2, existen diversos sistemas de representación de las magnitudes físicas. Este capítulo puetle considerarse como una continuación del Capítulo 2. Ahora que ya se ha visto bastante sobre técnicas digitales es más sencillo comprender este capítulo. Los sistemas de numeración son una forma de relacionar las magnitudes físicas con los números. Según la cantidad de números o dígitos que utilice cada sistema tendremos sistemas de diferente base (entendiémlose por base el número de dígitos con que los representamos). En este capítulo se van a describir los sistemas de numeración más importantes, así como su conversión entre sistemas de numeración.

Sistema binario. Sistema octal. ,. Sistema hexadecimal. Códigos decimales codificados en binario (BCD) . ,. Otros códigos binarios. ,. Códigos alfanuméricos.

,. Conocer los distintos sistemas de numeración. Poder pasar de un sistema a otro. ,. Aplicación de los códigos en la programación de automatismos.

7.1. Sistema binario Como ya se sabe, el sistema binario utiliza solamente dos símbolos (O, 1). La conversión entre este sistema y el decimal se realiza de la siguiente forma:

Ejercicio 1: Obtener el equivalente decimal del octal 354. Obtener el equivalente octal del número decimal 8233.

Para convertir un número binario a decimal (Capítulo 2) se recurre al polinomio equivalente, operando éste en modo decimal.

7.3. Sistema hexadecimal

110101 = I · 2 5 + 1 · 2 4 +O · 23 + I · 22 +O · 2 1 + 1 · 2º =

32 + 16 + 0 + 4 +0 + 1 = 53

j

La conversión de un número en el sistema de base ocho al de base 1O, y viceversa, se realiza mediante los métodos generales indicados en el Capítulo 2.

Para convertir un número decimal a binario se divide el número decimal entre 2 sucesivamente; los restos obtenidos, tomados en orden inverso, formarán el número binario equivalente. 53 /2 1 26/2 O13/2 1 6/2 O3/2 11

El sistema de numeración hexadecimal es el de base dieciséis, es decir, para la representación de las cantidades utiliza dieciséis símbolos diferentes que son los dígitos Oal 9 y las letras de la A a la F. El interés de este sistema, al igual que el del octal, es debido a que 16 es 24 y por tanto resulta muy sencilla la conversión de los números del sistema binario natural al hexadecimal, y viceversa. Para convertir un número del sistema hexadecimal al binario se sustituye cada símbolo por su equivalente binario indicado en la tabla de la página siguiente. Sea por ejemplo el número 9A7E16"

Equivalente: 110101

El eq uivalente de cada símbolo es: 9 = 1001

7.2. Sistema octal

A = 1010

El interés de este sistema de numeración, en el cual existen ocho símbolos diferentes (del O al 7), proviene de que la conversión de los números al sistema de base dos y viceversa resulta muy sencilla por ser 8 = 23 .

E = 111 O

Para convertir un número en base ocho a la base dos se convierte cada cifra en su equivalente binario. Un ejemplo aclarará el método. Sea el número 325,6 en base ocho. Se tiene: 3 = 011 2 = 0 10 5 = 101 6 = 110

7 = Ol 1 1 Por tanto, resulta: 9A7E = 100110100111111 0 La conversión de un número del sistema binario al hexadecimal se realiza agrupando los bits enteros y fraccionarios en grupos de cuatro a partir de la coma decimal y convirtiendo cada grupo independientemente.

Ejercicio 2: Conve1tir el número 100111 ,10101 en base dos al hexadecimal. En la tabla se representa la combinación binaria equivalente a cada uno de los símbolos del sistema hexadecimal.

Por tanto: 325,6g= 11010101 ,11 2 La conversión del sistema de base dos al sistema de base se realiza a la inversa agrupando los bits enteros y fraccionarios en grupos de tres a partir de la coma decimal. Para completar el último grupo se añadirán los ceros necesarios. Sea, por ejemplo, el número 11010, 1011 en base dos. Añadiendo un cero a la izquierda y dos a la derecha obtenemos los siguientes grupos de tres bits cuyo equivalente octal indicamos al lado : 001 = 3 010 = 2 10 1 = 5 100 = 4 Resulta, pues:

7.4. Códigos decimales codificados en binario (BCD) Estos tipos de códigos binarios utilizan la misma estructura que la decimal. En ellos se sustituye cada número decimal por la correspondiente combinación del código binario correspondiente. Así, para pasar el número decimal 834,2 al BCD lo haremos de forma similar a los códigos anteriores: 8 = 1000 3= 0011 4 = 0100 2= 0010

11010,10112 = 32,548

834,2 = 100000110100,00 10

©

/TES -PA RANINFO

1 Código binario

Hexadecimal

Código decimal

o

o

·-

o o o o o o o o

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 2 3

=- -

5 6 7 8 9 A

B

e

D

E F

Tabla 7.1

~os códigos BCD más utilizados son los llamados pondeos. En ellos a cada posición se le da un peso y el número - ~imal con-espondiente se obtiene multiplicando dicha posi- · por el peso y sumando, luego, todas las posiciones. El código DCB natural tiene por números de ponderación , 2, 1. Esto es debido a que (según se dijo en el Capítu- , el dígito individual representa el coeficiente de las :--:encías de dos. Por ejemplo, la representación del número ·o 1011 en decimal sería:

o . 22+ 1 . 2 1 + 1 . 2°

O lo que es lo mismo: 1·8 + 0·4+1 ·2+ 1·1 Por tanto para pasar un número en BCD al decimal multi. aríamos cada dígito por su ponderación.

0·8 + 0·4 + 1 · 2 + 1·1 = 3 En la Tabla 7.2 se muestran algunos códigos ponderados.

os binarios

Existen otros sistemas digitales en los que se utilizan otros igos binarios diferentes del binario natural debido a sus terísticas peculiares. Veamos algunos de ellos. --·-- ·~,·-,.¡,,_r,

Código decimal

o 1 2 3 4 5 6 7

8 9

BCDAiken

2421

----

0 0 00 0 001 OO 1 O OO 1 1 O1 OO 1 O1 1 1 1 OO 1 1 O1 111O 1111

Tabla 7.2

:

E S-PARANINFO

i

7.5.1. Código Gray Es un código continuo, porque las combinaciones correspondientes a números decimales consecutivos son adyacentes. (Se denominan combinaciones binarias adyacentes aquellas que difieren solamente en un bit.) Además, es un código cíclico, porque la última combinación es adyacente a la primera. Este código aparece para cuatro bits en la Tabla 7.3. ·

7.5.2. Código Johnson Es un código continuo y cíclico, y la capacidad de codificación para un código de n bits es de 2.n cantidades diferentes. Así, por ejemplo, para el código Johnson para 5 bits es el que se muestra en la Tabla 7.4.

7.5.3. Código BCD exceso tres

:Ejemplo 1: Pasar el número 0011 al decimal:

-.s. Otros códi

-

Tabla 7.3.

l a gran ventaja del código BCD es la facilidad de pasar istema decimal al binario y viceversa. El inconveniente - ~¡ espacio que utiliza.

1 . 23 +

Código Gray 0000 O OO 1 OO1 1 OO 1 O O1 1 O O1 1 1 O1 O1 O1 OO 1 1 OO 1 1 O1 1111 111O 1 O1 O 1 O1 1 1 OO 1 1 OOO

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

4

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

\

.

BCD 54210 0000 0001 OO 1 O OO 1 1 O1 OO 1000 1 OO 1 1 O1 O 1 O1 1 1 1 OO

Es el código que se muestra en la Tabla 7.5; se obtiene de sumar 3 a cualquiera de las combinaciones del código BCD natural. Tiene la ventaja, al igual que el Aiken, de ser autocomplementario; es decir, que la combinación con-espondiente a 9 de n, o sea 9 - n, se obtiene invirtiendo la combinación correspondiente a n; es decir, cambiando los ceros por los unos y los unos por los ceros. Por ejemplo, en el exceso tres el número decimal 2 se representa como 0101 y su complementario a 9 es el 7 (9-2=7), que será 1010.

,....,,_...,_

. --

Código decimal

~

·~ -

o

Código Johnson 0 0000 0 0 0 01 OO O 1 1 OO 1 1 1 O1 1 1 1 11111 1111O 1 1 1 OO 1 1 OO O 10000

1 2 3 4

5 6 7

8 9

Tabla 7.4

'

,....................- - - -.- - - - - - = = Código Código decimal BCD exceso 3

o

embargo, en la mayoría de los sistemas digitales, tanto de control como de procesos de datos, se hace imprescindible representar no sólo información alfabética, sino también algunos signos especiales, lo que ha dado lugar a la existencia de códigos alfanuméricos.

OO1 1 O1 OO O1 O1 O1 1 O

1 2

3 4 5 6 7 8 9

De entre los diversos códigos alfanuméricos existentes, ha sido definido como código internacional el ASCII (American Standar Code for Information Interchange). Para representar los 26 caracteres alfabéticos y los diez números son necesarios 6 bits. De esta forma se dispone 28 combinaciones hasta las 64 disponibles (2 6) para codificar todos los símbolos especia les.

O1 1 1

1 OOO 1 OO1 1 O1 O 1 O1 1 1 1 OO

Tabla 7.5

i

Más tarde, con la expansión de la informática y la norma lización a 8 bits, se vio la necesidad de incluir en este código caracteres propios de diversos idiomas (español, francés, alemán, etc.) y se creó lo que se denomina el código ASCII ampliado o completo. Este código se representa en la Figura 7. 1.

7.6. Códigosalfanuméricos En los códigos estudiados en los apartados anteriores solamente era posible representar info rmación numérica. Sin

o

o

1

16

2

3

4 5

6 7

33

o

64

80

96

B

e D

E

F

82

p

113

É 160

... ...

192

L 208 _Jl_

224

a 240

---

o

130

161

,4: 162

í

193

....L

209 -

T

225

~ 241

±

178

194

131

•:t e

84

85

T

132

148

163

164

ú 179

ñ 180

1 -i 195

~ 211

n 243

~

2

e

196 -

21 2

o

228

L 244

r

4

h

g

106

i

120

121

w

X

y

z

134

135

136

137

138

o

150

151

u

ü

167

~

182

152

153

y ó

168

123

124

139

125

·, 155

e

ü

184

185

186

187

m

}

1 1

140

r-

¿

169

154

109

1

{

170 171 -, 1h

º 183

122

]

141

¡

1

190

_lJ

::::l

205

206 _JL

11

'11

202

204

.JL -

203 -

218

219

220

221

235

236

237

213

F 229

214

=!=

_J

230

-r

216

231

232

233

µ

't



e

248

249

rr

cr 245

246

215

247

) 5

7

1 234

Q 250

o

~

6

217

8

9

A

lí

1~

•8

00

-

-

1 cp

251

252

253

-V

n

2

B

e

D

A

Á

189

201

f¡=

143

-

dJ

=ji

lb

142

188

=¡

F 1~

127

173

200

o

126

172 1/4

¡]

111

n

~

199

+

110

157

9 ~I 198

95

A

[

197

o

N

156

i

? 79

94

\ 108

/ 63

>

93

k

e e e

e;

a

92

47

-

78

M

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Figura 7.1. Código ASCII.

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/TES -PARANINFO

7.1. Convertir al sistema binario: • •

Los decimales 1576, 3456 y 1912 Los hexadecimales 45, El , 70 y AB l C

7.2. Convertir al sistema decimal : • •

Los binarios 0110110, 0111011 y 11001101 Los hexadecimales 12, E5 , FF y 67

7.3. Obtener el número equivalente en BCD exceso tres de los decimales 5274 y 1234.

En las actividades de este capítulo vamos a aplicar los onocimientos de circuitos combinacionales estudiados en el Capítulo 6. 7.1. Se trata de realizar un decodificador de binario BCD tipo Aiken a decimal empleando puertas lógicas.

S-PARANINFO

7.4. Obtener el número decimal equivalente del número expresado en BCD natural: O11Ol00001 OO. 7.5. Convertir el número 110010000011 perteneciente al código BCD exceso tres a: •

e

• •

El código BCD natural. El código BCD Aiken. El sistema binario natural. El sistema decimal.

i 7.2. Realizar un circuito convertidor de código, empleando sólo puertas lógicas, para transformar cantidades expresadas en BCD tipo Aiken a BCD natural.

- .1 ~., J1JIf !J !.J 1J r.: f:J !J1J Comenzamos en este capítulo el estudio del autómata programable como base para los distintos tipos de automatizaciones que vamos a realizar. El autómata programable ha supuesto un gran paso en la automatización industrial y ha simplificado gran cantidad de tareas de cableado y automatismos clásicos; además, al poderse integrar en una red de ordenadores incrementa sus posibilidades.

.... Definición de autómata programable. .... Sistemas programados. Programación básica. .... Formas de representar un programa.

lil" Definir autómata programable. .... Realización de pequeños automatismos mediante mando cableado . .... Realización de pequeños programas en STEP 5 a partir del esquema cableado.

8.1. Definición de autómata rogramable Realmente lo primero que debemos saber es, precisamente, qué es un autómata programable. Para poder responder a esta pregunta, la mejor forma es diferenciar un automatismo clásico mediante cableado de un automatismo realizado con autómatas programables. En un automatismo clásico, la función de mando (lo que se debe hacer) se establece cableando entre sí los elementos de maniobra, es decir, poniendo en serie o en paralelo contactos de cierre o apertura. Toda la función reside en el cableado de los elementos de maniobra. Una modificación exige, por tanto, nuevos componentes, cambios de cableado, trabajos de montaje y de soldadura y, por supuesto, incremento económico.

.. ... _.,,J',.. ;r,·_ ...,,,_ ___ _

Todo esto sin contar las pérdidas de tiempo y dinero en las pruebas y puesta a punto. En un autómata programable, esta función se realiza por programa, es decir, mediante una serie de instrucciones que le dicen a la máquina qué contactos debe abrir, cuáles debe cerrar, retardos, contadores, etc. Todo el proceso de mando está depositado en la memoria del aparato de automatización. Tan sencillamente como se introdujo la función al programar, podemos realizar cualquier modificación de la misma, sin cambiar cableado, en el mismo lugar de la instalación e incluso, durante el proceso de trabaj o.

lf

Figura 8.1. Aspecto de autómatas de SIEMENS.

8.1.1. iPara qué se utiliza? Ahora que ya sabemos lo que es, veamos qué podemos hacer con un autómata programable. Un aparato de automatización lee señales de interruptores de posición, pulsadores, detectores de nivel, presostatos, termostatos, etc., tanto de señales digitales (un interruptor en ON/OFF) como analógicas (un mando con una tensión variable). Además envía órdenes de mando a contactores de motores, válvulas magnéticas, frenos electromagnéticos, lámparas de señalización, etc. Además de esto puede contar impulsos, almacenar señales, prefijar desarrollos temporales, etc., y todo esto conectado a una red informática para enviar y recibir datos de la red. Todo ello lo hace adecuado para tareas de automatización en todos las ramas de la industria, tales como electrónica, industria mecánica, automación, alimentación, petroquímica, construcción de máquinas, depuración de aguas, etc. También existen miniautómatas que pueden ser utilizados para pequeñas automatizaciones, como control de estacionamientos, cruces de semáforos, pasos a nivel con barrera, pequeñas empresas de manufacturación, etc.

8.1.2. Aspecto de un autómata La estructura de los autómatas es diferente de cada modelo y marca, sin embrago, existe una constante en todos ellos. En la Figura 8.1 se puede ver el aspecto de dos diferentes autómatas de SIEMENS.

..

El aparato está formado por una carcasa, generalmente, de plástico en la que van alojados todos los componentes electrónicos, que son: •

Microprocesador: Es el encargado de dirigir el funcionamiento del aparato. Recibe las órdenes del programa, ejecuta el programa y realiza sus funciones.

•

Memoria: Es el lugar donde reside el programa. El programa irá leyéndose de la memoria instrucción a instrucción a medida que se ejecute.

•

E ntradas/salidas: Conexiones especiales para comunicarse con el exterior, recibir señales externas para procesar o activar sal idas en funci ón del proceso del programa.

•

Fuente de alimentación: Encargada de alimentar todo el conjunto.

Además necesita una unidad de programación que, por lo general, suele ser exterior conectable fácilmente. Se utilizan dos tipos de programadores. El programador de tipo portátil es utilizado para pequeñas automatizaciones o para programar un determinado aparato en el lugar en que está instalado. El programador de consola es un ordenador conectado al sistema de automatización, que, además de servir para realizar las funciones de programación, realiza un control sobre el funcionamiento del sistema y puede estar conectado al sistema de gestión y facilitar labores de contabi lidad, pedidos, mantenimiento, etc. (Figura 8.2).

©

!TES-PARANINFO

ORDENADOR CENTRAL

O RDENADORES

y TERMINA LES

AUTÓMATAS MAESTRO S

iD

QQQ [Il]] [Il]] [Il]] [Il]]

ÓMATAS :,.SCLAVOS

das por donde envía las señales, debemos establecer la relación existente entre las entradas y salidas del autómata programable. Las entradas y salidas en lo sucesivo no se designan como se hace en los bornes de conexión, sino con el distintivo del operando, esto es: "E" para las entradas y "A" para las salidas, junto con un parámetro consistente en una combinación de un byte: O. , l. , 2. y una dirección bit: O , 1 , 2 , 3 ... 7. La combinación resultante para las entradas será: E O.O, E 0.1, E 0.2, ... E 0.7, E 1.0, etc. Y para las salidas A O.O, A 0.1, A 0.2, ... A 0,7, A 1.0, etc.

Figura 8.2. Estructura de un empresa de producción automatizada.

Para un detenninado programa podemos tomar el orden de entradas y salidas que deseemos ; no es necesario que tengan que seguir un orden; por ejemplo, podemos asignar como entradas las E O.O, E 0.3 y E 1.0, o cualquier otra.

8.1.3. La base: el sistema digital El funcionamiento interno, la transmisión de información y programación de los aparatos de automatización se efectúa - fo rma digital. Veamos qué es información en forma digital. La información de un determinado fenómeno, como por . -emplo, el estado del nivel de agua de un embalse, se puede -=-~esentar de dos formas distintas, analógica y digital. La pri-era de ellas utiliza un número infinito de valores posibles, es _ ntinua; es el caso del indicado de un voltímetro de "aguja" . .::n cambio, la segunda utiliza variables discretas, esto es, ariables que sólo pueden tomar un número finito de valores. Para muchas aplicaciones, la utilización de información de -po digital proporciona una mayor precisión que la analógi: es menos sensible al ruido, el número de operaciones bási35 a realizar con ellas es muy reducido y las aplicaciones ectrónicas son más sencillas de llevar a cabo y tienen un año mucho menor que las analógicas. Todo lo anteriormente indicado, unido a la extraordinaria docidad a la que procesa toda esta información, hace que _da vez se empleen más los sistemas digitales.

8.2.2. Programación de contactos de apertura y cierre Si a una determinada entrada conectamos un contacto (por ejemplo, un pulsador) normalmente abierto, la señal que se aplica al autómata será un O en posición de reposo o un 1 accionando el pulsador. Si el contacto es normalmente cerrado, la señal aplicada al autómata será 1 en posición de reposo y O en accionamiento. Ahora bien, el autómata no reconoce si el contacto es normalmente abierto o normalmente cerrado, tan sólo reconoce los estados I y O. Esto nos da la posibilidad de programar contactos abiertos o cerrados con un solo tipo de pulsador, mediante la función complementación (NOT). Para realizar esto basta poner una N delante de la entrada correspondiente y cambiaremos su estado normal. Por ejemplo, si a la entrada E O.O conectamos un pulsador normalmente abierto, pero queremos que el autómata lo reconozca como un pulsador normalmente cerrado, nombraremos la entrada en el programa como NE O.O.

8.2. Sistemas programados.

Programación básica La programación de un autómata sigue las reglas del álgede Boole que hemos visto en los capítulos pasados, y sus ·rrucciones básicas harán referencia a las puertas lógicas. irnos a pasar a estudiar básicamente las reglas de programa_-· n de un modelo de autómata concreto, el SIMATIC SS de -JEMENS .

8.2.3. Instrucciones básicas STEP 5 . Denominaremos en adelante STEP S al lenguaje de programación de los autómatas de la serie SIMATIC SS. Una instrucción en STEP 5 se compone de una parte llamada operacional, que describe la función a realizar, y otra llamada operando, en la que se indicará la entrada o salida correspondiente. Las funciones básicas, son:

8.2.1. Representación de entradas y salidas Como un autómata está formado, principalmente, por una ·e de entradas por donde recibe la información y otras sali-

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U Realizar una función AND O Realizar una función OR N Complementación = Asignar un resultado

Para programar una puerta ANO, por ejemplo, lo primero que debemos hacer es denominar las entradas que vamos a utilizar, que podrían ser: •

E32.0 (esta entrada es mucho más utilizada que la

E O.O).

e

E32.l

O( UNE 32.0 UNE 32. 1 ) = A 32.0

Observa la función complementación para la entrada complementada.

Ejemplo 1: Realiza el programa STEP 5 para las siguien-

Y la salida, que sería:

e

U E 32.0 )

tes funciones:

A32.0

F = (A

El programa sería:

+B +

C)0 + C)(B + C)

Como en todos los casos, comenzamos nombrando las entradas y las salidas, que serán, como antes:

U E32.0 U E32.l = A32.0

Variable A: E 32.0

Colocamos el operando U delante de cada entrada indicando el tipo de operación que queremos realizar; por ú ltimo, el signo=, indica la salida que queremos activar.

Variable B : E 32.1 Variable C: E 32.2 Función F: A 32.0 Y el programa:

8.2.4. Realización de programas a partir de funciones de Boole La realización de un programa STEP 5 a partir de una función de Boole es inmediata; tan sólo es necesario asignar a las variables de entrada y salida las entradas y salidas que deseemos. Veamos cómo se resuelven los programas de las funciones del capítulo anterior. F=A+B+C Asignamos a la variable A la entrada E 32.0 Asignamos a la variable B la entrada E 32.1

U( O E 32.0 ONE32.l O E 32.2 ) U( ONE 32.0 O E 32.2 ) U( O E 32.1 ONE 32.2 ) = A 32.0

Asignamos a la variable C la entrada E 32.2 Asingamos a la función F la salida A 32.0

•

Otra:

F =B -A + CiI·A + CA

El programa se trata de una función OR con tres variables: O E 32.0 O E 32.1

O(

O E 32.2

UNE32.l UNE32.0 ) O( U E 32.2 UNE 32.1 U E 32.0 ) U( U E 32.2 U E 32.0 ) = A 32.0

= A 32.0 Otro:

F=AB+A·BC + A-8 Variable A: E 32.0 Variable B: E 32.1 Variable C: E 32.2 Función F: A 32.0 Este ejemplo utiliza tres sumatorios de productos. Para realizar este programa se utilizan paréntesis de la siguiente forma: utilizaremos un paréntesis con una función O que englobe a cada uno de los productos, así: O( U E 32.0 U E 32. 1 )

Mismas entradas y salidas:

Este paréntesis y los dos siguientes engloban una función AND dentro de una OR.

8.3. Formas de representar un programa

O( UNE 32.2 U E 32.1

Existen tres formas básicas de representar un programa para autómata, que son:

©

/TES -PARANINFO

•

•

•

AWL: Lista de instrucc iones. La que acabamos de ver. Q uizá la fo rma más difundida de este lenguaje. Las instrucciones se envían al autómata en forma de li sta como cualqui er lenguaje de programación de ordenadores. Para algunas aplicaciones no es aconsejab le, ya que puede llegar a crear confusión en el operario si no tiene la suficiente experienc ia en este tipo de lenguaje. Es más aconsejable en ap licaciones complejas en las que se acompaña un gráfico del automatismos tipo GRAFCET o sim ilar. KOP: Esquema de contactos. Este método de programación consiste en introducir un programa en forma de esquema eléctrico del automatismo, transformado a formato internacional mediante unas sencillas reglas. Este método es muy interesante cuando partimos de un automatismo clásico ya realizado y queremos automatizarlo mediante el autómata; bastará con adaptar el esquema a este formato mediante unas reglas muy simples e introducir el programa en el autómata.

8.3.2. Programación en formato FUP Para realizar un programa en este formato, el camino más sencillo es realizar el programa del automatismo empleando el álgebra de Boole y la simplificación por Karnaugh o cualquier otra, una vez obtenida la ecuación, como en el anterior, pasamos a realizar el esquema con puertas lógicas, pero en lugar de utilizar los símbolos de las puertas lógicas utilizamos los símbolos electrotécnicos normalizados, cuya equivalencia se puede ver en la Figura 8.4.

PUERTAS LÓGICAS

u =o- u =[>-

FUP: Esquema de funciones. El programa se realiza a partir del esquema obtenido por la tabla de Karnaugh y realizado con puertas lógicas . Se transforma en los símbolos equivalentes electrotécnicos y queda listo el programa. Este método de programación está poco difundido, tan sólo en algunos mode los de autómatas concretos (por ejemplo el LOGO!).

-[>-

=1>=[)---

.3.1. Programación en formato KOP Este tipo de formato parte del esquema de cableado y, iante una transformación a formato internacional, se uce directamente en el autómata. Este método de programación también se pude utilizar para izar programas directamente desde el esquema cableado utido software apropiado. Prácticamente todos los paquetes de _ amación para el ordenador disponen de las opciones de ato KOP y AWL y traducción entre ambos fonnatos. En la Figura 8.3 podemos ver la equi valencia entre los · ipales símbolos eléctricos y su equivalente en KOP. E n - siguientes capítulos estudiaremos más sobre este método rogramación.

FORMATO FUP

-[}-

o&-

Figura 8.4. Puertas lógicas y símbolos FUP.

Según esta figura se puede observar la similitud de formatos y la facilidad de pasar un esquema en puertas lógicas al formato FUP. En la Figura 8.5 podemos ver el mismo proceso que en el Ejemplo 1, en este caso, utilizando el método FUP. Las entradas y salidas siguen el mismo orden que en los ejemplos anteriores. E32.0 E32. 1

EXPLICACIÓN CONTACTO ABIERTO

SÍMBOLO

(

FOA+B+C

KOP

~~

E32.2

E32 .0

CONTACTO CER RADO

~\~

E32 .1 F=AB+ABC + AB E32 .2

RECEPTOR (RELÉ O CONTACTOR)

.

ó

-{ )-

a 8.3. Correspondencia entre el símbolo eléctrico y el símbolo KOP.

ES-PARANINFO

Figura 8.5. Ejemplo de programa FUP.

8.1. Realiza, mediante mando cableado, un encendido secuencial de 3 lámparas, de forma que cada una de ellas esté encendida durante un tiempo fijado por temporizadores.

8.2. Realiza el programa STEP 5 para todos los ejercicios del Capítulo 3.

--=

8.1. En el aula taller realiza el cableado de los automatismos de mando cableado que aparecen en este capítulo. Debes utilizar: •

Pulsadores: normalmente abiertos y normalmente cerrados.

•

Relés o contactores: debes comprobar qué contactos están normalmente abiertos (en reposo) y cuáles están normalmente cerrados.

8.2. Siguiendo las pautas de simplificación de funciones por Kamaugh y la programación STEP 5 vamos a realizar un ejercicio para la realización de un display de 7 segmentos, como los dígitos de las calculadoras y relojes. Queremos que aparezcan los números O a 9 en el display en función del código binario de las entradas del autómata, según la tabla siguiente:

....

=

ABCD

Nº -,--

0000 0001 OO 1 O OO 1 1 O 1 OO O1 O1 O1 1 O O1 1 1 1 OOO 1 OO 1 1 O1 O 1 O1 1 1 1 OO 1 1 O1 111O 1111

o

Nº

o 1 2 3 4 5 6 7 8 9

X X X X X X

s

ABCD

o o o o o o o o 1 .1 1 1 1 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

o 1

T

u V X V

z

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

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

Completa la tabla, simplifica por Karnaugh y obtén el programa STEP 5.

-

s

1 2

3 4

5 6 7 8

9

X ,X X

yíl

z

]< ~u

X X X

Las variables A, B, C y D serán las entradas al autómata, por ejemplo, E32.0 E32.1, E32.2 y E32.3, respectivamente. Las salidas serán los segmentos del display, que los nombraremos con las letras que aparecen en la Figura 8.6. Iremos comprobando qué segmento debe iluminarse para que aparezca cada dígito y completaremos la tabla siguiente:

ílT

/

V Figura 8.6. Aspecto del Display.

©

/TES-PARANINFO

/

Jntrnr.Jm:dón En este capítulo vamos a estudiar una forma práctica de realizar programas para autómatas (principalmente para la serie SIMATIC SS) a partir del esquema cableado. Existe una gran cantidad de automatismos en funcionamiento en forma de automatismo cableado, por lo que puede ser muy útil poder pasar del esquema ya existente a un programa de autómata, con lo que la automatización de la instalación resultará más simple.

Cu11í~11idu lil" Introducción. lil" Realización de automatismo básicos. 1111-

Programación de temporizadores.

\'

~

.-~

( uJJ ~IJYUD 1111- Realización de programas a partir de esquemas cableados. .... Conocer nuevas instrucciones STEP 5. .... Planteamiento de automatismos más prácticos.

1

/

9.1. Introducción

E-

p

Recordemos el capítulo anterior, en el que estudiamos cómo realizar programas a partir de diagramas de contactos básicos. Así, para programas, una función O básica o una función U básica simplemente la realizábamos según la Figura 5.1 , también otras más complejas. En este capítulo vamos a ver cómo realizar programas a partir de esquemas cableados. Este método de programación también se puede utilizar para realizar programas directamente desde el esquema cableado uti lizando software apropiado. Este tipo de programación se denomina KOP.

E32.0

E- -

M

K1

A32.0

E32.1

UNE32.0 U( O E32.0 O A32.0 ) = A 32.0 BE

K1

A32.0

A32.0

Figura 9.2. Automatismo de enclavamiento. E32.0

E32.1

A 32.0 E32.1

E2.0

A32 .0

)

Figura 9.3. Programa KOP.

p

E-

E32.0

Figura 9.1. Conexiones básicas. Como ejercicio realiza los programas de las conexiones de la Figura 9. 1.

A32. 1 K1 E32.2

E32. 1

9.2. Realización de automatismos

hás' Vamos a realizar una serie de automatismos básicos partiendo del esquema cableado. Para ello vamos a comenzar con un enclavamiento como los que vimos en el capítulo anterior. En la Figura 9.2 vemos este enclavamiento y su programa. En este automatismo se puede observar cómo una salida (A 32.0) puede ser utilizada como entrada. La Figura 9.3 son dos relés incompatibles pasando por paro. Obsérvese que es, simplemente, repetir dos veces e.l anterior.

K2

A 32.1

K1

Kl

A32. 1

K2

A32.0 ~ - - . - - ~

UNE32.0

A32. 1

UNE32.0

U(

U(

O E32.0 O A32.0 .

O E32.2 0 A32.1

1

1

UNA32.1 = A32.0

UNA32 .0 = A32.1 BE

Figura 9.4. Dos relés incompatibles pasando por paro.

© /TES -PARANINFO

La Figura 9.4 son dos relés incompatibles pasando por paro. sérvese que es, simplemente, repeti r dos veces el anterior. En la Figura 9.5 el programa está en fonnato KOP.

E32 .1

E2.0

A32.1

9.3. Programación de tem orizadores Para programar un temporizador en STEP 5, utilizamos tres instrucciones: una de carga, otra de arranque y otra de control del temporizador.

A32.0

)

E2 .0

E32. 1

A32 .0

)

)

E2.0

Figura 9.7. Programa en formato KOP.

La Figura 9.6 muestra dos relés incompatibles sin pasar por o, y en la Figura 9.7 en formato KOP. La disposición es uy simi lar.

Obsérvese que en este caso existe un paréntesis que alber-= a otro, debido a que la disposición es una combinación ~ ·e que engloba una paralela, pero esta última, a su vez es en serie.

p

A32.1

)

Figura 9.5. Programa en formato KOP. -

E32.2

E--

Para cargar un temporizador se utiliza la instrucción:

e

LK T x.y

Siendo "x" el número que se va a temporizar, e "y" la unidad de temporización, que puede ser: si "y" es O es 1 es 2 es 3

temporiza temporiza temporiza temporiza

en en en en

0,01 segundos O, 1 segundos I segundo 1O segundos

Por ejemplo, LK T 9.2 carga un temporizador de 10 s, también LK T 100.1 cargaría un temporizador de 1O s.

E32 .0

Para el arranque del temporizador el STEP 5 utiliza diversas instrucciones, pero las más usadas son :

K1

A32.0

M2

E-- -

A32.1

•

SIT i. Arranca el temporizador a la desconexión.

•

SET i. Arranca con retraso a la conexión (normalmente el utilizado).

E32.2

E32 .1

Siendo i el número de temporizador que queramos arrancar; el límite de temporizadores depende de la capacidad de memoria de la máquina. K2

A32.1

K1

A32.0

Por último, la instrucción de control que utiliza, es: •

K1

K2 A32.1

32 .0

UNE32.0

U( O E32.0

0( U A32.0 UNA32.1 ) )

= a32.0

une32.0 u(

o e32.2 o(

u a32.1 una32.2 ) )

=a32.1

be

Figura 9.6. Dos relés incompatibles sin pasar por paro.

=

ES-PARANINFO

UT i, en la que i tiene el mismo significado que en el caso anterior, y además indicará el temporizador que queremos controlar.

En STEP 5, las instrucciones de carga, como por ejemplo LK T, son con prioridad, es decir, no necesita una condición de entrada o función para que se realice, por lo que se podría colocar en cualquier lugar del programa y realizaría la carga. Sin embargo, el arranque del temporizador necesita de una función que se cumpla. En la Figura 9.8 aparece un temporizador accionado por un pulsador con enclavamiento que cuando termina la temporización enciende una lámpara. La programación la realizaremos por ramas (segmentos). El primer segmento será un enclavamiento. En el segundo se activará en temporizador con la señal de salida A 32.0 y en el tercero se encenderá la lámpara al terminar de temporizar (U T 1).

220 V

p

UNE32.0 U( O E32.0 O A32.0

E-

E32.0

1

= A32.0

E- -

M

K1

A32.0

K1

A32.0

K1

UNE32.0 U A32.0 LKT30.1 SET 1

T1E-

E32.1

UNE32.0 UT1 =A32.1

A32.0

K1

A32.1

T2

T1

T1

BE

T1

K2

K1

H1 K1

A32 .1

A32.1

A32.0

A32.0 t=3

s (LÍNEA}

{TRIÁNGULO)

(ESTRELLA)

Figura 9.10. Arranque estrella-triángulo. Figura 9.8. Programación de un temporizador.

La Figura 9.9 es una variación del esquema anterior. Se propone como ejercicio realizar el programa.

M

E-

K1

A3i.o

TI

E32.1

K1 A32.0

Figura 9.9. Encendido secuencial de tres lámparas.

El automatismo anterior (Figura 9.10) es el esquema y programa del arranque estrella-triángulo. Programa: UNE 32.0 U( O E 32.1 O A 32.0 ) = A 32.0 U A 32.0 UNT 1 = A 32.1 U A 32.0 LK T 30.1 SET 1 UT 1 LK T 2.1 SET 2 U T2 = A 32.2

BE

©

/TES-PARANINFO

=

9.1. El circuito de la figura produce dos señalizaciones. Una visual (lámpara) y otra acústica (bocina), cuando ocurra el disparo del relé ténnico. Se pretende, además, que ambas señalizaciones sean alternadas en el tiempo y con una misma duración. Realizar el programa en lista de insrucciones.

F2P

F2P

F3P

K1A S1A

K1A

K1A

9.3. Dos elementos calefactores se tienen que conectar para el accionamiento manual mediante impulsos de mando, de forma que con el primer impulso se conecte el primer elemento calefactor, con el segundo impulso el segundo elemento calefactor y con un tercer impulso se desconecten ambos elementos. Los elementos calefactores se conectan mediante los contactores de potencia Kl 1 y Kl2. Además se representa, mediante las lámparas de señalización Hll y Hl2, el estado de conexión de cada elemento calefactor (Figura 9.13). 9.4. Controlar la grúa representada en la Figura 9.14 para que realice los ciclos representados en dicha figura. Partiendo de la posición de reposo (la representada en la figura) realiza el ciclo 1, hasta llegar a la posición 2, donde permanecerá un tiempo determinado antes de realizar el ciclo número 2.

K1A K1A

L

S1

~,i----.-1~I1 K1A

K2A

Figura 9.11. Esquema del Problema 9.1.

9.2. En un paso de cebra se encuentra un semáforo para peatones. Mediante la actuación del pulsador se deberá desarrollar la conocida secuencia de "rojo" para vehículos y "verde" para peatones y viceversa. Seleccionar para este ej emplo los tiempos de manera que a los conductores de ·ehículos les corresponda una fase amarilla de tres segundos y a la fase roja una duración de 16 segundos. La fase verde para los peatones debe durar solamente diez segundos (Figura 9.12 y Capítulo 3, Ejemplo 4).

K12

K11 K2

K1

K3A

K1A

N

Figura 9.13. Esquema del Problema 9.3.

Cuando vuelva a alcanzar la posición de reposo número 1, la grúa se parará. El sistema cuenta con un interruptor de control o arranque que tendrá que ser activado, cada vez que deseemos que la grúa realice los dos ciclos. 4

3

2

f

CICLOZ

+'

POSICION DE REPOSO

1

Figura 9.12. Esquema del Problema 9.2.

-;: /TES - PARANINFO

r t '

CICLO 1

POSICION DE REPOSO

2

Figura 9.14. Esquema del Problema 9.4.

En este esquema tenemos, por una parte, la conexión del motor a la red trifásica. En el centro de la figura aparece el cableado de las entradas del autómata, que será de 24 Vce. El rectángulo representa la entrada del autómata correspondiente. La figura de la derecha será la conexión de las salidas del autómata. En este caso se ha utilizado el modelo de SIMATIC AG-90; para otros modelos se deben consultar los manuales de conexión del autómata.

9.1. En el aula taller vamos a realizar un automatismo de una inversión de giro de un motor de inducción trifásico. Para conseguir la inversión de giro en un motor de este tipo basta con invertir dos de las fases que le llegan al motor.

El automatismo se debe realizar utilizando un autómata programable, que se programará con un programa de relés incompatibles. Es preferible utilizar el programa de los relés incompatibles pasando por paro, con la finalidad de poder parar un tiempo y, a continuación, invertirle el giro.

Como complemento a esta actividad, modificar el programa para que el motor gire durante un tiempo en un sentido, se detenga durante otro tiempo y gire en el sentido contrario, permaneciendo así hasta que se actúe sobre el pulsador de parada.

Como esquema de fuerza seguiremos el esquema de la Figura 9.15.

L1 L2 - - - - i - - , . . - - - - - - - AG-90

L3 - - - - 1 - - , 1 - - , - - - - --

AG-90

AG-90

SALIDA:

SAL10A:

SALIDA:

A32.0

A32.1

A32.2

GENERAL

G. IZDA

G. DECHA

G. +24Vcc +24 Vcc G.I.

G.D.

1

M .O.

1

M.I.

G

'

' AG-90

AG-90

ENTRADA:

ENTRADA:

E 32.1 M. IZDA

G.D.

G.I.

-24Vcc

E 32.2 M . DECHA

Figura 9.15. Esquema de fuerza de la Actividad 9.1 .

©

/TES -PARANINFO

Juirn Ll !J n: i úu 1 Sistemas secuenciales son aquellos cuya salida en cualquier momento depende no solamente tle la entrada al circuito en ese momento, sino también, de la evolución anterior, es deci,; 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, guartlen información sobre la "historia del sistema".

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

' .' ( .J U.u ~IJ YUJ 11- Distinguir entre sistema combinacional y secuencial. 11- Conocer los distintos elementos secuenciales. 11- Realización de pequePíos procesos secuenciales.

10.1. Biestables Un sistema secuencial, en la práctica, está constituido por un sistema combinacional de salida, por un sistema combinacional 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 Q1 en el estado anterior, mientras que Qn+I es el valor de la salida en el estado presente. Q1y Q2 son siempre complementarias menos cuando las entradas R y S valen simultáneamente 1. Para e liminar el defecto de este tipo de biestable, se utiliza el biestable J-K:

1~

K

J

Estas unidades de memoria elementales se denominan genéricamente biestables o flip-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.

Qn

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+l

O (Qn) 1 (Qn)

o o 1 1 1

o

Tabla 10.2.

10.1.1. Biestables asíncronos

Si unimos las dos entradas del biestable J-K obtenemos 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

Qn

Qn+l

o o o 1 1 o

En la Figura 10.1 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 10.3.

10.1.2. Biestables síncronos

R _ _ _ __2_

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 10.2, se muestra un biestable R-S síncrono activado por nivel y e l diagrama de tiempo; en este caso la señal de reloj es la C. 3

B)

R _ _ __,

t-----º

s ___

- ---º'

-l

P--- ~- º

e _____, 3

Figura 10.1. 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

Qn+l

O (Qn) 1 (Qn) 1 1

o o o o

1 1 1

Tabla 10.1.

s R

O - - -~

Figura 10.2. Biestable R-S y diagrama de tiempos.

©

/TES-PARANINFO

11.1

al

3u e

al

:::s

u

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.

D C

ª·

1

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

1

14

13

Q

6

o o

L K

J 1 4

O (Onl 1 (Qn) 1 1

Q

7

3

K

4

CLK K

e L

Q

2

1 3

B)

A)

CL

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 10.4 se muestra un modelo del dispositivo maestro-esclavo.

K

3

L K

J 1 4

3

Vcc 3

-- - -- - --1

4

5

7

6

Figura 10.5. Circuito 7473.

10.2. Contadores

En la Figura 10.6 se muestra el diagrama de bloques del circuito 7493, que es un contador asíncrono binario fo1mado 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 10.5 y 10.6 se muestran las tablas de verdad y de selección, respectivamente . ...

s

s

Q

R

R

Q'

2

Figura 10.4. 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 Y 1 e Y 2• Al pasar la señal de reloj a nivel cero, la información almacenada en el master pasa al slave. Se muestra en la Figura 10.5 el circuito comercial 7473 que corresponde a un doble biestable J-K master-slave y la tabla de funcionamiento :

/TES-PARANINFO

e

K

·-

--

Nº

o

©

CL

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

e_ -+-_.. . .,

Q

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.

3

e

1 2

Q 2

'- - - -

12

4

1 3

3

e

1 (Qn)

Q

:Q

.!! 11.1

Q

Q

J

----------

1

2

J

1

8

9

til

ª•+1

En la Figura 10.3 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.

10

GND 1 2

Tabla 10.4.

2

11

-------

O (Qn)

1

12

1 2 3

4 5

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Salidas 03 02 o,

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

Tabla 10.5.

ªº

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

¡

rn

(1)

Q,>

-¡:;

·o e

=

Q,>

{,J

Q,> (1)

~

CPO

E Q,> ( 1)

2

ci5

CP1

00

02

01

03

Figura 10.6, Diagrama de bloques del CI 7493.

Entrada de selección

1~

--

!

Salidas

MR1 MR 2

ºº

o,

02 03

o

1

o o o o

X

X

1

Cuenta Cuenta

1

Tabla 10.6.

10.3. Re istros de des lazamiento 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.

Solución: Si se observa detenidamente la Tabla 10.3, 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 1, la salida cambia de valor; es decir, niega el valor que tuviera anteriormente. 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 10.8.

o

o

r--

T

-T O'

O'

~

ENTRADA

_____.1

...__

El dispositivo más sencillo es el que recibe la información en serie y la transmite también en serie. En la Figura 10.7 se muestra un registro de estas características formado por cuatro biestables D disparados por flanco de subida. Ejemplo 1: 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 10.4, correspondiente a un biestable D donde el nivel activo de la señal de reloj es 1, y dada la evolución en el tiempo de las señales de entrada que aparecen en la Figura 10.9 (dos superiores, correspondiente a C y D), dibujar el diagrama de tiempo (cronograma) de la salida de este dispositivo.

SALIDA

ENTRA.~D-A-----t 3

SALIDA

Figura 10.8. Divisor de frecuencia entre 4.

CLK

3

CLK

fQ

CLK

6

fQ

6

----t-----....---1-----.....----t---~

CLOC-K~.....

CLEA-R~--- -....--

------t---------t,__-----~

Figura 10.7. Registro de desplazamiento serie-serie de cuatro bits.

©

/TES-PARANINFO

Solución: Como se puede comprobar, la salida sigue a la entrada, siempre que la señal de reloj permanezca a nivel alto (nivel activo, en este caso). Cuando la señal de reloj pasa a nivel bajo, la salida mantiene el valor anterior y no se altera aunque cambie la entrada. Por esta razón, el dispositivo recie el nombre de cerrojo (latch). En la Figura 10.9 aparece el ronograma con las entradas y respuestas del biestable.

c_J

L_

Figura 10.9. Diagrama de tiempos del biestable D. Ejemplo 3: Diseñar un contador asíncrono que cuente · íclicamente de O a 9 (del 9 pasa al O). Para la construcción el circuito se dispone de biestables J-K síncronos que se _ tivan con el flanco de bajada de la señal del reloj. Estos dispositivos disponen de una entrada de borrado, CLR clear), análoga a la de los biestables del contador 7493, cuyo \ ·el activo es el O. Solución: Se trata de diseñar un contador de décadas cuya pacidad sea de diez impulsos. Como el número de estados ~- superior a 8 e inferior a 16, son necesarios cuatro biestables c0nectados en serie. Para que el contador pase automáticaente del estado I 001 (9 decimal) al 0000 (O decimal), es :iecesario poner a O todas sus salidas en el mismo instante en ue aparece la combinación 101 O. 00

Esta operación se consigue mediante una puerta NAND de dos entradas, conectadas tal como aparece en la Figura 10.1 O. Este método es válido para la construcción de contadores de distinto módulo. Ejemplo 4: Diseñar un contador decimal de impulsos con posibilidad de predete1minar, mediante unos conmutadores de diez posiciones, el valor de cuenta entre O y 99. Se utilizarán contadores tipo 7490 y la circuitería lógica adicional necesaria. Solución: El circuito resultante se muestra en la Figura 10.11 . Como puede observarse, consta de dos contadores tipo 7490 conectados en cascada, de manera que uno cuenta las unidades y el otro las decenas. Para conseguir lo anteriormente expuesto, basta con conectar la salida D del primer contador a la entrada de impulsos del segundo; cuando el primer contador llega a 9 ( 1001 ), la salida D está en 1, pero al llegar un impulso más dicha salida pasa a valer O (0000), generándose, por tanto, un flanco de bajada en la entrada del segundo contador, que se incrementará en una unidad. Las salidas de los contadores están conectadas directamente a decodificadores del tipo 7442 (BCD-decimal). Estos circuitos responden con un O en la salida decimal equivalente al valor binario de entrada. Cuando la salida decodificada coincide con el valor predeterminado por los conmutadores éstos introducirán simultáneamente un O en las dos entradas de la puerta NOR, la cual, a su vez, producirá un 1 en la salida, lo que, al ser aplicado a la entrada de reset del contador, provocará su puesta a cero o borrado. Si se desea visualizar la cuenta, no habrá más que conectar cada una de las salidas de los dos contadores a las entradas de dos decodificadores BCD-7 segmentos y éstos a dos displays . Se deja como ejercicio realizar esta ampliación. 02

01 7473

03 7473

--'-e>

~~TRA ..;;: D'-'A

IMPULSOS

3

Figura 10.10. Contador de décadas.

...ill...__

o1,.( éNTRADA

1

U1 14

~

A B

.-+-

QA QB QC QD

o

,s ,.

R

IS

12 1

RO( l) F R 0 (2) R911) R9(2) ~

1 2 3 B 4 e 5 D 6 7 8 9 ~

)- :---"'\

-

7490

li± ,? A

o

U2 A B

R0(1) R0(2) R9(1) R9(2) 7490

1

.~>

,.,

'.'..

-

1

>Oi) 1RSW10

QA QB QC QD

,, "o

1

,,,.,

1S

I?

....

_

2

USA 2

A B

e

D

3 4

o 6 7 8

9

~

3

SW2

-

', )P,)>

-

(

Figura 10.11. Contador de impulsos programable. "' /TES-PARANINFO

SW1

.I

...!d±.__

,J.

-

A

-

'> 1RSW10

~

10.1. Dibujar el diagrama de bloques de un circuito que divida entre ocho la frecuencia de la señal aplicada a la entrada.

10.5. Conectar adecuadamente el contador 7493 para que efectúe una cuenta de Oa 8; es decir, para que el noveno impulso lo ponga de nuevo a cero.

10.2. Representar los diagramas de tiempo correspondientes a un biestable D cuyo nivel activo es el cero. Representar también su tabla de la verdad (Figura 10.12).

10.6. Mediante circuitos 7493, construir un contador de módulo 60.

10.3. Obtener el cronograma de cada una de las salidas del circuito de la Figura 10.12 sabiendo que a la entrada se aplica una onda cuadrada de frecuencia constante. 10.4. Construir un contador asíncrono con biestables JK que cuente cíclicamente de O a 6.

10.7. Diseñar un sistema de regadío que controle seis electroválvulas, de forma que cada 15 minutos se accione una distinta y, al terminar el ciclo, quede todo parado hasta que se active un pulsador de iniciación del sistema. Se dispone para su realización de un temporizador que cada 15 minutos genera un impulso.

S1 K

~

Q

S2

---CLK

----'"""'"4 o e

a

R

~

01-:1.·---------------. S3

Figura 10.12. Circuito del Problema 10.3.

=-

Realizar teórica y prácticamente estos problemas: 10.1. Sabiendo que el juego de la Loto tiene números del 1 al 49, diseñar un sistema que genere estos números de forma aleatoria para jugar a dicho juego. Util izar para el desarrollo circuitos del tipo 74192.

10.2. Diséñese una máquina de café de la siguiente forma: acepta monedas de 2 y 1O céntimos de euro por ranuras diferentes; la máquina debe dar café, y si fuera el caso, entregar la vuelta. El café cuesta 50 céntimos.

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JuírnLlm:dóu 1 En este capítulo vamos a utilizar los conocimientos adquiridos en los capítulos anteriores para el desarrollo de automatismos más o menos complejos mediante autómatas programables. Este capítulo puede considerarse como el más importante en el aprendizaje de la programación de autómatas, de ahí su extensión. Para realizar un automatismo secuencial mediante un autómata programable nos debemos centrar, principalmente, en las variables de salida; de ahí surgen dos tipos de diseño, llamados "autómata de Moore" y "autómata de Mea/y". Vamos a realizar este estudio basado en el método de programación GRAFCET y, posteriormente, desarrollaremos un nuevo método similar al anteri01; al que denominaremos método Visual.

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

Modelos de síntesis con autómatas programables . Método de programación GRAFCET Ecuaciones lógicas . Otras posibilidades de GRAFCET Acciones asociadas a las etapas. Realización del programa. Método Visual de programación. Programación de contadores .

.... Conocer el método de programación GRAFCET .... Conocer otros métodos de programación gráfica. .... Capacidad suficiente para realizar automatismos secuenciales con autómatas programables.

11.1. Modelos de síntesis con g~MBlNACIONAL 1 - -lt+ -_l_ ENTRADA

Como ya se sabe, un sistema secuencial es aquel en que el valor de su salida en un instante determinado no depende de los estados lógicos de las entradas en dicho instante, sino de la secuencia con que dichos estados se aplican a las entradas. Efectivamente, un sistema secuencial se compone de un sistema combinacional de entrada, otro de salida y un elemento de memoria interno.

11

Para realizar un sistema secuencial, bien sea mediante autómatas programables, que es precisamente lo que nos ocupa, como mediante la electrónica digital, no sólo debemos conocer cómo funcionan lógicamente la combinación de entradas y salidas sino, más bien, de cómo evoluciona cada salida en función de las entradas y variables internas. Cada una de estas evoluciones se llamarán estados del autómata, porque realmente el autómata cambiará su estado a medida que evolucione el proceso. Según esto, para observar la evolución de un proceso secuencial, es necesario acudir a las variables de salida. La forma de obtener dichas variables va a dar lugar a dos modelos de sistemas secuenciales: Modelo Moore y Modelo Meary.

11.1.1. Modelo de autómata de Moore En este tipo de autómatas las salidas dependen solamente de sus estados internos en el instante en que se consideran (un caso particular será cuando las variables de salida coincidan con las del estado interno). ENTRADA

~

CIRCUITO COMBINACIONAL DE ENTRADA

11 + 1

ELEMENTO DE M EMORIA

lt

CIRCUITO COMBINACIONAL DE SALIDA

CIRCUITO COMBINACIONAL

CIRCUITO

autómatas ro ramables

SALIDA

~

M Figura 11.1. Autómata de Moore. Una representación de este modelo aparece en el diagrama de la Figura 11.1 , en el que se puede apreciar que el circuito de salida depende solamente del estado interno del elemento de memoria.

11.1.2. Modelo de autómata de Mealy En él, las variaciones de salida están asociadas a las transiciones entre estados de entrada, además de las de los estados internos. Un diagrama de bloques de este tipo de autómata aparece en la Figura 11.2; en él se aprecia cómo la salida depende del estado interno y de la entrada.

ii~EMENTO MEMORIA

1 - ~ - e i DE SALIDA

SALIDA

St

Figura 11.2. Autómata de Mealy. Conviene hacer notar que los modelos Moore y Mealy son dos fonnas de realizar el sistema secuencial, y se puede demostrar que para todo sistema secuencial Mealy existe otro Moore equivalente, y viceversa.

11.2. Método de programación GRAFCET GRAFCET (Gráfico de Mando Etapa Transición) surge en Francia a mediados de los años 70, debido a la colaboración entre algunos fabricantes de autómatas, como Telemecanique y Aper con dos organ ismos oficiales, AFCET (Asociación Francesa para la Cibernética, Economía y Técn ica) y AD EPA (Agencia Nacional para el Desarrollo de la Producción Automatizada). Homologado en Francia (NFC), Alemania (DIN), y posteriormente por la Comisión Electrotécnica Internacional (norma IEC 848, año 1988). Actualmente es una herramienta imprescindible cuando se trata de automatizar procesos secuenciales de cierta complejidad con autómatas programables.

11.2.1. Principios básicos El GRAFCET es un diagrama funcional que describe la evolución del proceso que se pretende automatizar, indicando la acciones que hay que realizar sobre él y qué informaciones las provocan; partiendo de él se pueden obtener las secuencias que ha de realizar el autómata programable. Su empleo para resolver la automatización facilita el diálogo entre personas con niveles de formación técnica diferente, tanto en el momento del análisis del proceso a automatizar, como posteriormente en el mantenimiento y reparación de averías. A continuación se describen los símbolos normalizados utilizados en el GRAFCET.

11.2.2. Etapas Para representar la evolución de un proceso con GRAFCET, se considera que el proceso a automatizar y el autómata que se emplea como controlador forman un solo sistema; el nexo de unión entre las actuaciones que hay que hacer sobre el proceso (activar un motor, cerrar una válvula, etc.) y el programa de usuario, cargado en el autómata, que da origen a aquellas es la etapa. Por tanto, la representación gráfica de la evolución de un proceso con GRAFCET estará formada por una serie de etapas, y cada una de ellas llevará asociada una o varias acciones a realizar sobre el proceso.

©

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Las etapas se representan con un cuadrado y un número o una E con un número como subíndice; en ambos casos, el número indica el orden que ocupa la etapa dentro del GRAFCET (Figura 11 .3). Para distinguir el comienzo del GRAFCET, la primera etapa se representa con un doble cuadrado.

entonces se produce la activación de la etapa 5. Sólo puede existir una etapa activa; por tanto, cuando se produce la activación de la etapa 5 se desactiva la etapa 4. La condición CT está siempre asociada a la etapa posterior, en este caso, a la 5.

REPRESENTACIÓN DE ETAPAS ACTIVAR BOMBA

CT ETAPAS INICIALES

CONDICIÓN DE TRANSICIÓN ASOCIADA A LA ETAPA ANTERIOR PARAR

ACTIVAR

BOMBA

MOTOR

Figura 11.5. Condiciones de transición (CT).

Figura 11.3. Representación de etapas en GRAFCET. Las acciones que llevan asociadas las etapas se representan con un rectángulo donde indica el tipo de acción a realizar (Figura 11.4); como se ha comentado anteriormente, una etapa puede llevar asociadas varias acciones.

La condición de transición puede ser una o varias variables de las que intervienen en el proceso; por ejemplo, una señal de un final de catTera, la activación de un motor, un tiempo, etc. Para la condición de transición se emplea lógica positiva y podemos tomar los dos valores CT = 1 y CT = O; a continuación se indican algunos ejemplos: •

Condición activa: CT = Fi La activación de la etapa 5 se produce cuando el final de carrera Fi está activado.

•

Condición inactiva: CT= Fi' La activación de la etapa 5 se produce cuando el final de carrera Fi está inactivo.

•

Condición por tiempo: CT = t/3/10 s. La activación se produce cuando el temporizador activado en la etapa 3 alcanza los 1O segundos.

•

Condición de varias variables: CT = Fl F2' F3 La activación se produce si los finales de carrera F 1 y F3 están activos y F2 está inactivo.

•

Condición incondicional: CT = 1 La activación de la etapa 5 se produce al activarse la etapa 4.

•

Condición flanco descendente: CT = Al j, La activación se produce cuando la señal Al pasa de 1 a O.

•

Condición flanco ascendente: CT = Al Í La activación se produce cuando la señal Al pasa de Oa l.

ACTIVAR BOMBA

PARAR

ACTIVAR

BOMBA

MOTOR

Figura 11.4. Acciones asociadas a etapas.

11.2.3. Condición de transición Un proceso secuencial se caracteriza porque una acción determinada se realiza en función del resultado de la acción anterior. En GRAFCET, el proceso se descompone en una serie de etapas que son activadas una tras otra. Por tanto, tendrá que existir una condición que se ha de cumplir para pasar de una a otra etapa; en GRAFCET se le llama condición de transición y se representa según la Figura 11.5. En la Figura 11.5, hay dos etapas y una condición de transición entre ellas; para que el proceso evolucione de la etapa -+ a la etapa 5, es necesario que la etapa 4 esté activa y, además, que se cumpla la activación de la condición CT;

'.fl !TES-PARANINFO

11.2.4. Reglas de evolución def GRAFCET Partiendo de lo que ya hemos visto en apartados anteriores, podemos resumir una serie de reglas básicas que hay que tener en cuenta para aplicar GRAFCET. •

El proceso se descompone en etapas, que serán activadas de forma secuencial.

11

•

Una o varias acciones se asocian a cada etapa. Estas acciones sólo están activas cuando la etapa está activa.

•

Una etapa se hace activa cuando la precedente lo está y la condición de transición entre ambas etapas ha sido activada.

•

La activación de una condición de transición implica la activación de la etapa siguiente y la desactivación de la precedente.

•

INSTRUCCIÓN SET

INSTRUCCIÓN RESET

La etapa inicial Ea tiene que ser activada antes de que se inicie el ciclo del GRAFCET; un ciclo está fotmado por todas las etapas posteriores a la etapa inicial.

Figura 11.7. Representación de instrucciones SET y RESET.

11

11.3. Ecuaciones lógicas Una. vez representado, el GRAFCET permite obtener las ecuaciones lógicas que controlan la activación de cada etapa y .la evolución del ciclo. Una de las formas de obtener las ecuaciones se basa en el funcionamiento de un controlador asíncrono con biestables R-S (Figura 11 .6). CONDICIONES DE TRANSICIÓN DE LA ETAPA E¡N+l l

CONDICIONES DE TRANSICIÓN DE LA ETAPA EN

s

Q

R

Q'

E¡N+ 1)

s

Q

CTE.¡N +2)

Cuando la entrada E32.0 del autómata se active, la instrucción SET activará el relé asociado a la salida A32.0, que permanecerá activado aunque se desactive la entrada E32.0; para desactivarlo será necesario emplear una instrucción RESET con otra entrada distinta; cuando se active la entrada E32. l , A32.0 se desactivará hasta que de nuevo se active la entrada E32.0. En GRAFCET este tipo de instrucciones se utiliza de forma que es la condición de transición la que al cumplirse activa la etapa posterior y desactiva la etapa anterior. En la Figura 11 .8 se representa un ciclo de GRAFCET y las ecuaciones que permiten la activación y desactivación de la etapa En. Para activarla se realiza la función AND entre la etapa anterior y la condición de transición asociada a EN. Para desactivarla se realiza la función AND entre la propia ~ y la condición de transición asociada a la etapa posterior.

PARA ACTIVAR LA ETAPA E Y DESACTIVAR EN

{N-1 )

ACCION ES ASOCIADAS A LA ETAPA EN

s

CONDICIONES DE TRANSICIÓN DE LA ETAPA E¡N+1)

o

R

O' E¡N-1) ACCIONES ASOCIADAS A E (N-1)

CONDICIONES DE TRANSICIÓN DE EN

PARA ACTIVAR LA ETAPA E Y DESACTIVAR LA E {N+ l )

HN HC T ~IN+1>-i ~EN~

Figura 11.6. Controlador asíncrono con biestables R-S. Suponiendo que el b_iesta~le E(N. J) tiene su salida Q a "1", la etapa E(N-t) está activa; st postenormente la condición de transición de la etapa ~ se activa, la etapa ~ se activará y se ?esactivará la etapa E(N-JJ· Para desactivar la etapa EN y activar la etapa E(N+I) es necesario activar la condición de tra~sición E(N+t): Mientras las etapas están activas (Q= 1), las acctones que llevan asociadas también lo están. Para utilizar este siii_tema en el GRAFCET, se asocia a cada una de las etapas una variable interna. La condición de transición, situada entre dos etapas, es la encargada de activar la etapa posterior y desactivar la anterior; para ello se utilizan instrucciones SET y RESET del autómata. Las instrucciones SET y RESET se utilizan junto con las variables internas asociadas a cada una de las etapas del GRAFCET. En la Figura 11. 7 se representan las dos instrucciones en esquema de contactos.

N

Figura 11.8. Ejemplo de transiciones entre etapas. Para que comience a ejecutarse el GRAFCET es necesario primero activar la etapa Ea; puede hacerse de varias formas, como se indica en la Figura 11 .9:

•

Primera: En el ciclo actual del autómata, anulamos la última etapa activa; si todas las etapas están desactivadas en el próximo ciclo se activa la primera Ea.

•

Segunda: Con la última condición de transición activamos Ea y desactivamos la última etapa activa.

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E1

EN -1

EN

EN+1

~/H/H/H!~( Ea)~ PRIMERA

~ C T N +2

SEGUNDA

¡'

LAS ECUACIONES PARA EL INICIO DE SECUENCIAS SON :

1---,----1

11 Figura 11.10. Elección condicional. •

Si se cumple la transición A, se activará la etapa E5.

•

Si se cumple la transición A negada, se activará la etapa E 6 .

TERCERA

~N+2

Figura 11.9. Formas de activar el GRAFCET. •

Tercera: Muchos autómatas tienen una serie de variables internas específicas; la más común es el impulso inicial al pasar a modo (RUN), P.I. ; este impulso inicial, en la mayoría de los autómatas, permanece activo durante el primer ciclo.

La transición condicional implica que sólo una de las etapas posteriores se activará. Por tanto, la condición de transición asociada a la etapa 4 tiene que ser opuesta a la condición de transición asociada a la etapa E5 . La primera de las condiciones de transición que se cumpla desactivará la etapa 3. El final de dos secuencias condicionadas (Figura 11.11) se produce cuando una de las dos condiciones de transición asociadas a la etapa E 16 se cumple. Por ejemplo, si la etapa E 16 está activa y se cumple la condición de transición A se activará la etapa E 16 y se desactivará la E7 o la E 1s-

Cualquiera de las tres formas estudiadas para activar la etapa Ea es válida. El empleo de una de ellas en concreto, es fu nción del proceso que se pretende automatizar y del autómata que se utilice.

11.4. Otras posibilidades de GRAFCET

LA ECUACIÓN PARA ACTIVAR

E15 ES:

11.4.1. Elección condicional entre • • varias secuencias

Suele ocurrir que en un proceso se llegue a un punto del ciclo en el que hay que efectuar una elección entre varias secuencias posibles, en función de las variables que intervienen en el proceso (Figura 11.1 O). Partiendo de la etapa E4 activada, se pueden realizar solamente una de las dos secuencias:

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Figura 11.11. Final de dos secuencias condicionadas.

tob\ema~ -

12.1. Traduce los siguientes programas de KOP a AWL.

A0 .0 1

A0.2

M0.1

~IHIHI: M0.1

2

A0 .1

~

)

EO.O

H

M0.2 1 1

s )

M0.2 3

~

K1

AO.O

)

1 2

TON-T37 IN K20-PT -

M0.2

4

~ 2

H

T37

1

1

M0.2

K1

~ M:3~

K1

M0.3

5

~

A0.1

)

1 2

TON-T38 IN K20-PT

M0.3

T38 6

~

1

7

\..

-=

Realiza los problemas y actividades del capítulo anterior, pero con el formato STEP S-7.

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R ) MENO)

K1

1 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. En este capítulo se hace una amplia exposición de los órganos de generación y preparación del aire comprimido, así como de los elementos de actuación más importantes en neumática y se concluye con la explicación de diversas aplicaciones directas en las máquinas herramientas.

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1

i!

... El aire comprimido. Principios fundamentales. lll,. Producción del aire comprimido. ... Distribución del aire comprimido . .,.,_, Componentes neumáticos. ... Cilindros neumáticos. lll,. Válvulas . ... . Estudio fun cional de las válvulas distribuidoras.

1

11

lll,., Conocer el jimcionamiento de una instalación neumática. ... Distinguir y conocer los elementos neumáticos . .,.,_, Posibilidades de utilización en automatismos secuenciales.

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13.1. El aire comprimido. Princi ios fundamentales El aire atmosférico es un elemento abundante en la naturaleza, limpio, almacenable, de fác il transporte, no inflamable y compresible, lo que le convierte en un fluido ideal para su empleo como elemento básico en los sistemas que aprovechan la energía de presión acumulada por un fluido. Como todo gas, el ai re puede comprimirse notablemente por medio de una acción mecánica exterior hasta alcanzar una presión determinada - superior a la atmosférica- y, al entrar en contacto con un órgano de trabajo, como puede ser un cilindro, liberar la energía acumulada por la compresión.

•

Compresión volumétrica. Se obtiene por la adm isión del aire en un recinto hermético, donde se le reduce de volumen. Es el sistema del compresor de pistón.

•

Turbocompresión. Obedece a los principios de la mecánica de fluidos. El aire, aspirado por el propio sistema, aumenta su velocidad de circulación a través de varias cámaras, impulsado por paletas giratorias. La energía cinética de éstas se transfornrn en energía elástica de compresión.

En la Figura 13.1 se puede apreciar una relación de los principales tipos de compresores, atendiendo a la división fundamental explicada, con las subdi visiones que hacen al caso. Tanto el compresor de émbolo como e l rotativo son compresores volumétricos.

Supuesto sea un cilindro de sección A, sobre cuyo émbolo actúa aire comprimido a presión p, la fuerza comunicada al vástago es:

Tipos de compresores

F = A· p

Si el recorrido del vástago del cilindro es e, e l trabajo producido en el desplazamiento vale:

Rotativo

F= F ·e

Las unidades de presión más utilizadas son la unidad técnica o atmósfera (at), equivalente a I kgf/cm2 y la unidad internacional (SI), llamada pascal (Pa), cuyo valor es 1 N/m 2 . En la práctica se emplea con frecue ncia el bar, que equivale a 105 Pa.

Compresor de pistón

Compresor de diafragma

Compresor de pistón

Compresor de diafragma

La relación entre atmósfera y bar se deduce sin dificultades conociendo el valor de cada una; es decir:

1 bar = 1os Pa = 1os N = m2

1os kgf 9,8 · 104 cm 2

Figura 13.1. Tipos de compresores. 1,0193 at

En la práctica, y para las aplicaciones neumáticas: 1 bar = 1 at = 1 kgf/cm 2 Las presiones ideales de empleo del aire comprim ido oscilan entre 4 y 8 bar, siendo la habitual 6 bar. Si se pretende utilizar a ire a presión superior a la indicada resulta antieconómico, tanto por los costos de generación como por las reformas a introducir en los elementos de actuación.

13.2. Producción del aire com rimido El a ire comprimido se obtiene por medio de compresores, que son máquinas capaces de elevar la presión de una masa de aire hasta el valor conveniente. Los compresores son, en realidad, generadores de cauda l, ya que para lograr aumentos de presión es necesaria una re lación determinada entre el caudal de entrada y e l de sal ida, siendo éste inferior a aquel. Los compresores no son verdaderos productores de energía, sino transmisores de la misma, ya que convierten la energía mecánica de su árbol motor en energía de presión. Existen dos procedimientos fundamentales de compresión:

13.2.1. Compresores volumétricos Dentro de este grupo destacan los compresores de pistón, que son los más difundidos. Se construyen de baja, media y alta presión, aunque en este caso deben disponer de varias etapas compresoras. La Figura 13 .2 muestra un compresor de pistón clásico de una sola etapa. El aire aspirado por el pistón en su carrera descendente penetra en la .cámara de compresión a través de la válvula de admisión y después es inmediatamente comprimido hasta la presión de trabajo, momento en el que se abre la válvula de escape. Durante el trabajo de compresión se genera calor - según previene la ley de Gay-Lussac- lo que obliga a una refrigeración del cilindro proporcional a la cantidad de calor producida. En los compresores pequeños bastan las aletas que lleva el cilindro por la parte exterior. En los mayores se instala además un venti lador y en los de alta presión es necesaria la refrigeración por agua. En la Figura 13.3 aparece un compresor de pistón de dos etapas y montaje en V El aire comprim ido en el primer pistón, después de refrigerado, se introduce en un segundo cilindro de volumen inferior que lo vuelve a comprim ir. Así se obtienen presiones de I a 20 bar y con tres etapas se puede llegar hasta 220 bar.

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AIRE COMPRIMIDO

___,.

AIRE ATMOSFÉRICO

~~~~~~~~~---

Figura 13.4. Compresor rotativo de paletas. A IRE ATMOSFÉRICO

AIRE COMPRIMIDO

-

-----+

Es un compresor muy silencioso y de dimensiones reducidas, aunque su capacidad compresora no excede de 8 bar.

13.2.2. Turbocompresores

SÍMBOLO

··\

Existen dos modelos de turbocompresores, ambos aptos para tratar grandes caudales. Uno es el turbocompresor radial, llamado así porque la aceleración del aire se produce de cámara a cámara en sentido radial. El segundo es el turbocompresor axial , en el que el aire circula paralelamente al eje del mismo.

13.2.3. Accionamiento del compresor Figura 13.2. Compresor de pistón de una etapa y esquema.

El accionamiento de un compresor se realiza indistintamente por medio de un motor eléctrico o de un motor de combustión interna, según las exigencias de cada caso. Cuando se trata de compresores fijos, el motor preferido es el eléctrico, mientras que los compresores móviles llevan motor de explosión, por razones obvias. La conexión del motor y el compresor se confia normalmente a una transmisión de con-eas trapeciales. ~

13.3. Distribución del aire com rimido

Figura 13.3. Compresor de dos etapas.

El compresor rotativo, basado también en la compresión volumétrica, consiste esencialmente (Figura 13.4) en un rotor ~xcéntrico provisto de paletas que giran en el interior de un :árter cilíndrico, con un orificio de entrada y otro de salida. Al girar el rotor, las paletas, que actúan por la fuerza centrífuga, forman células de volumen variable que encien-an aire cada vez más comprimido hasta que lo impulsan al conducto de ,ali da.

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El aire comprimido generado por el compresor no es consumido directamente por el órgano de trabajo. Las instalaciones industriales están provistas también de elementos de almacenamiento, distribución y tratamiento del aire para que éste alcance las condiciones óptimas de empleo. La Figura 13.5 representa una instalación de generación y distribución de aire comprimido que por sus características puede considerarse bastante representativa. El aire comprimido procedente del compresor es acumulado en el depósito auxiliar y de allí enviado al separador principal, el cual retiene la mayor parte del agua en suspensión. De éste pasa a la red de distribución hasta un separador secundario al que se conectan varias tomas de servicio con sus con-espondientes unidades de filtrado y lubricación.

pendiente

utilización

separador principal utilización

colector de reparto

......

___ __,,, grifo de purga

depósito auxiliar

Figura 13.5. Esquema de una instalación neumática.

En los siguientes apartados se estudiarán los elementos que componen la red distribuidora del aire comprimido.

comprimido, con las menores pérdidas posibles, hasta los puntos de consumo. El material de los tubos suele ser el cobre, latón, acero y plástico.

13.3.1. Acumulador

Los tubos deben ser de fácil instalación y resistentes a la corrosión. Las tuberías permanentes suelen ser de uniones soldadas aunque, a veces, este sistema presenta problemas de mantenimiento.

Es un depósito de reserva de aire comprimido cuya misión es mantener el consumo de la red y evitar pérdidas de carga bruscas en la misma, en caso de fallo o accidente. En este elemento se elimina parte del agua -que se condensa en su parte inferior- por medio de un orificio de purga.

13.3.2. Separador Las impurezas que arrastra el aire (polvo, residuos de aceite... ) y especialmente la humedad son fuente importante de averías, y en ciertos casos pueden estropear completamente los componentes neumáticos. Por eso es imprescindible que el aire comprimido esté libre de impurezas.

Las mangueras de goma y plástico flexibles se reservan para las derivaciones finales, especialmente estas últimas, ya que su resistencia mecánica es superior. En este sentido, las tuberías de politeno y poliamida se utilizan cada vez más, tanto por su economía como por su fáci l montaje. La red debe tener una pendiente del 2 al 3% para conseguir la acumulación del agua condensada en un punto y lograr su evacuación por un orificio de purga.

La mayor separación del agua y el aceite la realiza el separador, que no es otra cosa 'que un filtro muy sensible que por medios fisicos o químicos retiene la humedad del aire y también las partículas de aceite procedentes del compresor. La presencia del agua es inevitable y depende de la humedad relativa del aire, función a su vez de la temperatura y las condiciones climatológicas ambientales.

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13.3.3. Red de aire La red distribuidora propiamente dicha está compuesta por diversas tuberías de diámetro adecuado que conducen el aire

8

Figura 13.6. Derivaciones y purga de una tubería.

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Para ello se instalan pequeños depósitos auxiliares en los bajantes (Figura 13.6) provistos de grifo, y las tomas de servicio se efectúan siempre por encima de e ll os. Las conexiones de los bajantes se harán por la parte superior de la conducción principal (Figura 13.6) para impedir, en lo posible, el paso de ag ua condensada. La red de distribución siempre debe ser del tipo cerrado para que la presión de servicio sea más estable y, a ser posible, con interconexiones porque, de este modo, se obtiene el control independiente de los diversos tramos . Nunca se debe realizar el montaje abierto de la figura .

13.3.4. Preparación del aire Antes de la conexión a máquina se somete al aire compri mido a una operación de acondicionamiento o preparación, realizada por una unidad acondicionadora compuesta por un filtro , regulador de presión y engrasador. Dicha unidad adopta con frecuencia la disposición compacta de la Figura 13.7.

A)

~

8)

-C)

Figura 13.8. Esquema de funcionamiento del filtro. •

Regulador de presión. Una vez filtrado, el aire se introduce en el regulador de presión (Figura 13.8 B) cuya misión es mantener una presión constante de trabajo con independencia de las posibles variaciones de la red. La presión de entrada - siempre mayor que la de salida- es regulada por la membrana (1), solicitada por otro lado por el muelle pretensado (2). Cuando aquella aumenta, la membrana comprime al muelle y la válvula de asiento (4) se cie1Ta, lo que supone la regulación de la presión por el caudal. Si la presión aumenta mucho, se verifica un escape de aire a través del orificio central de la membrana y el orificio (3). Por el contrario, si la presión desciende, el muelle (2) abre la válvula y se restablece el servicio. La citada válvula de asiento (4) es amortiguada por el muelle ( 5). La presión de trabajo se controla por medio del manómetro (6).

•

Engrasador. Los elementos neumáticos, al tener piezas móviles, deben recibir una pequeña dosis de aceite para su lubricación constante. Para ello se utiliza el mismo aire comprimido que actúa de vehículo portador. El aparato lubricador (Figura 13.8 C) que realiza esta función actúa según el efecto Venturi .

Los aceites empleados deben ser minerales, exentos de acidez y de poca viscosidad. El engrasador va provisto de una mirilla y un tornillo de regulación para controlar el goteo. Es importante que el nivel del aceite de alimentación esté dentro de los límites indicados por el constructor del aparato.

Figura 13.7. Unidad de acondicionamiento. El funcionamiento de sus componentes es como sigue: •

Filtro. Sirve para eliminar las impurezas que aún pueda llevar el aire comprimido. Éste circula (Figura 13.8 A) a través de un cartucho filtrante que retiene las partículas en suspensión de tamaño supe'rior a la capacidad del filtro y deposita el agua, que se acumula en el fondo del depósito, de donde se e limina periódicamente por medio de la purga manual o automática.

Como es lógico, hay que realizar la limpieza periódica del filtro o proceder a su sustitución , según los casos, para garantizar el correcto funcionamiento del aparato .

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13.4. Com onentes neumáticos Son todos los elementos encargados de realizar las diversas funciones neumáticas. Hay elementos de trabajo, elementos de mando, etc. Entre los primeros destacan los cilindros y entre los segundos, las válvulas, en sus numerosas variedades.

13.5. Cilindros neumáticos Los cilindros neumáticos se pueden dividir en dos grandes grupos: de simple y de doble efecto. Los primeros realizan el

esfuerzo activo en un solo sentido y el retomo depende de un muelle o membrana que devuelve el émbolo a su posición inicial. Los cilindros de doble efecto actúan de modo activo en los dos sentidos.

Estos cilindros son los más utilizados; en primer lugar, porque el retomo no depende de un elemento mecánico sometido a desgaste y fatiga, y también porque permite construir modelos de hasta 2.000 mm de carrera.

Además, existen numerosas ejecuciones especiales que pueden considerarse variantes de los dos tipos básicos, destinadas a empleos muy particulares: cilindro de impacto, cilindro de rotación, cilindro de posiciones múltiples, etc.

Esta construcción es una variante especial del ci lindro anterior. El émbolo, en este caso, tiene dos vástagos, uno a cada lado (Figura 13.9), de modo que cuando uno avanza el otro, naturalmente, retrocede.

13.5.1. Cilindros de simple efecto Los más comunes tienen el retomo por muelle (Figura 13.9). El aire comprimido alimenta la cámara posterior, lo que hace avanzar el pistón, venciendo la resistencia del muelle. El retroceso se verifica al evacuar el aire a presión de la parte posterior, lo que pennite al muelle comprimido devolver libremente el vástago a su posición de partida. No se construyen modelos con recorrido superior a 100 mm.

Figura 13.10. Cilindro de simple efecto FESTO. CILINDRO SIMPLE EFECTO

Es ideal para montarlo en instalaciones donde, por razones de espacio, la detección del final de carrera deba hacerse sobre el vástago auxiliar y no sobre el de trabajo. CILINDRO DOBLE EFECTO

13.5.3. Cilindros de doble efecto con amortiguador CILINDRO DOBLE EFECTO CON DOBLE VÁSTAGO

1R¡I

CILINDRO DOBLE EFECTO CON AMORTIGUADOR

Figura 13.9. Símbolos de diversos tipos de cilindros.

Para aplicaciones de fijación o bloqueo se emplean también cilindros de membrana donde ésta hace las funciones de émbolo, vástago y muelle. En este tipo de cilindro la carrera es mínima.

13.5.2. Cilindros de doble efecto Tal como se ha dicho, en estos ci lindros desaparece el muelle o la membrana de retomo y ambas carreras - avance y retroceso- son activas. Al dar aire a la cámara posterior del cilindro (Figura 13.9) y evacuar simultáneamente el aire de la cámara anterior, el vástago del cilindro avanza y, cuando se realiza la función inversa, el vástago retrocede.

o

Es una variante del cilindro de doble efecto (Figura 13.9). Esta ejecución se utiliza para amortiguar masas con gran inercia, asegurando una disminución de la velocidad al final de su recorrido y evitando golpes bruscos que podrían afectar al propio cilindro y a los útiles que éste transporta.

13.5.4. Unidad oleoneumática En trabajos mecánicos de precisión con arranque de viruta se exigen velocidades de trabajo constantes, y a veces lentas, imposibles de conseguir newnáticamente. Para ello se recurre a la hidráulica, mediante el acoplamiento de un freno oleohidráulico. El cilindro neumático da la fuerza y el freno hidráulico controla la velocidad.

13.6. Válvulas Para el control de los órganos de trabajo es preciso disponer de otros elementos que realicen funciones de mando (puesta en marcha, paro, retroceso, avance rápido ...), de acuerdo con el trabajo que aquellos deban efectuar. Estos elementos de control son las válvulas. Para tener una visión amplia y completa de las mismas es conveniente estudiarlas desde el punto de vista tecnológico y funcional.

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Las válvu las encargadas de distribuir adecuadamente el aire comprimido para que tenga lugar el avance y el retroceso de los cilindros son las válvulas distribuidoras. Además, existen válvulas de regulación, de bloqueo y de caudal. Todas ellas van a estudiarse a continuación.

13.6.1. Válvulas distribuidoras En este grupo pueden establecerse dos categorías básicas según las características del órgano distribuidor; a saber: Válvulas de asiento. Se caracterizan por tener un recorrido de actuación pequeño y necesitar gran fuerza de accionamiento (Figura 13 .11 ). A su vez, estas válvulas se dividen, por la forma del asiento, en otras dos: válvulas de asiento plano y válvu las de asiento cónico. Las primeras llevan un platillo que asienta sobre una superficie plana y las segundas tienen una bola o semiesfera que aj usta en un avel lanado cónico. Tanto en unas como en otras la fuerza de actuación es relativamente considerable porque debe vencer la acción del muelle y además la presión del aire comprimido. Por el contrario, un pequeño desplazamiento basta para abrir todo el paso útil de la válvula.

13.6.2. Representación de las válvulas

distribuidoras Para ello se recurre a la representación simbólica, sin que esto sea obstáculo para que en ella se contemple la funcionalidad de la válvula y algunos aspectos de la tecnología constructiva empleada. Las posiciones que adopta el órgano distribuidor (abierta, cerrada, en reposo ... ) se representan por cuadrados, tantos como posiciones existan (Figura 13.13), dibujados uno a continuación de otro. Los conductos interiores de las válvu las determinan los orificios de entrada o salida del aire. Dichos orificios se llaman vías y se representan por pequeños trazos sobre las bases superiores e inferiores de los cuadrados que indican la posición de reposo. La salida de aire se representa por un triángulo equi látero (Figura 13.13).

A

Figura 13.13. Representación de una válvula. Figura 13.11. Válvula de asiento accionada por palanca.

Válvulas de corredera. Se caracterizan por tener un gran recorrido de actuación y necesitar una pequeña fuerza de accionamiento. Pueden ser de corredera propiamente dicha (Figura 13 .12, izquierda) y de correde' ra y cursor, ejecución más moderna y ventajosa que la primera (Figura 13.12, derecha) .

Las vías se unen mediante líneas rectas que representan las conducciones interiores que se establecen y el sentido de circu lación del aire se define por flechas. Un pequeño trazo perpendicular a una vía indica que ésta se encuentra cerrada. El órgano de accionamiento de la válvula suele indicarse en la posición de trabajo y el órgano de recuperación (muelle) en la de reposo . Dicha válvula es de dos posiciones porque tiene dos .cuadros, tres vías, accionamiento manual de pulsador de hongo y retorno por muelle. Como la posición de reposo es la que manda el muelle, esta válvula está normalmente cerrada en dicha posición porque se bloquea el paso de aire de la vía de entrada (cuadro de la derecha) y se com unica la vía 2 al escape (triángulo). Por tanto, es una válvu la 3/2 normalmente cerrada, accionamiento manual y retomo por muelle. El accionamiento de las válvulas se puede descomponer en cuatro grupos, según la naturaleza del sistema (Figura 13.14): Accionamiento manual (A). Por pulsador rasante; pulsador de hongo; palanca y pedal.

Figura 13.12. Válvulas distribuidoras de corredera.

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Accionamiento mecánico (B). Por pulsador rodi llo; rodillo escamoteable; muelle; accionamiento con enclavamiento mecánico.

ción (2), hasta que al pul sar la leva se cierra la ( 1) y la vía (2) se une al escape (3).

2

3

C)

D)

Figura 13.14. Accionamiento de las válvulas distribuidoras.

•

Accionamiento neumático (C). Por pres ión; por depresión; presión diferencial; accionamiento a baja presión (cabezal amplificador); servopilotaje positivo; servopilotaje negativo.

•

Accionamiento eléctrico (D). Por electroimán; por electroimán servopilotado.

13.7. Estudio funcional de las

válvulas distribuidoras El estudio funcional de estas válvulas tiene en cuenta sus posibilidades de trabajo, es decir, su comportamiento, con independencia de sus fonnas constructivas. Por eso se tienen en cuenta básicamente las posiciones y las vías disponibles. Esta circunstancia determina la designación de las válvulas que se nombran, como se sabe, por el número de vías y posiciones (válvula 3/2, tres vías y dos posiciones, etc.).

13.7.1. Válvulas 2/2 Son válvulas normalmente cerradas en posición de reposo. En la Figura 13.15 (izda.) se ve una válvula de este tipo, de asiento cónico. En posición de reposo, el muelle hace que la bola asiente y el aire de alimentación no puede circular de (1) hacia (2). Si se aprieta la leva o pulsador la bola se separa de su asiento y permite la entrada de aire a presión por (1).

Figura 13.15. Válvulas 2/2 y 3/2 normalmente cerradas.

13.7.3. Válvulas 4/2 La válvula 4/2 de la Figura 13.12 (dcha.) es de accionamiento neumático. La alimentación principal se efectúa por (1), las vías de utilización son la (2) y la (4), el escape es (3) y las vías de pilotaje son la ( 12) y la ( 14). Cuando existe señal en (12) la corredera y el cursor se desplazan hacia la izquierda con lo cual la vía (2) está en escape y la vía (4) alimentada. Al invertir la señal de pilotaje [presión en (14)], la corredera se mueve hacia la derecha y comunica la vía (2) con la alimentación (1) y la vía (4) con el escape (3). Este tipo de válvula es apta para mandar un cilindro de doble efecto.

13.7.4. Válvulas 5/2 Como ejemplo de este tipo de válvulas se propone la de la Figura 13 .12 (izda.). La ejecución de esta válvula es de corredera y mando neumático. La alimentación de presión ( 1) está conectada con la vía (4) y la (2) con la atmósfera, a través del escape (3), cuando se manda señal de pilotaje por (14). Cuando la corredera recibe el impulso opuesto por ( 12), se alimenta la vía (2) y se pone la (4) a escape (5).

13.7.2. Válvulas 3/2 En la Figura 13. 15 (dcha.) se puede observar una válvula de este tipo en ejecución de asiento plano, normalmente cerrada en posición de reposo. La vía ( 1) está cerrada por la presión aplicada sobre el platillo, mientras que la vía (2) se comunica con el escape (3). Cuando se acciona la válvula, la vía (3) queda cerrada y el aire comprimido circula de (1) hacia (2). También las hay normalmente abiertas , en donde la vía de alimentación (1) se comunica con la vía de utiliza-

13.7.5. Válvula 4/3 La Figura 13.16 representa una válvula con posición central de reposo en la que todas las vías quedan bloqueadas. Dicha válvula es gobernada manualmente por medio de la palanca exterior que hace girar una corredera en forma de disco. Las tres posiciones son fij as y están dotadas de enclavamiento mecánico.

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La válvula antitTetorno permite el flujo de aire en el sentido que indican las flechas y bloquea el paso en sentido opuesto.

13.7.8. Selectores de circuito Estas válvulas permiten la circulación de aire desde dos entradas opuestas a una sola salida común (Figura 13.17).

Figura 13.16. Válvula distribuidora 4/3 con enclavamiento.

En la primera posición la alimentación de presión ( 1) está comunicada con la utilización (4) y la utilización (2) con escape a la atmósfera a través de (3 ). En la posición opuesta ( 1) se comunica con (2) y (4) con (3). En la tercera posición que aquí aparece como posición central (1 ), (2), (4) y (3) están cerrados, provocando un bloqueo del aire comprimido en el interior del sistema o elemento colocado posteriormente; de ahí la denominación que tiene dicha válvula.

1J Figura 13.17. Selector de circuito (módulo 0).

13.7.6. Empleo de las válvulas distribuidoras Como es lógico, el número de posiciones y de vías condiciona las posibilidades de empleo de cada tipo de válvula. Así, las aplicaciones más frecuentes de las válvulas estudiadas son: • Válvula 2/2, normalmente cerrada. Sirve como válvula de paso y para el mando negativo ya citado. • Válvula 3/2, normalmente cerrada. Se emplea para emitir señales de pilotaje sobre otras válvulas y para mandar cilindros de simple efecto. • Válvula 3/2, normalmente abierta. Se puede aplicar en el gobierno de cilindros de simple efecto de largo tiempo de acción.

Esta válvula se coloca cuando se debe mandar una señal desde dos puntos distintos. Eléctricamente se le conoce como montaje en paralelo. Actualmente ya se llama módulo O o función O, por la denominación que recibe en lógica.

13.7.9. Válvulas de escape rápido Tal como indica su nombre, su misión es evacuar rápidamente el aire de cualquier rec ipiente (normalmente de la cámara que se está vaciando en los cilindros de doble efecto) para así poder obtener un aumento de su velocidad de actuación (Figura 13 .18).

2

• Válvula 4/2. Se utiliza para gobernar cilindros de doble efecto. • Válvula 5/2. Tiene el mismo empleo que la anterior. • Válvula 4/3 , posición central de bloqueo. Se emplea cuando un cilindro de doble efecto debe quedar bloqueado en un punto intermedio de su recorrido .

3

1

• Válvula 4/3, posición central de desbloqueo. Se emplea cuando un cilindro de doble efecto debe quedar desbloqueado en un momento de su actuación. Figura 13.18. Válvula de escape rápido.

13.7.7. Válvulas antirretorno Su misión es impedir el paso del aire comprimido en un sentido determinado y garantizar su libre circulaci6n en el opuesto. La obturación del paso puede lograrse con una bola, disco, cono, etc., impulsada por la propia presión de trabajo o bien con la ayuda complementaria de un muelle.

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Su funcionamiento es como sigue. El aire que entra poi- el orificio de alimentación (1) desplaza la membrana de obturación, lo que bloquea el escape (3) y conecta el orificio (2) para que se llene un recipiente determinado. Cuando cesa la alimentación en (1 ), el aire a presión acumulado mueve la membrana hacia ( 1) y escapa con rapidez por (3 ).

13.7.1 O. Válvulas de simultaneidad Las válvulas de simultaneidad son utilizadas cuando se necesitan dos o más condiciones para que una señal sea efectiva (Figura 13 .19). En la figura se ve que toda señal procedente de X o Y bloquea ella misma su circulación hacia la utilización (2). Sólo cuando están presentes las dos señales X e Y se tiene salida por (2). Eléctricamente se le conoce por montaje en serie. Este elemento también recibe el nombre de módulo Y o función Y. Es muy frecuente confundirlo con el mando bimanual en dispositivos de seguridad; la función Y es pieza fundamental de ellos, pero no la única.

13.7.12. Temporizadores A veces es preciso 1:egular el tiempo que transcurre entre la entrada de una señal de pilotaje y la respuesta que debe producirse. Para ello se recurre a los temporizadores. Se trata de válvulas complejas compuestas de una estrangulación graduable, una cámara de acumulación y un distribuidor pilotado. El temporizador n01malmente cetrndo se emplea para retrasar la respuesta a las señales de mando, por exigencias del proceso productivo. También hay temporizadores n01malmente abiertos que se utilizan para anular señales de larga duración.

2

1J y

X

Existen dos clases de reguladores: de un solo sentido y de dos sentidos. De ellos, el primero tiene mayor interés y es el más utilizado.

Figura 13.19. Válvula de simultaneidad (módulo Y).

Este elemento puede ser sustituido por el montaje en serie de dos válvulas 3/2, o bien, sólo por una válvula 3/2 pilotada por aire y retomo por muelle.

13.7.13. Accesorios Los hay de muy diversas clases y funciones, desde silenciadores para escapes hasta conectores múltiples pasando por placas de montaje, cuya enumeración sería muy prolija. No obstante quizás es conveniente comentar la cuestión de las fijaciones de los cilindros y las uniones de los vástagos por su alto interés mecánico. •

Rótulas. Para evitar los problemas que se presentan con las uniones de los vástagos con el órgano móvil de la máquina o equipo, debidos a la defectuosa alineación del cilindro, se emplean rótulas de diversos tipos que se montan en el extremo del vástago y, al ser orientables, evitan las solicitaciones de flexión en la unión problemática.

•

Fijaciones. Para aumentar la versatilidad de sus componentes neumáticos, algunos constructores ofrecen ejecuciones universales que pueden combinarse entre sí de diversas maneras mediante simples operaciones de montaje.

13.7.11. Reguladores de caudal Muchas veces es necesario el control de la velocidad de un cilindro para sincronizarlo con otros movimientos que se verifican en un sistema. Para conseguirlo se controla el caudal de fluido mediante las válvulas reguladoras de caudal.

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13.1. Clasificación de los compresores. 13.2. Distribución y preparación del aire comprimido. Partes de que consta. 13.3. ¿Por qué es necesario lubricar ligeramente el aire comprimido?

13.4. Clasifica los cilindros neumáticos. Características de cada uno de ellos. 13.5. Clasifica las válvulas neumáticas. Características de cada una de ellas.

1J =

Realiza una clasificación de los elementos neumáticos del aula taller de neumática, dibujando sus símbolos y realizando un pequeño inventario.

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Realiza un esquema de la instalación de aire comprimido, enumerando sus elementos: acumulador, separador, red de aire (filtro, regulador de presión y engrasador).

En este capítulo vamos a desarrollar una serie de montajes básicos con mando neumático, que al finalizar el capítulo conectaremos mediante electroválvulas y autómatas programables. Se entiende por órganos de mando, o simplemente mando, al conjunto de elementos cuya función es gobernar un sistema según leyes internas propias. Dicho de otra forma: es el conjunto de elementos encargados de controlar los órganos que realizan un trabajo. La energía consumida por el mando es mínima; al contrario de lo que consumen los órganos ,te trabajo, relativamente muy superior.

Cu11ít11I!Jo IJi. Tipos de mandos neumáticos. 1Ji. Instalaciones neumáticas. 1Ji. Electroneumática. 1Ji. Ejemplos realizados con autómatas.

' ' t!J,, 'J!)J [) JJ 1Ji. Definir mando neumático . ... Realizar instalaciones neumáticas básicas. IJi. Aplicación de los autómatas programables a la neumática.

14.1. Tipos de mandos neumáticos 14.2.1. Mando directo de un cilindro 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.

1~

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 (pu lsador). El esquema de este circuito elemental aparece en la Figura 14.1.

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.

14.2. 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 infonnación 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 válvu las pilotadas de 3/2, 4/2 o 5/2.

Figura 14.1. Mando directo desde pulsador. Al accionar el pulsador P, el aire a presión penetra desde la entrada ( 1) 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 fijac ión de piezas.

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

Finalmente, los elementos de trabajo son los encargados de aplicar fisicamente 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 14.2 (A), al accionar el pu lsador el aire a presión llega a la cámara posterior del ci lindro a través del orificio (4) mientras que por el orificio (2) escapa el aire de la cámara anterior expulsado por el avance del vástago. A l soltar el pu lsador se produce el retroces.o 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 14.2 (B) aparece un montaje equivalente aunque con una válvula 5/2. La diferencia radica en que las cámaras del cilindro evacuan por escapes distintos.

8

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14.2.4. Mando condicional de un cilindro de simple efecto 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 avanza. Esta forma de mando puede obtenerse de tres maneras:

Figura 14.2. Cilindro de doble efecto mediante pulsador.

•

Montaje en serie de los pulsadores. Es evidente que el aire no puede llegar a P2 si no se da paso pulsando P 1.

•

Montaje con válvu la 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 retomo por muelle (Figura 14.5). Cuando se acciona el pulsador P 1 se manda una señal a la válvula citada que abre el paso del orificio (1) hacia el cilindro pero, al mismo tiempo, es imprescindible pulsar P 1 para que el aire alimente la vía ( 1) de la válvula pilotada.

14.2.3. 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 14.3).

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

Figura 14.3. Mando desde dos puntos distintos. Al accionar el pulsador P 1 se manda el aire a presión por la entrada (1) de dicha válvula y el ci lindro efectúa la carrera positiva. Cuando se pulsa P 2 ocurre lo mismo pero con la entrada de aire por la otra vía de la válvula selectora. 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 ocurre (Figura 14.4) que al apretar un pulsador, el aire se dirige al escape (3) del contrario, en lugar de penetrar en el cilindro.

Figura 14.5. Válvula 3/2 pilotada y con retorno por muelle.

14.2.5. Control de la velocidad en los cilindros de simple efecto

Figura 14.4. 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 válvu la en cuestión se monta junto con una válvula 3/2 con pulsador, cuidando que la posición del antirretomo sea la correcta según se desee regular el avance o el retroceso (Figura 14.6).

(A)

(B)

Figura 14.6. Control de velocidad en cilindros de simple efecto.

14.2.6. Control de la velocidad en los cilindros de doble efecto La regulación se efectúa de igual forma que en los cil indros de simple efecto (Figura 14.7, A) pero con válvulas 4/2.

Figura 14.8. Aumento de la velocidad en un cilindro de doble efecto.

14.2.8. 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 14.9, A). Al accionar el pulsador de marcha P se pilota la válvula 1 y el vástago del cilindro se mueve hacia adelante. Al soltar el pulsador desaparece la señal de pilotaj e y el vástago del cilin-

dro retrocede.

(A)

(B)

Figura 14.7. Control de velocidad en cilindros de dobles efecto. Si se emplean válvulas 5/2 se pueden colocar reguladores montados en los escapes (Figura 14.7, B), aunque esta solución, evidentemente económica, resulta de dificil puesta a punto y mantenimiento. (A) (B)

Figura 14.9. Mando indirecto.

14.2.7. Aumento de la velocidad en los cilindros de doble efecto 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 14.8).

14.2.9. 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 14.10. Mando condicional de un cilindro de doble efecto. Si el mando debe realizarse desde dos puntos, el montaje aconsejable es el de la (Figura 14.9, B), que incluye un selector de circuito.

14.2.12. Mando automático de un

14.2.1 O. Mando condicional de un

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

cilindro de doble efecto Se puede obtener mediante el montaje en serie de dos válvulas 3/2 que pilotan una válvula 4/2 (Figura 14.1 O, A) ; con las mismas válvulas pero intercalando una válvula de simultaneidad (Figura 14.1 O, B); o bien, mediante una válvula pilotada 3/2 (Figura 14.1O, C).

cilindro de doble efecto

En el montaje de la Figura 14.12 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 1 y P2 para que el cilindro se mueva

14.2.11. Mando de un cilindro de doble efecto con retroceso automático Al accionar el pulsador de puesta en marcha Pl (Figura 14.11) se pilota la válvula 1 y ésta hace avanzar el vástago del cilindro que, al final de su recorrido, oprime el pulsador de la válvula final de cmTera, la cual manda una señal a la válvula 1 que in~ierte su posición, con lo que el vástago del cilindro retrocede. Éste es uno de los montajes básicos en neumática.

Figura 14.12. 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 cmTera 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.

Figura 14.11. 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.

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14.2.13. Mando de un cilindro de doble efecto con control de tiempo en el retroceso El temporizador empleado (Figura 14.13) 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 1.5 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 este el montaj e más empleado y prácticamente el único fiab le, siempre que el tiempo no sea muy preciso.

1.3

Figura 14.4. 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 14.4. Como éste se encuentra normalmente abierto, la señal de marcha pasa a la válvula l. l y al mismo tiempo al sistema temporizador, el cual anula la señal procedente de P después de un cierto tiempo que se mantiene constante.

14.2.15. Señales intermedias durante el avance del cilindro

Figura 14.13. 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 con-espondiente (Figura 14.15).

14.2.14. Mando de un cilindro de doble efecto con anulador de señal En un determinado montaje puede OCUITir 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 14.14) demasiado tiempo, en la válvula 1.1 aparecen dos señales simultáneas cuando el vástago del cilindro llega a 1.3. Al llegar primero la señal por (14) y después la señal por (1 2), 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 14.15. Señal durante el avance del cilindro.

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14.3. Electroneumática Cuando las distanc ias 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 intolerab les.

al pulsar P I se excita la bobina x y la válvula actúa tal como se indica. Cuando se oprime el pulsador P2 se excita la bobina y, se invierte la posición del distribuidor y, en consecuencia, el vástago del ci lindro marcha en sentido contrario.

8 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·

X

X

14.3.1. Electroválvulas

Una electroválvu la de mando indirecto (servopi lotada) 4/2 funciona de la siguiente forma (Figura 14.16).

y

DV

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.

P2

E·

Figura 14.17. Mando electroneumático.

14.4. Ejemplos realizados con autómatas Vamos a realizar una serie de ejemplos de resolución de automatismos, con autómatas programables, utilizando el mando neumático.

Ejemplo 1: Apiladora Para resolver el ejemplo (Figura 14.18) partimos de los siguientes elementos : •

Tres ci lindros: A (de simple efecto), B y C (de doble efecto.

•

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

•

Dos finales de caiTera para los cili ndros B y C.

•

Un sensor M.

Figura 14.16. 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 (1) puede alimentar la utilización (2) porque los pequeños émbolos distrib uidores, pilotados a través del conducto derivación de (1 ), cierran la uti lización (4) y abren la (2), respectivamente. 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.

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.

14.3.2. Mando electroneumático Un ejemplo muy sencillo de mando electroneumático lo constituye el montaje de la Figura 14.17. El distribuidor empleado para mandar el ci lindro es una válvula electroneumática de mando directo desde unos pulsadores eléctricos P I 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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A L CONTENEDOR

Figura 14.18. Esquema del Ejemplo 1.

1~

A continuación, cuando llegue una nueva pieza a M, saldrá nuevamente el cilindro A hasta A3 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 1. A continuación retrocederá hasta BO, C avanzará hasta Cl y se terminará el ciclo. Solución: Para resolver este ejemplo utilizamos los cilindros que se ilustran en la Figura 14.19. Según estos cilindros y el enunciado del ejemplo realizamos la tabla con las entradas y salidas que vamos a utilizar (Tabla 14.1). Es fácil deducir a partir del enunciado y de la tabla el diagrama de estados que se representa en la Figura 14.20. Este diagrama, a pesar de tener 13 estados, es de fácil comprensión, siguiendo simultáneamente la Tabla 14.1.

•

Estado 1:

UNA 32.0 UNA 32.1 UNA 32.2 UNA 32.3 UNA 32.4 = MO.l •

Transición del estado 1al estado 2:

UMO.l U E 32.0 U E 32.1 S M0.2 •

Estado 2:

UM0.2 S A 32.0 ; •

Transición del estado 2 al estado 3:

UM0.2 U E 32.5 RM0.2 S M0.3 •

Cilindro A activado

Final de carrera A4

Estado 3:

UM0.3 RA 32.0 • CILINDRO A

CILINDROS BY C

Figura 14.19. Cilindros utilizados en el Ejemplo 1.

A continuación realizamos el programa para el SIMATIC S5 en formato AWL. Éste será:

Transición del estado 3 al estado 4:

UM0.3 U E 32.0 U E 32.1 RM0.3 S M 0.4 •

Sensor M Final de carrera AO

Estado 4 :

UM0.4 S A 32.0 A=O

A=O Ba = O

A= 1

A=O

•

Transición del estado 4 al estado 5:

U M0.4 U E 32.4 RM0.4 S M0.5 •

Final de carrera A3

Estado 5:

UM0.5 RA 32.0 •

UM0.5 U E 32.0 U E 32.1 RM0.5 S M0.6

Figura 14.20. Diagrama de estados del Ejemplo 1.

J

Salidas

Entradas

1 A A32.0

Transición del estado 5 al estado 6:

Ba A32.1

Br A32.2

Ca A32.3

Cr A32.4

M E32.0

AO E32.1

A1 E32.2

A2 E32.3

A3 E32.4

A4 E32.5

BO E32.6

81 E32.7

co E33.0

C1 E33.1

Tabla 14.1

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•

•

Estado 6:

U M 1.4 A 32.2

UM0.6 S A 32.0

=

•

•

Transición del estado 6 al estado 7:

UM0.6 U E 32.3 RM0.6 S M 0.7 •

Final de carrera A2

Estado 7:

Transición del estado 7 al estado 8:

•

Final de carrera 80

Estado 13 : Avanza cilindro C

Transición del estado 13 al estado l:

U M 1.5 U E 33.l R M 1.5

; Final de carrera CI

BE

Estado 8:

Ejemplo 2: Taladradora automática.

UM 1.0 S A 32.0

Deseamos automatizar un taladro neumático, como el de la Figura 14.21, 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 caiTera 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.

Transición del estado 8 al estado 9:

UM 1.0 U E 32 .2 R M 1.0 S M 1.1 •

Estado 9:

U M 1.1 R A 32.0 •

Transición del estado 9 al estado 1O:

UM 1.1 U E 32.1 R M 1.1 S M 1.2 •

•

Final de carrera Al

Estado 10:

U M 1.2 = A 32.4

•

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

Transición del estado I O al estado 11 : Final de carrera CO

Estado 11 :

Salidas: Avanza cilindro B

Transición del estado 11 al estado 12:

UM 1.3 U E 32.7 R M 1.3 S M 1.4

E 32.0 E 32.1 E 32.2 E 32.3 E 32.4 E 32.5

7 2 5 6 4

Tabla 14.2.

U M 1.3 = A 32 . l •

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 14.2 y 14.3 y el diagrama de estados en la Figura 14.22.

; Retrocede cilindro C

UM 1.2 U E 33.0 RM 1.2 S M 1.3

©

Transición del estado 12 al estado 13:

UM 1.5 = A 32.3

U M0.7 U E 32.0 U E 32. 1 RM0.7 S M 1.0 •

Retrocede cilindro B

U M 1.4 U E 32.6 R M 1.4 S M 1.5 •

UM 0.7 R A 32.0 •

Estado 12:

; Final de carrera B 1

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Cilindro Cilindro Motor Cilindro Cilindro Cilindro

A avance A retroceso C avance C retroceso B

A A A A A A

32.0 32.1 32.2 32.3 32.4 32.5

Tabla 14.3.

U M0.2 U E 32. l ; Fin de carrera 7 RM0.2 S M 0.3

CONDUCTO ALIMENTADOR

•

Estado 3:

UM0.3 = A 32. l ; Ci lindro A retrocede S A 32.2 ; Motor taladro S A 32.3 ; Desciende cilindro C (del taladro) •

U M0.3 U E 32.2 RM0.3 S M 0.4

CILINDRO D

1~

Transición del estado 3 al estado 4: Fin de carrera 2

CILINDRO 8

•

Figura 14.21. Gráfico del Ejemplo 2.

UM0.4 LKT 150.1 SE T 1 ; Temporización de 15 segundos

Ar = l Aa = O Ar = O Motor= O Ca = O Cr= O B= O

•

Ar= O Motor = l Ca = l T(1) = 15 seg

Fin T(l ) B= O Motor= l Cr= l

B= l

Figura 14.22. Diagrama de estados del Ejemplo 2.

El programa para el autómata sería: •

Estado 1:

UNA 32.0 UNA 32.l UNA 32.2 UNA 32.3 UNA 32.4 UNA 32.5 = M 0.1 •

Transición del estado I a l estado 2:

U MO.l U E 32.0 S M0.2 •

Estado 2:

UM0.2 = A 32.0 ; Cilindro A avanza •

Transición del estado 2 al estado 3:

Transición del estado 4 al estado 5:

UM 0.4 UT 1 RM 0.4 R A 32.3 ; Se detiene el cilindro C S M 0.5 •

Estado 5:

U M 0.5 A 32.4 ; Retrocede cilindro del taladro

=

•

Fin6= 1

Estado 4:

Transición del estado 5 al estado 6:

UM0.5 U E 32.3 ; Fin de carrera 5 RM0.5 R A 32.2 ; Para el motor del taladro S M0.6 •

Estado 6:

UM0.6 = A 32.5 ; Avanza cilindro B

•

Transición del estado 6 al estado 7

UM0.6 U E 32.4 ; Fin de carrera 6 RM0.6 S M0.7 •

Estado 7

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

Transición del estado 7 al estado 1:

U M0.7 U E 32.5 ; Fin de catTera 4 RM0.7

BE

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14.1. Realizar el esquema de mando de un cilindro de doble efecto desde dos puntos distintos.

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

14.2. 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. La orden de marcha la da cada vez el operario pulsando el actuador correspondiente. Dibujar el circuito neumático que permita efectuar el ciclo expuesto.

< >

4

14.3. Un cilindro neumático de doble efecto mueve una palanca alternativamente para que un trinquete haga avanzar una meda. Dibujar el esquema del circuito neumático que pemlita el avance y retroceso automático del cilindro a partir de la orden de marcha que da el operador.

1

14.4. Un elevador neumático (Figura 14.23) 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 termina el ciclo.

3

Figura 14.23. Gráfico del Problema 14.4.

=

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

Cinco finales de carrera (AO, Al, BO, Bl). 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.

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 14.24 se ilustra el proceso que hay que automatizar.

c=o~ IT,~

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= MARCHA

S2

= MEDIDOR

c@[:JD CILINDRO A

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO 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 1 será paquete grande y luz 2 será paquete pequeño). A continuación el paquete es transportado por la cinta 1 hasta el plano elevador. El cilindro C eleva los paquetes. Acto seguido los paquetes son clasificados; los paquetes pequeños son

S1

AO

CINTA 3

~~ ' - : : ..S"°C""'UU,-,~---Cl_.,_ : NTAO

Figura 14.24. Esquema de la actividad.

~

/

/ 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 fundamentales . Magnitudes fisicas. ~ Fluidos hidráulicos y sus principales características. ~ Bombas hidráulicas. Sus tipos. ~ Instalaciones hidráulicas. ~ Válvulas. ~ Elementos hidráulicos de trabajo. ~

\J

I

•'

( uJJ eIJYOJ ~ ~ ~

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

15.1. Principios físicos · fundamentales

15.2.2. Transmisión hidráulica de fuerza

La hidráulica se basa en los principios de la hidrostática y la hidrodinámica que constituyen la mecánica de fluidos.

Si se tienen dos cilindros de distinta sección unidos entre sí y se aplica una fuerza F 1 (Figura 15.2) a l émbolo del menor de e llos, se tiene que la presión en cada uno de aquéllos, es:

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 e l recipiente donde se introducen. Además, si sobre una masa líquida se ej erce una fuerza, ésta se transmite a todos sus puntos. Así, la fuerza F (Figura 15.1 , 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.

=!i

p '

p

=

2

A1

F2 A 2

1 ÉMBOLO DE TRABAJO 2 PIEZA 3 VÁLVULA DE CIERR E 4 DEPÓSITO 5 VÁLVULA ANTIRRETORNO 6 ÉMBOLO DE APR IETE

F1

o 2

A

..

A2

\

i

i

i

i

i

i

i

a

I l 5

Pe

3

4

Figura 15.1. Principios físicos.

Figura 15.2. Transmisión hidráulica de fuerza. Como las presiones P I y P2 deben ser iguales, resulta:

15.2. Magnitudes tísicas Las magnitudes básicas del Sistema Internacional (S .!.) empleadas en hidráulica son: longitud, masa, tiempo y temperatura. Las unidades respectivas son: el metro (m), el kilogramo (kg), el segundo (s) y el Ke lvin (K) o el grado Celsius (°C). De ellas se derivan las demás magnitudes importantes en hidráulica: fi1erza, superficie, volumen, caudal, presión y

velocidad. Así, por ejemplo, la unidad de fuerza se deduce de la fótmula 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: 1 N = 1 kg · m/s-2 .

15.2.1. Unidad de presión La presión es la fuerza aplicada en la unidad de superficie. La unidad de presión S.!. es el pascal, que es la presión equivalente a 1 N/m 2 (véase Capítulo 11 , que trata sobre elementos de neumática, donde en el Apartado .11. l se explican estos conceptos).

.!.i_

= F2

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 deci r, 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 . 2

F = F 1 A 2 = 50 N 200 cm = 2

A1

2 cm

5000

N

2

15.2.3. Ley de circulación Por un tubo de secciones desigua les A 1 A? .A 3... circula una vena líquida (Figura 15.3). Si esta circulación es continua, por cada tramo de tubería pasarán los mismos volúmenes de líquido por unidad de tiempo.

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A1

A2

2

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 15.4, A).

+--+ 1

Figura 15.3. 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

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

¡\

Pe1

>

Pe2

A)-----t-t~Í1P=Pe1-Pe2'--~-+-----

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

Q =-

t

Pero como s/t es 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:

B)

>

A¡ V 2 - -A2 V¡

15.2.4. Energía hidráulica Una masa líquida en movimiento tiene una detenninada 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 .

Pe

Pe

Figura 15.4. Rozamiento y circulación. 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 inte1rnmpe la circulación, el líquido se para. 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 15.4, B).

• Energía hidrostática. Es la debida a la presión y depende de la presión existente. • Energía hidrodinámica. Debida al mov11mento. 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.

15.2.5. Rozamiento y circulación 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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Vo

A)

~

..

.. .. 4

•

•

4

.. 4

•

..'

..

~

·.

4.

4.

B)

Figura 15.5. Efecto de la velocidad de circulación.

• 4

Los líquidos se trasladan por un tubo, hasta determinadas velocidades, de modo laminar; es decir según capas paralelas relativamente uniformes (Figura 15.5, A). La capa interior es la más rápida, mientras que las exteriores están teóricamente paradas y pegadas a las paredes de l tubo. S i la velocidad de circulación crece hasta alcanzar un valor crítico, la corriente laminar se vue lve turbulenta (Figura 15.5, 8).

15.4. Bombas hidráulicas.

Con e llo 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 fij o 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.

Las bombas hidráulicas se dividen en dos tipos, atendiendo al caudal que otorgan:

Sus tipos Las bombas hidráulicas son elementos esenciales en las instalaciones. Son las impulsoras de l caudal hidráulico, capaces de convettir la fuerza mecánica en fuerza hidráulica.

•

Bombas de caudal fijo .

•

Bombas de caudal variable.

15.4.1. Bombas de caudal fijo

15.3. Fluidos hidráulicos y sus

rinci· ales 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 fi n de que la acción sea instantánea. Deben tener amplia fac ilidad para lubricar las piezas móvi les de todo el circuito, además de evitar la oxidación y la COJTOsión. Otra característica importante es la capacidad de disipación del calor generado por los frotamientos.

15.4.2. Bombas de caudal variable Las bombas de caudal variable tienen la propiedad de poder variar e l caudal emitido sin disminuir la velocidad de giro. Son las más empleadas en los sistemas hidrául icos modernos. Se uti lizan para presiones superiores a las que pueden otorgar las bombas de caudal fijo.

15.3.1. Viscosidad

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

Se define como la medida de la resistencia que opone un líquido al flui r. Influye en esta característica la temperatura, siendo más fl uidos (menos viscosos) conforme la temperatura aumenta. Atendiendo a la temperatura, la viscosidad se mide en grados Engler (Eº). Es decir, es el cociente entre el tiempo que tarde en flui r un aceite por un orificio calibrado y e l que tarda el agua a una temperatura determinada: Eº = -

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

t t¡

La viscosidad también se mide por números (5 W, 1OW, 20 W, 30, 40, 50, etc., según norma SAE). Es decir, el fluido es más denso conforme la numeración va subiendo.

,

15.3.2. Indice de viscosidad El índice de viscosidad tiene como fin alidad 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.

•

Bombas de engranajes.

•

Bombas de paletas.

•

Bombas de pistones.

15.4.3. Bombas de engranajes Son las más sencillas y económicas. Aunque son de caudal fij o se utilizan mucho en los mandos hidráulicos que no necesiten variación de caudal. Un ejem plo de su forma constructiva es el de la Figura 15.6. 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 e l 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 líqu ido enviado a la cámara P ha de salir forzosamente de la cámara del cuerpo para di rigirse hacia el consumidor.

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15.4.6. 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. 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 15.6. Bomba de engranajes de caudal fijo.

15.4.4. Bomba de paletas

15.5. Instalaciones hidráulicas

Este tipo de bombas (similar a la representada en la Figura 15.6) 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.

15.4.5. 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 15.7 representa una bomba de pistones axiales. El árbol motor (1 ), 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.

15.5.1. 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 15.7. 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.

15.5.2. 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 15.8).

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 (1 O), 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 retorno (12). En la Figura 15.9 aparece la fotografia de una bomba hidráu lica.

Figura 15.9. Bomba hidráulica.

15.5.3. Filtro 1

1

1

L

-- _

_

1

J

Figura 15.8. Central oleohidráulica. El depósito (1 ), 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.

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 contrmio 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 móvi les 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 15.10).

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15.5.5. 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.

15.5.6. Tuberías y conducciones SÍMBOLO

Figura 15.10. 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 15.8), destinado a la protección directa de aquélla contra cuerpos extraños; a éste se le llama filtro de aspiración.

15.5.4. 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 15.11 ) 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 (10) 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 ell a. 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 faci litar la tarea del proyectista. Estos ábacos son fruto de muchas experiencias prácticas por parte de los constructores y especialistas en hidráulica.

15.6. 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. 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:

p

Figura 15.11. Esquema de un manómetro.

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•

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 ...).

fU

~

-~

~ fU

~ ,~ ~

Para evitar la realización en los esquemas de las tuberías de retorno 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.

15.6.1. 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 15. 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 15.1 2, B); entonces se dice que la válvula está abierta.

A

Figura 15.13. Fotografía de una válvula hidráulica.

~

2/2

p

~

3/2

p

T

A

A

B

~

4/2

B

~

5/2

RPT

Figura 15.14. Símbolos de las válvulas distribuidoras. A

15.6.2. 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 15.14. Se emplean para gobernar cilindros de simple efecto.

Figura 15.12. 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 15.14.

6

15.6.3. Válvulas distribuidoras 4/2 Las válvulas 4/2 permiten el paso del fl uido 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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15.6.4. 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 15.14).

de cuadal fijo

de caudal variable

de caudal variable con antirretorno

Cuando la válvula está en reposo, la corredera permite el paso de P hacia By el escape del aceite que procede de A. Al accionar la válvula, se comunica P con A y, al mismo tiempo, se pone B a escape por la otra salida T. Estas válvulas se utilizan para gobernar cilindros de doble efecto. Como los escapes se purgan por separado, el líquido que regresa del cilindro puede emplearse para otras funciones de mando.

reguladora de presión

!imitadora de presión

Figura 15.15. Símbolos de válvulas reguladoras.

15.6.5. Válvulas distribuidoras 4/3 Las válvulas distribuidoras de 4 vías y 3 posiciones, al igual que las válvulas 4/2 y 5/2, sirven para gobernar cilindros de doble efecto. Tienen, sin embargo, una posición intermedia, que es utilizada para varias posibilidades de mando. También se utilizan estas válvulas para el accionamiento de motores hidráulicos. Cuando la válvula adopta la posición media (Figura 15.14), el aceite circula de P hacia T; cerrando el paso de A y de B; es decir, la válvula está puesta a escape. Al accionar el pulsador el fluido pasa de P hacia A y de B hacia T. Si se acciona de nuevo el pulsador el fluido circula de P hacia B y de A hacia T. En este tipo de válvulas el muelle interno se anula y se incorpora un sistema mecánico de enclavamiento para poder fijar las tres posiciones. Las tres posiciones permiten accionar varios elementos de trabajo. Su característica principal es que en la posición intermedia se puede originar un bloqueo o una liberación del elemento de trabajo, además de otras posibilidades.

•

Las válvulas de caudal variable producen una resistencia hidráulica ajustable. El aceite a presión pasa a través de un orificio de estrangulación cuya sección es variable por medio del tornillo de regulación. Por consiguiente, al variar la sección, varía también el caudal circulante y, como se sabe, la velocidad del fluido. Estas válvulas se emplean para ajustar el caudal sin escalonamientos, lo que significa que se puede modificar con sencillez la velocidad de los órganos de trabajo -por ejemplo, la velocidad de avance de un dispositivo de fijación- sin efectuar cambios en el circuito. Otras válvulas reguladoras de caudal variables son:.

•

Las válvulas de caudal o de estrangulación son elementos de gobierno hidráulico que se utilizan para modificar, de una forma sencilla, la velocidad de los elementos de trabajo. Esta modificación de la velocidad, se consigue a costa de variar el caudal del fluido. Para ello se estrangula el orificio de paso en razón directa a la velocidad deseada. Estas válvulas se pueden dividir en dos categorías:

•

Válvulas reguladoras de caudal fijo:

Las válvulas reguladoras de caudal fijo ofrecen una sección constante al paso del fluido. Son constructivamente bastante sencillas. En la Figura 15 .15 se representan los símbolos de estas válvulas. Esta válvula se emplea para modificar de forma sencilla la velocidad de los órganos de trabajo cuando las condiciones de presión son bastante constantes. ·

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Regulación del caudal en función de la variación de presión:

En la entrada o en la salida de las válvulas reguladoras de caudal, pueden producirse variaciones en la presión. Estas variaciones se producen por la conexión y desconexión de elementos hidráulicos con diversas cargas de trabajo. Mediante la adición de un émbolo y un muelle estas variaciones de presión no afectarán al caudal.

•

15.6.6. Válvulas de caudal

Válvulas reguladoras de caudal variable:

Válvulas reguladoras de caudal con antirretorno:

Este tipo de válvulas regulan el paso del fluido en un sentido y dejan que éste circule libremente en sentido contrario. En la Figura 15.13 se representa el símbolo de este tipo de válvula.

15.6.7. Válvulas reguladoras de presión Las válvulas de regulación de la presión son elementos de gobierno hidráulicos que acondicionan la presión de la instalación a una presión constante de trabajo. Lógicamente, el acondicionamiento o regulación es posible cuando la presión de trabajo es menor que la de la instalación. Hay dos clases de válvulas reguladoras de presión:

•

Válvulas reguladoras de presión (propiamente dichas):

_.,,,,,....- .,, '"f;

-~

~ ~

~ ,~ "'C

:E

Las válvulas reguladoras de presión tienen por objeto reducir una presión de salida ajustable con respecto a una presión superior de entrada. •

Válvulas limitadoras de presión:

(A}

La uti lización de estas válvulas tiene por objeto limitar la presión de trabajo a un valor máximo admisible. Se trata pues de un dispositivo de protección de los circuitos hidráulicos contra las sobrecargas.

15.7. Elementos hidráulicos de trabajo

t (1)

t

(2)

~

(B)

~

I

t(1}

Los elementos de trabajo sirven para convertir la energía de presión en un movimiento directamente aprovechable para la realización de un trabajo.

t

(2)

Figura 15.16. Cilindro de doble efecto y simple efecto.

Se pueden clasificar en los siguientes grupos y subgrupos: •

CJJJI:

~

Cilindros - Cilindros de simple efecto - Cilindros de doble efecto

•

Motores - Motores de engranajes - Motores de paletas - Motores de pistones Cilindro de simple efect o

15.7.1. Cilindros 1

Los cilindros hidráulicos transforman la energía de presión del fluido en un movimiento rectilíneo.

1

Cuando el impulso activo del fluido se produce sólo en un sentido, el cilindro se llama de simple efecto. La recuperación se éfectúa por muelle o debido a una acción externa.

1

1

1

Las partes que componen un cilindro hidráulico de simple efecto se aprecian en la Figura 15 .17. La velocidad de desplazamiento del vástago v depende del caudal Q y de la sección de aplicación A del émbolo: v =-

Q A

La fuerza del cilindro F depende de la presión aplicada Pe y de su sección útil A. A ella se opone la fuerza del resorte (si lo tiene) Fm y el rozamiento del émbolo y el vástago FR" O sea: F

=

A-pe - F m

-

Fr

Estos cilindros se emplean para levantar, sujetar, introducir, expulsar, etc., y, en general, cuando se precisa realizar un trabajo de compresión. Cuando el cilindro realiza trabajos a compresión (avance)

Cilindro de doble efecto

Figura 15.17. Símbolos de cilindros.

Cuando el fluido penetra en la cámara posterior, mientras el contenido en la cámara del vástago o anterior se evacua, el émbolo sale y efectúa su carrera positiva. A l invertir la entrada de aceite a presión el émbolo retrocede ( caITera negativa o de retomo).

Fa = Pe · A - F, La fuerza de avance F ª se calcula como en el caso anterior, aunque se prescinde de la influencia del muelle, ahora inexistente; es decir: La fuerza de retroceso Fr es algo menor debido a la disminución de la sección de aplicación producida por la presencia del vástago. Llamando A - A 0 a la nueva sección útil (valor de la corona circular), se tiene:

y a tracción (retroceso) se llama de doble efecto (Figu-

ra 15.16).

8

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Algunos cilindros llevan amortiguadores para reducir la velocidad de desplazamiento del vástago cuando llega éste a sus límites de carrera. Así se evitan posibles averías por impactos.

15.7.2. Motores hidráulicos El motor hidráulico entrega un par motor por el eje de salida. Por esta ri:izón convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El motor es accionado por el líquido a presión que le manda la bomba y, a su vez, actúa mecánicamente sobre la carga mediante un movimiento giratorio.

t

Los motores hidráulicos son en realidad elementos que trabajan contrariamente a las bombas, con las que guardan una gran semejanza constructiva. Se diferencian según la forma de sus elementos activos en: motores de engranajes, de paletas y de pistones.

•

Motores de engranajes

Se emplean bastante por ser sencillos y económicos. Son de tamaño reducido y fáci lmente acoplables . Giran en ambos sentidos y no se puede variar el volumen de la cámara. Se fabrican con dos tipos de engranajes : internos y externos.

•

Motores de paletas

Son motores de empleo muy frecuente . Se diferencian de las bombas de paletas en que el movimiento radial de éstas es forzado , mientras que en las primeras, las paletas se deslizaban por las ranuras del rodete gracias a la fuerza centrífuga.

•

Motores de pistones

Son los más empleados por sus excelentes características. Los hay de pistones radiales y axiales y de cilindrada fija y variable. Un motor de pistones axiales de cilindrada fija (figura 15.18) consiste en una carcasa (1) con un rotor o bloque (2) donde se alojan los pistones (3) . Éstos son empujados por el aceite a presión contra la rampa (5) y, por reacción, hacen girar el bloque (2) y con él, el árbol motor (4). La entrada de aceite se controla con el distribuidor (6).

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Figura 15.18. Motor hidráulico de pistones. Si la rampa o leva fija (5) fuera regulable, de modo que se pudiera modificar la carrera de los pistones, el motor sería de cilindrada variable.

•

Par de un motor hidráulico

El par motor depende de la fuerza de giro y del radio de aplicación de la misma y se expresa en m · kgf. La fuerza del motor es proporcional a la presión de trabajo, a la sección de los pistones y al número de éstos :

F=A · z · Pe

El par motor puede darse en función de la potencia N y del número de revoluciones n: N mt = 716-(CV) n A igualdad de potencia, cómo su velocidad es inferior a la de los motores eléctricos, el par que entregan los ~otores hidráulicos es muy superior al de aquellos. Los motores hidráulicos de pistones axiales se usan con frecuencia para el accionamiento de los husillos de los carros y mesas de muchas máquinas herramientas modernas, solos, o acoplados a motores eléctricos paso a paso.

=

15.1. Fundamento de la prensa hidráulica. 15.2._Ley de circulación de un flujo. 15.3. Régimen laminar y turbulento. 15.4. Viscosidad de un fluido. 15.5. Clase de bombas hidráulicas.

15.6. Componentes de una central oleohidráulica. 15.7. Clasifica y define válvulas distribuidoras, reguladoras y !imitadoras de presión. 15.8. Cilindros hidráulicos 15.9. Clasificación de motores hidráulicos.

_)

--

La actividad que se va a realizar va a ser similar a la realizada en el Capítulo 11, pero con los elementos hidráulicos: Realiza una clasificación de los elementos hidráulicos del aula taller, dibujando sus símbolos y realizando un pequeflo inventario.

Realiza un esquema de la instalación hidráulica, enumerando sus elementos: depósito de aceite, filtro, manómetro, válvulas de cierre y !imitadoras de presión, tuberías y conducciones.

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J1Jtrnducd(m 1 Para explicar el funcionamiento de los distintos componentes hidráulicos, es indispensable relacionarlos entre sí en el seno de las instalaciones hidráulicas. Por eso se explican a continuación diversos circuitos elementales con los que se pretende completar los conocimientos básicos de hidráulica del alumno.

._ .. .. .. .. .,._ .. .. .. ..

Gobierno de un cilindro de simple efecto. Mando de un cilindro de doble efecto. Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/3. Regulación de la velocidad de avance de un cilindro. Regulación del caudal de entrada . Regulación del caudal de salida. Regulador de presión. Circuito de avance rápido. Electrohidráulica . Aplicación del autómata programable a la electrohidráulica.

.. Definir mando hidráulico . .. Realizar instalaciones hidráulicas básicas. ,.... Aplicación de los autómatas programables a la hidráulica.

.s

-~ u

16.1. Gobierno de un cilindro de sim le efecto

la posición de reposo), se abre el paso de P ~ A. El émbolo de trabajo entra y desplaza el líquido a presión existente en el lado del émbolo, por B ~ T, hacia el depósito.

El grupo de accionamiento proporciona el caudal de líquido (Figura 16.1). Hay montada una válvula !imitadora de presión, a fin de que la presión en el sistema hidráulico no sobrepase el valor admisible. La presión puede leerse en un manómetro. Para mandar el cilindro de simple efecto hay intercalada una válvula distribuidora 3/2 (cerrada en posición de reposo). Al accionar ésta, se abre el paso de P ~ A (posición b) y el émbolo de trabajo se desplaza a su posición fi nal.

16.3. Mando de un cilindro de doble efecto mediante válvula 4/3

Masa

El grupo de accionamiento suministra el caudal de líquido. Para que no se produzcan presiones demasiado altas está prevista en el sistema hidráulico una válvula !imitadora de presión. La magnitud de la presión puede leerse en un manómetro (Figura 16.2 B).

, / Pe2

Cilindro de trabajo

B A

p

T

Elemento de mando

A

Grupo de accionamiento (A)

Figura 16.1. Gobierno de un cilindro simple. Después de conmutar la válvula distribuidora a la posición a, la pesa m empuja el émbolo hasta su posición inicial; el líquido a presión sale del cilindro y regresa por A ~ T al depósito.

16.2. Mando de un cilindro de doble efecto El grupo de accionamiento suministra el caudal de líquido a presión (Figura 16.2, A). Se necesita una válvula !imitadora de presión para evitar que las presiones suban demasiado. La magnitud de la presión ajustada puede leerse en un manómetro. Para mandar el ci lindro de doble efecto se utiliza una válvula distribuidora 4/2. Al accionar ésta se abre el paso de P ~ B, y el émbolo de trabajo se desplaza hasta su posición final exterior. A l mismo tiempo, el líquido a presión que se encuentra en el lado del vástago es evacuado por A ~ T al depósito. Después de conmutar la válvula distribuidora 4/2 (a

p

T

(B)

Figura 16.2. Mando de un cilindro de doble efecto.

Para pilotar el cilindro de doble efecto hay prevista una válvula distribuidora 413 con posición media de circunvalación.

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Estando dicha válvula en la posición media (O) de circunvalación, el caudal de líquido puede pasar sin obstáculos al depósito. Los empalmes A y B están cerrados. Al conmutarla a la posición de avance (a), se abre el paso de P A y de B T, y el vástago del émbolo del cilindro sale. Al conmutarla a la posición de retomo (b ), se abre el paso P B y de A T y el vástago del émbolo del cilindro entra. Si durante el movimiento de avance se conmuta la válvula a la posición media de circunvalación, el émbolo se detiene. Cuando es necesario que el émbolo se detenga, el circuito de circunvalación tiene la ve.ntaja de que el caudal enviado por la bomba puede ser evaéuado directamente sin presión, sin calentarse y sin necesidad de pasar por la válvula !imitadora de presión.

16.4. Regulación de la velocidad de avance de un cilindro En el circuito previsto en primer lugar (Figura 16.3, A), al accionar la válvula 4/2, el caudal de aceite enviado por la unidad de accionamiento pasa por la válvula reguladora de caudal al cilindro de trabajo y actúa sobre la superficie del émbolo; al mismo tiempo, el líquido de retomo del lado del vástago sale sin presión. Según el peso de la carga, el émbolo se mueve con sacudidas más o menos fuertes . Este deslizamiento con sacudidas, se produce por el rozamiento variable producido por el deslizamiento y la adherencia. El émbolo no sólo es empujado por el líquido a presión,

sino también extraído por el peso de la carga. El deslizamiento con sacudidas puede presentarse también sin que haya una carga que tire, cuando las velocidades de arranque son lentas y las resistencias de trabajo varían. Para evitar este problema se introducen variaciones en el circuito proyectado, que queda de la siguiente forma (Figura 16.3, B). Después de accionar la válvula distribuidora 4/2, el caudal de líquido pasa al cilindro y actúa sobre el émbolo con la presión Pe2 que puede subir hasta alcanzar la presión Pel = Pi máx. ajustada en la válvula !imitadora de presión (2 a) . Por la válvula !imitadora de presión (2 a), montada en la salida, se produce en la cámara del vástago del cilindro una contrapresión Pa. Esta contrapresión está ajustada de modo que el émbolo no está sometido a esfuerzo hidráulico, con ello se evita que el émbolo se deslice por sacudidas y ya no es posible tirar del émbolo. El movimiento de avance tiene lugar entonces de modo uniforme. Este sistema se utiliza, por ejemplo, en máquinas herramientas, para que el carro de la herramienta avance uniformemente y sin sacudidas (se protege la herramienta y se obtiene una superficie de mejor calidad).

16.5. Regulación del caudal de entrada Al accionar la válvula distribuidora 4/3, el lado del émbolo recibe el caudal de la válvula reguladora de caudal correspondiente (Figura 16.4, A).

Pe3

(B)

(A)

p

T

T

Figura 16.3. Regulación de la velocidad de un cilindro.

©

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p

1,

El émbolo se desplaza y el vástago sale a una velocidad de avance constante. El líquido desplazado de la cámara del vástago es evacuado por la válvula distribuidora 4/3 y la otra válvula !imitadora de presión y regresa al depósito. Esto es necesario para sujetar el émbolo hidráulicamente y compensar fluctuaciones de la presión. Como la válvula reguladora de caudal regula la entrada de la corriente de líquido, la superficie del émbolo se somete únicamente a la presión que exige la resistencia de trabajo respectiva.

1~

Como consecuencia de ello, el cilindro y sus juntas se someten a pequeñas cargas, no se produce un salto al comenzar el movimiento y la velocidad del émbolo permanece también constante, aunque la resistencia de trabajo varíe. No es posible conmutar en vaivén rápidamente, porque la presión tiene que formarse primero. Estando la válvula distribuidora 4/3 en posición media, la presión en la válvula reguladora de caudal se desvanece por la fuga.

El líquido desplazado de la cámara del vástago pasa por las válvulas reguladoras de caudal y por la distribuidora 4/3 y llega al depósito. Se regula, pues, la corriente del líquido que sale; de esta forma se sujeta hidráulicamente el émbolo y el vástago puede salir a la velocidad de avance constante. Como se regula la corriente de líquido desplazada, en el lado del émbolo la presión actuante aumenta siempre hasta alcanzar el valor máximo ajustado en la válvula !imitadora de presión. El cilindro y sus juntas están sometidos a un esfuerzo continuo grande. Al comenzar el movimiento se produce un salto, porque el émbolo se mueve durante corto tiempo sin encontrar resistencia hidráulica. Este sistema se aplica cuando se exige que el émbolo tenga un avance regular a pesar de que intervengan fuerzas externas de magnitud y dirección variables ( caso de muchas máquinas herramientas).

16.7. Regulador de presión

16.6. Regulación del caudal de salida

El grupo de accionamiento suministra una corriente de líquido. La presión Pe 1 la determina la válvula )imitadora de presión (Figura 16.5, A).

En la regulación del caudal de salida se regula el caudal que sale del consumidor (Figura 16.4, B). El grupo de accionamiento suministra la corriente de líquido. La presión máxima la determina la válvula !imitadora de presión. A2

Al accionar la válvula distribuidora 4/3, el lado del émbolo recibe la corriente de líquido enviada por la bomba.

Al accionar la válvula distribuidora 4/3, se inunda la cámara del émbolo del cilindro. El antirretomo (1) obstruye el paso, por lo cual sólo es posible el flujo a través del regulador de presión que asegura una presión constante en la cámara del émbolo, indicada en Pe2.

A1

Pe2

Pe3

Pe2 ~ ¡ _ __

_

_i¡:¡__

(B)

p

T

T

Pe1

Pe2

Figura 16.4. Regulación de caudal.

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·ª... ·ªu "S ,r,:t

""CI

:e :::::1

~

9

11

3 Pe2

(B)

A

B

5

Figura 16.5. Regulador de presión y avance rápido. Cuando se acciona la válvula 4/3 en posición contraria, se llena la cámara del vástago y el aceite de la cámara del émbolo escapa por el antirretomo (1 ), a través de la válvula 4/3 al tanque. Con este circuito se consigue una presión constante de trabajo. Por ejemplo, una presión constante sobre la banda en un tren de laminación.

Al conmutar la válvula distribuidora 4/2 de nuevo a su posición de reposo, la corriente pasa, sin ser estrangulada por la válvula antirretomo (7), al lado del vástago (retomo rápido). Durante el movimiento de retomo, la válvula distribuidora 2/2 no influye sobre el funcionamiento del circuito. Este circuito se utiliza en máquinas herramientas, cuando además del avance ajustable se necesitan también movimientos rápidos.

16.8. Circuito de avance rá ido La presión de servicio en el circuito se ajusta con la válvula !imitadora de presión (5) (Figura 16.5, B) y se verifica con el manómetro (8). La válvula distribuidora (6) en reposo deja pasar el líquido hacia la cámara anterior del cilindro de doble efecto (9). Como consecuencia de ello, el vástago retrocede y el aceite de la cámara posterior retoma al depósito a través de la válvula 4/2 (6). Al accionar ésta, el líquido a presión fluye al lado del émbolo del cilindro y el vástago sale. El líquido del lado del vástago fluye entonces, sin ser estrangulado, por las válvulas distribuidoras 2/2 (3) y 4/2 hacia el depósito (avance rápido), cuando el riel de mando (10) acciona el rodillo (11), la válvula distribuidora 2/2 cierra el paso y, al mismo tiempo, se cierra la válvula antirretomo (7). Como la corriente es evacuada hacia el depósito, únicamente por la válvula reguladora de caudal (4), la velocidad del émbolo se ajusta por medio de aquélla, tal como se explicó en el apartado correspondiente.

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16.9. Electrohidráulica En las máquinas herramientas modernas se da una estrecha colaboración entre la hidráulica y los sistemas eléctricos. Estos últimos presentan ventajas indudables para el mando a distancia por la rapidez y la facilidad de envío de la señal. Además permiten el almacenamiento y reproducción de programas de trabajo automatizado y todo ello en un espacio muy reducido. Por consiguiente, la conjunción de la hidráulica y la electricidad ha permitido racionalizar muchos sistemas mecánicos o hidráulicos complicados, caros o excesivamente voluminosos. Un ejemplo de mando electrohidráulico aparece en la Figura 16.6. La mesa (1) de una máquina se mueve por medio de un hidromotor (2) conectado al husillo roscado (3) de la misma.

2

o- Lli

Una vez aquí comienza el proceso de dosificación del plástico que realizará el cilindro B. Cuando el cilindro haya realizado la inyección del plástico (F3), se espera un tiempo (5 s) para permitir que salga el aire del molde. A continuación se introduce el cilindro de noyos durante otros 5 s, para permitir la solidificación de la pieza. Al cabo de este tiempo, se retira el cilindro de noyos (hasta F4) y el molde (hasta F l ). En este instante puede volver a iniciarse el ciclo.

u

Solución: Realizamos el cuadro de entradas y salidas: 6 Entradas Interruptor General (IG) Final de carrera F1 Final de carrera F2 Final de carrera F3 Final de carrera F4 Final de carrera F5

1~

Salidas E 32.0 E 32.1 E 32.2 E 32.3 E 32.4 E 32.5

Motor bomba Cilindro A: Avance (Av A) Cilindro A: Retroceso (Rt A) Cilindro B Cilindro Noyo : Avance (Av N) Cilindro Noyo: Retroceso (Rt N)

A 32.0 A 32.1 A 32.2 A32.3 A32.4 A 32.5

Tabla 16.1. Figura 16.6. Aplicación electrohidráulica. El diagrama de estados será (Figura 16.8): El tope (4) de final de carrera acciona el interruptor (5) que activa un relé (6), el cual cierra el circuito del distribuidor electrohidráulico (7) que invierte el sentido de giro del motor.

16.1 O. Aplicación del autómata programable a la electrohidráulica

Motor= 1 8= 1

M otor=1 T(1) =5 seg

IG

Motor= O AvA = O RtA = O B= O AVN = O Rt N= O

Fin T(1)

Motor= 1 AvN=1

F4= 1 F1 =1

Vamos a realizar un ejemplo, similar al del Capítulo 14, en el que se va a realizar una aplicación de la electrohidráulica mediante el autómata programable.

T(2) = 5 seg Mot or= 1

Ejemplo 1: Maniobra para prensa de fundición inyectada. Vamos a automatizar el proceso que aparece en la Figura 16.7, con el siguiente detalle:

Figura 16.8. Diagrama de estados del Ejemplo 1. Siguiendo el diagrama el programa para el autómata será: •

Estado 1:

UNA 32.0 UNA 32.1 UNA 32.2 UNA 32.3 UNA 32.4 UNA 32.5 = M 0.1 • Depósito plástico

Figura 16.7. Gráfico del Ejemplo 1. El ciclo comienza cuando se conecta la bomba mediante un interruptor general (no aparece en la figura). Una vez que ésta ha sido conectada, se cierra el molde mediante el avance del cilindro A, hasta F2.

Transición del estado 1 al estado 2:

UM0.1 U E 32.0 S M 0.2 •

Estado 2:

UM0.2 S A 32.0 ; La bomba ya no para = A 32.1 ; se activa cilindro A

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•

Transición del estado 2 al estado 3:

Transición del estado 5 al estado 6

U M0 .2 U E 32.1 ; Fin de carrera F 1 RM 0.2 S M 0.3

U M0.5 U E 32.5 ; Fin de carrera F5 RM 0.5 S M 0.6

•

•

Estado 3:

U M0.3 = A 32.3 ; Avanza cilindro B •

Transición del estado 3 al estado 4:

U M0.3 U E 32.3 ; Fin de carrera F3 RM0 .3 S M 0.4 •

Estado 4:

UM 0.4 LK T 50.1 SET 1

•

Transición del estado 4 al estado 5:

U M0.4 UT 1 RM0.4 S M 0.5 •

Estado 5:

UM0.5 =A 32.4 ; Avanza cilindro de noyo

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•

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Estado 6:

UM 0.6 LK T 20.1 SET 2

•

Transición del estado 6 al estado 7:

UM0.6 U T2 RM 0.6 S M 0.7 •

Estado 7:

UM 0.7 = A 32.5 ; Retrocede cilindro de noyo = A 32.2 ; Retrocede cilindro A

•

Transición del estado 7 al estado 1:

U M0.7 U E 32.4 ; Fin de carrera F4 U E 32.1 ; Fin de carrera Fl RM0.7 R A 32.0 ; Se para la bomba

BE

'

16.1. Realizar el esquema del circuito hidráulico para el mando simultáneo de dos cilindros de doble efecto desde un solo punto. 16.2. Explicar el funcionamiento de los circuitos representados en la Figura 16.9.

16.3. Dibujar el esquema de una instalación para efectuar un movimiento alternativo.automático con un cilindro de doble efecto y un distribuidor accionado por palanca con topes de fin de carrera.

M

M

Figura 16.9. Gráficos del Problema 16.2.

=

Gobierno de seis cilindros hidráulicos: A, B , C, D, E y F Como actividad vamos a realizar el gobierno de seis cilindros hidráulicos de doble efecto y sus correspondientes finales de carrera. El proceso a seguir es el siguiente: Contacto de inicio; retroceso del cilindro A; avance del cilindro B; avance del cilindro C; retroceso del cilindro C; retroceso del cilindro B; avance del cilindro A; avance del

cilindro D; retroceso del cilindro D; avance del ciÜndro E; retroceso del cilindro E ; avance del cilindro D; retroceso del cilindro D; avance del cilindro E; retroceso del cilindro E; avance del cilindro D; retroceso del cilindro D; retroceso del cilindro C; avance del cilindro F; retroceso del cilindro F y fin del proceso, hasta que se vuelva a dar una nueva orden de marcha. Los cilindros utilizados son de doble efecto con electroválvulas 3/2.

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Vamos a desarrollar en este apéndice el funcionamiento de una de las programadoras utilizadas para programar los autómatas de la serie SIMATIC S5: la PG-605U. Esta programadora es la más simple de todos los sistemas que se utilizan para programar autómatas SIMATIC S5, sin embargo, cubre perfectamente todas nuestras necesidades y tiene la ventaja de que, al ser pequeña, es fácil transportarla y conectarla al autómata en el lugar en que se encuentre. Similar a esta programadora es la PG6/5U, de un tamaño algo superior.

111- Descripción de la programadora PG-605 U. .. Funcionamiento de la PG-605U. l!IJ,- El teclado de la PG-605 U • Programación y operación con la PG-605U.

a.a.IIJI>,

Conocer un tipo de programadora on-line, Poder introducir, editar y modificar programas desde la programadora, Realización de fun ciones de prueba y control del autómata,

memoria intermedia. El módulo sólo actúa en el autómata cuando haya sido transferido a él desde la PG.

1.1. Descripción de la programadora PG-605U Mediante la programadora PG-605U podemos entrar, corregir y probar programas que diseñemos en STEP 5. Con la ayuda de un adaptador también es posible realizar esta función desde un ordenador. La programadora PG-605U puede utilizarse con los siguientes autómatas programables:

•• S5-90U S5-95U •• S5S5 IOOU lOlU S5 llOS S5 115U A La•• programadora opera normalmente en modo on-line, es decir, directamente conectada al autómata; a no ser que se conecte a un buffer de almacenamiento intermedio. La alimentación es de 5 V/0,5 A desde el autómata a través del cable de conexión. El canal de comunicación es el interfase serie lazo de corriente TTY, compatible con la norma RS-232C.

La PG-605U sólo puede procesar un módulo cada vez. Si se desea visualizar, corregir o probar un módulo ya almacenado en la memoria del AG (unidad de autómata), al llamarlo se copia automáticamente en la memoria de la PG, borrando el último módulo que tuviera la PG. Al desenchufar la PG se pierde el contenido de la memoria intermedia de la PG.

1.3. El teclado de la PG-605U En la Figura I. l se observa la disposición de las teclas de la programadora. Algunas de las teclas de la programadora tienen asignadas dos funciones. A la función impresa en color blanco se llega pulsando antes la blanca. Si se desea seleccionar sucesivamente varias funciones impresas en blanco es preciso pulsar cada vez dicha tecla. Pulsado dos veces sucesivas la se anula su efecto. Cuando está activada la tecla previa aparece una línea discontinua en el borde inferior izquierdo del visualizador.

1.2. Funcionamiento de la PG-605U

1.4. Programación y operación con la PG-605U

La programadora dispone de una memoria intermedia con capacidad para almacenar un máximo de 1.024 instrucciones (1 Kbyte). Los datos se introducen y corrigen primero en esta

Para conectar la PG-605U basta enchufar el conector en el correspondiente del autómata simbolizado con PG y cerrar la corredera para fijarlo.

Teclas de funciones del PG

Teclas de operaciones Teclas de posicionamiento

p

.( 6 j Teclas de operandos

F

( <

Tecla previa

...-

W

B

·(3)

• '

.L

Teclas de funciones

Figura 1.1. Disposición de teclas de la programadora.

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Una vez conectada, la programadora-corre brevemente una rutina de autoprueba y pasa al estado básico. Con ello se visualiza:

La Figura I.4 muestra el visualizador de la programadora y el significado de cada uno de sus campos. Una vez conectada la programadora, el sistema está listo para comenzar con la primera ORDEN.

: PG 605U Vl .4 *ORDEN* 11

11

Función

Tecla

o

:

(Una vez .pulsada la se llega a las funciones impresas en blanco.)

Tecla Tecla

(Con entrada/salida, visualización del estado de señal dependiente del programa.)

Tecla

o

Tecla

(Con entrada/salida.)

Tecla Tecla

(En estado básico: borrar totalmente el AG.) (En entrada/salida.)

Tecla

(Para finalizar una entrada/salida.)



(Visualización del estado de señal, MANDO.)

Tecla

(Llamada de funciones especiales.)

XI

....

00

o

©

o

Tecla

PB

#

o



(Borrar el visualizador, confirmar un error.)

Rgura 1.2. Resumen de las teclas de funciones de la PG-fiOSU.

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A

Función

{:::

o ~ o 1t

o -U o

< FLECHA IZQUIERDA> :

Para entrar metas (con entrada/salida). Cursor hacia la izquierda (con MANDO).

:

Para finalizar metas (con entrada). Cursor hacia la derecha (con MANDO).

:

Última instrucción, dirección-1.

:

Siguiente instrucción, dirección + 1, proseguir.

Figura L3. Resumen de las teclas de posicionamiento.

CD

Vortaste

/

@

CD CD CD

VKE

\®

Meldg. Nr.

SIG

/

\®

(j)

CD CD CD CD

Identificador de estado Direcció n STEP 5 Campo de entrada

Tecla previa Resultado de com binación Estado de señal Código de error (~ Anexo B)

Figura 1.4. Visualizador de la programadora y significado de cada uno de sus campos.

1.4.1. Entrada de instrucciones Para comenzar la introducción de instrucciones debemos seleccionar , para lo cual realizamos la siguiente secuencia. Pulse la tecla (ver tablas anteriores). A continuación se pulsa la y, a través de las teclas de operandos, el ti po de módulo (08, PB, FB) y su número ( 1 ... 255). La tecla finaliza la entrada y ejecución de la orden. En el ejemplo de la figura, se ha entrado el módulo PB 1.

11

A continuación ya podemos introducir a través del teclado las instrucciones, por ejemplo, "U E 1.0". Pulsando la tecla se acepta la instrucción; entonces el contador de direcciones STEP muestra la dirección siguiente. Continúe entrando su programa hasta la última instrucción. Pulsando nuevamente la tecla se finaliza la entrada. Con ello se visualiza la pregunta siguiente:

11

Pulsando nuevamente la tecla se transmite el módulo al autómata. Pulsando dos veces la tecla no se memoriza en el AG el programa entrado y la PG retorna a la posición de partida.

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Tras la interrupción el módulo se mantiene en la PG y puede seguir procesándose pulsado sucesivamente las teclas , y el módulo correspondiente.

1.4.2. Salida del "AG" Para seleccionar la función SALIDA pulse la tecla . Pulsando la y las teclas de operandos entre el tipo y el número del módulo. Pulsando la tecla se finaliza la salida y se ejecuta la orden. En el visualizador aparecerá la primera instrucción. Pulsando la tecla es posible visualizar las instrucciones siguientes. Para las correcciones ver Apartado 1.4.6.

1.4.3. Salida de la "PG" Pulse la teclas y . Si previamente se ha finalizado una entrada o salida con la tecla , es posible visualizar el módulo siguiendo la secuencia anterior. En caso contrario se visualizará el mensaje de error "*84" (módulo no existente en la PG). Si se desea procesar este módulo, es necesario transferirlo previamente del AG a la PG (Apartado 1.4.2).

1.4.4.Búsqueda La búsqueda es posible en la funciones ENTRADA, SALIDA y STATUS (visualización del estado de señal dependiente del programa). Al activar esta función se recorre todo el programa de usuario buscando el concepto deseado. El comienzo y el fin de la búsqueda es la dirección visualizada antes de activar la función de búsqueda.

1.4.4.1. Búsqueda de instrucciones u operandos

Las direcciones hexadecimales se entran con ayuda de la : PREVIA>

para A para B para C para D para E para F

1.4.5. Corrección 1.4.5.1. Borrado de instrucciones Seleccione la instrucción deseada usando las teclas de posicionamiento o a través de la función de búsqueda. Pulse la y la tecla . Con ello se borra la instrucción seleccionada y se visualiza la siguiente instrucción.

1.4.5.2. Inserción de instrucciones Usando las teclas de posicionamiento o a través de la función de búsqueda seleccione la instrucción delante de la cual debe insertarse la nueva. A continuación entre la nueva instrucción, por ejemplo, U E 1.0. Pulse ahora la tecla . Con ello se inserta la nueva instrucción; se visualiza la instrucción siguiente a la que se ha insertado.

1.4.5.3. Sobreescritura de instrucciones Usando la tecla de posicionamiento o a través de la función de búsqueda seleccione la instrucción que debe sobreescribirse. A continuación entre la nueva instrucción. por ejemplo, UN E 32.0. Pulse ahora la tecla . Con ello se sobrescribirá la instrucción y se visualiza la próxima instrucción.

Una vez seleccionada la función, entre en el concepto a buscar, por ejemplo, U E 32.0 (instrucción) o E 32.0 (operando). A continuación pulse la tecla . Una vez encontrado el concepto a buscar se visualiza la instrucción con su dirección asociada. Pulsando nuevamente la tecla se prosigue buscando. Cualquier otra tecla interrumpe el proceso. Si no existe el concepto a buscar se visualiza el mensaje de error *86.

1.4.6.1. STATUS

l.4.4.2. Búsqueda de direcciones

Esta visualización nos permite el depurado del programa al poder detectar posibles errores en el desarrollo del mismo, pero no podemos corregir el programa en esta función.

Una vez seleccionada la función, si se pulsa la tecla se inicia la búsqueda de direcciones. Entre ahora la dirección a buscar.

Importante: Para esta función el AG debe encontrase en estado RUN, en caso contrario aparecería en la pantalla el mensaje SIN PROCESAR.

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1.4.6. Funciones de prueba

La visualización del estado de señal dependiente del programa reproduce en el visualizador el estado del proceso; esta información se actualiza cíclicamente.

A

La visualización del estado de señal se lanza pulsando la tecla . A continuación la , el tipo de módulo (08, PB, FB) y el número (1...255) del módulo. La función se ejecuta al pulsar la tecla . En el visualizador aparece la primera instrucción del módulo seleccionado.

11

Pulsando la tecla se pasa al estado básico.

A

1.4.6.2. STATUS VAR La función " STATUS VAR" permite visualizar estados de señal binarios o valores digitales actuales para determinados operandos fijados previamente tal y como se encuentran durante la ejecución del programa en el punto de control del sistema en el AG (instante antes de ejecutar la parte cíclica del programa). La visualización directa del estado se inicia pulsando la tecla . Una vez entrada la letra característica del operando y el parámetro (por ejemplo: E 32.0, T 1, AB 1), pulse la tecla . En el visualizador se presenta el estado de señal correspondiente. Si se pulsa la tecla se pasa al esta básico. Importante: Para entrar "EB", "AB" o "MB" es preciso pulsar la antes de la "B".

1.4.7.3. Pila de interrupción: (USTACK) Existen diferentes causas que pueden llevar el AG al estado STOP: por ejemplo, el cambio de modo de operación por parte del usuario o un error o avería en el AG. La función USTACK, que se visualiza como configuración binaria o en hexadecimal, permite determinar la causa. Seleccione la función SALIDA y entre un . Pulsando la tecla se ejecuta la orden. En el visualizador aparece la pila de interrupción en forma de configuración binaria. La tecla permite visualizar las partes siguientes. Pulsando la tecla se pasa nuevamente al estado básico. Para más información sobre la pila de interrupción, consulte el manual "SIMATIC SS Programadora PG 6050".

1.4.7.4. Visualización de los parámetros del sistema Los parámetros del sistema se visualizan palabra a palabra en hexadecimal. Pulse la tecla y entre un . Tras pulsar la tecla se ejecuta la función. En el visualizador aparecerán entonces los parámetros del sistema. La tecla permite visualizar los restantes parámetros del sistema. Pulsando la tecla se finaliza la visualización de los parámetros del sistema y se pasa nuevamente al esta básico.

1.4.7. Funciones de información 1.4.7.1. Directorio de todos los módulos Seleccione la función SALIDA pulsando la tecla correspondiente y entre un < 1>. La orden se ejecuta pulsando la tecla . En el visualizador aparecerá el primer módulo de la lista de módulos y su dirección asociada. Pulsando al tecla se visualizan los otros módulos contenidos en la lista. La operación es cíclica. Para retomar al estado básico es necesario pulsar la tecla .

1.4.8. Funciones especiales 1.4.8.1. Arranque y parada del AG desde el PG Para poder utilizar esta función especial es preciso que el selector del AG se encuentre en la posición RUN.

1.4.7.2. Directorio de módulos individuales

La función START AG (arranque) se activa pulsando las teclas y . La orden se acepta.pulsando la tecla . La PG le pregunta desde el visualizador si desea realmente arrancar el AG. Pulsando la tecla se ejecuta la función . Si en lugar de ella pulsa la tecla se retoma nuevamente al estado básico.

Seleccione la función SALIDA y entre un < 1>. A continuación entre el tipo (08, PB, FB) y el número (1...255) del módulo. Pulsando la tecla se ejecuta la orden. En el visualizador aparecerán los datos del módulo seleccionado. La tecla permite retomar al estado básico.

La función especial STOP AG se selecciona pulsando las teclas y . La orden se acepta pulsando la tecla . La PG le pregunta si desea realmente parar el AG. Pulsando la tecla se ejecuta la función. Si en lugar de ella pulsa la tecla se retoma nuevamente al estado básico.

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1.4.8.2. Compresión de la memoria La funció n COMPRIMIR pennite eliminar módulos inválidos en el AG, por ejemplo los que se crean al corregir y borrar módulos. La función COMPRIMIR se selecciona pul sando las tec las y . Tras pulsar la tecla se ejecuta la orden y éste comprime la memoria del AG .

1.4.9. Funciones de borrado 1.4.9.1. Borrado total del AG Para poder utilizar la función BORRADO TOTAL del AG es preciso que éste se encuentre en el estado STOP. La función BORRADO TOTAL se selecciona pulsando las teclas

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e . Una vez pulsada la tecla la PG le pregunta si desea borrar totalmente el AG. Pulsando nuevamente la tecla se ejecuta la orden y se borra el AG. Si en lugar de ello pulsa la tecla se retorna nuevamente al estado básico.

l.4.9.2. Borrado de módulos La func ión BORRADO DE MODULO se selecciona pulsando las teclas e . A continuación pulsar la y el tipo (08, PB, FB) junto con el número (1 ... 255) del módulo. Pulsando la tec la la PG le pregunta si desea borrar el módulo indicado. Pulsando nuevamente la tecla se ejecuta la orden y se borra el módulo afectado. Si en lugar de ello pu lsa la tecla se pasa nuevamente al estado básico.

A

/

// Jlltrndw:dó11 Después de conocer e/funcionamiento de la programadora PG-605U, vamos a conocer el jimcionamiento de un paquete de programación utilizando un ordenador compatible PC. No es, en ningún modo, un manual delfimcionamiento, sino un resumen; en cualquier caso, creo que no es necesario, a causa de la aversión que suelen producir los manuales de los programas informáticos. Para tener una información completa debe consultar el manual que se entrega junto con el programa STEP 5 -A G 90, o consultar con su distribuidor de productos SIMATIC.

lll,,- Arranque del programa. l!J!,, Programas de servicio.

~ - Introducción de un programa. IIJ,,. Listado por impresora. lll,,- Otras fimciones.

IIJ,,, Conocer un tipo de programadora off-fine. lll,,- Poder introducir, editar y modificar programas desde el ordenador. lll,,- Realización de funciones de prueba y control del autómata.

1

En esta pantalla aparecen cuatro zonas. De ellas nos interesa saber que la zona grande central será la zona de trabajo propiamente dicha, de ella la línea inferior será una línea de avisos (en este momento aparece el mensaje: "TTY/AS5 l l .. ." indicando el tipo de interfase que debemos utilizar con el AG). La zona inferior es de teclas de funciones, en la que aparecerán las principales opciones del paquete.

11.1. Arranque del programa El paquete del programa debe obligatoriamente instalarse en el disco duro, ya que viene "comprimido" en el disquete. Además el paquete se ha diseñado para trabajar con el sistema operativo CP/M de entorno industrial, por lo que tiene un emulador del sistema operativo MS-DOS (el paquete ha sido probado satisfactoriamente bajo OS/2); esto hace que, posiblemente, veamos disminuidas las prestaciones de nuestro equipo y el juego de caracteres del teclado varíe del teclado inglés. Bajo Windows da algunos problemas en la transmisión. En las Figuras II. l y II.2 se muestra la disposición del teclado actual y la disposición de las teclas de funciones equivalentes de la PG.

A

Para comenzar un programa o para ver/corregir uno existente debemos elegir la opción . Pero antes vamos a ver los programas de servicio de que disponemos, para lo cual pulsamos (F2).

El programa se instala en el disco duro en un directorio que crea con el nombre S5_AG90. Para arrancar debemos ir primero a ese directorio:

11.2. Programas de servicio

C:\>CD S5 AG90 C:\AG 90>S5

De todos los programas de servicio disponibles en este paquete sólo es posible seleccionar F3 IMPRESORA y F2 PIE PAG.

Con S5 se arranca el programa, en la pantalla aparecerá: SELECCI ON DE PAQUETE

SIMATIC S5/KOMI

Con podemos configurar el tipo de impresora que tenemos para poder enviar los listados de los programas. Nos movemos exclusivamente con las teclas del cursor del teclado numérico (véase figuras de teclado), modificamos con F3 y aceptamos la configuración con F6.

KOP,FUP ,AWL ... .. . . . . . . . ...•. . . .. . , . . V.x . x C : S5PXS01X . CMD

TTY/AS511-INTERFASE (ESTANDAR) F1

F2

F3

Pt\QUETE

F4

FS

F6

F7

FB

VERSION

INTERr;,,sE

UNIDAD

NUEVA SEL.

RETORNO

En elegimos diversos parámetros del fin de página de cada hoja, así como el cuadro que aparece en cada página en el listado.

Teclado MFII internacional (IBM-AT)

m ~~R71R71 10~~~ ~ ~ 1 1 í"@l1 1 1 1 , ~ k:'.í!:Jl&t:JIL[J~ ~LC:J~~ [OQ\Ct 1 1 ¡-- - - - - - - - - - - - - - - - - 1

1

_L -

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IL

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- - - - 1 L- -

ir- JL -

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J:~mn:¡ e_E

•

L -

-

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-

-

_

-.J

L -

L _L -

1

.

L_@j1 _ J

Ocupación S5 del teclado MFII (IBM-AT)

Figura 11.1. Ocupación del teclado del PC.

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--~

-e,

Teclado MFII (IBM-AT)

= l-

Ocupación S5

A Figura 11.2. Ocupación de las teclas de funciones.

11.3. Introducción de un ~grama

Pondremos en ON exclusivamente si tenemos conectado un AG mediante el cable de adaptación ASS 11 al puerto serie COM 1 del ordenador.

11.3.1. Ajustes previos

y no se utilizan en este paquete.

La primera pantalla de la opción es una máscara de ajustes previos, como la siguiente.

Por último el cursor salta a , mediante F3 elegimos el tipo de representación del programa, que para nosotros lo pondremos en AWL.

En esta pantalla el cursor se encuentra detenido en , para la entrada del nombre del programa que vamos a comenzar. El nombre debe tener como máximo 6 caracteres, si tiene menos los caracteres restantes se rellenarán con el carácter "arroba"(@).

AJUSTES PREVIOS

' ' '

KOP NO SI

FICH . IMPRES , SUMA SEGUR. 11000 SERVICIO NOMBRE CAMINO

' '

NO OFF

Fl

F2

11.3.2. Introducción de un programa ejemplo

SIMATIC S5/PSS01

REPRESENTACION SIMBOLICO COMENTARIOS FICH . PIE PAG:

FICH. PROGRAMA: FICH. SIMBOL. , PIE DE PAGINA

ST . S5D

'

En la linea de funciones aparecen, ahora, las posibles acciones:

NO

Fl

F2

F3

F4

F5

ENTRADA

SALIDA

TEST

AG - FUN

AG- INFO

F6

F7

FS

FICH. CAM:INO

F3 ELEGIR

F4

F5

F6

F7

ACEPTAR

INFO

FS

El cursor pasará a simbólico, que no forma parte de este paquete, por lo que pulsaremos la tecla de tabulación para pasar de este campo. En comentarios dejaremos SÍ si queremos incluir comentarios en el programa. En pondremos SÍ con la tecla de función F3, si hemos definido previamente un pie de página, del mismo modo en y en . se utiliza para comprobar que el programa ha sido transferido correctamente del AG al PG.

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En cualquier momento, pulsando F7, obtenemos información del campo seleccionado. Aceptamos el ajuste con F6.

En donde: F 1: F2: F3: F4: F5: F6: F7: F8:

Entrada de módulos. Salida de módulos. Test de AG (p.e. Status). Funciones del AG. Funciones de información del AG. Plantilla de ajustes anterior. Funciones auxiliares (p.e. transmitir programas). Volver a la primera plantilla.

Elegimos Fl: , pulsamos nuevamente Fl: . En la parte inferior de la pantalla aparece:

ENTRADA APARATO: MÓDULO:

Rellenamos:

11.4. Listado por impresora

ENTRADA APARATO: FO Indica que el programa va a ser introducido en el disco duro, en el fichero previamente ajustado.

MÓDULO: PBI Y pulsamos la tecla de Introduciremos el programa:

0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006

BE La pantalla que aparece ahora es:

M

O. 1

E

32 . 2 32 . O

A

0000

LON= 16

PROGRAMA EJEMP LO

EST E ES UN PROGRAMA EJEHPLO DE FIB,CIONAMIENTO DEL PAQUETE DE PROGRAMACION S5 - AG9 0 . EL PROGRAMA SE VA A INTRODUCIR EN EL MODULO PBl EN LOS DOS P RIMEROS SEGMENTOS.

= A32.l

:U :U

MÓDULO: PB 1 BÚSQUE-

C : EJEMPLST.SSD

PB 1 SEGMENTO 1

UMO.l U A 32.0

PBl SEGMENTO 1 :U E 32 . 0 :U E 32 . l M O .1

SALIDA APARATO: FO DA: IMP:*

Pulsamos y obtendremos un listado como el siguiente:

U E 32.0 U E 32.l = MO.I UMO.l U E 32.2 = A 32.0

A

Para enviar el programa a la impresora, elegimos la opción , y rellenamos:

C : F.JEMPLST . SSD PROGRAMA F.JEHPLO

LON=O ENTRADA COMENTARIOS

ENTRADA APARATO : FD MODULO: PB1

Para introducir el título general del programa "PROGRAMA EJEMPLO" pulsamos "SHIFT+S" (COM en el teclado equivalente), pulsando dos veces esta secuencia podemos introducir un texto explicativo general. Después de introducir cada línea, pulsando "COM" podemos introducir un pequeño comentario a esa línea. El resto del programa lo introducimos en otro segmento, pulsando la tecla "***" del teclado equivalente ("Shift + retroceso"). Al finalizar debemos introducir obligatoriamente, el comando de fin de módulo BE. En este momento se grabará automáticamente en el disco duro.

:U :U :U :U

E E M M E A

32 . 0 32 . 1 0.1 0.1 32 . 2 32 . 0

M A A

0007 O .1 32.0 32 . 1

COMENTARIO LA MARCA O. 1 SE ACTIVA CON LAS ENTRADAS 3 2 . 0 Y 32 . 1

· ***

SEGMENTO 2 0007 :U 0008 :U 0009 OOOA :BE

CUANDO SE ACTIVE A 32. 0 SE ACTIVA A 32 . 1

11.5. Otras funciones Una vez terminado el programa podemos transferirlo a la memoria del AG. Para lo cual pulsamos F7 , en la máscara de funciones elegimos Fl y rellenamos la línea de comando:

TRANSF.ORIGEN: FO MÓDULO: PBl DESTINO: AG MÓDULO: Pulsamos y el programa se envía al AG. Cuando tengamos varios módulos en podemos poner B y enviar todos a la vez.

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Jutrndm:cifüi 1 Igual que en el sistema SS, la mejor forma de programar el autómata es a través del paquete de programación. El Step 7 MicroWin es un paquete de uso sencillo orientado a facilitar el trabajo del programador, que incluye, además, algunas funciones integradas. Este paquete está orientado para trabajar en modo KOP. Además, en el modo de trabajo on-line, se consigue una visión más sencilla y práctica del desarrollo del programa. Este paquete es, por supuesto, compatible con cualquier equipo que trabaje bajo Windows y no requiere ningún hardware especial.

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

Familiarizarnos con el programa. Comunicarnos con el autómata . Realización de un programa ejemplo . Conclusión.

.... Conocer otro paquete de programación de autómatas . .... Entender los programas de simulación

111.1. Familiarizarnos con el programa

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