Diseño de circuitos combinatorios y secuenciales neumáticos

Instituto Tecnológico Del Istmo

Circuitos Hidráulicos y Neumáticos Unidad 3. Diseño de circuitos combinatorios y secuenciales neumáticos

Iván Juárez Cruz Ingeniería Mecatrónica Docente: José Manuel Cuevas Jiménez

Contenido Lista de figuras   ..................................................................................................................................

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Introducción   .......................................................................................................................................

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3.1. Circuitos combinatorios.   ..........................................................................................................

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3.2. Diagrama espacio-fase y diagrama espacio-tiempo.  .......................................................... 5 Diagrama Espacio - Fase   ............................................................................................................ 5 Diagrama Espacio  – Tiempo  ...................................................................................................... 3.3. Sistemas secuenciales y métodos de solución (cascada, paso a paso, GRAFCET).

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Método Cascada   ...........................................................................................................................

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Método Paso A Paso   .................................................................................................................

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Método GRAFCET   .....................................................................................................................

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3.4. Documentación de sistemas combinatorios y secuenciales. .................. ................. ........ 16 Conclusiones   ...................................................................................................................................

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Referencias bibliográficas   .............................................................................................................

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List a de figu ras Figura 3.1 Diagrama Espacio-Fase ....................................................................................................... 5 Figura 3.2 Circuito neumático ............................................................................................................. 5 Figura 3.3 Diagrama Espacio-Fase del circuito anterior ...................................................................... 6 Figura 3.4 Sistema hidraulico .............................................................................................................. 6 Figura 3.5 Diagrama Espacio-Tiempo del circuito anterior ................................................................. 7 Figura 3.6 Esquema normal en cascada ............................................................................................ 10 Figura 3.7 Dispositivo para un sistema de mando con 4 salidas ....................................................... 11 Figura 3.8 Sistema de mando conectado .......................................................................................... 11 Figura 3.9 Secuencia método paso a paso ........................................................................................ 12 Figura 3.10 Composición de un GRAFCET ......................................................................................... 13 Figura 3.11 Sucesión lineal ................................................................................................................ 14 Figura 3.12 GRAFCET con direccionamiento ..................................................................................... 15 Figura 3.13 Secuencias simultaneas .................................................................................................. 15

Introducción En el desarrollo de problemas que involucren sistemas secuenciales, se emplean diversas metodologías tales como Cascada, Paso a Paso y GRAFCET, entre otros. Estos métodos se basan en el funcionamiento del circuito dado que en la industria los procesos que se elaboran son bastante complejos se tiene que tener una metodología bien comprendida de cómo se tiene que realizar estos circuitos y saber cómo es que van a funcionar antes de ponerlos en práctica para no tener errores esto conlleva a que los creadores de estos circuitos se basen en alguno de estos métodos para realizar sus cálculos y sus diagramas para mejor realización de estos. En este trabajo se hablará de los circuitos secuenciales y circuitos combinatorios.

3.1. Circu itos combinatori os.

Los sistemas combinacionales están formados por un conjunto de compuertas interconectadas cuya salida, en un momento dado, esta únicamente en función de la entrada, en ese mesmo instante. Po eso se dic que los sistemas combinacionales no cuentan con memoria. Un circuito combinatorio es un arreglo de compuertas lógicas con un conjunto de entradas y salidas. Las "n" variables de entrada binarias vienen de una fuente externa, las "m" variables de salida van a un destino externo, y entre estas hay una interconexión de compuertas lógicas. Un circuito combinatorio transforma la información binaria de los datos de entrada a los datos de salida requeridos. El análisis de un circuito combinatorio comienza con un diagrama de circuito lógico determinado y culmina con un conjunto de funciones booleanas o una tabla de verdad. Los pasos para desarrollar un circuito combinatorio son: • • • • •

Establecer el problema. Se asignan letras a las variables de entrada y salida. Se deriva la tabla de verdad que define la relación entre entradas y salidas. Se obtienen las funciones booleanas simplificadas para cada salida. Se traza el diagrama lógico.

Álgebra De Boole En una computadora únicamente existe dos posibilidades: utilizar el 0 o bien el 1 para representar el objeto más pequeño e indivisible. Todos los programas y datos se reducen a combinaciones en bits. Un bit en una parte de un circuito puede producir voltaje mientras que en otra parte no lo hace. Razón por la cual se requieren dos niveles de voltaje: 1 = voltaje alto. 0 = voltaje bajo. Los circuitos combinatorios se construyen por medio de compuertas lógicas que son capaces de hacer cambios en el nivel de voltaje del cuerpo. Un circuito combinatorio es aquel cuya salida se puede obtener de una única forma, además los circuitos que utilizan las compuertas lógicas, se los puede también representar mediante las expresiones booleanas para las compuertas NOT, OR y AND respectivamente.

3.2. Diagrama espacio -fase y di agrama espacio-ti empo.

Se pueden representar los procesos y estados de los elementos de trabajo en función de orden cronológico de las fases, o bien el orden de estas fases, pero teniendo en cuenta el tiempo que tarda en realizar cada uno de ellos. Diagrama Espacio - Fase

Sobre dos ejes de coordenadas se representan: 1. En el eje de abscisas las fases 2. En el eje de las ordenadas la longitud de la carrera. Si en el circuito intervienen más de un cilindro, se trazan los diagramas correspondientes a cada uno de ellos, uno debajo del otro, atendiendo al orden de funcionamiento, con lo que es posible ver fácilmente la posición de los cilindros en cada fase.

Figura 3.1 Diagrama Espacio-Fase

Ejemplo La figura 3.2 muestra un circuito y la figura 3.3 el diagrama espacio fase de este.

Figura 3.2 Circuito neumático

Diagrama espacio  – fase

Figura 3.3 Diagrama Espacio-Fase del circuito anterior 

Diagrama Espacio  – Tiempo

Se efectúa de manera igual al anterior, pero marcando las fases de acuerdo con el tiempo que tardan en realizarse. Las líneas que representan el desplazamiento de los cilindros tendrán su inclinación en función de la velocidad. Ejemplo Se forma un sistema hidráulico, conformado por dos cilindros, y se requiere que el cilindro A extienda su vástago en 2 segundos y lo retraiga en 3 segundos. Además, el cilindro B debe realizar su salida en el momento y durante el mismo tiempo que se retrae A, el retroceso de B se hará en 1 segundo.

Figura 3.4 Sistema hidráulico

Diagrama espacio  – tiempo

Figura 3.5 Diagrama Espacio-Tiempo del circuito anterior 

3.3. Sistemas secuenciales y métodos de solución (cascada, paso a paso, GRAFCET).

Existen diversos métodos para desarrollar un circuito neumático o electro neumático tales como el llamado paso a paso , el de cascada o el de GRAFCET estos métodos se basan en el funcionamiento del circuito dado que en la industria los procesos que se elaboran son bastante complejos se tiene que tener una metodología bien comprendida de cómo se tiene que realizar estos circuitos y saber cómo es que van a funcionar antes de ponerlos en práctica para no tener errores esto conlleva a que los creadores de estos circuitos se basen en alguno de estos métodos para realizar sus cálculos y sus diagramas para mejor realización de estos. Métod o Cascada

Es un sistema sencillo para la resolución de circuitos neumáticos secuenciales, en los cuales, se repitan estados neumáticos. El método consta de una serie de pasos que deben seguirse sistemáticamente: Definir la secuencia. Lógicamente, conforme al funcionamiento que se desea del sistema. Si se quiere un avance del cilindro A, un avance del cilindro B y un retroceso simultáneo de ambos, la secuencia quedaría de la siguiente forma: A+ B+ (A- B-) Determinar los grupos. Teniendo en cuenta que en un mismo grupo no puede repetirse la misma letra y que si en el último grupo hay una o más letras que no están en el primer grupo, pasarían a éste, delante de la primera letra de la secuencia. Colocar tantas líneas de presión como grupos hay en la secuencia y tantas válvulas distribuidoras de línea, como grupos menos uno. Se basa en crear un dispositivo de mando que tenga tantas salidas como fases a desarrollar en la secuencia, entendiendo como fase un grupo de letras de la secuencia en las que no se repita ninguna. Para cada uno de ellos utilizaremos válvulas de memoria 4/2 o 5/2. Así con una válvula obtenemos un dispositivo de 2 salidas. Si en la vía de presión conectamos otra válvula, obtendremos un dispositivo de 3 salidas. Añadiendo válvulas iremos incrementando el número de salidas sucesivamente. Sin embargo, para más de cuatro salidas no es aconsejable este método ya que el dispositivo de mando resulta muy lento al disponer de una única toma de presión.

Método de resolución Escribir correctamente la secuencia. Tener en cuenta que, en inversión exacta, al no haber problemas de simultaneidad de señales no resulta económico ya que requiere la utilización de más válvulas. Dividir la secuencia en grupos, de forma que abarque el mayor número de letras, pero no se repita ninguna letra en los grupos formados (para más de cuatro grupos no es recomendable por su lentitud y pérdida de presión). Ejemplos: A + B + / B  – A  – (2 GRUPOS) A + / A  – B + / B  – (3 GRUPOS) El número de distribuidores 4/2 ó 5/2 necesarios para el circuito de mando es igual al número de grupos resultante menos uno. Los distribuidores quedan conectados en serie y la salida de la válvula que sigue en la serie invierte la válvula que da la salida anterior. Lo cilindros y distribuidores deben alimentarse directamente de la red, no de las salidas de los dispositivos de mando. Los finales de carrera de cada grupo se alimentan de su línea, las líneas equivalen a los grupos y se forman a partir de las utilizaciones de los distribuidores y selectores y habrá tantas como grupos. La señal de pilotaje para el primer movimiento de cada grupo se toma directamente de su línea. Dentro de cada grupo los movimientos se ordenan directamente. El último final de carrera de cada grupo manda señal al distribuidor selector para que la presión cambie al grupo siguiente. Para mayor seguridad, es aconsejable montarlos en simultaneidad (usando una válvula Y) con la salida anterior y alimentarlos directamente de la red. El último final de carrera se monta en simultaneidad con las condiciones de mando, para evitar que una nueva secuencia no comienza sin haber finalizado la anterior.

Figura 3.6 Esquema normal en cascada

Métod o Paso A Paso

Este método presenta una mayor rapidez de mando ya que las válvulas se conectan en paralelo, alimentándose directamente de la red. Sin embargo, frente al método de cascada presenta el inconveniente que, para el mismo número de salidas, el método paso a paso necesita una válvula de memoria más, una por cada línea de salida que necesitemos. Además, no puede utilizarse cuando el número de salidas sea dos (ya que cada salida debe borrar la anterior, no podría activarse). Para la realización del dispositivo de mando por este método, usaremos válvulas de memoria 3/2 biestables, alimentadas directamente de la red y conectadas en paralelo. Usaremos tantas como salidas deba tener el sistema (al menos 3). Todas estas válvulas estarán en posición cerrado, excepto la que da presión a la última

salida, que estará en abierto, y cada válvula deberá borrar la válvula de la línea anterior En la figura 3.7 podemos ver el dispositivo de mando para un sistema con 4 salidas:

Figura 3.7 Dispositivo para un sistema de mando con 4 salidas

Para ganar rapidez en el mando y garantizar la seguridad, conviene que los elementos que cambian la presión del grupo, se alimenten directamente de la red y que las válvulas de control se monten en simultaneidad (usando válvulas Y) con la salida anterior, como se ve en la figura:

Figura 3.8 Sistema de mando conectado

Resolución por este método Se trata de diseñar el circuito de mando de modo que cada fase de la secuencia disponga de su propia salida. La mayor ventaja es que se puede modificar la secuencia sin tener que modificar el mando. El inconveniente es que precisaremos más válvulas de memoria, una por cada movimiento de la secuencia. Los pasos a seguir: 1. Escribir correctamente la secuencia y dividirla en tantos grupos como fases tenga. 2. A cada grupo le corresponde una salida del dispositivo de mando, formado por una válvula 3/2 de memoria. Habrá tantas salidas como grupos en que se haya dividido la secuencia.

3. En la posición inicial, todas las salidas del dispositivo de mando estarán anuladas, excepto la última, que se deberá estar activa. 4. La activación de cada salida se realizará tomando la alimentación de los finales de carrera de la salida anterior. Es aconsejable utilizar una válvula de simultaneidad (Y) alimentada por un lado de la línea anterior y por el otro del final de carrera que activa la secuencia. 5. La desactivación de una memoria (salida) se realiza con la salida siguiente. 6. Los cilindros y distribuidores que los gobiernan se alimentarán directamente de la red, nunca de las salidas de los dispositivos de mando. 7. Los finales de carrera conviene que se alimenten directamente de la red y serán las entradas del dispositivo de mando. 8. Cada orden se toma directamente del grupo (salida) al que pertenece. El final de carrera que certifica el final de una fase de la secuencia se utilizará para cambiar la presión a la salida siguiente. 9. El último final de carrera se montará en simultaneidad con las condiciones de mando, para garantizar que una nueva secuencia no comienza sin haber finalizado la anterior. La secuencia resuelta por este método:

Figura 3.9 Secuencia método paso a paso

Método GRAFCET

Los primeros métodos para el desarrollo de automatismos eran puramente intuitivos, llevados a términos por expertos y desarrollados basándose en la experiencia En la actualidad se utilizan métodos más sistemáticos con lo que no es necesario ser un experto en automatismos para llevarlos a término. El GRAFCET es un diagrama funcional que describe los procesos a automatizar, teniendo en cuenta las acciones a realizar, y los procesos intermedios que provocan estas acciones. Este método de representación es aceptado en Europa y homologado por varios países, entre ellos Francia por la norma NFC-03-190 y en Alemania por DIN. Reglas del GRAFCET. Un GRAFCET está compuesto de: •

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•

Etapa: define un estado en el que se encuentra el automatismo. Las etapas de inicio se marcan con un doble cuadrado. Acción asociada: define la acción que va a realizar la etapa, por ejemplo, conectar un contactor, desconectar una bobina, etc. Transición: es la condición o condiciones que, conjuntamente con la etapa anterior, hacen evolucionar el GRAFCET de una etapa a la siguiente, por ejemplo, un pulsador, un detector, un temporizador, etc.

Figura 3.10 Composición de un GRAFCET 

Principios Básicos Para realizar el programa correspondiente a un ciclo de trabajo en lenguaje GRAFCET, se deberán tener en cuenta los siguientes principios básicos: • •

•

Se descompone el proceso en etapas que serán activadas una tras otra. A cada etapa se le asocia una o varias acciones que sólo serán efectivas cuando la etapa esté activa. Una etapa se activa cuando se cumple la condición de transición y está activa la etapa anterior.

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•

El cumplimiento de una condición de transición implica la activación de la etapa siguiente y la desactivación de la etapa precedente. Nunca puede haber dos etapas o condiciones consecutivas, siempre deben ir colocadas de forma alterna.

Clasificación de las secuencias En un GRAFCET podemos encontrarnos con tres tipos de secuencias: Lineales. En las secuencias lineales el ciclo lo componen una sucesión lineal de etapas como se refleja en el siguiente GRAFCET de ejemplo de la figura 3.11:

Figura 3.11 Sucesión lineal 

El programa irá activando cada una de las etapas y desactivando la anterior conforme se vayan cumpliendo cada una de las condiciones. Las acciones se realizarán en función de la etapa activa a la que están asociadas. Por ejemplo, con la etapa 1 activa tras arrancar el programa, al cumplirse la "Condición 1", se activará la etapa 2, se desactivará la 1, y se realizará la "Acción 1". Con direccionamientos o alternativa. En un GRAFCET con direccionamiento el ciclo puede variar en función de las condiciones que se cumplan. En el siguiente ejemplo a partir de la etapa inicial se pueden seguir tres ciclos diferentes dependiendo de qué condiciones (1, 2 y/o 3) se cumplan, (normalmente sólo una de ellas podrá cumplirse mientras la etapa 1 esté activa, aunque pueden cumplirse varias)

Figura 3.12 GRAFCET con direccionamiento

Simultáneas. En las secuencias simultáneas varios ciclos pueden estar funcionando a la vez por activación simultánea de etapas. En el siguiente ejemplo, cuando se cumple la condición 1 las etapas 2, 3 y 4 se activan simultáneamente.

Figura 3.13 Secuencias simultaneas

En los casos de tareas simultáneas (árbol abierto por doble línea horizontal) la etapa siguiente al cierre solo podrá iniciarse cuando TODAS las etapas paralelas hayan terminado.

3.4. Documentación de sistemas combinatorios y secuenciales.

Muy a menudo en la realización de automatismos nos interesa ejecutar una serie de movimientos en un orden determinado y de forma cíclica, pudiendo ejecutarse una única vez o indefinidamente. Mediante la técnica neumática esto se puede resolver con cilindros, sus correspondientes válvulas de control y otros elementos neumáticos de mando. Cuando los circuitos son sencillos y las secuencias de movimiento también se pueden diseñar o directamente montar de forma intuitiva, pero cuando se complican y aparecen señales permanentes que perturban el correcto funcionamiento de las válvulas, necesitamos otras herramientas de diseño para poder identificar y corregir los problemas que surgen, o directamente diseñar circuitos que eliminen las señales permanentes. Un convenio muy extendido para representar los movimientos de una secuencia neumática es mediante los diagramas de funcionamiento. Diagramas de funcionamiento. Para designar una secuencia se siguen las siguientes reglas: •

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Los cilindros y otros elementos de potencia se designan por las letras mayúsculas del alfabeto: A, B, C y así sucesivamente. Los finales de carrera correspondientes a cada cilindro se designarán con la letra minúscula correspondiente al cilindro que los acciona seguido de un número que comienza con el 0 y va creciendo en dirección al avance. Ejemplo: a0, a1, b0, b1, c0, c1, c2, etc. El sentido de avance del cilindro (salida del vástago) se indica con el signo (+), mientras que el retroceso (entrada del vástago) se representa con el signo (-). Las fases se describen por orden cronológico (entendemos por fase el cambio de estado de un elemento de potencia, generalmente un cilindro). A cada cilindro se le asociarán dos detectores de posición (generalmente finales de carrera), que en el caso del cilindro A serán a0 y a1, de forma que al final del movimiento de avance el cilindro accionará el detector a1 y al final del movimiento de retroceso el cilindro accionará el detector a0.

Una secuencia se puede representar gráficamente por medio de los diagramas de funcionamiento: •

Diagrama de movimiento. o  Espacio-fase. o  Espacio-tiempo.

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Diagramas de mando.

Los diagramas de movimiento se utilizan para representar el avance y retroceso de los cilindros, representando en el eje horizontal las sucesivas fases de la secuencia de movimiento (diagrama espacio-fase), o bien representando en dicho eje horizontal el tiempo (diagrama espacio-tiempo), mientras que en el eje vertical se representa el espacio recorrido por el vástago. En los diagramas de mando representamos el estado de los captadores de posición (finales de carrera, generalmente) asociados a los cilindros que forman parte de la secuencia de movimiento, así cuando el vástago del cilindro A se encuentra totalmente replegado en el interior accionará el final de carrera a0 y este dará señal en su salida. Al contrario, ocurrirá con el final de carrera a1 que se accionará cuando el vástago esté totalmente extendido fuera del cilindro. Generalmente se dibujan juntos ambos diagramas (movimiento y mando), ya que el segundo se construye observando el primero. Sistema Paso a Paso. Se puede realizar de dos formas: paso a paso máximo y paso a paso mínimo, la única diferencia es el número de grupos en una secuencia. Para el paso a paso máximo elegimos tantos grupos como fases tiene la secuencia; mientras que en el paso a paso mínimo los grupos se escogen de forma que sean el menor nº posible; este último método será el que utilizaremos pues utiliza menos componentes y consecuentemente es más barato. Secuencias eléctricas: Paso a paso eléctrico. El fundamento de este sistema es el mismo que su homologo neumático, se trata de eliminar las posibles señales permanentes de las válvulas mediante la división de la secuencia en grupos con las condiciones ya estudiadas, básicamente: no podrá repetirse ninguna letra en un grupo. La materialización de los grupos en líneas se lleva a cabo mediante relés, como estos no son, en general, biestables hemos de utilizar el montaje ya estudiado anteriormente la autorretención, la condición de desactivación de cada línea (correspondiente a cada grupo), es como siempre la activación de la línea siguiente de forma que la línea I es desactivada por la II, la II es desactivada por la III, y así sucesivamente, la última línea será desactivada por la I análogamente.

Conclusiones

En este trabajo se vio el funcionamiento de los circuitos combinatorios y secuenciales, así como de las metodologías que estos involucran que como ya vimos son los métodos Cascada, Paso a Paso y GRAFCET. Estos métodos son de gran importancia ya que nos ayudan a saber cómo funcionan o funcionaran los circuitos ante de ponerlos en marcha logrando así evitar errores.

Referencias bibli ográficas

Baquedano, J. (s.f.).

Neúmatica Basica.

Ocampo Gutiérrez, A. J. (s.f.).  Automatización 1701. Pomeda Iglesias, J. M. (s.f.).  Automatismos Eléctricos, Neumáticos e Hidráulicos. Rev: 3.1.