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Electroneumática

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SEAS, Estudios Superiores Abiertos

Imprime:

El depositario, con autorización expresa de SEAS, S.A.

ISBN:

978-84-15545-56-9

Depósito Legal:

Z-1235-2012

ÍNDICE ASIGNATURA

UNIDAD 1. ACTUACIÓN Y MANDO EN SISTEMAS ELECTRONEUMÁTICOS 1.1. Actuadores. Generalidades 1.1.1. Actuadores. Nivel genérico 1.1.2. Actuadores lineales 1.1.3. Unidades para la automatización 1.1.4. Técnicas de unión 1.2. Electroválvulas. Generalidades 1.2.1. Transformación de electroválvulas 1.3. Electroválvulas 1.3.1. Funcionamiento de un solenoide 1.3.2. Electroválvulas. Acción directa 1.3.3. Válvulas servopilotadas 1.3.4. Electroválvulas. Buses 1.4. Conversores de señal 1.4.1. Presostatos mecánicos 1.4.2. Convertidores 1.4.3. Transductores

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UNIDAD 2. ENTRADA Y TRATAMIENTO DE SEÑALES 2.1. Generalidades 2.2. Elementos de entrada de señales 2.2.1. Accionamiento manual 2.2.2. Detectores de posición 2.2.3. Detectores de posición electromecánicos 2.2.4. Sensores de proximidad tipo REED 2.2.5. Otros detectores 2.3. Tratamiento de señales 2.3.1. El relé 2.4. Mandos básicos con relés 2.4.1. Multiplicación de un contacto 2.4.2. Realimentación de un relé 2.4.3. Inversión de un contacto

UNIDAD 3. TECNICAS DE DISEÑO I 3.1. Diseño de circuitos electroneumáticos 3.1.1. Conceptos lógicos 3.1.2. Tipos de circuito electroneumático 3.2. Lógica. Implementación eléctrica 3.2.1. Función SI 3.2.2. Función NO 3.2.3. Función lógica AND 3.2.4. Función lógica OR 3.2.5. Funciones lógicas NAND y NOR. 3.3. Álgebra de Boole 3.3.1. Propiedades del álgebra de Boole 3.3.2. Teorema de Morgan 3.4. Circuitos básicos 3.4.1. Mando de un cilindro 3.4.2. Circuitos de alimentación 3.4.3. Mando automático / manual 3.4.4. Temporizadores 3.4.5. Circuitos secuenciales

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UNIDAD 4. TÉCNICAS DE DISEÑO II 4.1. Teoría de grafos; planteamientos básicos 4.2. Grafos de secuencia 4.3. Desarrollo de grafos 4.3.1. La máquina. Descripción 4.3.2. Planteamiento de resolución 4.3.3. Identificación del problema 4.3.4. Extracción de las ecuaciones 4.3.5. Implementación 4.4. Ejemplos de aplicación 4.4.1. Ejemplo 1 4.4.2. Ejemplo 2 4.4.3. Ejemplo 3 4.4.4. Ejemplo 4 4.4.5. Ejemplo 5 4.4.6. Ejemplo 6

UNIDAD 5. TÉCNICAS DE DISEÑO III 5.1. Autómatas programables 5.1.1. Unidad central 5.1.2. Entradas y salidas de un PLC 1 5.1.3. Programación de PLC´s 5.2. Implementación mediante PLC´s 5.2.1. Implementación basada en Grafos 5.2.2. Grafcet 5.2.3. Ciclos con bifurcación 5.2.4. Ciclos con saltos 5.2.5. Ciclos complejos

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UNIDAD 6. EJEMPLOS GRAFCET 6.1. Estación 1 6.1.1. Mecánica 6.1.2. Secuencia 6.1.3. Grafcet y asignación E/S 6.1.4. Programación 6.2. Estación 2 6.2.1. Mecánica 6.2.2. Secuencia 6.2.3. Actividades 6.3. Estación 3 6.3.1. Mecánica 6.3.2. Secuencia 6.3.3. Actividades 6.4. Estación 4 6.4.1. Mecánica 6.4.2. Secuencia 6.4.3. Actividades 6.5. Estación 5 6.5.1. Mecánica 6.5.2. Secuencia 6.5.3. Actividades 6.6. Estación 6 6.6.1. Mecánica 6.6.2. Secuencia 6.6.3. Actividades

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Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

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Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 1.1. Actuadores. Generalidades ...................................................................... 5 1.1.1. Actuadores. Nivel genérico .................................................................. 5 1.1.2. Actuadores lineales ............................................................................. 6 1.1.3. Unidades para la automatización ......................................................... 8 1.1.4. Técnicas de unión.............................................................................. 19 1.2. Electroválvulas. Generalidades .............................................................. 21 1.2.1. Transformación de electroválvulas ..................................................... 24 1.3. Electroválvulas ........................................................................................ 26 1.3.1. Funcionamiento de un solenoide ....................................................... 26 1.3.2. Electroválvulas. Acción directa .......................................................... 27 1.3.3. Válvulas servopilotadas ..................................................................... 30 1.3.4. Electroválvulas. Buses ....................................................................... 36 1.4. Conversores de señal ............................................................................. 39 1.4.1. Presostatos mecánicos ...................................................................... 39 1.4.2. Convertidores .................................................................................... 42 1.4.3. Transductores .................................................................................... 42 RESUMEN......................................................................................................... 43

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

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Objetivos Conocer las unidades neumáticas (potencia del sistema) especialmente diseñadas para los sistemas de manipulación, al ser esta una de las aplicaciones más comunes de la técnica electroneumática. Conocer los principales elementos destinados al trabajo con aplicaciones de vacío (actuadores de vástago hueco, eyectores y ventosas). Conocer las electroválvulas de control para los actuadores, comenzando con un breve repaso sobre los cuerpos y llegando hasta la explicación del funcionamiento de las bobinas. Conocer los principales elementos destinados a las transformaciones de señal (tanto a nivel eléctrico – neumático como neumático – eléctrico). Se desarrollaran electroválvulas y presostatos. Diferenciar la mecánica de accionamiento de una electroválvula (acción directa o indirecta).

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Formación Abierta

Introducción Comenzamos el estudio de la técnica electroneumática. En ella nos encontraremos una técnica híbrida, donde se combinan diferentes tecnologías como son la neumática (zona de potencia), la eléctrica –automatismo- (en zona de mando) y la electrónica (como base para el diseño en aplicaciones de doble señal). Se entiende por tanto, que un buen conocimiento de estas tres técnicas nos permitirá afrontar la asignatura de modo mucho más cómodo. En esta primera unidad, trataremos la zona de potencia y control de la misma, o en otras palabras, trataremos los actuadores y las electroválvulas de control (principalmente). Una vez conocidos ambos, estaremos en disposición de comenzar con los elementos y técnicas de control propios de la técnica. Se debe indicar que en ambos casos, aún partiendo de un breve repaso abordaremos componentes prácticamente destinados a la automatización de procesos. Sin más, comenzamos el estudio...

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1.1. Actuadores. Generalidades Como ya conocemos, en una aplicación neumática diferenciaremos entre la zona de mando (introducción o aporte de señales eléctricas) y una zona de potencia (destinada a la transformación de la señal y actuación). Es precisamente esta última zona la que abordaremos inicialmente. Etapa 1

Introducción de señales Mando

Etapa 2

Tratamiento de señales

Etapa 3

Conversión de señales Potencia

Etapa 4

Potencia del sistema

Figura 1.1. Esquema genérico de una aplicación electroneumática.

En la zona de potencia (etapa 4), encontramos los actuadores neumáticos, que no dejan de ser más que los elementos encargados de la transformación de la energía aportada por el aire comprimido, en energía mecánica (en sus diferentes formas: lineal, giro limitado, giro ilimitado, etc.). A modo de recordatorio tenemos...

1.1.1.

Actuadores. Nivel genérico

El trabajo realizado por un actuador neumático puede ser lineal o rotativo. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de émbolo (éstos también proporcionan movimiento rotativo con variedad de ángulos por medio de actuadores del tipo piñón-cremallera). También encontramos actuadores neumáticos de rotación continua (motores neumáticos), movimientos combinados e incluso alguna transformación mecánica de movimiento que lo hace parecer de un tipo especial.

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Actuadores Neumáticos

Actuadores lineales

Actuadores de giro

Actuadores especiales

Ac. “simple efecto”

Ac. “giro limitado”

Ac. “especiales”

Ac. “doble efecto”

Ac. “giro ilimitado o motores”

Ac. “combinados”

Figura 1.2. Clasificación genérica de actuadores.

1.1.2.

Actuadores lineales

Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.



Cilindros de simple efecto, con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido.



Cilindros de doble efecto, con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Más adelante se describen una gama variada de cilindros con sus correspondientes símbolos.

Dentro de estos actuadores, podremos encontrar un sin fin de transformaciones o efectos mecánicos que pretenderán aportar soluciones específicas a los problemas clásicos de automatización. Es por ello, que un estudio de las principales unidades nos permitirán hacernos a la idea de lo “extremadamente sencillo” que resulta la formación de mecanismos neumáticos.

Los fabricantes suelen ofertar un número importante referencias que tienen por objeto facilitar la labor diseñador. De este modo, con un mínimo número piezas de empalme podremos formar estructuras máquina complejas. Tratándose de manipuladores suele trabajar con frecuencia con perfilería de aluminio.

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de del de de se

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Figura 1.3. Actuador lineal de simple efecto.

Figura 1.4. Actuador lineal de doble efecto.

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1.1.3.

Unidades para la automatización

Dentro de estas variantes de actuadores, quizás las más representativas correspondan a... Unidades antigiro Es conocido el problema de la rotación de conjuntos pistones sobre los actuadores convencionales, así como sus soluciones. Entre todas ellas, recordaremos las unidades de guiado (ya que aportan funciones adicionales como el control de carreras) y se proponen nuevas soluciones como por ejemplo los cilindros de vástagos paralelos. Estas son frecuentemente adoptadas gracias a que no se requieren mecanizaciones complejas en el actuador, siendo por tanto unidades económicas y fiables.

No deben confundirse los cilindros de vástagos paralelos con los sistemas antigo integrados. En los primeros se suele disponer de mayores secciones efectivas de aplicación de aire mientras que en los segundos tan solo se trabaja con la sección propia del cilindro y guías no operativas (con respecto a fuerzas generadas).

Figura 1.5. Cilindro de vástago paralelo. Simbología.

En algunas ocasiones la simbología puede identificar características mecánicas de los componentes. En la imagen de la izquierda el guiado se realiza mediante casquillos de fricción mientras que en la imagen derecha se representan rodamientos lineales.

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Figura 1.6. Detalle de la unidad lineal HMLP de Festo. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

La precisión que adquieren estas unidades las hacen especialmente indicadas para procesos de extrema responsabilidad.

Cilindros de vástago hueco Algunos actuadores neumáticos presentan la ventaja de tener el vástago o eje hueco, lo que los hace ideales para el trabajo con aplicación de la técnica de vacío, o bien, para pasar cables eléctricos si fuera necesario.

Vacío Zona reservada para paso eléctrico vacío

Figura 1.7. Cilindro de vástago hueco

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La aplicación de este tipo de actuadores permite y facilita el conexionado de elementos, ya que no será necesario el guiado de tubos para vacío o cableado eléctrico desde los puntos de generación de energía hasta los consumidores (ventosas, electroimanes, etc.), sino que pueden pasar a través del hueco que encontramos en el vástago, consiguiendo así una instalación más simple y por tanto más económica. En la siguiente figura comprobaremos una de las aplicaciones típicas para este tipo de cilindros, y las ventajas que representa frente a la aplicación de actuadores convencionales: Eyector

Eyector

Alimentación de red Vacío

Al disponer el actuador de un vástago hueco, no se hace necesaria la colocación del entubado (unión entre eyector y actuador)

Figura 1.8. Aplicación de vacío mediante actuador de vástago hueco.

Como puede apreciarse, en los sistemas manipuladores puede trabajarse con eyectores y ventosas. Estos componentes resultan extremadamente útiles al tiempo que económicos, siendo por ello empleados frecuentemente. La técnica del vacío En los procesos de automatización neumática, y en especial en aquéllos relacionados con la robótica y la manipulación, cada vez son más frecuentes los eyectores y las ventosas. Las ventosas son elementos de material elástico (de muy diversa construcción) que vienen asociadas, por lo general, a unidades de vacío llamadas eyectores. Éstos trabajan por efecto Venturi, es decir, creando caídas parciales de presión.

Figura 1.9. Ventosa simple y de fuelle. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

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El punto del eyector donde se produce la caída de presión, y con ello la aspiración, se conecta directamente a la boquilla de la ventosa, la cual ejerce la aspiración sobre el objeto a manipular (es deseable que éste no sea poroso ni disponga de orificios sobre la superficie de acción). P

P

R

Figura 1.10. Eyector de vacío.

Tal como podemos observar en la figura anterior, los elementos capaces de crear el vacío trabajan a caudal perdido, es decir, que el caudal aportado en la alimentación del eyector se expulsa directamente a la atmósfera tras crearse el vacío.

Figura 1.11. Eyector de vacío. Aspecto físico y simbología. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

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Precauciones. Son numerosas las precauciones que debemos adoptar a la hora de seleccionar e instalar eyectores y ventosas.



En primer lugar, el aire de alimentación para el eyector ha de tener un alto grado de pureza, con objeto de que no se produzcan obturaciones en su interior; es por ello que se han de colocar filtros para su alimentación. Por el mismo motivo, las secciones de tubo y racordaje seleccionados han de ser suficientes para no provocar prematuras caídas de presión.



Las ventosas han de estar colocadas lo más cerca posible del eyector, y se procurará en todo momento un eyector por ventosa (si se coloca más de una ventosa por eyector, en caso de fallo de alguna de éstas se vería modificado el grado de vacío del resto).



El caudal, la presión y el área de absorción ha de ser estrictamente seleccionados en base a los datos de las tablas proporcionadas por los fabricantes.

Pinzas neumáticas Las pinzas neumáticas son uno de los elementos más recientemente incorporados en la técnica neumática, junto a un gran grupo de elementos, todos ellos orientados hacia técnicas de manipulación y robótica. Existen una gran variedad de tamaños, cuya elección depende de la fuerza de amarre deseada y de las dimensiones del objeto, que se calculan en base a las tablas dadas por el fabricante. Las pinzas neumáticas suelen permitir la detección magnética de la posición, por medio de detectores tipo Reed. En cuanto a la clasificación de éstas, puede realizarse en base a dos principios fundamentales: simple / doble efecto, o bien, apertura angular o paralela. El simple o doble efecto ya es conocido por el estudio de componentes anteriores, por lo que estas páginas se centrarán en el estudio y análisis del método que utilizan los componentes para realizar su apertura o cierre.



Pinzas de apertura angular Una pinza de apertura angular, está compuesta en su interior por un cilindro lineal, el cual puede ser de simple o doble efecto. En su movimiento de avance o retroceso, el vástago del cilindro accionará un conjunto mecánico. Este conjunto tiene como objeto hacer girar un par de bielas unidas mecánicamente a las garras, las cuales realizan su movimiento de apertura o cierre.

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Figura 1.12. Pinza de apertura angular.

Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

L

Figura 1.13. Ejemplo de amarre con pinza angular.

Pinzas de apertura paralela Al igual que las pinzas de apertura angular, las de apertura paralela, también están compuestas en su interior de un cilindro lineal de simple o doble efecto. La diferencia estriba en la articulación mecánica para el accionamiento de las garras. En este caso, éstas son desplazadas axialmente por una guía, por el efecto de movimiento de una palanca accionada por el vástago del cilindro.

Figura 1.14. Pinza de apertura paralela.

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Figura 1.15. Ejemplo de accionamiento pinza paralela. Prensión exterior.

Figura 1.16. Ejemplo de accionamiento pinza paralela. Prensión interior.

Simbología de pinzas neumáticas Como todo elemento neumático, las pinzas neumáticas tienen asociados una serie de símbolos que permiten su fácil inserción e interpretación dentro de los circuitos neumáticos.

Figura 1.17. Pinza de apertura paralela. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

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Figura 1.18. Pinza de apertura angular. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

Figura 1.19. Pinza de apertura paralela (actuador de giro). Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

Como puede observarse, la gama general de pinzas neumáticas es sumamente amplia, permitiéndonos prácticamente cualquier tipo de amarres. Las pinzas vienen de fábrica con dedos taladrados y roscados. Sobre ellos colocaremos las garras para realizar el amarre correcto. Estas garras pueden ser compradas (amarres generales) o bien mecanizadas (amarres específicos).

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Podemos encontrar otros muchos tipos de pinzas. Entre ellos destacan las de tres dedos (amarres de secciones circulares por interior o exterior), pinzas de apertura con 180º, etc.

Figura 1.20. Otras pinzas (3 dedos y apertura 180º). Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

Cilindros sin vástago Los cilindros sin vástago son otros de los componentes que han experimentado también un mayor desarrollo en los últimos años debido al gran número de ventajas que aportan. La principal de éstas es, tal y como su nombre indica, la inexistencia de vástago y, por ello, la reducción de la longitud del cuerpo a casi la mitad (o, si se prefiere, doble longitud de carrera que un actuador lineal convencional de longitud de camisa similar). Existen numerosas disposiciones, pero básicamente pueden clasificarse en 2 grandes grupos:



Cilindros sin vástago de bandas.



Cilindros sin vástago de acople magnético.

A continuación se detalla el funcionamiento interno y las características de cada uno de estos actuadores.



Cilindros sin vástago de bandas Los cilindros sin vástago de bandas se componen principalmente de un cuerpo de aluminio que actúa a modo de camisa. Este cuerpo consta de una ranura a través de la cual se une con el émbolo y el carro de desplazamiento. Una junta, colocada longitudinalmente sobre la ranura, se encarga de proporcionar la estanqueidad entre las cámaras del cilindro y la zona exterior.

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Estas complejas juntas actúan a modo de cremallera de pantalón. Imaginemos que la cremallera es la junta longitudinal, y el tirador, el carro de desplazamiento. Cuando se tira de éste, la cremallera abre o cierra, provocando la estanqueidad. Figura 1.21. Cilindro sin vástago de banda. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

Las características técnicas de estos cilindros han de ser cuidadosamente estudiadas según los datos ofrecidos por el fabricante. Suelen contar con amortiguadores hidráulicos para absorber la energía cinética liberada en posiciones finales de carrera, ya que este tipo de actuadores suele trabajar a una elevada velocidad de desplazamiento.

Figura 1.22. Sección de un cilindro sin vástago.



Fijaciones Los cilindros sin vástago suelen tener 2 disposiciones básicas para su montaje, que corresponden a la fijación de las culatas (desplazamiento libre del carro), o bien la fijación del carro de desplazamiento, con lo cual se obtiene el desplazamiento final de toda la camisa.

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Ambos extremos descansan sobre bridas u otro tipo de fijación

Montaje incorrecto o poco recomendable

Montaje correcto

Figura 1.23. Fijaciones para los cilindros sin vástago.

La fijación en culatas suele ser adoptada para tareas de manipulación y distribución, mientras que la fijación del carro suele ser utilizada básicamente en aplicaciones robóticas (ya que el efecto conseguido es la creación de un brazo robot).



Cilindros sin vástago de acople magnético La segunda disposición básica de cilindros sin vástago es la denominada de acople magnético. El cilindro está formado por un cuerpo (camisa) en cuyo interior se aloja un émbolo, con las correspondientes juntas de estanqueidad y unos potentes imanes permanentes. Este tipo de actuador puede ir o no dotado de guías. En caso de que no sea así, se precisará de un sistema de guiado exterior con objeto de absorber los esfuerzos provocados en cualquier dirección.

Figura 1.24. Cilindro sin vástago de acople magnético. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

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1.1.4.

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Técnicas de unión

En la actualidad, y gracias al desarrollo de sistemas flexibles de fabricación, los componentes ofrecen múltiples posibilidades de anclaje, permitiendo su sujeción directa prácticamente en cualquier posición. Esto añadido a la extensa gama de perfiles de aluminio para la creación de bancadas, pórticos, tránsfer, etc., hace posible el montaje de sistemas manipuladores de forma rápida y sencilla.

La combinación de las unidades de manipulación neumática con la perfilaría de aluminio permite la realización de manipuladores de una forma extremadamente rápida y sencilla. Se recomienda consultar catálogos específicos.

A continuación se muestran algunos ejemplos de unión entre componentes para la formación de una estructura manipuladora:

Estructuras de manipuladores.

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Figura 1.25. Estructura de manipulador. Ejemplo.

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1.2. Electroválvulas. Generalidades Como podremos recordar, las válvulas de vías son los elementos encargados de establecer o cortar el paso de aire comprimido o bien direccionarlo hacia las aplicaciones (incluso ambas funciones en base a su configuración de vías y posiciones). Los métodos de accionamiento son del todo variados pero entre ellos hay uno que destaca especialmente y es el accionamiento eléctrico.

Existen diferentes tipos de mando para las válvulas de vías (manuales, mecánicos, accionados por aire, etc.). Entre todos ellos destaca de forma clarísima el accionamiento eléctrico (denominación habitual de “electroválvula”).

El empleo de las mismas se ha generalizado de tal modo que prácticamente son imprescindibles en cualquier sistema automatizado.

Figura 1.26. Bloque de electroválvulas. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

Con independencia del accionamiento empleado, será conveniente recordar que los principales tipos de cuerpos que podemos encontrar son...

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

Válvulas 2/2 Válvulas de empleo limitado en las aplicaciones (a nivel de control direccional) debido a la ausencia de escape y por ello su imposibilidad para despresurizar los circuitos. Su función básica es la permisión o no permisión del paso del aire comprimido. Si se representa eléctricamente... A

A

P

P

Figura 1.27. Electroválvula 2/2 NC y NA respectivamente.

Cuando se trabaja con disposiciones de válvula 2/2 y 3/2 siendo las mismas de accionamiento monoestable, ha de definirse su condición de reposo como normalmente en cierre (NC) o normalmente en apertura (NA). Esto no sucede con válvulas superiores en vías (4, 5...) ni en accionamientos de carácter biestable. En estas ha de definirse la condición no de reposo sino de “inicio”.



Válvulas 3/2 Las válvulas 3/2 son una válvulas extremadamente importantes en las aplicaciones electroneumáticas. En este tipo de aplicaciones, no es muy frecuente encontrarlas como válvulas de potencia pero son la base del accionamiento de válvulas más importantes (efecto de servopilotaje que será desarrollado posteriormente). A

P

A

R

P

Figura 1.28. Electroválvula 3/2 NC y NA respectivamente.

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R

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

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Válvulas 4/2 Este tipo de válvulas son básicamente distribuidores de aire entre dos puntos de aplicación (A y B). El escape de ambas cámaras se realiza por un punto de descarga común, lo cual hace que no sean muy frecuentes en las aplicaciones electroneumáticas. A nivel electroneumático es frecuente encontrarlas como válvulas de servopiloto, ya que la función principal de las mismas es direccionamiento de presiones y caudales de potencia. A

B

A

B

P

R

P

R

Figura 1.29. Electroválvula 4/2 mono y biestable respectivamente.



Válvulas 5/2 Las válvulas 5/2 constituyen el estándar de control en las aplicaciones electroneumáticas. De funciones similares a las 4/2 (controles direccionales), presentan un doble punto de escape, lo cual permite la obtención de funciones interesantes (como por ejemplo control independiente de las velocidades de un actuador). A

B

A

B

R

S

R

S

Figura 1.30. Electroválvula 5/2 mono y biestable respectivamente.



Válvulas de 3 posiciones Las válvulas de 3 posiciones son menos frecuentes en las aplicaciones electroneumáticas ya que en raras ocasiones buscaremos posicionados (una de las aplicaciones de estas válvulas). No obstante, podemos encontrar referencias de 3 posiciones y diferente número de vías (habitualmente 5). A nivel electroneumático suelen corresponder a accionamientos de carácter monoestable donde la posición estable corresponde a la central (en diferentes centros pero limitados). A

R P

B

A

S

R

B

A

S

R

P

B

S P

Figura 1.31. Electroválvula 5/3 monoestables. Diferentes centros.

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El primer centro corresponde al cierre de todas las vías. No se permite inyección ni descarga al actuador. El segundo centro corresponde a cierre a la alimentación y descarga de ambas cámaras de actuador. El tercer centro corresponde a la doble inyección a cámara (busca equilibrio de presiones) y no permite la descarga.

1.2.1.

Transformación de electroválvulas

Al igual que sucede con las válvulas de accionamiento manual, mecánico, etc., en numerosas ocasiones deberemos proceder a la implementación de una determinada función neumática mediante la transformación de cuerpos superiores. De este modo y por ejemplo, podremos obtener una 3/2 de potencia (servopiloto) desde una válvula superior ya que encontrar las primeras puede resultar algo difícil.

Para la implementación de una función direccional desde cuerpos superiores tan sólo deberán taponarse las vías no deseadas. Estas transformaciones son totalmente licitas, es decir, la electroválvula no sufrirá daño y su comportamiento será totalmente correcto.

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A modo de resumen, la siguiente tabla muestra las transformaciones posibles (taponado de vías a partir de cuerpo estándar 5/2)... Base

Operación

Nueva Función

A

B

A

B

R

S

R

S

A

R P

P

A

R

P

B

A

B

S

R

S

A

R

P

P P

A

B

R

S

A

B

R

S

P

A

R P

A

P

B

A

S

R

P

B

A

S P

P

Figura 1.32. Tabla para la transformación de electroválvulas.

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1.3. Electroválvulas Los elementos que realizan la unión entre los sistemas eléctricos y los neumáticos, dentro de las denominadas aplicaciones electroneumáticas, son las llamadas electroválvulas, las cuales no son más que válvulas neumáticas convencionales con un accionamiento electromagnético.

Con independencia del cuerpo que presente una electroválvula (2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 5/3, etc.), pueden darse dos tipos de accionamientos: directos (propios de los cuerpos base 2 y 3 vías) e indirectos (más propios de distribuidores de potencia en 4 ó 5 vías).

Esta circunstancia hace que las electroválvulas reúnan las ventajas propias de la electricidad (como, por ejemplo, la respuesta de accionamiento y transmisión de señales) y de la neumática (distribución de aire comprimido para la obtención de los accionamientos neumáticos). Es precisamente por esta característica por lo que las electroválvulas pueden ser consideradas como elementos transformadores de la señal (eléctrico/aire). El funcionamiento de todas estas electroválvulas se basa en el principio del solenoide, por lo que comenzaremos explicando en qué consiste este fenómeno.

1.3.1.

Funcionamiento de un solenoide

Para poder comprender el principio de funcionamiento de un solenoide debemos recordar que si por un conductor enrollado circula una corriente eléctrica, se genera un campo magnético. Éste será mayor cuanto mayor sea la intensidad que circula y de cuantas más vueltas disponga. Al igual que en los imanes, los puntos de entrada y salida de las líneas de campo magnético son denominados polos (norte - sur). Hierro fijo (hierro dulce)

Bobina

Bobina

Armadura

Figura 1.33. Principio de funcionamiento de un solenoide.

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1.3.2.

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Electroválvulas. Acción directa

Estas electroválvulas constan principalmente de un cuerpo base (identificador de vías y posiciones), cuyo accionamiento se realiza mediante la creación de un campo magnético. Este campo magnético es creado por la bobina de la electroválvula, y su función principal es la de provocar el desplazamiento de la armadura de la válvula. A continuación se muestra la sección correspondiente a este tipo de válvulas, y después se describirá su funcionamiento.

A

P

A

P

Figura 1.34. Electroválvula 2/2 de acción directa.

Tal y como podemos observar en la figura, la válvula dispone de 2 orificios, que corresponden al punto de alimentación P y al de aplicación A, posicionados sobre el cuerpo base. Asimismo, dispone de una bobina y una armadura que corresponde al accionamiento propiamente dicho. La válvula 2/2, tal y como se describió en el apartado correspondiente a su estudio, se utiliza principalmente como función de interrupción en la alimentación de circuitos. Cuando la válvula se encuentra en reposo (no activa), la armadura está bloqueando la comunicación entre el orificio P (alimentación) y el orificio A (aplicación), debido a la acción realizada por el muelle recuperador. Se dice que es una válvula del tipo normalmente cerrada. Cuando se cierra el circuito correspondiente a la bobina, se genera un campo magnético que actúa sobre la armadura, la cual se desplaza hacia la zona superior venciendo la fuerza de oposición del muelle recuperador. Se dice que la válvula ha conmutado su posición pasando a encontrarse en un estado abierto. Si el circuito eléctrico se abre, el campo magnético cesa provocándose la recuperación de la armadura, y con ello el bloqueo del orificio P con respecto al orificio A. Por este motivo, y tal como podemos comprobar, la válvula es denominada de tipo monoestable.

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

27

Formación Abierta

Debido a que el campo magnético actúa sobre la armadura y ésta provoca la conmutación sin intermediarios, se dice que la válvula es del tipo "acción directa".

La simbología correspondiente a esta válvula se refleja en la siguiente figura. Debe tenerse en cuenta que tan solo nos interesará en estos momentos el accionamiento de la válvula, y no su cuerpo (en este caso una función bidireccional 2 vías y 2 posiciones). A

A

P

P

Electroválvula 2/2 NC Símbolo DIN ISO 1219

Representación de una “acción directa”

Ha de observarse el accionamiento directo por bobina (acción directa), así como la doble flecha indicadora de que el aire puede circular de P hacia A o de A hacia P. Electroválvulas 3/2 El principio de funcionamiento para las electroválvulas de 3 vías y 2 posiciones es similar al descrito para las de 2 vías y 2 posiciones. R

R

A

P

A

P

Figura 1.35. Electroválvula 3/2 de acción directa.

Constan de una bobina y una armadura encargadas de proporcionar la conmutación de la posición en un cuerpo base, en este caso de una disposición 3/2. La figura anterior nos muestra una electroválvula de 3 vías y 2 posiciones de tipo monoestable (recuperación mediante muelle) y de accionamiento directo (conmutación realizada por medio del desplazamiento de la armadura).

28

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

01

Si la electroválvula no está activa, el orificio de alimentación P está en bloqueo, mientras que el orificio de aplicación A comunica directamente con el escape R. Al crear la bobina un campo magnético, la armadura de la válvula se desplaza venciendo la fuerza del resorte recuperador, y permitiendo así el paso del aire comprimido desde el orificio P hacia el orificio A. En estos momentos el orificio de escape R se encuentra en bloqueo. Si la acción del campo magnético cesa, la armadura recupera su posición inicial mediante el muelle recuperador, volviendo la válvula a su posición de reposo estable. A

A

P

P

Electroválvula 2/2 NC Símbolo DIN ISO 1219

Representación de una “acción directa”

Este tipo de electroválvulas suelen estar dotadas de un mecanismo de accionamiento manual, el cual nos permitirá provocar la conmutación de la electroválvula en caso de falta de suministro eléctrico. A

P

A

R

Manual de seguridad Monoestable

P

R

Manual de seguridad Enclavamiento

Hay que recordar que no todas las electroválvulas de 3 vías y 2 posiciones son del tipo normalmente cerrado, sino que en el mercado también se dispone de tipo normalmente abierto, si bien su utilización es menos frecuente.

Las válvulas de accionamiento directo son poco empleadas debido al bajo caudal direccionable por las mismas. Esto es debido a que el orificio de entrada P presenta a nivel interno una sección extremadamente baja (con objeto de limitar la fuerza que tiende a la apertura de la válvula). En consecuencia, los caudales direccionados son muy limitados y su empleo como elemento de potencia es prácticamente nulo.

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

29

Formación Abierta

1.3.3.

Válvulas servopilotadas

El principio de servopilotaje puede ser resumido como la utilización del aire de alimentación como medio para provocar la conmutación de una válvula (trabajo en dos etapas). Su aplicación permite poder comandar válvulas de grandes dimensiones con una energía mínima, ya que esta se puede decir que amplificada. Al mismo tiempo, la aplicación del servopilotaje permite reducir cada día más el tamaño de las bobina con el consecuente ahorro de espacio físico ocupado por el componente y el ahorro energético (ya mencionado con anterioridad).

Figura 1.36. Electroválvula de acción indirecta. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

En definitiva y prescindiendo de las ventajas aportadas por este sistema, podríamos definir una válvula servopilotada como una válvula neumática de piloto por aire comprimido (1 ó 2 según sea biestable o monoestable) y luego válvula 3 / 2 auxiliares para provocar estas conmutaciones.

30

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

Representación detallada

A

R

Y1

A

B

P

R

Y2

A

R Y1

Símbolo

B

P

01

P

B

A

S

R

Y2

B

S P

Figura 1.37. Detalle de electroválvulas por servopiloto.

Se representa una válvula 4/2 (o 5/2) biestable que trabaja bajo el principio de servopilotaje. Esta consta de una válvula principal de accionamiento por doble piloto neumático (cuerpo de 4/2) y dos válvulas auxiliares de 3 vías y 2 posiciones encargadas de provocar los accionamientos sobre la válvula principal. Debe observarse, que las válvulas auxiliares son alimentadas con el aire de la válvula principal. Todo esto sucede a nivel interno ya que físicamente solo veríamos las aplicaciones de la válvula principal (A y B), el punto de alimentación y escape y dispondríamos de la conexión de las bobinas, es decir, Y1 e Y2. Para comprender mejor este tipo de válvulas, se representa a continuación la sección interna de la válvula que viene siendo estudiada (4/2 de doble bobina servopilotada).

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

31

Formación Abierta

R

R

P

B

R

A

Figura 1.38. Electroválvula 4 / 2 de doble bobina (accionamiento biestable).

32

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

01

Como podemos observar en la figura, se dispone de una válvula de disposición 4/2 comandada por una doble bobina. Para conmuta la posición de la válvula, tan solo deberemos de alimentar la correspondiente bobina y con ello se creará el campo magnético necesario como para desplazar la armadura de la válvula auxiliar (obsérvese que su función es puramente de 3/2 NC). El aire comprimido pasa a través de la válvula auxiliar llegando hasta la cámara de pilota donde se conmuta la posición de la válvula (siempre y cuando no exista doble señal neumática). Si la señal sobre la bobina cesa, el campo magnético desaparece pero la válvula principal (cuerpo 4/2) mantiene la posición debido a su carácter biestable. Para conseguir el accionamiento contrario deberemos excitar la bobina contraria, repitiéndose el proceso.

En este tipo de válvula es posible crear dobles señales que bloqueen las conmutaciones, ya que es posible activar las dos bobinas a un mismo tiempo, pero hay que tener en cuenta que el bloqueo es provocado en la válvula principal (aire contra aire) y no en las válvula auxiliares. Debido a este motivo, las electroválvulas biestable servopilotadas no se deterioran al aparecer sobre ellas una doble señal.

R

P

B

R

A

Figura 1.39. Electroválvula 4 / 2 de simple bobina (accionamiento monoestable).

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

33

Formación Abierta

Representación detallada

A

Símbolo

B

P

R

A

B

P

R

Y1

A

R Y1

B

A

S

R

P

B

S P

Figura 1.40. Detalle de electroválvulas por servopiloto.

En las electroválvulas de servopiloto encontramos realmente varias unidades (2 ó 3 en función de mono o biestable respectivamente).  Si la válvula por ejemplo es una 5/2 recuperación resorte (monoestable), encontramos dos válvulas: una de potencia (cuerpo 5/2 mono) y una de mando (3/2 NC acción directa eléctrica).  Si la válvula por el contrario es una 5/2 biestable, encontramos tres válvulas: una de potencia (cuerpo 5/2 biestable) y dos auxiliares de mando (3/2 NC acción directa eléctrica).

34

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

01

Electroválvulas para vacío En numerosas ocasiones, será preciso la aplicación de electroválvulas para el establecimiento o corte de vacío neumático (como por ejemplo control de ventosas, transporte neumático, etc.). Para ello es posible el empleo de electroválvulas convencionales de servopiloto, pero estas han de presentar la cualidad de disponer de una alimentación “externa” para la válvula auxiliar. Esto es debido a que se requiere aire a presión para poder actuar sobre el pilotaje de la válvula principal (algo que no sucederá si disponemos de una alimentación interna, ya que la alimentación de la válvula principal cuelga de la línea de vacío). A

B

A

R

x

R

S P

Y1

x

B

S P

Figura 1.41. Detalle de electroválvulas por servopiloto.

A nivel mecánico, la selección del método de alimentación (interna o externa) se realiza mediante la colocación de unos pequeños tapones en la comunicación interna o bien sobre el punto X.

Si se opta por un trabajo convencional, se deberá colocar un tapón sobre X (evitándose la fuga) y dejar libre el paso entre alimentaciones P de válvula principal y auxiliar. Este es el montaje más utilizado (aire positivo).

A

B

Y1 x

R

S P

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

35

Formación Abierta

Si por el contrario se desea una alimentación externa, se deberá emplear x como inyección de aire positivo (generalmente directo a red), mientras que se deberá bloquear las alimentaciones entre válvulas (diferenciándolas entre sí)

A

B

Y1

x

R

S P

Por lo demás, este tipo de electroválvulas son del todo convencionales (mismas características presión / caudal, posibilidades de inversión, etc.).

1.3.4.

Electroválvulas. Buses

En la actualidad, numerosas aplicaciones electroneumáticas trabajan mediante “buses de campo” Fieldbus o en otras palabras, sistemas donde los diferentes elementos de captación o actuación (por ejemplo sensores y electroválvulas) se comunican entre sí mediante un par de hilos (bus). Para el control de todos ellos se precisa de un mando establecido por un PLC (autómata programable) o PC.

Fieldbus: término genérico para la designación de buses de campo de diferente naturaleza. También denominados sistemas seriales 2 hilos (por el tipo de comunicación física establecida).

Evidentemente, estos sistemas presentan la ventaja de simplificar al máximo el conexionado, ya que en una aplicación convencional si se dispone de un número elevado de entradas / salidas este puede resultar sumamente complejo. Sin embargo, un sistema donde con tan solo 2 hilos se realice toda la comunicación entre los diferentes dispositivos más otros dos de alimentación, permitirán cableados físicos reducidos y por ello de fácil instalación y mantenimiento. PLC Control E

E

S

Salidas PLC S

Figura 1.42. Implementación convencional mediante PLC.

36

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

01

Aplicando un sistema serial cualquiera... PLC Control

Bloque de electroválvulas serial

Bus

Figura 1.43. Implementación serial mediante PLC.

Se debe recordar, que este tipo de comunicación es válido tanto para entradas (bloques conectados al bus) donde estarán conectados todos los detectores o mandos y para salidas (por ejemplos bloques de electroválvulas seriales). La cantidad queda limitada por el tipo de sistema que se este empleando. Buses más comunes El estudio de los buses de campo más empleados será analizado en el módulo “Comunicaciones Industriales”, pero grosso modo se indica que se diferencian dos tipos:



Buses cerrados.



Buses abiertos.

Un bus cerrado es aquel diseñado por un fabricante para la comunicación de sus productos (o de otros fabricantes que cumplan el protocolo). Suelen ser interesantes ya que como dependen de fabricantes de sectores específicos suelen aportar soluciones a problemas concretos. Otra de las características de estos suele ser su facilidad de uso.

El empleo de buses cerrados implica que tan solo se podrá trabajar con los productos del fabricante propietario del bus (o de otras firmas con acuerdo).

Un bus abierto es precisamente todo lo contrario. El protocolo de comunicación está establecido y los diferentes fabricantes se amoldan al mismo. Esto sencillamente permite poder implementar nuestras aplicaciones con componentes de diferentes

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

37

Formación Abierta

fabricantes, permitiéndonos seleccionar en función de precio, características técnicas, imposiciones de clientes, etc.

Algunos de los principales sistemas cerrados son...  Sysmac, de Omron.  Melsed, de Mitshubishhi.  Modnet, de AEG.  Link Bus, de Allen Bradley.  PneuBus, de Norgren. Algunos de los principales sistemas abiertos son…  Ethercat FMS.  Profibus DP.  Device – Net  Interbus.  AS – Interface.  Can-Open  Ethernet

Figura 1.44. Conexión serial. Por cortesía de NORGREN.

Como ya se ha comentado, el método para el establecimiento de las conexiones así como el funcionamiento de este tipo de equipos, será descrito en “Comunicaciones Industriales” ya que su estudio queda fuera del alcance de este curso.

38

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

01

1.4. Conversores de señal En las etapas de salida de señales (o conversiones), pueden darse dos casos: la conversión es de una señal eléctrica a una neumática (aplicación de electroválvulas), o bien la conversión es neumática – eléctrica, apareciendo los conversores, presostatos, transductores, etc. A continuación analizaremos algunos de los más destacados...

1.4.1.

Presostatos mecánicos

Los convertidores neumático-eléctricos (presostatos) son unos elementos encargados de proporcionar/anular una señal eléctrica ante la aparición de una señal neumática. Constan principalmente de un orificio para la introducción de una señal neumática, la cual actúa sobre una superficie (a modo de piloto neumático) que suele ser un diafragma. Este diafragma tiene una posición estable debido a la acción de un resorte interno cuya fuerza puede ser regulada exteriormente (mayor o menor tensión). En su interior también se aloja un contacto eléctrico, que suele ser del tipo conmutado (de ahí el proporcionar o anular la señal eléctrica, en función del tipo de contacto utilizado, N.C o N.A). Cuando se introduce una señal neumática, ésta ejerce una fuerza sobre el diafragma. Si la fuerza ejercida es mayor que la prefijada en el muelle (taraje), el contacto conmutará y éste ejecutará la función correspondiente en el ciclo. Si la señal neumática no es capaz de provocar la fuerza suficiente para la conmutación, el contacto eléctrico permanecerá en posición estable.

La utilización de presostatos en las aplicaciones electroneumáticas es algo muy frecuente. Una de las aplicaciones típicas es su instalación en línea con objeto de permitir el arranque de máquina tan sólo cuando la presión se encuentre entre unos determinados valores (mínima / máxima).

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

39

Formación Abierta

En la siguiente figura se representa la sección de un presostato mecánico, identificando cada uno de los componentes que lo constituyen.

Dispositivo de taraje

Dispositivo de taraje

Figura 1.45. Presostato mecánico.

Otras aplicaciones típicas son la detección y señalización de bajas presiones en red, conexión / desconexión de compresores en función de la presión en el calderín, etc.

Figura 1.46. Presostato mecánico. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

40

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

01

Presostatos electrónicos El avance de los sistemas automáticos ha propiciado definitivamente la combinación de técnicas como la neumática, eléctrica, electrónica, etc. Uno de estos avances lo podemos encontrar en el desarrollo de presostatos digitales, es decir, constituidos por componentes electrónicos. Estos presostatos aportan numerosas ventajas con respecto a los convencionales, aunque presentan los inconvenientes propios de los componentes electrónicos, tales como la imposibilidad de trabajar a elevadas temperaturas, con elevadas vibraciones, etc.

Además de proporcionar los contactos con una gran precisión, suelen permitir la visualización del valor de la presión de red en diferentes escalas como Bares, Pascales, ajustar la histéresis, tiempo de respuesta, etc.

Figura 1.47. Presostato electrónico. Por gentileza de FESTO Pneumatics. S.A.

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

41

Formación Abierta

1.4.2.

Convertidores

Un convertidor es básicamente similar a un presostato, con la diferencia de que en este no se puede ajustar la presión de conmutación, o en otras palabras, su muelle no presenta posibilidad de ajuste. Su empleo es bastante limitado y se entiende que ante el aporte de una señal neumática (de bajo valor de presión), se produce la conmutación (conversión de la señal).

1.4.3.

Transductores

Los transductores son elementos que han irrumpido con fuerza en las aplicaciones electroneumáticas (y más concretamente en las aplicaciones proporcionales). Este tipo de elementos queda directamente relacionado con un tratamiento analógico de la técnica y no digital como se ha tratado hasta el momento.

Un transductor es entendido como un elemento analógico, ya que dependiendo de la lectura (magnitud de entrada), proporciona un valor de salida variable (generalmente en tensión o intensidad).

Serán analizados con mayor profundidad en “Hidráulica”, concretamente en el estudio de las aplicaciones proporcionales.

42

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

Electroneumática

01

Resumen Los actuadores neumáticos pueden ser de carácter lineal, rotativo o especiales / combinados. Dentro del grupo de los lineales diferenciamos entre simple y doble efecto, siendo aplicable esta designación desde un simple cilindro lineal hasta unidades de automatización complejas. Los fabricantes suelen cubrir una amplia gama de necesidades. En sus catálogos encontraremos gran cantidad de productos, algunos de ellos muy relacionados con las técnicas de automatización como por ejemplo las pinzas, unidades sin vástago, componentes para aplicaciones de vacío, etc... Las señales eléctricas o neumáticas pueden ser invertidas sin mayor problema. Para la ejecución de una inversión eléctrica – neumática emplearemos las clásicas electroválvulas. Para inversiones neumático – eléctrico, suelen emplearse conversores y presostatos. En las electroválvulas diferenciamos entre accionamientos directos e indirectos (o de servopiloto). Las primeras son válvulas que aparecen en versiones de 2 ó 3 vías monoestables, y se caracterizan por el bajo caudal diseccionado. De este modo, no suelen ser aptas para potencia. Las segundas, aparecen en versiones 4 ó 5 vías monoestables o biestables. Pueden direccional caudales muy elevados, siendo por tanto aptas para potencia. Una electroválvula de servopiloto está compuesta por varias. Una principal (válvula de piloto neumático) y una o dos auxiliares (en función de su versión de accionamiento).

Actuación y mando en sistemas electroneumáticos

43

02

Electroneumática

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 2.1. Generalidades ............................................................................................ 5 2.2. Elementos de entrada de señales ............................................................ 6 2.2.1. Accionamiento manual......................................................................... 8 2.2.2. Detectores de posición ...................................................................... 12 2.2.3. Detectores de posición electromecánicos .......................................... 13 2.2.4. Sensores de proximidad tipo REED ................................................... 16 2.2.5. Otros detectores ................................................................................ 21 2.3. Tratamiento de señales ........................................................................... 26 2.3.1. El relé ................................................................................................ 26 2.4. Mandos básicos con relés ...................................................................... 36 2.4.1. Multiplicación de un contacto ............................................................. 36 2.4.2. Realimentación de un relé ................................................................. 38 2.4.3. Inversión de un contacto .................................................................... 40 RESUMEN......................................................................................................... 43

Entrada y tratamiento de señales

1

Electroneumática

02

Objetivos Diferenciar claramente los elementos destinados a la introducción, tratamiento o salida de señales en los circuitos electroneumáticos (nivel manual y nivel automático o detección). Conocer los diversos tipos de contactos existentes en el automatismo eléctrico, ya que éstos son la base de cualquier sistema automático. Conocer los diversos métodos que se pueden emplear para la introducción de señales en los circuitos electroneumáticos. Se prestará especial atención a los detectores magnéticos tipo Reed, elementos habitualmente utilizados en circuitos electroneumáticos. Conocer las diversas funciones que pueden realizar los relés (elementos de tratamiento de señal) en los circuitos electroneumáticos.

Entrada y tratamiento de señales

3

Formación Abierta

Introducción En esta unidad se trataran dos partes bien diferenciadas. En primer lugar serán analizados los elementos destinados a la entrada de señales en las aplicaciones electroneumáticas. Se partirá desde los elementos básicos de actuación manual (pulsadores, interruptores, etc.), hasta elementos destinados a la captación (posiciones de cilindros, presiones, etc.). En este aspecto se destaca que este tipo de detecciones podrá realizarse en base a detectores electromecánicos (como por ejemplo los finales de carrera), pero predominará el detector magnético ya que aporta grandes ventajas con respecto a los primeros. Otros elementos para la detección (inductivos, capacitivos, fotocélulas, etc.) serán también analizados aunque con menor profundidad, ya que aunque siendo empleados en las instalaciones electroneumáticas son menos frecuentes (quedan reservados a funciones de captación auxiliares y rara vez a la detección de posición de un actuador). En la segunda parte, se analizarán los elementos destinados al tratamiento de la información (en especial los relés). Se analizará la generalidad sobre el tratamiento no entrando en otras técnicas de mando (como por ejemplo PLC´s ya que estos son analizados en una unidad propia).

4

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

2.1. Generalidades La energía eléctrica, tanto la utilizada en circuitos de mando como de potencia, se introduce en los circuitos y se cursa por diversos elementos, los cuales van a ser objeto de un detallado estudio en las siguientes páginas. Como todo elemento de aplicación industrial, estos elementos tienen asociada una simbología que permite el montaje y mantenimiento de los sistemas más eficazmente, si bien, el encargado de manipular o reparar estos componentes deberá conocer, al menos, su constitución, aplicación y la función de los mismos.

Esta unidad didáctica dividirá estos elementos en dos bloques, realizando la separación entre ellos según la función que cumplen dentro del circuito. Así pues, se establecen bloques específicos para los elementos de entrada y de procesamiento.

Entrada y tratamiento de señales

5

Formación Abierta

2.2. Elementos de entrada de señales Estos elementos tienen como función introducir en el circuito de mando una serie de señales para su posterior análisis y procesamiento. En el campo de la electroneumática esta introducción de datos se suele realizar por medio de contactos eléctricos, alojados en componentes cuyo mecanismo es muy variado; reciben el nombre genérico de emisores de señal. Antes de proceder al estudio detallado de los mecanismos, analizaremos el término contacto eléctrico. Contactos eléctricos Los contactos eléctricos son láminas de materiales ferromagnéticos, las cuales pueden establecer contacto o no de diversas maneras (métodos de accionamiento). Estos contactos se pueden clasificar por su función en los siguientes grupos: contactos de apertura, de cierre y conmutados. Los contactos de cierre son aquéllos que, debido a una fuerza de accionamiento dada, establecen contacto eléctrico. En otras palabras, 2 láminas que antes estaban separadas entre sí, establecerán contacto por medio de una acción exterior, permitiendo así el paso de la corriente eléctrica. Este tipo de contactos recibe la designación N.A. (normalmente abierto) o bien N.O. (normaly open).

F

Los bornes de los contactos abiertos se designan mediante la numeración 3 - 4.

3

4

Es complejo determinar una generalización de uso para los contactos de tipo abierto pero si lo hacemos, podríamos afirmar que estos se encargan de la “conexión de dispositivos”. Si queremos encontrar un símil a nivel neumático determinaremos su equivalencia con una 2/2 ó 3/2 NC.

Los contactos de apertura, por el contrario, son aquéllos en los que las láminas establecen contacto en condición de reposo, estado que se perderá cuando se realice alguna acción exterior sobre el mecanismo de conmutación, pasando éstos a condición de abiertos. Reciben la denominación N.C. (normalmente cerrado), que casualmente coincide con la denominación N.C. (normally closed).

6

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

1

Los bornes de los contactos cerrados se designan mediante la numeración 1 - 2.

2

F

Si buscamos aplicación genérica para este tipo de contactos, determinaremos que son empleados para forzar desconexiones de dispositivos (cortes de rearmes, emergencias, etc.). Si queremos encontrar un símil a nivel neumático determinaremos su equivalencia con una 2/2 ó 3/2 NA.

Por último, hablaremos de los contactos de conmutación, dotados de tres láminas y donde encontramos un contacto de tipo N.A. y otro del tipo N.C. con una lámina común.

2

4

F 1

Así pues, en condiciones de reposo un contacto está cerrado mientras que el otro está abierto; en el momento en que se produzca el accionamiento, este estado cambiará a la situación contraria, es decir, el contacto que antes estaba cerrado pasará a la condición de abierto, mientras que el que se encontraba abierto pasará a posición de cerrado. En la figura se aprecia el esquema de funcionamiento para un contacto conmutado, así como su simbología y denominación de bornes. En este tipo de contactos, el polo común se marca con el número 1, el contacto cerrado con el 2 y el contacto abierto con el número 4.

Si buscamos aplicación genérica para este tipo de contactos, determinaremos que son empleados para auxiliares o complementarias (inversión de contactos, protecciones, etc.). Si queremos encontrar un símil a nivel neumático determinaremos su equivalencia con una 4/2 ó 5/2.

Entrada y tratamiento de señales

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Formación Abierta

El método de accionamiento de estos contactos es muy variado, pudiéndose realizar manualmente, mecánicamente, por efecto de proximidad y por acción electromagnética. Dentro de este apartado, y haciendo referencia siempre a ciclos electroneumáticos, clasificaremos los elementos para la introducción de señales por el método que utilizan para realizar la conmutación. Así pues, se establecen elementos de accionamiento manual, mecánico y por efecto de proximidad.

2.2.1.

Accionamiento manual

Como su propio nombre indica, estos elementos conmutan la posición de los contactos al ser activados manualmente por los operarios. Estos elementos suelen tener la función de conexión/desconexión de ciclo, así como señales de emergencia para el bloqueo del desarrollo de acciones específicas. Dentro de estos componentes, los más destacados y usuales son los pulsadores e interruptores. El mando manual debe garantizar:



Seguridad personal y control de la maquinaria.



Evitar al operador desplazamientos inútiles y/o fatigosos mediante un correcto emplazamiento de los elementos.



Prohibir la puesta en marcha de máquinas si se dan determinadas condiciones de arranque (puertas no cerradas, engrases insuficientes, etc.).



Permitir el arranque y paro desde diversos puntos de mando.



Impedir arranques imprevistos después de cortes de corriente o accionamientos de emergencia.

Pulsadores Los pulsadores son elementos electromecánicos ideados para ser accionados manualmente; se caracterizan porque precisan de una acción constante para mantener la posición, o lo que es lo mismo, son elementos con posición estable a la cual retornan en caso de que la acción de conmutación cese.

8

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

Figura 2.1.

02

Pulsador con contacto N.A y N.C.

Estos componentes suelen estar constituidos por una cabeza (accionador), a la cual se le asocian una serie de cuerpos de contacto, por lo que estos elementos no tienen disposición fija, pudiéndose encontrar pulsadores con un número de contactos relativamente ilimitado y en cualquier disposición (N.A., N.C. y conmutados).

Figura 2.2.

Aspecto físico serie 22 mm. Por cortesía de GROUPE SCHNEIDER. TELEMECANIQUE.

En la figura se muestran posibilidades de utilización de pulsadores con contactos N.A. y N.C. Como podemos observar, ante la aparición de una acción mecánica sobre un elemento móvil asociado a los contactos, se vence la fuerza de un muelle, estableciendo o no el contacto eléctrico (según el tipo utilizado). Si en un momento determinado la acción manual desaparece, el muelle recuperador devolverá los contactos a su posición de inicio. Como ya hemos comentado anteriormente, un pulsador no tiene por qué disponer exclusivamente de un contacto abierto o cerrado, sino que podemos encontrar más de un contacto y en distinta disposición, tal y como podemos observar en la figura.

Entrada y tratamiento de señales

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Formación Abierta

Figura 2.3.

Pulsador con contacto conmutado (N.A + N.C).

La función del contacto es algo propio del diseño de ciclo, pero podemos afirmar que generalmente los contactos abiertos están asociados a cualquier función encargada de llevar a cabo arranques o acciones, mientras que los contactos cerrados suelen estar asociados a funciones de paro, desconexión o emergencia.

Dentro de las funciones de emergencia cabe destacar un tipo de pulsador especial, llamado de enclavamiento. Este tipo de pulsador, una vez accionado, queda bloqueado hasta que no realizamos la acción correspondiente al desbloqueo, que generalmente se consigue tirando o girando la cabeza pulsadora. Este pulsador debe ser del tipo seta y estar colocado en un punto accesible. El color debe ser rojo para la cabeza y amarillo para el fondo (contraste).

Figura 2.4.

10

Pulsador de emergencia tipo “seta”. Por cortesía de GROUPE SCHNEIDER. TELEMECANIQUE.

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Interruptores Los interruptores, al igual que los pulsadores, son elementos electromecánicos de acción manual, encargados de introducir información en el sistema.

La gran diferencia se encuentra en que el accionamiento es de enclavamiento, es decir, que una vez activado conserva la posición hasta que no es desenclavado con una segunda acción. La función de los interruptores suele estar ligada a funciones de alimentación de circuitos y mantenimiento de señales estables para ciclos continuos. Colores para pulsadores En este apartado se indican los colores para los fondos de los pulsadores, y se detallan en la tabla 2.5. Tabla de identificación para colores de pulsadores

COLOR

Rojo

ORDEN

Paro, desconexión

Rojo, fondo amarillo

Paro de emergencia

Verde negro

Marcha, conexión

Amarillo

COLOR

Marcha fuera de ciclo normal Eliminación de condiciones peligrosas

Figura 2.5.

Tabla de colores para pulsadores.

Entrada y tratamiento de señales

11

Formación Abierta

2.2.2.

Detectores de posición

Los complejos sistemas automatizados precisan progresivamente de elementos capaces de adquirir, transformar y transmitir la información relacionada con el proceso. Estos elementos se denominan detectores o sensores, y son cada vez más importantes dentro de los procesos, sufriendo una constante evolución. Los detectores se encargan de la adquisición de los datos en el proceso. Estos datos (magnitudes) suelen ser variables físicas como presión, velocidad, longitud, posicionamiento, etc. Dentro de la automatización neumática, el campo de aplicación de los detectores suele limitarse al control de posición de los diferentes actuadores, así como al control de la presión en diferentes puntos del circuito, si bien su campo puede ser mucho más amplio.

Un detector puede considerarse como un convertidor técnico encargado de convertir una variable física en otra variable distinta que permita una evaluación o análisis más fácil (generalmente una señal eléctrica).

Ha de tenerse en cuenta que no todos los detectores proporcionan señales eléctricas. Claro ejemplo lo encontramos en los finales de carrera neumáticos, encargados de proporcionar señales de salida que son aire comprimido. En las siguientes páginas se profundiza en los detectores más ampliamente utilizados en electroneumática, que corresponden a los detectores electromecánicos y a los detectores de proximidad tipo Reed. Esto no quiere decir que sean los únicos que se utilizan, ya que también tienen cabida detectores de tipo inductivo, capacitivo, ópticos, etc. Ha de tenerse en cuenta que la utilización de estos detectores conlleva el conocimiento de principios básicos electrónicos, que no serán tratados en estas páginas.

12

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

2.2.3.

02

Detectores de posición electromecánicos

Un método ampliamente utilizado para la captación de la posición de cilindros neumáticos es la utilización de interruptores electromecánicos de posición. En estos detectores, un contacto eléctrico se establece o interrumpe por acción de una fuerza mecánica exterior. Este tipo de detectores, por su construcción, permiten el paso de corriente eléctrica y voltajes elevados, si bien su principal limitación viene dada por el tiempo de reacción (que oscila entre 10 ms y 1 segundo) y el accionamiento mecánico constante. Este tipo de detector puede estar dotado de diversos mecanismos que lo activan, como son los rodillos, rodillos escamoteables, sondas, etc. Los fabricantes ofrecen una extensísima gama de estos mecanismos, los cuales permiten captar prácticamente cualquier estado de los diversos actuadores o componentes. Figura 2.6. Detectores electromecánicos (accionamiento genérico y rodillo). Por cortesía de GROUPE SCHNEIDER. TELEMECANIQUE.

Evidentemente, este tipo de detectores encaja a la perfección con la detección de posición de actuadores neumáticos. Como ejemplo...

Entrada y tratamiento de señales

13

Formación Abierta

En reposo

En reposo

Figura 2.7.

Activado

Activado

Detectores electromecánicos (accionamiento genérico y rodillo).

Precauciones al montaje Debido al origen mecánico de este tipo de detectores deben adoptarse una serie de precauciones en su montaje o instalación.

14



La fiabilidad en la detección vendrá dada por la precisión adoptada en el montaje, así como la fiabilidad mecánica del componente, la cual deberá ser muy elevada.



El montaje ha de ser muy rígido, de lo contrario se pueden producir holguras que impedirán o proporcionarán contactos falsos.



Si la conexión del cable se realiza mediante tornillos, se deben utilizar terminales aislados, y en caso de utilizar uniones soldadas, ha de tenerse especial precaución de no sobrecalentar los contactos, ya que se podrían provocar deformaciones permanentes que deteriorarían el componente.

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Aplicación de los detectores electromecánicos Las aplicaciones de estos detectores son prácticamente ilimitadas debido a la gran variedad de mecanismos existentes en el mercado. Como ya hemos comentado, la limitación para su aplicación suele venir dada por la vida y fiabilidad mecánica (más reducida que en los detectores de proximidad), así como por los tiempos de conmutación. Al tiempo, estos detectores permiten el paso, a través de sus contactos, de tensiones e intensidades elevadas, por lo cual su campo de aplicación se amplía importantemente. Como especial precaución al realizar el montaje, hay que resaltar que estos detectores no han de captar posición si están colocados como tope físico, a no ser que hayan sido desarrollados específicamente para esa función. Carrera del cilindro

Figura 2.8.

Aplicación electroneumática de un detector electromecánico.

Aplicaciones electroneumáticas La aplicación de los detectores electromecánicos dentro de los ciclos neumáticos es muy frecuente, siendo el mecanismo más utilizado para la conmutación el rodillo (final de carrera), debido a su gran fiabilidad de montaje para ser accionado por las levas de los actuadores. Dentro de aplicaciones con cilindros neumáticos, el principal problema que se nos plantea es que no siempre pueden posicionarse en la zona de acción del vástago debido a las exigencias de diseño, por lo que es frecuente que se recurra a detectores de acción por proximidad (que serán explicados en las siguientes páginas).

Entrada y tratamiento de señales

15

Formación Abierta

2.2.4.

Sensores de proximidad tipo REED

Los sensores o detectores de proximidad tipo REED, reaccionan ante la aparición de campos magnéticos creados por imanes permanentes o electroimanes. Constan de unas láminas de material ferromagnético que forman el contacto, siendo éste del tipo N.C., N.A. o conmutado, si bien, el contacto más usual del que están dotados estos sensores suele ser del tipo N.A. Las láminas están selladas en el interior de un tubo de vidrio que contiene gas inerte, con objeto de que no se produzcan arcos en la conmutación.

N

Figura 2.9.

S

Detectores magnéticos tipo Reed.

En los sensores de tipo Reed, el contacto eléctrico se produce cuando un campo magnético se aproxima, uniéndose las láminas por efecto electromagnético.

Figura 2.10. Detector magnético tipo Reed. Por gentileza de FESTO Pneumatics S.A.

16

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Imán permanente

Figura 2.11. Detector magnético tipo Reed (trabajo).

Precauciones al realizar el montaje A la hora de trabajar con detectores magnéticos, se deberán tener en cuenta algunas precauciones...



Este tipo de detectores es altamente influenciable por entornos magnéticamente agresivos. Es por ello por lo que, si existen campos magnéticos importantes, los detectores Reed deberán ser apantallados correspondientemente.



Si el montaje se realiza sobre cilindros neumáticos, la distancia entre detectores no deberá ser inferior a 60 mm., ya que, de lo contrario, podrían producirse conmutaciones no deseadas (falsos contactos). No obstante, se recomienda consultar las características propias de cada detector dadas por los fabricantes.



En los detectores tipo Reed la corriente de paso debe limitarse al máximo, por lo que se suele realizar un montaje directo a una carga controlada (habitualmente un relé que fije la máxima intensidad de paso por debajo del límite del detector). Este paso no es preciso en el montaje con PLC.



Por último, y en especial para aplicaciones electroneumáticas, ha de tenerse en cuenta que la potencia de llamada de un relé es de aproximadamente 8 veces el valor de la potencia de mantenimiento. Por este motivo se deberá tomar el valor de la potencia de llamada como valor de cálculo.

Entrada y tratamiento de señales

17

Formación Abierta

Aplicaciones de los detectores Reed Son muchas las aplicaciones de los detectores magnéticos, pero la más conocida es la detección de la posición de los cilindros neumáticos, tal y como muestra la figura.

Figura 2.12. Aplicación de los detectores magnéticos tipo Reed

No obstante, estos detectores pueden dar solución a infinidad de procesos de automatización, tales como:



Interruptores de puertas.



Posicionado de componentes / materiales.



Mediciones de velocidad.



Sistemas de conteo.



Etc.

A continuación se detallan las aplicaciones electroneumáticas, ya que éstas son las más comunes para este tipo de detectores. Aplicación electroneumática A continuación el funcionamiento de un detector Reed colocado sobre la camisa de un cilindro neumático. Como podemos observar en la figura, cuando el émbolo del cilindro no está próximo al detector, los contactos de éste se encuentran en la posición de reposo, que en este caso corresponde a una situación N.A. Cuando el émbolo del cilindro se aproxima, el campo magnético del imán permanente (colocado sobre el émbolo del cilindro) actúa sobre los contactos, los cuales pasan a posición de cerrado por efecto del magnetismo. El contacto eléctrico se ha producido.

Figura 2.13. Aplicación de los detectores magnéticos tipo Reed

18

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Esquemas internos (2 y 3 hilos) En la actualidad, podemos encontrar detectores magnéticos de 2 y 3 hilos. Sus esquemas son detallados a continuación: BR

BU SEAS

BK

En los detectores de tres hilos, el color marrón o BR corresponde al positivo de fuente (alimentación). El color azul (hilo BU) corresponde al negativo de fuente para alimentación y el color negro (BK) corresponde a la salida. Si esta activa una carga tan solo restará cerrarla con negativo. BR

SEAS

BK

En un dos hilos (BR) alimentación y (BK) salida, encontramos un diodo zener en el interior el cual se encarga de estabilizar la tensión. El conexionado resulta tan solo alimentación (+24 V) y salida a carga (cerrar la misma a 0V). La señalización de detección es ejecutada por la resistencia y led internos. Protección de los sensores La protección de los sensores viene indicada por lo que se conoce como Protección Internacional, más conocido como Grado de Protección IP. A estas siglas han de agregarse dos códigos encargados de indicar el grado que alcanza la protección.

Entrada y tratamiento de señales

19

Formación Abierta

El primer código indica el grado de protección contra la penetración o contacto de cuerpos extraños. Varía entre 0 y 6 (véase tabla IP para primer código). El segundo código indica el grado de protección contra la penetración de agua. Varía entre 0 y 8 (véase tabla IP para segundo código).

Primer

Grado de protección frente a la penetración

Código

o contacto de cuerpos extraños

  

20

0

Protección no especificada.

1

Protección contra la penetración de cuerpos extraños sólidos con diámetro mayor de 50 mm (cuerpos extraños grandes) (1).

2

Protección contra la penetración de cuerpos extraños sólidos con diámetro mayor de 12 mm (cuerpos extraños medios) (2). Protección contra el contacto de los dedos o similares.

3

Protección contra la penetración de cuerpos extraños sólidos con un diámetro mayor de 2,5 mm (cuerpos extraños pequeños) (2). Protección contra herramientas, hilos, etc., con un diámetro mayor de 2,5 mm (cuerpos extraños grandes) (1)

4

Protección contra la penetración de cuerpos extraños sólidos con un diámetro mayor de 1 mm (material granulado) (2). Protección contra herramientas, hilos, etc., con un diámetro mayor de 1 mm.

5

Protección contra depósitos nocivos de polvo. La penetración de polvo no está totalmente protegida pero no puede entrar en cantidad suficiente como para impedir el correcto funcionamiento (protección contra polvo) (3) Completa protección contra el contacto.

6

Protección contra la penetración de polvo. Completa protección contra el contacto.

(1) En equipos con clase de protección de 1 a 4, se evita la penetración de cuerpos extraños de forma regular o irregular dispuestos verticalmente, de dimensiones mayores a las correspondientes indicadas en el valor numérico. (2) Para clases de protección 3 y 4, la utilización de esta tabla en lo que respecta a equipos con agujeros de drenaje o aperturas de aire de ventilación, cae dentro de la responsabilidad de cada comité técnico responsable. (3) Para la clase de protección 5 , la utilización de esta tabla en lo que respecta a equipos con agujeros de drenaje o aperturas de aire de ventilación, cae dentro de la responsabilidad de cada comité técnico responsable.

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

Segundo

Grado de protección frente al

Código

contacto y la penetración de agua



0

Protección no especificada.

1

Protecciones contra el goteo de agua cayendo verticalmente. Las gotas de agua no deben tener ningún efecto perjudicial.

2

Protecciones contra el goteo de agua cayendo verticalmente. Las gotas de agua cayendo en cualquier ángulo hasta 15º respecto a la posición normal del montaje del equipo (caja) no deben ocasionar ningún efecto perjudicial (gotas de agua cayendo en diagonal.

3

Protección contra el goteo de agua cayendo en cualquier ángulo hasta 60º de la vertical. La pulverización de agua no debe tener ningún efecto perjudicial.

4

Protección contra el goteo de agua dirigidas al equipo (caja) desde todas la direcciones. Las salpicaduras de agua no deben tener ningún efecto perjudicial.

5

Protección contra chorros de agua desde una tobera dirigida contra el equipo (caja) desde todas las direcciones. Los chorros de agua no deben tener ningún efecto perjudicial.

6

Protección contra el ambiente marino (mar gruesa) o fuertes chorros de agua. El agua no debe penetrar en el equipo (caja) en cantidades perjudiciales (inundación).

7

Protección contra agua cuando el equipo (caja) se sumerge en agua, bajo las condiciones de presión y tiempo especificadas. El agua no debe penetrar en cantidades perjudiciales (inmersión).

8

Protección contra agua. El equipo (caja) es adecuado para la inmersión permanente en condiciones descritas por el fabricante (sumersión) (1). Agua cuando el equipo (caja) se sumerge en agua, bajo las condiciones de presión y tiempo especificadas. El agua no debe penetrar en cantidades perjudiciales (inmersión).

02

(1) Esta clase de protección, normalmente se refiere a equipos herméticamente cerrados. No obstante, con ciertos equipos, es posible la penetración de agua siempre y cuando no tenga efectos perjudiciales.

2.2.5.

Otros detectores

Como ya se ha indicado con anterioridad, existen otros muchos tipos de detectores que por su rara aplicación para la captación de posición neumática. Entre ellos destacan los detectores inductivos, capacitivos y fotocélulas. Todos ellos trabajan sin contacto físico, por lo cual son elementos de vida muy elevada cuyo campo de aplicación genérico corresponde a:



Inductivos: captación de elementos metálicos.



Capacitivos: captación de otras sustancias (metales, pulverulentos, líquidos, sólidos no conductores, etc.).



Fotocélulas: captación de la interrupción del haz emitido por las mimas. Captación de los materiales más diversos.

elementos

Entrada y tratamiento de señales

21

Formación Abierta

A grosso modo... Detectores inductivos y capacitivos Un detector inductivo consta de un oscilador cuyos bobinados constituyen la cara sensible del mismo. Al recibir alimentación, se genera en el mismo un campo magnético generado por el núcleo. Si un objeto conductor de la electricidad se introduce en dicha zona, se produce una atenuación del oscilador (y en consecuencia un cambio en el consumo). Esto es detectado y se produce la conmutación del detector. Material a detectar

Material a detectar

Detectores inductivos. Por gentileza de FESTO Pneumatics S.A. Los detectores capacitivos funcionan bajo los mismos principios, entendiendo que ahora la captación es ejecutada mediante la variación de la capacidad. BR

BR

BU

BK

Inductivo

BR

BU

BK

BU

Capacitivo

BK

General

Figura 2.14. Detectores (simbología).

Tanto inductivos como capacitivos presentan los ya mencionados 3 hilos de conexión BR, BU y BK (alimentaciones positiva, negativa y salida respectivamente).

22

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Se debe tener en cuenta que existen detectores tipo PNP y tipo NPN. En ambos la alimentación en positivo y negativo por BR y BU es similar, pero la salida por BK se caracteriza por...



Detectores PNP: salida en positivo.



Detectores NPN: salida en negativo.

Se deberá prestar una especial atención al conexionado de los detectores, identificando previamente su tipo PNP o NPN. Conexionados incorrectos pueden llegar a provocar el deterioro de los detectores.

Puede observarse la conexión de un PNP. Alimentación + / - a los hilos BR y BU respectivamente. Carga (salida en +) a relé y cierre de bobina mediante negativo (0V). BR

BU

PNP

BK

General

Puede observarse la conexión de un NPN. Alimentación + / - a los hilos BR y BU respectivamente. Carga (salida en -) a relé y cierre de bobina mediante positivo (+24V).

BR

BU

BK NPN General

Entrada y tratamiento de señales

23

Formación Abierta

Fotocélulas Las fotocélulas trabajan en base a diodos emisores de luz (emisor) y fototransistores (receptor). Se diferencian tres grupos principales los cuales corresponden a...



Fotocélulas da barrera Emisor y receptos son colocados en cuerpos diferentes y separados entre sí una cierta distancia (alcance de la fotocélula). Si un objeto se interpone entre ambos, el haz de luz es cortado y ello dispara la activación de la misma. Las distancias cubiertas son bastante importantes (metros).



Fotocélulas reflex En estas fotocélulas el emisor y receptor se encuentran en una misma ubicación física. Su alcance suele ser inferior a las de barrera. Se han de colocan elementos para el rebote del haz de luz (ver imagen).

Figura 2.15. Fotocélula y reflectante.

24

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática



02

Fotocélulas de proximidad En estas fotocélulas el emisor y receptor se encuentran en una misma ubicación física entendiéndose que el rebote del haz lo proporcionará en propio elemento a detectar. Su rango de detección es el menor de todos los tipos enunciados.

Figura 2.16. Fotocélula de proximidad.

Entrada y tratamiento de señales

25

Formación Abierta

2.3. Tratamiento de señales Como ya se ha indicado anteriormente, el automatismo electroneumático está estructurado en bloques perfectamente definidos y que corresponden a la adquisición de datos, tratamientos de los mismos y etapas de salida. Dentro del apartado de tratamiento y análisis de señales, el elemento eléctrico por excelencia corresponde al relé. Su aplicación dentro de los ciclos electroneumáticos es diversa en función del objetivo deseado, y cada una de ellas va a ser explicada en las siguientes páginas. Se hará especial referencia a la aplicación del relé monoestable de contactos conmutados, ya que es el componente de mayor difusión industrial.

2.3.1.

El relé

Los relés pueden ser considerados como interruptores accionados electromagnéticamente para determinadas potencias de ruptura (relativamente bajas). Se caracterizan por conectar y realizar funciones principalmente de mando con un coste energético relativamente bajo, siendo utilizados principalmente para el procesamiento de señales.

Aunque existen numerosos tipos y diferentes construcciones, el principio de funcionamiento para todos ellos es similar.

Funcionamiento de un relé Un relé está formado por una bobina con un núcleo de hierro y uno o más contactos, los cuales conmutarán su posición ante la aparición de un campo magnético creado por la propia bobina. En posición de reposo (sin alimentación eléctrica a bobina), un resorte empuja una lámina de material conductor basculante, la cual se encuentra separada del núcleo. En estos momentos existe una conexión entre las bornas "común" y "NC".

26

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Figura 2.17. Relé de base enchufable.

Cuando se active el pulsador, el circuito quedará cerrado, estableciéndose una alimentación eléctrica a la bobina, la cual crea un campo magnético capaz de atraer a la lámina basculante venciendo la fuerza realizada por el resorte en oposición. Es en este momento cuando se produce la conmutación de contactos, existiendo comunicación entre las bornas "común" y "NA". Si en un momento determinado se produce el corte de alimentación a la bobina, ésta dejará de producir flujo electromagnético y el relé retornará a su posición inicial, debido a la fuerza de recuperación que realiza el resorte. Es precisamente por este efecto por el que los relés de este tipo son considerados monoestables (una sola posición estable), debiéndose tener este aspecto en cuenta para realizar los circuitos electroneumáticos.

NC Común

NA

NC

NA

Común

Figura 2.18. Funcionamiento de un relé.

Entrada y tratamiento de señales

27

Formación Abierta

Funciones de los relés Las principales funciones de los relés, electroneumáticas, pueden definirse como:



dentro

de

las

aplicaciones

Inversión de contactos: los relés nos permiten realizar, sin ninguna complicación, la llamada inversión de contactos mediante la utilización de contactos conmutados. Así pues, si un determinado sensor dispone de un solo contacto abierto, mediante la utilización de un relé que disponga de un contacto conmutado, estaremos en disposición de utilizar el contacto abierto o cerrado según sea la exigencia del automatismo.

Un detector magnético habitualmente dispone de un contacto abierto. Si para un automatismo se requiere un cerrado podrá ser asociado a un relé y ejecutar la inversión del contacto mediante el uso del conmutado.



Multiplicación de contactos: al mismo tiempo, los relés nos dan la oportunidad de multiplicar los contactos, ya que al accionar la bobina, ésta puede actuar sobre 1, 2, 3 ó 4 contactos, dependiendo del tipo de relé con el que trabajemos. No por multiplicar contactos perdemos el efecto de inversión, es frecuente en aplicaciones electroneumáticas encontrarnos con relés de cuatro contactos, todos ellos conmutados (efecto inversor).

Si en una aplicación se precisa más de un contacto (por ejemplo de detector), este podrá ser asociado a un relé que disponga de más de un contacto. La multiplicación es ejecutada de este modo.



Amplificación de potencia: en determinadas ocasiones, es posible que los sensores colocados en la instalación no permitan el paso de la intensidad deseada. Una rápida solución la encontramos en la utilización de relés en lo que podría denominarse un mando indirecto. El detector actuará sobre un relé previamente calculado para limitar el valor de la intensidad; más tarde, nos serviremos de los contactos del relé para activar otros indirectamente, ya que un relé de 24 VDC puede permitir, sin mayor problema, intensidades de 5 Amperios y voltajes de 250 V, e incluso más.

28

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática



02

Cambio de tensión: los relés permiten trabajar a un determinado valor de tensión en la alimentación a su bobina, pero ésta no tiene nada que ver con la tensión que circulará a través de sus contactos, tal y como hemos visto en el punto anterior. Así pues, podemos activar un relé a una tensión de 24 VDC que procede de un detector de proximidad, y obtener una salida en contactos de 220 VAC para activar componentes de corriente alterna.

Si es preciso, mediante los contactos de relé seremos capaces de variar la tensión de accionamiento (entrar con 24 VDC y salir con 220 VAC por ejemplo). Del mismo modo las intensidades direccionables son multiplicadas. Pueden observarse funciones de cambio de tensión y amplificación de potencia.



Función de memoria: en los circuitos electroneumáticos, todas las discriminaciones (acciones desarrolladas para eliminar la doble señal eléctrica) se realizan por medio de relés, denominados memorias. Esta aplicación será desarrollada con mayor profundidad en los siguientes apartados.

La función de memoria resultará vital para la resolución de secuenciales que presenten problemas de doble señal. Este aspecto será desarrollado en posteriores unidades didácticas.

Ventajas e inconvenientes de los relés Como todo componente eléctrico, los relés presentan ventajas e inconvenientes que deberemos conocer para su correcta elección y utilización. Las principales ventajas que presentan los relés son:



Adaptación sencilla a los diferentes valores de tensión.



Insensibilidad a temperaturas extremas, ya que aseguran un correcto funcionamiento a temperaturas comprendidas entre -50º y 80ºC (consultar datos de fabricantes).



Conexión de varios circuitos independientes.



Separación galvánica entre circuito de mando y potencia.

Entrada y tratamiento de señales

29

Formación Abierta

Asimismo, los relés presentan importantes inconvenientes que deben ser conocidos...



Contactos defectuosos por oxidación de los mismos.



Creación de arcos voltaicos con efecto de abrasión de contactos.



Grandes dimensiones en comparación con otros elementos de función idéntica (por ejemplo, los transistores).



Ruido elevado en conmutación.



Influencia excesiva por el entorno industrial (por ejemplo, polvo).



Tiempos de conmutación excesivamente altos en comparación con otros componentes (éste se sitúa entre 3 y 20 milisegundos).

Diferentes tipos de relés Como ya hemos comentado en páginas anteriores, muchos son los tipos de relés, aunque el principio de funcionamiento siempre es el mismo. A continuación se detallan algunos de los más importantes.

30



Relés enchufables: uno de los tipos de relés más utilizados son los denominados enchufables. Constan de dos cuerpos:



Cuerpo de relé: en este elemento es donde se encuentran todos los mecanismos propios del relé, es decir, bobina, núcleo, contactos, etc. En su zona inferior se alojan una serie de patillas, las cuales encajan perfectamente en el segundo cuerpo, llamado zócalo.



Zócalo: es simplemente una base de material plástico en la cual encontramos una serie de ranuras, donde encajan las patillas (contactos) de la cabeza de relé. Esta pieza tiene como objeto permitir la conexión del relé mediante bornas de conexionado.

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

El zócalo suele llevar en su zona posterior un anclaje diseñado para carril DIN, y es un elemento fijo en la instalación. Si un relé se deteriora, retiraremos la cabeza de relé del zócalo, la sustituiremos y la instalación estará preparada de nuevo para su funcionamiento, sin necesidad de realizar cambios en el cableado.

Las diferentes tecnologías analizadas no son tan diferentes entre sí. Como ejemplo, las técnicas de montaje de los relés son similares a los montajes de componentes hidráulicos apilados. De este modo: Relé: similar a las válvulas, ya que estas no son montajes directos sino sobre “otros” elementos. Zócalo: similar a las “placas base”. Sobre estos elementos son colocados los relés o válvulas (respectivamente) y se ejecutan las conexiones (eléctricas o hidráulicas).

Relés para circuito impreso Los relés para circuito impreso están especialmente diseñados para su inserción en placas de circuito. En su zona inferior se encuentran unas pequeñas patas que se introducen en los orificios de las placas, donde se soldarán mediante los procedimientos convencionales de componentes electrónicos.

Figura 2.19. Relé para CI.

Se utilizan frecuentemente en circuitos de entradas/salidas de autómatas programables y, aunque de tamaño relativamente pequeño, permiten la circulación de intensidades de varios amperios. Su empleo es muy frecuente y su coste reducido.

Entrada y tratamiento de señales

31

Formación Abierta

Relés de enclavamiento En este tipo de relés tenemos que hacer una observación, ya que no se trata de un dispositivo monoestable, como los definidos hasta ahora, sino de uno biestable, ya que conmuta su posición con un impulso, y aunque éste desaparezca, conservará su posición hasta la aparición de la señal opuesta. A modo de ejemplo, su comportamiento es similar al de las válvulas neumáticas de doble piloto neumático o las electroválvulas de doble bobina (ambas biestables). Relés temporizadores En este tipo de relés se produce un retardo en la conmutación de los contactos que puede ser del tipo "retardo a la conexión" o bien "retardo a la desconexión". El proceso de temporizado se realiza mediante un circuito electrónico situado en el zócalo del relé, y es ajustada en valor por medio de un potenciómetro colocado en la zona posterior de éste.

El empleo de relés temporizados es algo sumamente común (a diferencia de los relés de carácter biestable, muy poco empleados en las aplicaciones industriales).

A1

A1

A1

A2

A2

A2

Relé convencional

Relé temporizado (Retardo conexión)

Relé temporizado (Retardo desconexión)

Figura 2.20. Relés temporizados (simbologías).

Marcado de bornas Los relés, al igual que el resto de componentes eléctricos, se representan en planos eléctricos mediante sencillos símbolos de fácil lectura e interpretación. Las bornas de bobina se representan mediante las designaciones A1 y A2. En cuanto al indicativo de componente, se hace en base a la norma DIN 40 719, marcándose con la letra K seguida de una numeración correlativa. La numeración de contactos se realiza mediante dos números. El primero hace referencia a la posición que ocupa el contacto (es del tipo correlativo). La segunda cifra (3 y 4) indicará que el contacto es del tipo cierre (N.A.).

32

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

A1

14

24

34

02

44

K1 A2 21 23

11 13

41 34

31 33

Figura 2.21. Relé tetrapolar de contactos abiertos.

Si el relé dispone de contactos de apertura (contactos N.C.), la designación de segunda cifra corresponderá a la numeración 1 y 2, manteniéndose el valor de posición de contacto, o lo que es lo mismo, la primera cifra. A1

12

22

32

42

K1 A2 11

21

31

41

Figura 2.22. Relé tetrapolar de contactos cerrados.

No obstante, los relés utilizados en las aplicaciones electroneumáticas suelen disponer de contactos del tipo conmutado. Aplicaciones electroneumáticas del relé Tal y como hemos podido comprobar, en el desarrollo de ciclos electroneumáticos los componentes no se representan físicamente, sino funcionalmente. Esto crea la necesidad de conocer los símbolos asociados a cada uno de los elementos analizados. Para los relés monoestables de contactos conmutados, la simbología y denominación de bornes corresponde a la indicada en la siguiente figura: A1

14

12

24

22

34 42

32

44

K1 A2 11

21

31

41

Figura 2.23. Relé tetrapolar de contactos conmutados

Los relés son denominados mediante la letra mayúscula K, seguida de la numeración correspondiente (comenzando por el número 1). Todos los circuitos eléctricos están subdivididos en circuitos de mando y potencia, los cuales, a su vez, están compuestos por una serie de ramales en los que se colocan los correspondientes contactos, relés y solenoides (bobinas de electroválvulas).

Entrada y tratamiento de señales

33

Formación Abierta

Estas líneas pueden ser horizontales o verticales, dependiendo de si la norma empleada corresponde a Europa o a EE.UU., respectivamente.

Así mismo, cada una de estas líneas puede estar dotada de una numeración, con objeto de poder realizar una rápida localización de los contactos. En aplicaciones electroneumáticas los contactos no se representan junto a la bobina, sino en la rama donde ha de realizar su función. Por supuesto, ha de tener un código inequívoco de relación con la bobina correspondiente.

Dado el siguiente circuito eléctrico (sin importar por el momento su función), tenemos...

+ 24 V

1

2

3

3

3

S1

S2 4

4

5

13 11

3 a1

k1

4

4

3

14

24

11

21

k2

a0

23 21 k2

k1 12

22

4

A1

A

K1

K2

Y1

A2

A2

0V NA

NC

NA

4

NC

5 5

4

Figura 2.24. Esquema eléctrico.

34

Entrada y tratamiento de señales

Y2

Electroneumática

02

En el esquema podemos observar las líneas de tensión, con una diferencia de potencial de 24 voltios en corriente continua. Su disposición es horizontal, por lo que se trata de una representación con simbología europea. Entre estas líneas se han establecido los correspondientes ramales de mando y potencia. Como podemos observar, cada uno de ellos ha sido numerado comenzando desde el número 1. Todos los contactos han sido marcados en bornes, y en lo referente a los contactos posicionados en las líneas 4 y 5, se hace referencia a la bobina asociada. Bajo las bobinas K1 y K2, posicionadas en las líneas 1 y 3 del circuito, se observa una tabla en la que encontramos el número de contactos utilizados del relé, así como la línea sobre la cual están posicionados.

Para más información: consulta “Automatismo Eléctrico”.

Entrada y tratamiento de señales

35

Formación Abierta

2.4. Mandos básicos con relés En las siguientes páginas vamos a exponer los principales mandos básicos que se pueden desarrollar con relés. Se hace referencia a ciclos electroneumáticos y parte de su simbología todavía no desarrollada. En estos primeros mandos básicos mostraremos un esquema con la posición física de los componentes, pero también, y con objeto de ir relacionándolos, los esquemas funcionales.

2.4.1.

Multiplicación de un contacto

En numerosas ocasiones, en el desarrollo de circuitos electroneumáticos, es preciso multiplicar los contactos de un determinado componente. Este efecto se podrá comprobar en las siguientes unidades didácticas, conforme los ciclos desarrollados vayan aumentando su complejidad. Imaginemos un ciclo en el cual queremos activar un pulsador y, con ello, provocar la salida del vástago de un cilindro. Al mismo tiempo que el vástago avanza, se desea una señalización en la lámpara H1. Cuando el pulsador no está activo y el vástago del cilindro está en reposo o retornando, se desea una señalización en la lámpara H2. Según el esquema de situación física de componentes, tendríamos un circuito como el siguiente: 3 S1 4 +

A1

12

14

22

24

32

34

A2

11 H2

21 H1

Figura 2.25. Circuito eléctrico.

36

Entrada y tratamiento de señales

31

Electroneumática

02

Como podemos observar en la figura, el esquema no es totalmente eficaz, ya que su interpretación no resulta sencilla. Sin embargo, este mismo circuito puede ser representado de una forma más clara y sencilla: + 24 V

1

2

3 S1

3

11 k1

4

k1 12

4

21 23

k1

24

33 33 34

A1 K1

H2

H1

Y1

A2 0V

Figura 2.26. Circuito eléctrico.

Cuando el circuito está en reposo, es decir, no activamos el pulsador S1, la corriente pasa a través del contacto de K1 posicionado en la línea 2, debido a su condición de cerrado. Se obtiene una señalización sobre la lámpara H2, indicando que el vástago está retornando o en posición inicial. K1, H1 e Y1 no están activos. En el momento en que activamos el pulsador, el contacto abierto se cerrará, estableciéndose así la alimentación a la bobina K1. En estos momentos, todos los contactos asociados conmutan su posición. Así, los contactos de las líneas 3 y 4 se cierran, estableciéndose la conmutación de la electroválvula (alimentación Y1) y su correspondiente señalización (H1). Por el contrario, el contacto de la línea 2 se abre, perdiéndose la señalización sobre H2. Si la acción sobre el pulsador S1 cesa, la bobina K1 no es alimentada y, dada su condición de monoestable, hace que todos los contactos adquieran su posición inicial, devolviendo el ciclo a las condiciones estables de reposo.

Entrada y tratamiento de señales

37

Formación Abierta

2.4.2.

Realimentación de un relé

En el trabajo con electroválvulas es frecuente tener que recurrir a circuitos de realimentación, en especial si trabajamos con tipos de electroválvulas monoestables. Antes de ver la aplicación directa a la electroneumática, veamos en qué consiste una realimentación. Imaginemos que disponemos de un relé que debe ser accionado mediante un pulsador de contacto abierto. En el momento en que activemos el pulsador, se establece alimentación a la bobina y el relé se activará. Si la señal del pulsador cesa, el circuito se abre y los contactos del relé vuelven a su posición de reposo por efecto de los muelles recuperadores, tal y como muestra la figura. 3 S1 4 + A1 A2

Figura 2.27. Circuito eléctrico.

Si nosotros deseamos que ante una pulsación el relé se enclave (incluso si cesa la acción sobre el pulsador), es preciso realizar un circuito de realimentación, que consiste en el montaje en paralelo de un contacto abierto del relé que deseamos activar. El paralelo debe afectar a todas las señales que han forzado su conexión. 13 11

3 S1

k1 4

14

+ A1 K1 A2

Figura 2.28. Circuito eléctrico.

Como podemos observar, en la condición inicial la corriente no puede pasar a través de los contactos abiertos de ninguna de las líneas (1 ó 2). Si se activa el pulsador, se establece la corriente de alimentación al relé K1, el cual conmutará la posición de su contacto situado en la línea 2. En este instante de tiempo (contacto K1 en posición cerrado), la alimentación a la bobina se realiza a través de los dos ramales.

38

Entrada y tratamiento de señales

Electroneumática

02

Si la acción sobre el pulsador cesa, la alimentación a la bobina del relé no cae, puesto que toda se realiza a través del propio contacto del relé. Como podemos observar, el relé se queda enclavado y no se desconectará a no ser que se corte la alimentación a la bobina. Es por esto por lo que se hace necesaria la colocación en el circuito de un elemento capaz de producir la desconexión. Estos elementos están dotados de una serie de contactos, de los cuales se suele utilizar el contacto cerrado. El funcionamiento es idéntico al descrito en el párrafo anterior. 13 11

3 S1

k1 4

14

+ S2

-

A1 K1 A2

Figura 2.29. Circuito eléctrico.

Conocido ya el funcionamiento de una realimentación, pasaremos a un ejemplo de aplicación electroneumática.

El vástago de un cilindro de doble efecto ha de avanzar al accionar un pulsador S1 y encontrarse en condiciones iniciales (final de carrera o detector a0 activo). Este cilindro está gobernado por una electroválvula monoestable, por lo que precisará una realimentación capaz de mantener el estado de la válvula hasta que el cilindro alcance la máxima posición, momento en el cual retornará a su posición inicial automáticamente (a 1). Se representa el esquema: 24 V 3 S1 4

11 K1 13

21 K1 23

14

24

1

2

A1 Y1

K1 0V

A2

Entrada y tratamiento de señales

39

Formación Abierta

2.4.3.

Inversión de un contacto

Muchos emisores de señal nos ofrecen exclusivamente un contacto, y éste suele ser de tipo normalmente abierto. Esto sucede especialmente con los detectores de proximidad tipo Reed. Cuando esto suceda y sea necesario utilizar contactos cerrados, la aplicación de un relé a modo inversor nos permitirá la implementación de los ciclos (siempre y cuando el relé disponga de contactos conmutados, ya que de lo contrario no podremos efectuar las inversiones). Para ver esta aplicación, se plantea un accionamiento de ciclo electroneumático.

Se desea gobernar la salida del vástago de un cilindro de doble efecto mediante un pulsador. La electroválvula empleada para su control es una 5 vías y 2 posiciones de simple bobina (monoestable), por lo que será necesario una realimentación. No se dispone de final de carrera a0, y el final de carrera a1 dispone exclusivamente de un contacto cerrado. Con estas condiciones observamos que la resolución del circuito no presenta mayor dificultad (ha de tenerse en cuenta que en la resolución de este ciclo no se asegura el posicionamiento del cilindro en condiciones iniciales, al no analizarse la señal de posición a0). 24 V 3 S1

11

21

K1 4

K1 14

24

1 a1

2

A1 Y1

K1 0V

40

Entrada y tratamiento de señales

A2

Electroneumática

02

Imaginemos ahora las mismas condiciones de ciclo, exceptuando que el final de carrera a1 dispone ahora de un contacto abierto exclusivamente. El ciclo exige una inversión de contactos mediante un relé de contactos conmutados. 24 V 3 S1

11 13 K1

4

3

23 21

K1

a1 14

4

24

11 K2 12

A1 K1 0V

A1 Y1

K2 A2

Entrada y tratamiento de señales

41

Electroneumática

02

Resumen La energía eléctrica es introducida y cursada en los circuitos eléctricos por diversos componentes, los cuales se clasifican en 3 grandes grupos: elementos para la introducción de señales, elementos para el tratamiento de señales y elementos de salida (actuadores). Los elementos de entrada tienen por objeto proporcionar al sistema una serie de señales eléctricas para su posterior análisis. Pueden ser aportadas con carácter manual o automático. Estas señales son analizadas en los elementos de tratamiento. En función de las señales recibidas los elementos de tratamiento “deciden” la acción a realizar. Las acciones son ejecutadas por los llamados elementos para la salida, más conocidos como receptores o actuadores eléctricos. Los tipos de contactos que encontramos en los circuitos electroneumáticos son los denominados N.A. (normalmente abiertos), N.C. (normalmente cerrados) y conmutados. Los elementos para la introducción de señales se accionan mecánicamente (pulsadores, finales de carrera, etc.) o bien por proximidad (detectores magnéticos tipo Reed, inductivos, etc.). El elemento base para el tratamiento de las señales es el relé. Existen diversos tipos de construcción, pero todos ellos trabajan bajo el mismo principio de funcionamiento. Existen una serie de accionamientos básicos con relés que deberemos conocer. Estos no son propios de la técnica electroneumática sino más bien generalistas (automatismos eléctricos en general, con aplicaciones obvias a la electroneumática).

Entrada y tratamiento de señales

43

03

Electroneumática

Técnicas de diseño I

Electroneumática

03

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 3.1. Diseño de circuitos electroneumáticos ....................................................... 5 3.1.1. Conceptos lógicos ............................................................................... 6 3.1.2. Tipos de circuito electroneumático ....................................................... 9 3.2. Lógica. Implementación eléctrica........................................................... 10 3.2.1. Función SI ......................................................................................... 10 3.2.2. Función NO ....................................................................................... 12 3.2.3. Función lógica AND ........................................................................... 13 3.2.4. Función lógica OR ............................................................................. 13 3.2.5. Funciones lógicas NAND y NOR........................................................ 14 3.3. Álgebra de Boole ..................................................................................... 15 3.3.1. Propiedades del álgebra de Boole ..................................................... 15 3.3.2. Teorema de Morgan .......................................................................... 18 3.4. Circuitos básicos ..................................................................................... 20 3.4.1. Mando de un cilindro.......................................................................... 20 3.4.2. Circuitos de alimentación ................................................................... 27 3.4.3. Mando automático / manual ............................................................... 30 3.4.4. Temporizadores ................................................................................. 31 3.4.5. Circuitos secuenciales ....................................................................... 34 RESUMEN......................................................................................................... 41

Técnicas de diseño I

1

Electroneumática

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Objetivos Conocer los principios básicos de diseño de aplicaciones electroneumáticas sencillas donde no se presentan problemas de doble señal (bien sea eléctrica en caso de mandos directos o neumática en el de los indirectos). Conocer los elementos integrantes de dichas aplicaciones (en otras palabras y partiendo de la base: emisores, tratamiento y potencia de la aplicación). Conocer los principios lógicos básicos de diseño de aplicaciones electroneumáticas complejas donde aparecen problemas de doble señal. Para su resolución se analizaran métodos de resolución como las redes de Petrin (en aplicación para resolución electroneumática). Conocer los principios de álgebra de Boole (tratamiento lógico de la información) en aplicaciones electroneumáticas. Este aspecto, aunque muy básico resultará de gran ayuda para la resolución de las secuencias planteadas. Conocer la representación de circuitos electroneumáticos básicos y complejos desde su planteamiento y resolución hasta su representación.

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Formación Abierta

Introducción Una de las principales tareas de la función de mantenimiento será la reparación de los dispositivos neumáticos y / o electroneumáticos de la planta e incluso el diseño e implementación de nuevas automatizaciones (desde las más básicas hasta las más complejas). Por este motivo, desde este apartado trataremos de dar las bases de diseño (compresión de las reglas básicas del funcionamiento se este tipo de aplicaciones), y en consecuencia capacitar para el desarrollo de tareas descritas. Partiremos de ejemplos de resolución de aplicaciones sencillas hasta llegar a desarrollos un tanto más complejos pero que trataran de ceñirse al máximo a los típicos problemas que plantea la automatización electroneumática. Para ello se analizaran las diferentes funciones lógicas (implementación a nivel eléctrico) y su aplicación sobre los automatismo convencionales. Otros aspectos, como por ejemplo el desarrollo de circuitos de carácter secuencial que no presenten problemas de doble señal (bloqueos), también serán analizados.

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Electroneumática

03

3.1. Diseño de circuitos electroneumáticos La técnica para el desarrollo de circuitos (o aplicaciones) electroneumáticas constituye uno de los ejemplos más representativos del tratamiento lógico de la información ya que por lo general nos encontramos ante componentes de carácter puramente binario (como podemos recordar de asignaturas como Neumática, donde las válvulas conmutaban o no conmutaban (1/0) o donde los cilindros avanzaban o retornaban (1/0), etc...). En otras asignaturas, como por ejemplo Electricidad se han abordado partes como el Automatismo Eléctrico donde los componentes analizados (contactores, relés, contactos eléctricos, etc...) también presentaban un estado puramente lógico (1/0 –activado / no activado...). De hecho, la técnica electroneumática no deja de ser más que una técnica híbrida donde se une la neumática, el automatismo eléctrico y la electrónica (cada parte en su proporción correspondiente). De este modo, la neumática aporta la potencia del sistema, el automatismo eléctrico la técnica de mando y la electrónica la técnica de diseño.

La electroneumática se puede considerar una técnica híbrida donde se conjugan la neumática, el automatismo eléctrico y la electrónica.

Con referencia a los métodos de diseño de circuitos electroneumáticos que se utilizan para la resolución de problemas de automatismo, cabe destacar que existen muchos pero muy pocos son capaces de ofrecer una alta fiabilidad al tiempo que su aprendizaje y utilización resulte sencilla. Entre estos métodos cabe destacar algunos como el de “pregunta – respuesta”, los sistemas Grafcet, aplicaciones cascada, paso a paso, mapas o tablas de Karnaugh, teoría de grafos, etc. No obstante, y a excepción de los métodos basados en teoría de grafos y Grafcet (que desarrollaremos más ampliamente), el resto se caracteriza por una excesiva complejidad, o bien por una insuficiencia en la solución aportada. Antes de comenzar el estudio de estos módulos, es conveniente que veamos algunos conceptos importantes para la resolución de este tipo de circuitos, como son los denominados principios lógicos. La importancia de estos conceptos lógico-binarios es evidente, ya que la técnica neumática y electroneumática se basa en los estados binarios 1 ó 0.

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Ejemplos claros los encontramos en los actuadores (posición máxima o mínima), finales de carrera (activados / no activados), etc. Hay que tener en cuenta que estos conceptos son generales, ya que ciertas técnicas neumáticas trabajan mediante el concepto de señal analógica (como es el caso de la neumática proporcional) o los actuadores, capaces de conseguir posicionamientos intermedios mediante un circuito de mando y válvulas de control adecuados.

3.1.1.

Conceptos lógicos

Los conceptos lógicos explicados en este módulo, nos van a ser imprescindibles a la hora de realizar los circuitos de mando electroneumáticos de complejidad relativamente elevada. Su principal aplicación se centra en la elaboración y simplificación de las ecuaciones electroneumáticas elaboradas mediante métodos tales como mapas de Karnaugh y teoría de grafos. En primer lugar, definamos el concepto de mando sobre un sistema. Mandar, mando (según DIN 19 226) Mandar o controlar es aquel suceso que se produce en un sistema, en el cual influyen uno o varios parámetros de entrada, que a su vez influirán para obtener otros parámetros considerados de salida, en virtud de las leyes propias del sistema. S1 e1

Sistema de mando

e2 Digital / Analógico

e3

Figura 3.1.

S2

Diagrama de sistema.

Dentro de los circuitos de mando definidos como "fundamentales", podemos encontrar señales de entrada / salida de dos tipos:



Señales analógicas En los sistemas analógicos la información puede adquirir infinitos valores continuos y diferentes en un intervalo dado. Se puede afirmar que prácticamente todo es analógico; como ejemplo podemos encontrar distintos valores para algunas magnitudes tales como temperatura, velocidad, presión, intensidad, voltaje, etc.

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03

x3

x1 x2

t1

Figura 3.2.

t2

t2

tiempo

Señal de tipo analógico.

Este tipo de señales es tratado habitualmente en aplicaciones proporcionales. Ejemplos los podemos encontrar en el control de una variable de salida (por ejemplo caudal) que mediante una respuesta analógica gobierna de modo variable la electroválvula de paso de dicho caudal.

Así pues, las señales analógicas pueden variar de una forma gradual o progresiva sobre un intervalo dado de valores. Estas señales pueden adquirir distintos valores de magnitud, tratada dependiendo del instante de tiempo en el cual se produce la comprobación o análisis. Para el gráfico anterior podemos crear una tabla tal que:



Instante de tiempo t 1

Valor V, Y, P… x 1

Instante de tiempo t 2

Valor V, Y, P… x 2

Instante de tiempo t 3

Valor V, Y, P… x 3

Señales digitales. Son aquéllas cuyo valor puede oscilar en función del tiempo, adquiriendo valores previamente definidos. Si sólo existe la posibilidad de adquirir dos valores definidos (1 ó 0), estaremos hablando de señales binarias. Estos valores también son conocidos como alto o bajo, ON / OFF, conectado / desconectado, etc. En definitiva, un sistema binario sólo acepta dos valores, tal y como su propio nombre indica, los cuales han sido definidos previamente por el usuario. Generalmente estos valores corresponden al análisis de la presencia o no presencia de señal.

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Veamos los gráficos representativos de estos tipos de señales: x4 x3 x2 x1 x0 t1

t2

t3

Figura 3.3.

t4

t4

tiempo

Señal de tipo digital.

x1

x0 t1

t2

Figura 3.4.

t3

t4

tiempo

Señal de tipo binario.

Tal y como podemos observar en la figura anterior (gráfico de señales binarias), el valor alto (x 1) o bajo (x 0), puede hacer referencia a distintas magnitudes como presión, intensidad, voltaje, etc. Un ejemplo claro lo encontramos en un final de carrera neumático de tres vías y dos posiciones, de tipo normalmente cerrado. Si el final de carrera no está activado, no emitirá aire comprimido en su salida, luego nos encontraremos en un estado 0, bajo, etc. En el momento en que el final de carrera se active mecánicamente, éste pasará a emitir aire comprimido, entendiéndose que la señal emitida es un nivel alto ó 1. Como podemos observar, los únicos dos valores obtenidos en la salida de la válvula son la emisión o no emisión de aire comprimido. En caso de obtener salida, ésta se realiza a un nivel constante de presión (definida por el propio valor de alimentación a la válvula).

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3.1.2.

03

Tipos de circuito electroneumático

Dentro de los sistemas digitales podemos diferenciar claramente los conceptos de circuito "combinacional" y circuito "secuencial". Sistemas combinacionales Son aquellos en los que el valor de salida que proporciona el sistema depende exclusivamente del valor de las entradas en ese instante de tiempo. No son del todo frecuentes dentro de las aplicaciones electroneumáticas. Sistemas secuenciales Son aquellos en los que el valor de salida que proporciona el sistema depende de las entradas en ese mismo instante y en anteriores. Estos sistemas han de estar dotados de elementos capaces de memorizar los estados anteriores.

El principal campo de aplicación de la electroneumática se centra en los circuitos de carácter secuencial. No obstante, algunos de ellos pueden incluir partes que podrán ser definidas como combinacionales.

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3.2. Lógica. Implementación eléctrica En la asignatura de Neumática, se analizaron las diferentes funciones lógicas y su implementación neumática (mediante válvulas selectotas, de simultaneidad, etc). Todas estas funciones siguen siendo vitales dentro de la aplicación electroneumática pero ahora conseguida mediante mando eléctrico. Analizaremos las principales diferencias (y similitudes entre ambas técnicas) mediante varios ejemplos. Nos centraremos inicialmente en funciones básicas como las SI, NO, AND y OR para pasar posteriormente a funciones complejas como las NAND, NOR... y sus particularidades a nivel eléctrico.

3.2.1.

Función SI

Una función lógica SI a nivel neumático o eléctrico es entendida como una función de amplificación. Por tanto, una señal de entrada X debilitada en presión o tensión por efecto del sistema o bien por su naturaleza puede ser convertida en una señal de alto nivel a través de esta función. Este tipo de funciones lógicas presenta una tabla de verdad que si recordamos de las aplicaciones neumáticas corresponde a...

Función lógica

Ecuación Booleana

Función lógica SI (Amplificación)

A=x

x

A

0

0

Símbolo DIN 40700 x 1

1

A

1

Figura 3.5.

Tabla de verdad. Función lógica SI.

A nivel eléctrico, la propia función y por supuesto su tabla de verdad y ecuación Booleana no varían siendo tan sólo su implementación diferente. Se precisa habitualmente de un relé para la consecución de la función, siendo este de activación a baja tensión (por ejemplo 24 V) para proporcionar una salida de nivel superior (por ejemplo 220V). Emplea para ello un contacto de tipo abierto.

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Electroneumática

03

Gráficamente, el sistema corresponde a...

x +24 V 0V Y1

K1

L1

Figura 3.6.

N

Representación del montaje (función SI).

+ 24 V

220 V

K1

x

K1 0V

N

Figura 3.7.

Y1

Esquema eléctrico (función SI).

En los esquemas anteriores puede apreciarse con claridad el efecto descrito. Al activar sobre un elemento de mando “x”, se activa un relé (activación por ejemplo de 24 VDC). Su contacto eléctrico NA proporciona la activación sobre una electroválvula a 220 VAC y por tanto se entiende que ha existido una amplificación (1 – 1, 0 – 0). Esta función puede parecer poco representativa pero es sumamente importante ya que permite el trabajo con mandos de seguridad y al mismo tiempo disponer de potencias representativas (como muestra el ejemplo).

Una función lógica SI es implementada a nivel eléctrico mediante un relé y el empleo de uno de sus contactos abiertos. Puede parecer poco representativa pero es una de las funciones más empleadas (aunque sea indirectamente).

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3.2.2.

Función NO

Las funciones lógicas NO corresponden a la inversión de un valor (de 1 a 0 ó de 0 a 1). Puede ser conseguida mediante diferentes accionamientos (por ejemplo en neumática mediante inversores o válvulas 3/2 abiertas o cerradas según emisor). A nivel eléctrico, la implementación resulta del trabajo con un contacto de relé inverso al accionador.

Función lógica

Ecuación Booleana

Función lógica NO (Negociación)

A=x

x

A

0

1

1

0

Símbolo DIN 40700 x 1

Figura 3.8.

A

Tabla de verdad. Función lógica NO.

La aplicación de este tipo de funciones es frecuente y sencilla (por ejemplo la inversión de un contacto abierto de detector magnético si para el accionamiento se precisa de un cerrado). Gráficamente...

x + 24 V 0V Y1

K1

L1

Figura 3.9.

N

Representación del montaje (función NO).

En la figura puede apreciarse como cuando no se dispone de entrada (x = 0), el contacto trabajado a modo de inversor proporciona salida (1). Evidentemente si se produce el accionamiento de la entrada x (x = 1), el relé se activará e invertirá su contacto, entendiéndose un 0 a la salida. Puede comprobarse que este comportamiento cumple fielmente la tabla de verdad descrita para la función lógica NO (inversión).

12

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Electroneumática

3.2.3.

03

Función lógica AND

Las funciones lógicas AND corresponden al aporte de señal de salida cuando se cumplen todas las entradas. Aplicaciones típicas pueden ser accionamientos de cilindro cuando se cumple señal de arranque y posicionado del sistema. La falta de alguna implicará la no acción.

x + 24 V y

0V

A nivel neumático son implementadas mediante serie de componentes, válvulas AND o válvulas 3/2 NC. Eléctricamente son implementadas mediante montajes serie de contactos eléctricos (equivalencia neumática).

K1

Figura 3.10. Representación del montaje (función AND).

En cuanto a tabla de verdad tenemos...

Función lógica

Ecuación Booleana

Función lógica AND (Producto)

A=x·y

x

y

A

0

0

0

0

1

0

Símbolo DIN 40700

x & 1

0

0

1

1

1

A

y

Figura 3.11. Tabla de verdad. Función lógica AND.

3.2.4.

Función lógica OR

Las funciones lógicas OR corresponden al aporte de señal de salida cuando se cumple cualquiera de las entradas. Aplicaciones típicas pueden ser accionamientos de cilindro cuando se cumple cualquiera de las señales de arranque (pulsador o palanca o pedal o...).

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La falta de todas las señales de entrada, implicará la no acción.

x + 24 V

A nivel neumático son implementadas mediante serie de componentes, válvulas OR o válvulas 3/2 NA. Eléctricamente son implementadas mediante montaje paralelo de contactos eléctricos (no equivalencia neumática).

0V K1

En cuanto a tabla de verdad tenemos...

Función lógica

Ecuación Booleana

Función lógica OR (Suma)

A=x+y

x

y

A

0

0

0

0

1

1

Símbolo DIN 40700

x 1

0

1

1

1

1

y

A

>1

Figura 3.12. Tabla de verdad. Función lógica OR.

3.2.5.

Funciones lógicas NAND y NOR.

Para la implementación física de funciones lógicas NAND y NOR (a nivel de contacto), han de ejecutarse transformaciones según axiomas de Morgan. Son explicados a continuación pero como representación física...

x

x

y y

Figura 3.13. Función NAND.

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Figura 3.14. Función NOR.

y

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03

3.3. Álgebra de Boole Hasta ahora hemos analizado la respuesta de las puertas lógicas en función de las variables de entrada. Éstas podían adquirir valores 1 ó 0, dependiendo de si se encontraban activas o no. La respuesta venía expresada en forma de producto, suma y los correspondientes valores negados. Todo esto sucede al aplicar unas teorías matemáticas basadas en un álgebra distinta de la habitual, conocida como álgebra de Boole. Este tipo de álgebra nace en 1854, cuando el matemático George Boole publica sus investigaciones sobre las leyes del pensamiento, basadas en teorías matemáticas lógicas y de probabilidad.

Así pues, el álgebra de Boole puede definirse como: Conjunto de reglas matemáticas desarrolladas con objeto de obtener unas conclusiones lógicas (ecuaciones), a partir de condiciones o proposiciones algebraicas. Éstas pueden convertirse a símbolos lógicos y más tarde implementarse mediante puertas de diversa tecnología.

Estos trabajos fueron posteriormente desarrollados por Augustus de Morgan, quien formuló unos de los teoremas de lógica simbólica de mayor aplicación dentro de los circuitos de electrónica digital y electroneumática.

3.3.1.

Propiedades del álgebra de Boole

En definitiva, las operaciones desarrolladas por el álgebra de Boole son la suma y producto lógico, así como la complementación. Veremos ahora las propiedades que cumplen dichas operaciones. Propiedad conmutativa La suma y producto lógico cumplen la propiedad conmutativa, o lo que es lo mismo, el orden en que las variables se suman o multiplican no alterara el resultado final (salida de función). En cuanto a la suma... A+B=B+A En cuanto al producto... A·B=B·A

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Propiedad distributiva Para el álgebra de Boole la propiedad distributiva se cumple tanto en el caso del producto con respecto a la suma, como de la suma con respecto al producto. Así tenemos: A·(B+C)=A·B+A·C

A+(B·C)=(A+B)·(A+C) Propiedad asociativa La propiedad asociativa para el álgebra de Boole se cumple tanto en la suma como en el producto. Esta propiedad nos indica que las variables pueden agruparse tal y como nosotros queramos, siempre y cuando cumplan el mismo operador lógico. A+(B+C)=(A+B)+C

A·(B·C)=(A·B)·C En el álgebra de Boole, aparte de las propiedades, existen una serie de leyes que también deben conocerse. Éstas se detallan a continuación. Ley de identidad En el álgebra de Boole existen una serie de elementos neutros, es decir, elementos que dependiendo de la operación donde sean utilizados no afectaran al resultado final y por ello son simplificables.



Para la función producto, el elemento neutro es el 1.



Para la función suma, el elemento neutro es el 0.

Esto es demostrable ya que: A+0=A

A·1=A

16

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Electroneumática

03

De la misma manera con la Ley de acotación podemos afirmar que: A+1=1

A·0=0 Las diferencias principales del álgebra de Boole con respecto al álgebra ordinaria la encontramos en la operación lógica con la misma variable. Si en álgebra ordinaria multiplicamos un valor A por sí mismo, obtendríamos un valor A2, mientras que si esta variable es sumada a sí misma obtendríamos 2 · A. Esto no sucederá con el álgebra de Boole, ya que estas operaciones serían consideradas como redundantes y por ello simplificables. Lo podemos apreciar a continuación: Álgebra Ordinaria

Álgebra de Boole

A · A = A²

A·A=A

A+A=2·A

A+A=A

Ley de complementación Conocido es que una variable puede encontrase en dos estados, y que, mediante la aplicación de inversores, podemos obtener los valores complementarios. Es por ello por lo que: A+ A =1

A · A= 0 Y como ya es conocido por nosotros… A= A

Se detallan a continuación dos teoremas que nos pueden resultar de gran utilidad a la hora de simplificar ecuaciones electroneumáticas. En las siguientes páginas verá como su aplicación dentro de este tipo de ciclos es bastante usual.

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Teorema 1 (Ley de la Absorción) La ley de Absorción se basa en la aplicación de teorías de simplificación por medio de factor común. Se enuncia enunciada como: A+A·B=A Se muestra el proceso de simplificación: Partimos de una expresión A + A · B; desarrollando obtendremos A ( 1 + B ). Conocido es que una variable + 1 es igual a 1, luego: A · (1), que, operando, resulta A. Teorema 2 De gran aplicación dentro de la técnica electroneumática. Se enuncia como: A· B +A·B=A Todo esto es demostrable, tal y como muestra el desarrollo: A· B +A·B Sacando factor común a la variable A tenemos: A · ( B + B), lo cual es como A · (1) = A

3.3.2.

Teorema de Morgan

Este teorema es muy importante debido a que permite transformar funciones de suma en productos, y viceversa. También es conocido como Ley de la Equivalencia. En aplicaciones electroneumáticas su utilización nos permitirá realizar transformaciones de ecuaciones para elementos biestables, en ecuaciones para elementos monoestables (este punto será desarrollado en las siguientes páginas). Teorema. La inversa de una suma lógica es igual al producto lógico de las inversas de los sumandos. A

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B

A B

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03

Teorema. La inversa de un producto lógico es igual a la suma lógica de las inversas de los factores. A B

A B

Estos dos teoremas pueden ser fácilmente demostrados por comparación de los resultados obtenidos en una tabla de verdad de 2 entradas, analizando diversas funciones: A

B

A+B

A·B

A B

A B

A B

A B

0

0

0

0

1

1

1

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

Igualdad Igualdad

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Formación Abierta

3.4. Circuitos básicos Conocidos los métodos de implementación de las diferentes funciones lógicas (a nivel eléctrico) y el álgebra de Boole (necesario para el planteamiento y simplificación de las ecuaciones de mando), analizaremos los circuitos electroneumáticos básicos, los cuales nos enseñaran desde un simple control de actuador gobernado por pulsadores hasta los sistemas secuenciales básicos (sin problemas de doble señal).

3.4.1.

Mando de un cilindro

Comenzaremos con un control de actuador de doble efecto en base a una pareja de pulsadores. S1 tendrá función de avance mientras que S2 tendrá función de retorno. El control de potencia queda reservado a:



Opción 1: control mediante 5/2 de carácter biestable.



Opción 2: control mediante 5/2 de carácter monoestable.

Potencia: 5/2 biestable Este quizá represente el mando más sencillo que podemos encontrar ya que quedan definidas todas las condiciones (S1 tendrá función de avance mientras que S2 tendrá función de retorno, entendiendo ataques a las bobinas Y1 e Y2 receptivamente). El circuito de control resultará... +24V 1.0 (A)

1.1

S1

S2

Y1

Y2

2

4

Y1

Y2 5

3 1 0V

Figura 3.15. Mando de un doble efecto (biestable).

20

Técnicas de diseño I

Electroneumática

03

Como puede observarse, este quizá sea el mando más sencillo a nivel electroneumático que podemos encontrar. Analicemos alguna modificación... Se desea ahora un ciclo un tanto más automatizado (avance S1 y retorno automático a mínima posición). Para la detección de la posición emplearemos un detector electromecánico. El circuito sufrirá tan sólo la modificación en cuanto a método de accionamiento para el retorno (sustitución de S2 por una señal captada por rodillo a1). +24V

1.0 (A) A1

S1

1.1

4

A1

2

Y1

Y2 3

5 1

Y1

Y2

0V

Figura 3.16. Mando de un doble efecto (retorno automático).

En el circuito pueden presentarse algunos problemas característicos de la neumática como por ejemplo el bloqueo (doble señal) que se dará si no liberamos S1 o bien se trata de enclavamiento. Un incorporación en serie del contacto a0 será suficiente para evitar el problema. La nueva ecuación de mando queda definida por A+ = “M” · a0

Técnicas de diseño I

21

Formación Abierta

+24V

1.0 (A) A0

A1

S1

A1

A0 1.1

2

4

Y2

Y1 5

3

Y1

Y2

0V 1

Figura 3.17. Mando de un doble efecto (finales de carrera a0 y a1).

La utilización de los finales de carrera a0 y a1 evita la aparición de un bloqueo o doble señal aún cuando S1 es permanente. Todo ello es debido a la imposibilidad de tener detección sobre ambas finales de carrera en un mismo instante de tiempo (presuponiendo buen funcionamiento de circuito).

Si este mismo ciclo se pretende desarrollar con detectores magnéticos de posición, estos serán asociados a relés de protección (cargas controladas). Estos relés (como ya se ha comentado en unidades anteriores), cumplen diversas funciones como son inversión de contactos, multiplicación de contactos, etc. El esquema resultante será... +24V

1.0 (A) A0

A1

S1 A0

K2

A1

K1 1.1

4

2

Y1

Y2 3

5

K1 1

K2

Y1

0V

Figura 3.18. Mando de un doble efecto (detectores magnéticos a0 y a1).

22

Técnicas de diseño I

Y2

Electroneumática

03

En algunas ocasiones, la tensión de mando y potencia no coincidirá y por ello buscaremos una función de cambio de tensión a través de nuevos relés. Hoy por hoy no es del todo frecuente al ser común el mando y potencia mediante 24 VDC. No obstante, si fuese necesario se debería de disponer de relés K3 (función reservada para avance) y K4 (función reservada para retorno). Las ecuaciones corresponderán a... A+ = “M” · a0 = a1

“S1” · k1 y donde k1 = Y1.

k2 y donde k2 = Y2.

Potencia: 5/2 monoestable Realizaremos en este apartado los mismos ejemplos en cuanto a secuencia (A + y A -) pero en este caso mediante un control 5/2 de carácter monoestable. En la bobina Y1 se encuentran ambas funciones (avance con bobina activada y retorno con bobina desactivada).

El empleo de válvulas de carácter monoestable, suele asociarse a la necesidad de emplear un nuevo relé que tendrá funciones de realimentación. Existen casos donde esta no es necesaria (pérdida del movimiento por pérdida de señales) o circuitos un tanto más avanzados que trabajen con memorias.

Partiendo de un simple accionamiento por pulsadores S1 y S2 el circuito resultante corresponderá a... +24V

1.0 (A)

S1

1.1

4

2

K1

S2

Y1 3

5 1

K1

Y1

0V

Figura 3.19. Mando de un doble efecto (monoestable).

Técnicas de diseño I

23

Formación Abierta

Como puede observarse el mando precisa de un relé para funciones de realimentación. S1 conecta el relé K1 y este mediante su contacto se realimenta forzando el enclavamiento (activación de la bobina Y1). El corte de realimentación (y por tanto función de retorno debido a la recuperación de válvula), queda reservado a S2 que corresponde a un contacto cerrado. Si se precisa de un control semiautomático (retorno por a1)... +24V

1.0 (A) A1

S1

1.1

4

K1

2

Y1

A1 3

5 1

K1

Y1

0V

Figura 3.20. Mando de un doble efecto (monoestable). Retorno a1.

Si se precisa de un control automático (finales de carrera a0 y a1)... +24V

1.0 (A) A0

A1 S1

K1

A0

1.1

4

2

A1

Y1 K1

3

5

Y1

0V

1

Figura 3.21. Mando de un doble efecto monoestable (finales de carrera a0 y a1).

24

Técnicas de diseño I

Electroneumática

03

De nuevo puede apreciarse la incompatibilidad en cuanto a presencia de a0 y a1 bajo buenas condiciones de funcionamiento (evitándose de este modo bloqueos por doble señal). En cuanto a la implementación en base a detectores magnéticos, la diferencia la encontraremos en los relés asignados a los mismos (K1 y K2) más el tercer relé con función de enclavamiento (K3). +24V

1.0 (A) A0

A1 A0

A1

S1

K3

K1

1.1

4

2

K2

Y1 K1

3

5

K2

K3

Y1

0V

1

Figura 3.22. Mando de un doble efecto monoestable (detectores magnéticos a0 y a1).

Es importante conocer los controles base para válvulas tanto monoestables como biestables. Esto es debido a que en la técnica electroneumática, a diferencia de la neumática ambos controles son extremadamente frecuentes. Nota: En neumática se emplean preferentemente válvulas biestables ya que las “realimentaciones neumáticas” son poco económicas (empleo de funciones OR – “selectoras de circuito”). Mientras, a nivel eléctrico una realimentación tan apenas supone incremento de coste.

Con independencia de los circuitos que traten de desarrollarse, los detectores empleados pueden ser de diferente naturaleza. De este modo se han desarrollado circuitos con detectores electromecánicos y magnéticos de 2 hilos. Otros detectores pueden ser empleados para el desarrollo de la aplicación (aún siendo menos comunes). En el siguiente ejemplo se desarrolla una aplicación mediante el empleo de detectores de carácter inductivo.

Técnicas de diseño I

25

Formación Abierta

+24V

1.0 (A) A0

A1 S1

K3

K1

1.1

4

K2

2 A0

A1

Y1

K1

3

5

K2

K3

Y1

0V

1

Figura 3.23. Mando de un doble efecto monoestable (detectores inductivos a0 y a1).

Potencia: 5/3 Las válvulas distribuidoras también pueden disponer de 3 posiciones de trabajo. Si concretamente se tratan de electroválvulas, lo más común es que se traten de accionamientos monoestables donde ante la activación de una de las bobinas, se consigue la distribución hacia A o B (venciendo la acción de los resortes opuestos). Si la activación de las bobinas cesa, la válvula recuperará su única posición estable (neutra o posición cero). Se trata por tanto de válvulas donde, aunque con dos bobinas de accionamiento, se comportan de un modo monoestable (estableciéndose por tanto mandos acordes). +24V

1.0 (A)

S1

1.1

2

4

Y1

K1

S3

S2

S3

Y2 5

K1

3 1

Y1

K2

0V

Figura 3.24. Mando mediante 3 posiciones (A y B presurizados).

26

K2

Técnicas de diseño I

Y2

Electroneumática

03

Imaginemos que ha de conseguirse un accionamiento de un cilindro sin vástago mediante pulsadores S1 y S2 (avance / retorno respectivamente). Se pretende que el cilindro pueda posicionar de modo intermedio, y para ello se ha dispuesto un pulsador S3 (corte de activación en avance o retorno indistintamente).

La gama de electroválvulas neumáticas de 3 posiciones se limita principalmente a centros cerrados, abiertos y de corte a la alimentación y presurización de aplicaciones.

A

R P

B

A

S

R

B

A

S

R

P

B

S P

Figura 3.25. Gama de electroválvulas de 3 posiciones.

Con independencia del tipo de centro empleado los mandos eléctricos no suelen sufrir variaciones.

3.4.2.

Circuitos de alimentación

En las aplicaciones electroneumáticas es frecuente emplear sistemas de alimentación al mando. Estos circuitos están constituidos por un relé de activación manual (frecuentemente) que establecerá la alimentación o corte del sistema de mando. Con ello se consigue que en los periodos de inactividad de máquina, todo el sistema de mando se encuentre sin tensión; ello implica que deberán de disponerse dos pulsadores: SET que forzará la alimentación del circuito de mando y con ello la posibilidad de trabajo y RESET, que ejecutará el corte para la misma. Pueden ser establecidas prioridades de SET o RESET.

Técnicas de diseño I

27

Formación Abierta

+ 24 V

K0

SET

S1

K3

K1 RESET K2 A0 K0

A1 K1

K2

K3

Y1

0V

Figura 3.26. Sistema de alimentación de mando por relé.

En el sistema mostrado, el mando tan solo se encontrará alimentado cuando se tenga presencia (activación) del relé K0. De este modo por mucho que se active sobre los controles manuales (arranque mediante S1), el sistema no se encontrará operativo. Se requiere una activación previa de K0 (activación de pulsador de SET). Suele disponerse de un par de señalizaciones de estado (ver contacto conmutado de K0), donde se indica la tensión o no tensión del sistema de mando.

Si durante el ciclo se produce una caída de tensión, se desconectará el relé K0, con lo cual se imposibilita la continuidad de la secuencia (aun con el restablecimiento de tensión). Será necesario rearmar el sistema mediante una nueva activación del pulsador de SET. La potencia (actuadores) responderá ante la caída de tensión de modo acorde al control establecido (electroválvulas de carácter monoestable o biestable).

Se dispone de un control manual correspondiente al corte de tensión (RESET). En este tipo de aplicaciones, puede asignarse prioridad (conexión o desconexión de K0 en caso de simultaneidad sobre los mandos SET y RESET). Las prioridades que pueden establecerse son:

28



SET o prioridad a la conexión.



RESET o prioridad a la desconexión.

Técnicas de diseño I

Electroneumática

03

Prioridad SET Es el caso menos frecuente y corresponde a la conexión preferente del dispositivo en caso de coincidencia de señales SET / RESET. Para el montaje se emplean los mismos componentes con la particularidad de que el RESET suele ser montado en un punto de realimentación (dejando de este modo conexión directa de SET). El esquema corresponde a... + 24 V

SET

K0

S1 RESET

K3

K1

K2 A0 K0

A1 K1

K2

K3

Y1

0V

Figura 3.27. Sistema de alimentación (preferencia al SET).

Prioridad RESET Es el caso más frecuente y corresponde a la desconexión preferente del dispositivo en caso de coincidencia de señales SET / RESET. Para el montaje se emplean los mismos componentes con la particularidad de que el RESET suele ser montado en un punto de previo a la conexión de relé (siendo por tanto el elemento decisorio para la conexión, siendo precisa para la misma la no presencia o activación de pulsador de RESET). El esquema corresponde a...

Técnicas de diseño I

29

Formación Abierta

+ 24 V

K0

SET

S1

K3

K1 RESET K2 A0

A1

K0

K1

K2

K3

Y1

0V

Figura 3.28. Sistema de alimentación (preferencia al RESET).

3.4.3.

Mando automático / manual

En numerosas ocasiones, será interesante disponer de un sistema que permita el funcionamiento máquina según ciclo automático (desarrollo de la secuencia prevista para el automatismo) o bien en manual, donde se deberá tener un control absoluto de cada una de las bobinas (accionamientos planteados). Un ejemplo lo encontramos en la siguiente figura... +24V K1 S1

K1

K1

K2

A0

A1

K4 S4

S2

S3

S3

K3 K2

0V

K1

K2

K3

K4

K2 S5

Y1

S6

Y2

Figura 3.29. Sistema Manual / Automático.

Para el control del ciclo (A+ y A- secuencialmente y gobernado por biestable) se ha propuesto un ciclo donde:

30

Técnicas de diseño I

03

Electroneumática

S1

Pulsador de selección automático. Activación de K1, relé de automático.

S2

Pulsador de paro. Corte de K1, relé de automático.

S3

Interruptor de manual. Corte de automático. Precisa de auxiliares S5 y S6 (movimientos de cilindro).

S4

Pulsador de arranque en modo automático.

S5

Auxiliar de A+, solo con K2.

S6

Auxiliar de A-, solo con K2.

Evidentemente, esta no será la única solución. Por ejemplo pude asignarse la función manual a un relé y asignar prioridades de entrada entre manual y / o automático. También otras posibilidades.

3.4.4.

Temporizadores

Otro de los requisitos comunes que se presentan en los circuitos electroneumáticos es la temporización de alguna de las acciones a desarrollar. Estas funciones quedan reservadas a los temporizadores eléctricos (habitualmente zócalos de relé con temporizador integrado). Al igual que en las aplicaciones neumáticas, encontramos diferentes tipos de temporizadores (respuestas de los mismos), pero son predominantes:



Temporizadores a la conexión.



Temporizadores a la desconexión.

Temporizadores a la conexión En este tipo de temporizadores, al aparecer la señal de lanzamiento se inicia el circuito de temporización, consiguiéndose que transcurrido el tiempo prefijado se realice la conexión del temporizar. Los contactos del mismo serán empleados para la realización de las acciones correspondientes. Se precisa que la señal de lanzamiento sea permanente.

16 A1

16

18

18

A2 15

15

15

El cronograma de este temporizador corresponde a...

Técnicas de diseño I

31

Formación Abierta

Tiempo

A1

18

16

Tiempo

Figura 3.30. Cronograma de un temporizador de retardo a la conexión.

Como ejemplo de comportamiento de este tipo de temporizador, pensemos en un accionamiento cualquiera (aún no siendo electroneumático). Una puerta de garaje es accionada. Cuando esta se encuentre totalmente abierta activará un final de carrera, el cual activa un temporizador de retardo a la conexión. Transcurridos 10 segundos, el temporizador es conectado y su contacto fuerza la bajada de la puerta. Se ha conseguido retardar la aparición de una señal. Nota: debe observarse que durante todo el tiempo ha existido presencia del final de carrera (aporte permanente de señal).

Temporizadores a la desconexión En este tipo de temporizadores, al aparecer la señal de lanzamiento se da automáticamente una respuesta, al tiempo que se inicia el circuito de temporización, consiguiéndose que transcurrido el tiempo prefijado se realice la desconexión del temporizado y se corte la señal de salida.

16 A1

16

18

18

A2 15

15

Al igual que en el temporizador de retardo a la conexión analizado anteriormente, los contactos del mismo serán empleados para la realización de las acciones correspondientes. El cronograma de este temporizador corresponde a...

32

Técnicas de diseño I

15

Electroneumática

Tiempo

03

Tiempo

A1

18

16

Tiempo

Figura 3.31. Cronograma de un temporizador de retardo a la desconexión.

Como ejemplo de comportamiento de este tipo de temporizador, pensemos en un accionamiento cualquiera (aún no siendo electroneumático). Un temporizador de escalera presenta este comportamiento. Al activar sobre el pulsador se fuerza automáticamente la conexión de la lámpara, la cual permanecerá encendida x segundos más desde que se liberó el pulsador.

Por supuesto, los temporizadores son frecuentes en las aplicaciones electroneumáticas. Veamos un ejemplo... Imaginemos un ciclo donde se debe producir el avance de un cilindro al activar un pulsador S1. Este alcanzará máxima posición y queremos que la mantenga durante 5 segundos. Transcurrido este tiempo, se forzará el retorno automático. Emplearemos temporizadores RC (Retardo Conexión).

Técnicas de diseño I

33

Formación Abierta

+24V S1 A0

K2

A1

K1

K1

K2

Y1

Y2

0V

Figura 3.32. Ciclo temporizado. Empleo de retardo a la conexión.

3.4.5.

Circuitos secuenciales

Como es conocido, las aplicaciones neumáticas o electroneumáticas presentan un importante problema consistente en la facilidad de bloqueo (denominado “doble señal”). En caso de que estos se produzcan, deberán emplearse métodos de diseño para su resolución (algo que será abordado en sucesivas unidades). Por tanto, en esta unidad abordaremos los secuenciales sencillos, es decir, aquellos en los que pueden emplearse métodos directos para la resolución.

Las aplicaciones neumáticas o electroneumáticas que no se prestan a bloqueo son aquellas donde el control es realizado por detectores inversos (como por ejemplo control con a0 y a1, o b0 y b1, etc.). Suelen corresponder a accionamientos como... A+ B+ A- BA+ B+ C+ D- A- B- C- D+ Otras…

Comencemos con un secuencial sencillo… A+ B+ A- B- (en biestable). Secuencial 1 Una vez determinada la mecánica de las válvulas a emplear, definiremos las señales precisas para cada accionamiento. Conocido que la secuencia no presenta problemas de doble señal será algo tan sencillo como trabajar con las señales de confirmación de los movimientos anteriores. Tenemos...

34

Técnicas de diseño I

Electroneumática

Movimiento

A+

=

Marcha · b0

Movimiento

B+

=

a1

Movimiento

A-

=

b1

Movimiento

B-

=

a0

03

Definidas las ecuaciones, implementaremos el circuito de modo directo (cada ramal a la activación de su correspondiente bobina). El circuito resultante será (potencia y mando)... 1.0 (A)

2.0 (B)

A0

1.1

A1

B0

4

2

5

3

Y1 0.1

2.1 Y2

B1

4

2

5

3

Y3

Y4

1

1

Figura 3.33. Circuito de potencia de la secuencia 1.

En numerosas ocasiones es conveniente el empleo de contactos que aún no siendo estrictamente necesarios para el accionamiento, mejoran la aplicación. Por ejemplo, en la última línea un contacto de K4 (b1) impide al accionamiento de Y4 en condición de inicio.

+24V S1 A0

A1

B0

K4

K2

K1

B1

K3

K1 0V

K2

K3

K4

Y1

Y2

Y3

Y4

Figura 3.34. Circuito de mando de la secuencia 1.

Técnicas de diseño I

35

Formación Abierta

+24V S1 A0

A1

B0

K4

K2

K1

B1

K4

K3

K1

K2

K3

K4

Y1

Y2

Y3

Y4

0V

Figura 3.35. Circuito de mando de la secuencia 1 (corrección rama Y4).

Secuencial 2 Una vez determinada la mecánica de las válvulas a emplear, definiremos las señales precisas para cada accionamiento. Conocido que la secuencia no presenta problemas de doble señal será algo tan sencillo como trabajar con las señales de confirmación de los movimientos anteriores. Para la secuencia A+ B+ C+ A- B- C-, tenemos... Movimiento

A+

=

Marcha · c0

Movimiento

A-

=

c1

Movimiento

B+

=

a1

Movimiento

B-

=

a0

Movimiento

C+

=

b1

Movimiento

C-

=

b0

Definidas las ecuaciones, implementaremos el circuito de modo directo (cada ramal a la activación de su correspondiente bobina). El circuito resultante será (potencia y mando)... 1.0 (A) A0

1.1

2.0 (B) A1

B1

4

2

5

3

Y1 0.1

2.1 Y2

1

3.0 (C) B0

C1

4

2

5

3

Y3

3.1 Y4

Técnicas de diseño I

4

2

5

3

Y5

1

Figura 3.36. Circuito de potencia de la secuencia 2.

36

C0

Y6 1

Electroneumática

03

+24V S1 A0

A1

B0

B1

C0

K6

K2

K1

K2

K3

K4

K5

K6

Y1

K6

K4

K5

K1

K3

K4

C1

Y2

Y3

Y4

Y6

Y5

0V

Figura 3.37. Circuito de mando de la secuencia 2. +24V S1

K6

K2

K1

K4

K3

K4

K5

Y1

Y2

Y3

Y4

K6

Y5

Y6

0V

Figura 3.38. Circuito de mando (detalle) de la secuencia 2.

Secuencial 3 Trabajaremos la misma secuencia que en el ejemplo 2 (A+ B+ C+ A- B- C-), pero ahora desarrollada en base a accionamientos monoestables. Las ecuaciones de control (antes una para cada bobina), han de ser transformadas a una única ecuación de control. Tenemos... Movimiento

A+

=

Marcha · c0

Movimiento

A-

=

c1

Finalmente...

A±

=

( M · c0 + realimentación ) · c1

Movimiento

B+

=

a1

Movimiento

B-

=

a0

Finalmente...

B±

=

( a1 + realimentación ) · a0

Movimiento

C+

=

b1

Movimiento

C-

=

b0

Finalmente...

C±

=

( b1 + realimentación ) · b0

Técnicas de diseño I

37

Formación Abierta

El circuito resultante será (potencia y mando)... 1.0 (A) A0

2.0 (B) A1

1.1

B0

4

2

5

3

2.1

Y1

3.0 (C) B1

C0

4

2

5

3

3.1

Y2

0.1

C1

4

2

Y3

1

5

1

3 1

Figura 3.39. Circuito de potencia de la secuencia 3.

Para la realización del mando serán precisos tres relés más (uno para cada una de las realimentaciones). Son necesarios ya que se da pérdida de señales de activación en cualquiera de los tres casos. +24V

A0

A1

B0

B1

C0

S1

C1

K7

K2

K8

K4

K9

K5

K6 K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

K1 Y1

K8

K3 Y2

K9

Y3

0V

Figura 3.40. Circuito de mando de la secuencia 3. +24V

S1

K7

K2

K8

K4

K9

K5

K6

K1

K7

Y1

K8

K3

Y2

K9

0V

Figura 3.41. Circuito de mando (detalle) de la secuencia 3.

38

Técnicas de diseño I

Y3

Electroneumática

03

Lo más frecuente en las aplicaciones electroneumáticas es que se combinen mandos monoestables y biestables. Por ello, conocidos los métodos en ambos casos tan solo restará emplear las ecuaciones de modo directo (biestable) o con transformación previa (monoestables).

Técnicas de diseño I

39

Electroneumática

03

Resumen Las funciones lógicas (SI, NO, AND, OR, etc.), son la base de funcionamiento de muchos sistemas (con independencia de la mecánica empleada para su resolución). Su implementación a nivel eléctrico quizá resulte una de las más sencillas. Para el tratamiento a nivel binario de las señales (algo que encaja a la perfección con las aplicaciones electroneumáticas), el álgebra de Boole es prácticamente imprescindible. En su estudio, encontraremos la base de funcionamiento de numerosos dispositivos (no tan solo los electroneumáticos). Existen dos esquemas base para el control de componentes electroneumáticos: tratamientos en biestable y monoestable. Una vez estudiados comprobaremos que su aplicación es continua sobre los diferentes circuitos (con independencia de su complejidad).

Técnicas de diseño I

41

04

Electroneumática

Técnicas de diseño II

Electroneumática

04

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 4.1. Teoría de grafos; planteamientos básicos............................................... 5 4.2. Grafos de secuencia.................................................................................. 6 4.3. Desarrollo de grafos ................................................................................ 10 4.3.1. La máquina. Descripción ................................................................... 10 4.3.2. Planteamiento de resolución .............................................................. 12 4.3.3. Identificación del problema ................................................................ 15 4.3.4. Extracción de las ecuaciones............................................................. 17 4.3.5. Implementación ................................................................................. 20 4.4. Ejemplos de aplicación ........................................................................... 23 4.4.1. Ejemplo 1........................................................................................... 23 4.4.2. Ejemplo 2........................................................................................... 28 4.4.3. Ejemplo 3........................................................................................... 35 4.4.4. Ejemplo 4........................................................................................... 40 4.4.5. Ejemplo 5........................................................................................... 43 4.4.6. Ejemplo 6........................................................................................... 46 RESUMEN......................................................................................................... 51

Técnicas de diseño II

1

Electroneumática

04

Objetivos Conocer los problemas que pueden presentarse a la hora de realizar un automatismo secuencial electroneumático (bloqueo de las electroválvulas o en otras palabras, la temida “doble señal”). Conocer las principales herramientas empleadas en la resolución de circuitos de carácter secuencial (en especial el campo de las aplicaciones electroneumática). Para ello se desarrollará con profundidad la denominada teoría de grafos, denominada también teoría binodal o aplicación de redes de Petrin. Conocer en profundidad cada uno de los pasos a ejecutar para la resolución completa de una aplicación electroneumática mediante teoría de grafos. Conceptos de representación, localización del problema, resolución gráfica, extracción de ecuaciones e implementación del circuito. Conocer las grandes diferencias entre el tratamiento de electroválvulas de carácter biestable y monoestable. Una vez conocidas las diferencias, se expondrán las herramientas “automatizadas” para la conversión entre los diferentes tipos. Habituarnos el trabajo mediante resoluciones basadas en teoría de grafos a través del análisis de ejemplos reales de automatismos (desarrollados paso a paso). Cada uno de los mismos, incrementará su complejidad para darnos una visión de las partes comunes y no comunes del método.

Técnicas de diseño II

3

Formación Abierta

Introducción La automatización de procesos mediante técnicas electroneumáticas, nos lleva en la mayoría de los casos a circuitos donde aparecen las temidas “dobles señales”. Estas, se dan en automatizaciones mediante mando neumático y por supuesto también en mando eléctrico, debiendo por tanto adoptar métodos de diseño que nos permitan de una forma rápida, sencilla y eficaz la resolución del circuito. Recordando las aplicaciones neumáticas convencionales, encontrábamos diferentes medios de resolver estas dobles señales (sistemas de resolución cascada, paso a paso, registros neumáticos, etc); evidentemente, a nivel eléctrico también encontraremos métodos que permitan estas resoluciones siendo los “Grafos de Secuencia” uno de los métodos (que no el único), más habituales. Comenzaremos el estudio de la unidad mediante la teoría correspondiente a la generación y tratamiento de estos grafos, para posteriormente desarrollar un elevado número de ejemplos (en todas las variantes de control), para dar una completa visión práctica de cómo resolver e implementar el diseño de una aplicación electroneumática. Por otra parte, se debe indicar que este tipo de resoluciones, corresponde a aplicaciones de automatización de grado bajo / medio, correspondiendo las grandes automatizaciones a resoluciones mediante otras técnicas (por ejemplo Grafcet), las cuales serán abordadas posteriormente. Sin más, comenzamos con la teoría de Grafos...

4

Técnicas de diseño II

Electroneumática

4.1. Teoría de básicos

grafos;

04

planteamientos

Es conocido que en una aplicación neumática o electroneumática, pueden darse resoluciones “sencillas”, es decir, aplicaciones donde el circuito puede resolverse mediante métodos directos al no presentarse problemas de doble señal o bien circuitos donde, al aparecer los citados bloqueos, es preciso el empleo de métodos de resolución. Estos métodos son del todo variados y provienen de diferentes tecnologías (por ejemplo se pueden emplear variaciones de los mapas de Karnaught para resoluciones neumáticas), pero entre todos ellos sobresale el denominado método de Grafos de Secuencia. Este método es propio de resoluciones de circuito de carácter secuencial, donde las aplicaciones electroneumáticas destacan. Por ello, queremos indicar que aunque estudiado en “Electroneumática”, el método tiene aplicaciones en otras técnicas como por ejemplo en la electrónica, el automatismo eléctrico, etc...

La “teoría de grafos” puede considerarse como un método para la resolución de circuitos de carácter secuencial. Por ello, su aplicación sobre circuitos electroneumáticos es directa pero no su única aplicación. Otros circuitos (por ejemplo eléctricos o electrónicos), pueden resolverse mediante este método de forma rápida, sencilla y eficaz (siempre que sean circuitos de carácter secuencial)

Los grafos de secuencia, no dejan de ser más que soluciones gráficas a los problemas de automatismo secuencial que aportaran como resultado final unas ecuaciones lógicas que siguen el denominado “álgebra de Boole” (estudiado en otras asignaturas y unidades didácticas). Una vez obtenida la resolución (a modo de ecuaciones Booleanas), estas se podrán implementar mediante cualquier tecnología (por ejemplo, componente neumático convencional, componente neumático lógico, componentes eléctricos, componentes electrónicos, etc.). De este modo, se confirma que la teoría de grafos es un método de resolución multidisciplinar, donde la técnica escogida para la implementación final es secundaria.

Técnicas de diseño II

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Formación Abierta

4.2. Grafos de secuencia Antes de comenzar un desarrollo de grafo de secuencia, se debe recordar que este corresponde a un método de resolución para aplicaciones que presenten problemas de doble señal. Cuando nos encontremos con las mismas, deberemos de realizar una serie de procesos los cuales nos llevarán a la resolución final lista para implementar con la tecnología más adecuada. Estos procesos corresponden a... 1. Representación gráfica de la secuencia. 2. Identificación de las variables activas en cada confirmación de fase. 3. Identificación de los bloques de señal repetitivos (causantes del bloqueo). 4. Discriminación de los mismos. 5. Extracción de las ecuaciones lógicas (Booleanas) de control. 6. Simplificación de las ecuaciones (si procede). 7. Adaptación de las mismas a las condiciones particulares de trabajo. 8. Implementación (mediante la tecnología más apropiada). Al inicio, puede parecer un sistema laborioso y complejo (por sus múltiples pasos), pero comprobaremos que con un poco de práctica, el sistema resulta todo lo contrario, es decir, sencillo, rápido y eficaz. Antes de iniciar la resolución de alguna secuencia ejemplo, describiremos con un poco más de profundidad cada uno de estos pasos de modo que tengamos una visión global del conjunto... Representación gráfica de la secuencia Este primer paso da el nombre al método de diseño ya que consistirá en una representación gráfica de la secuencia en modo circular, o lo que es lo mismo, representando un grafo secuencial. Este paso es de extrema importancia ya que nos da una visión general del automatismo a tratar y las posibles variantes que se presenten en el accionamiento. No presenta dificultad alguna en su elaboración. Identificación de las variables activas en cada confirmación de fase Una vez representada gráficamente la secuencia que se pretende resolver, deberemos proceder al marcado de todas las variables activas en cada fase de confirmación de movimiento (que no dejan de ser más que marcar los detectores que se encuentran activos en las fases de confirmación). Este proceso puede resultar un tanto laborioso (en función del número de actuadores y en consecuencia de detectores) que conforman la aplicación, pero para nada resulta complicado.

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Electroneumática

04

Se suele aprovechar para marcar lo que se consideran variables directivas, es decir, aquellas que confirman una acción (movimiento) y por tanto son responsables del paso a la siguiente fase. Identificación de los bloques de señal repetitivos (causantes del bloqueo) Este se puede considerar como uno de los pasos más importantes de todo el sistema. Consiste en compara cada uno de los bloques de variables activas en cada fase de confirmación de movimientos (buscando igualdad en los mismos). En caso de aparecer alguna igualdad, se quiere indicar que será obligatoria la introducción al sistema de un dispositivo de memoria capaz de discriminar (o diferenciar) estas repeticiones. No existe otra opción. En caso de no aparecer alguna igualdad, se quiere indicar que el sistema no presenta problemas de bloqueo (lamentablemente esto sucede en muy pocas ocasiones) o bien que la propia combinación lógica de los detectores serán capaces de ejecutar las funciones de discriminación (evitándose de este modo la necesidad de incluir memorias para la resolución).

La no repetición o igualdad de bloques nos indica la no necesidad de incluir memorias para la resolución de la secuencia, pero debe tenerse en cuanta que en ocasiones resultará más sencillo y económico la inclusión de estas (entendiéndolas como una ayuda a la resolución y no una necesidad). Habitualmente, la experiencia nos indica que es lo más adecuado.

Discriminación de las repeticiones La aparición de igualdades (repeticiones de bloques) en un grafo indica la necesidad de la inclusión de memorias para la resolución. Una vez identificados los bloques de igualdad, estos han de ser discriminados (o diferenciados). Este método es puramente gráfico ya que se “trazan” los dominios de cada memoria hasta la completa discriminación. El número de memorias a incluir, depende de la complejidad de la aplicación, pudiendo darse resoluciones con 2, 3 o incluso más memorias.

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Un número de memorias muy importante nos puede llevar a cambios en el planteamiento de resolución (principalmente por motivos económicos). De este modo, para más de 4 ó 5 memorias puede decirse que una resolución de tipo “cableado” (cuadro de relés), deja de ser rentable siendo más apropiado resoluciones “programadas” (empleo de autómatas programables).

El establecimiento de los dominios de cada una de las memorias, puede considerarse quizá, como uno de los pasos más complejos del método. No obstante, un poco de práctica nos demostrará que el proceso suele ser repetitivo y de complejidad limitada. Extracción de las ecuaciones lógicas (Booleanas) de control Una vez establecidos los dominios de las variables (gráficamente), se puede decir que la secuencia está resuelta. Ahora es momento de extraer las ecuaciones Boolenas que describen cada uno de los movimientos. Este proceso también puede ser considerado como mediante complejo y laborioso, aunque de nuevo la experiencia nos demostrará que con un poco de práctica resulta extremadamente sencillo. Simplificación de las ecuaciones (si procede) Una vez definidas las ecuaciones de movimiento, suele resultar interesante la simplificación de las mismas. Este proceso simplificará la implementación del circuito permitiendo montajes claros, sencillos y menos expuestos al fallo o avería. Hay que destacar que la simplificación puede resultar en cierto modo peligrosa, ya que la retirada de un único contacto por mala simplificación puede dar como resultado un comportamiento anómalo de la instalación e incluso su no funcionamiento. Como norma general, es preferible no simplificar ante caso de duda con respecto al funcionamiento final. Adaptación de las mismas a las condiciones particulares de trabajo Este paso resultará de extrema importancia debido a... Las ecuaciones Boolenas de control son dadas por defecto para el control de elementos de carácter biestable mientras que en nuestras aplicaciones aparecerán los controles tanto monoestables como biestables. Por ello, deberemos prestar atención a la mecánica empleada en el circuito de potencia, ejecutando transformaciones de las ecuaciones si procede.

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04

Como norma general... Si la válvula de control empleada en el circuito de potencia es de carácter biestable, no será precisa ninguna transformación (ya que el propio sistema oferta soluciones para este tipo de controles). Si por el contrario, el control empleado es de carácter monoestable (independientemente en 2 ó 3 posiciones), será necesaria la transformación de la ecuación mediante métodos que serán explicados posteriormente.

Una vez obtenidas las ecuaciones finales (con o sin transformación), estamos listos para la implementación física del circuito. Implementación (mediante la tecnología más apropiada) Esta se realizará mediante la tecnología más adecuada. Nosotros nos centraremos en la implementación mediante contactos eléctricos (lógica cableada), pero debe recordarse que podría darse implementación mediante componentes neumáticos (lógicos o convencionales), componentes electrónicos, programación de autómatas programables, etc. Con respecto a esta última implementación (autómatas programables o PLC´s), se debe destacar que un planteamiento inicial mediante grafos de secuencia simplificará de modo importante la programación ya que otros sistemas empleados habitualmente para la programación de los mismos (por ejemplo Grafcet), hace que la resolución requiera de una enorme cantidad de “programación”. Esto podrá comprobarse en posteriores unidades didácticas.

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4.3. Desarrollo de grafos Una vez conocidos los pasos para la elaboración de un grafo de secuencia (y por consiguiente resolución electroneumática), pasaremos al desarrollo de un ejemplo completo y la descripción parcial de cada uno de los pasos. Para ello plantearemos un pequeño accionamiento electroneumático.

4.3.1.

La máquina. Descripción

Se desea realizar el automatismo de control para una pequeña máquina neumática, formada por una pareja de actuadores de doble efecto y carácter lineal (cilindros A y B). El cilindro A es el encargado de la carga de un material mediante un sistema de guiado, actuando al mismo tiempo como retención (efecto de mordaza neumática). Cilindro B Cilindro A B A

Figura 4.1.

Croquis de máquina.

Mientras, el cilindro B es el encargado de realizar una estampación sobre el material introducido por el primer actuador. La secuencia lineal que realizan los cilindros corresponde a... A+ B+ B- ADel mismo modo que en las aplicaciones neumáticas, la representación o indicación de la secuencia a realizar puede venir dada por una expresión cronológica (recién indicada) o bien por medio de diagramas de fases. En este caso corresponde a...

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Cilindro

Finales de carrera

Fases

0

1

2

3

04

4=1

a1 s

A a0 b1 B b0

Figura 4.2.

Diagrama de fases para la secuencia A+ B+ B- A-.

Decidido el accionamiento y la secuencia a ejecutar, se procedería al dimensionado y selección de los actuadores y válvulas. Nosotros, partimos de una pareja de válvulas para el control de 5 vías y 2 posiciones, ambas de carácter biestable. Podríamos definir otras condiciones adicionales como por ejemplo control de velocidades, de presión, etc. En esta primera aplicación preferimos centrarnos en el diseño del circuito de mando, prescindiendo de otros aspectos (como por ejemplo todos los relacionados con la potencia del sistema). En definitiva, tenemos un par de cilindros (A y B), controlados por una pareja de válvula 5 / 2 biestables y la detección de las posiciones de cilindro son ejecutadas a través de detectores magnéticos de posición (colocados sobre la camisa del cilindro). El circuito de potencia queda definido como... A0

A1

B0

A

B

4

2

5

3

Y1 0.1

Y2 1

Figura 4.3.

B1

4

2

5

3

Y3

Y4 1

Circuito de potencia.

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4.3.2.

Planteamiento de resolución

Una vez conocidas las características del circuito de potencia, nos encontramos en disposición de comenzar la resolución. Para ello (y recordando el resumen de resolución), deberemos plantear el grafo de secuencia. Este corresponde a... B+

A+

B-

A-

Figura 4.4.

Grafo de secuencia base.

Una vez desarrollado el grafo (en este primer ejemplo muy limitado), estamos en disposición de pasar a un segundo paso correspondiente a la identificación de variables activas en cada una de las fases de confirmación. Aquí aprovecharemos para marcar las variables directivas de cada fase. Habitualmente, en cada fase encontramos tantas variables como actuadores.

Las variables directivas son aquellas cuyo cambio provoca que el sistema pase de un estado de acción no transitorio al siguiente. En otras palabras, son las señales que confirman los movimientos de cada ciclo y que empleamos para iniciar el siguiente. Las variables directivas siempre son incluidas en la ecuación Booleana que define la fase de trabajo que estas lanzan.

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04

a1 b0 B+ a1 b1 “M”

A+

B-

a0 b0 Aa1 b0

Figura 4.5.

Identificación de las variables activas por cada fase de trabajo.

Como puede observarse tenemos... La etapa o fase de inicio de la secuencia será lanzada por la condición genérica de marcha (“M”). Esta puede ser desde lo más sencillo (por ejemplo un pulsador), hasta el bloque lógico más complejo (inclusión de varios elementos implementando funciones AND, OR, NAND, etc.). Por otra parte, en la conclusión de cada fase se identifican cada una de las variables activas. De este modo, comenzando desde el movimiento A+ (en sentido horario), tenemos...



Por medio de la señal de marcha y cumplimiento de condiciones iniciales, el cilindro A está desarrollando avance. Al concluir dicho movimiento se proporcionará señal en el detector a1 (considerado en estos momentos como la variable directiva de fase). Por otra parte, el cilindro B no ha movido y por ello su detector de mínima (b0) se encuentra activo. La fase se identifica por tanto con bloque a1 y b0.



El cumplimiento de la primera fase nos lleva a la segunda, donde se ejecutará el movimiento B+. Se pierde la señal b0 para obtener b1 al cumplimiento de la acción. Si observamos, comprobamos que el cilindro A no ha movido (permanece en máxima posición) y por tanto permanece la señal del detector a1.

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La fase se identifica por tanto con bloque a1 (permanencia) y b1 (variable directiva). Como puede comprobarse, han de ser marcados todos los detectores activos (incluso las permanencias).



Cumplida la segunda fase (B+), pasamos a la tercera donde se desarrollará B-. En este movimiento se pierde señal b1 para alcanzar b0 al cumplimiento de la acción. A contínua en posición y por tanto de nuevo se da permanencia de a1. El bloque queda definido por a1 (permanencia) y b0 (variable directiva).



Cumplida la tercera fase (B-), pasamos a la cuarta y última (A-). El retorno de A fuerza la pérdida de la señal a1 para pasar a ser a0 al cumplimiento de la acción. Ahora es B quien no ejecuta movimiento y por tanto tenemos b0 como arrastre. El bloque queda definido por a0 (variable directiva) y b0 (arrastre). El ciclo se encontrará en condiciones de inicio listo para volver a ser ejecutado.

Como puede observarse, algunas de las variables identificadas son tan sólo arrastre mientras que otras son las denominadas variables directivas. Conociendo que estas han de ser incluidas en las ecuaciones, suele ser recomendable que sean destacadas gráficamente (pare ello puedes emplear cualquier recurso). Como ejemplo... a1 b0 B+ a1 b1 “M”

A+

B-

a0 b0 Aa1 b0

Figura 4.6.

Resaltado gráfico de las variables directivas.

Observa que se ha mantenido siempre el orden en la representación de variables. Esto permitirá una mayor rapidez a la hora de ejecutar la comparación entre todos los bloques e señal, ya que un marcado aleatorio (en cuanto orden), supondría una enorme pérdida de tiempo en la localización de bloques de repetición. Quizá este efecto para una secuencia limitada como la mostrada no tenga importancia, pero es recomendable acostumbrarse antes de trabajar con secuencias más importantes en cuanto a número de actuadores y detectores.

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Electroneumática

4.3.3.

04

Identificación del problema

Una vez identificados todos los bloques de señales activas, se deberá realizar una comparación entre ambos en busca de igualdades. A este respecto debe recordarse que la aparición de repeticiones implica la necesidad de la discriminación, mientras que la no aparición de la misma indica que, o bien no existe interferencia o bien que es perfectamente discriminable mediante las propias variables de circuito. Si se encuentran repeticiones, estas deberán ser identificadas gráficamente. Para ello puede emplearse el recurso gráfico que nos parezca más adecuado. a1 b0 B+ a1 b1 “M”

A+

B-

a0 b0 Aa1 b0

Figura 4.7.

Identificación de repeticiones.

La aparición de esta repetición, implica la necesidad de la discriminación. Esta consiste en el trazado gráfico de dominios incompatibles (presencia / no presencia de señal). De este modo, asignaremos cada repetición a un dominio y debido precisamente a su incompatibilidad la igualdad quedará rota. Existen una serie de normas de cara al trazado de las mismas, las cuales corresponden a...



El punto de inicio / fin de la memoria a trazar ha de corresponder a bloques donde se produzcan señales activas.



Deben diferenciar claramente los puntos de repetición, de modo que estos sean totalmente inequívocos.



La zona de arranque (condiciones iniciales), ha de quedar bajo el dominio negado (ya que este representa la zona de desconexión de la memoria).

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a1 b0 B+ X

a1 b1

x1 “M”

A+ a0 b0

Bx0 X Aa1 b0

Figura 4.8.

Discriminación.

Del gráfico representado podemos extraer una serie de conclusiones importantes...



De las zonas no problemáticas de circuito, parte el trazado de la memoria que diferencia inequívocamente las dos repeticiones. Como podemos observar el primer bloque de repetición corresponde a la negación de X, mientras que el segundo pertenece a la zona o dominio X. Dada la incompatibilidad entre ambas, la igualdad queda rota.



Los puntos de inicio y fin son marcados como X1 y X0. Se entiende que X1 corresponderá a la conexión de la memoria (ponerla a 1 / ON), mientras que X0 corresponde a la desconexión de la misma (ponerla a 0 / OFF).



La zona de arranque o condiciones iniciales queda bajo el dominio negado de la memoria o desconexión. Esta norma no escrita permite arranques más sencillos y evita los consumos en reposo ya que se entiende que en reposo, la memoria o relé se encuentra desconectado.

Se entiende incompatibilidad entre dominios X y su negación ya que serán implementados por un elemento binario (en nuestro caso un relé). De este modo, es evidente que un relé no puede encontrase conectado y desconectado (x y su negación respectivamente), al mismo tiempo.

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4.3.4.

04

Extracción de las ecuaciones

Una vez que la discriminación es efectiva (deberemos asegurarnos que en cada dominio no encontramos repeticiones); estamos en disposición de extraer las ecuaciones Booleanas de control para cada movimiento. Para ello, debemos...



En cada ecuación figura siempre la variable directiva.



Deberemos preguntarnos si el bloque en cuestión presenta repeticiones en el circuito. En caso de respuesta negativa, no es preciso nada más que la variable directiva. Si por el contrario, la respuesta es afirmativa, deberemos proceder a la discriminación mediante el producto por dominios hasta la total discriminación (esta se consigue cuando el bloque es totalmente aislado).

Veamos un ejemplo... Extracción de la ecuación A+ Este es u caso particular ya que se trata del primer movimiento de circuito y por ello se ha de tener en cuenta la señal genérica “M” (arranque). Como ya se ha indicado, esta puede ser desde lo más simple hasta lo más complejo. Aparte de esto, se hace necesaria la presencia de la variable directiva (confirmación de la fase anterior), que como podemos observar corresponde a a0. Evidentemente, son necesarias las dos señales y por tanto emplearemos el producto para nuestra ecuación (función AND o simultaneidad de señales). Ahora llegaremos a la pregunta de discriminación...

¿Presenta el bloque analizado alguna repetición en circuito?

La respuesta es NO y por ello no será necesaria la discriminación (por lo menos mediante memorias). La ecuación de control está lista y completa. A

M · a0

Como podemos observar, la extracción de ecuaciones lógicas (expresiones Boolenas) corresponde a algo “automatizado” y de complejidad limitada en los circuitos base. Lamentablemente y como podremos observar con posterioridad, en algunos problemas un poco más extensos esta tarea resultará más compleja y deberemos prestar una especial atención al desarrollo.

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Extracción de la ecuación B+ Para la ecuación correspondiente a B+ partiremos del mismo principio, es decir, incluiremos directamente la variable directiva (en este caso a1, confirmación del A+). Aparte de ello, deberemos hacernos la pregunta de rigor...

¿Presenta el bloque analizado alguna repetición en circuito?

En este caso la respuesta es afirmativa y por ello se hace precisa la discriminación. Nuestro bloque (primera repetición), pertenece inequívocamente al dominio negado de la variable X, mientras que su única repetición (segundo bloque), lo hace a X. La discriminación es clara y la ecuación quedará definida como el producto entre a1 y la negación de X (implementado con posterioridad por el contacto cerrado del relé X). B

a1· x

Extracción de la ecuación BEsta ecuación resultará sencilla ya que una vez incluida la variable directiva (confirmación del movimiento anterior), en este caso b1, al hacernos la pregunta...

¿Presenta el bloque analizado alguna repetición en circuito?

La respuesta es negativa, y por ello se entiende que no es precisa la discriminación. La ecuación de control está definida. B

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b1

Electroneumática

04

Extracción de la ecuación AEstamos ante la última ecuación de movimiento y está estará formada por la variable directiva de confirmación del movimiento anterior (B- y por tanto b0) y la necesidad de la discriminación, ya que ante la pregunta...

¿Presenta el bloque analizado alguna repetición en circuito?

La respuesta es afirmativa. Este segundo bloque pertenece al dominio X, mientras que su única repetición lo hacia a la negación. La ecuación quedará definida por el producto entre b0 y la variable X (implementada mediante contacto abierto del relé X). A

b0 · x

Una vez concluidas las ecuaciones de movimiento, extraeremos las correspondientes a la memoria. Este proceso no deja de ser más que la definición de cuando ha de conectarse y desconectarse la memoria. Las reglas siguen siendo las mismas (es decir, inclusión de las variable directivas y análisis de posible repeticiones en ciclo de los bloques en cuestión). En este caso, al no darse repeticiones, tanto la conexión (X1) como la desconexión (X0) quedan definidas tan sólo por las variables directivas propias... Memoria X... X

x1 b1 x0 a0

Las ecuaciones han sido definidas y tan sólo se presenta un pequeño problema... Las ecuaciones correspondientes a X0 y X1 corresponden a accionamientos de tipo biestable (defecto del método), mientras que si pretendemos implementar mediante un relé este corresponde a un accionamiento monoestable. Por ello, deberemos proceder a una transformación BIESTABLE MONOESTABLE. Se emplea un sistema automatizado correspondiente a... (Bloque de señales de conexión Rearm e) · ( Bloque de señales de desconexió n)

Mediante este transformación se consigue que...



Aparecidas las señales de conexión, el elemento tratado (por ejemplo la memoria o relé) se conecte y automáticamente se realimente, consiguiendo de este modo que la pérdida de las señales no afecte al estado del elemento. En otras palabras, estamos formando un biestable.

Técnicas de diseño II

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Formación Abierta



Aparecidas las señales de desconexión, se corta la realimentación con el consiguiente efecto de corte. Puede observarse que estas señales han sido montadas en serie y negadas (es decir, mediante contactos cerrados por norma genérica). Un poco más adelante trataremos algunos casos particulares que requerirán de un conocimiento más detallado del álgebra de Boole.

La aplicación práctica de lo descrito aquí hace que la ecuación de control para la memoria X, quede definida como... X (b1 x ) · a0

Ahora ya tenemos todas las ecuaciones correspondientes al ciclo.

No se ha necesitado la transformación de las ecuaciones correspondientes a movimientos (A y B en avances / retornos) al estar trabajando con elementos de control de carácter biestable (defecto del sistema).

4.3.5.

Implementación

Una vez obtenidas y transformadas todas las ecuaciones (movimientos y memorias), nos encontramos en condiciones de realizar la implementación mediante la tecnología más apropiada o necesaria. En nuestro caso, implementaremos mediante automatismo eléctrico y serán necesarias una serie de asignaciones previas. Estas corresponden a... Detectores de posición Cada detector de posición (por ejemplo Reed de 3 hilos), estará signado a un relé. En el automatismo emplearemos los contactos de estos relés como asignación directa.

20

a0

Asignación a relé...

K1

a1

Asignación a relé...

K2

b0

Asignación a relé...

K3

b1

Asignación a relé...

K4

Técnicas de diseño II

Electroneumática

04

Bobinas de electroválvula Cada bobina presenta una asignación en el circuito de potencia. Por normativa esta corresponde a marcados Y..., y en nuestro caso optamos por... A+

Asignación...

Y1

A-

Asignación...

Y2

B+

Asignación...

Y3

B-

Asignación...

Y4

En algunas ocasiones puede ser necesaria la asignación previa a relé de una bobina. Este se da cuando se trabajan diferentes tensiones en mando / potencia y / o se emplean controles de carácter monoestable que requieran rearmes o realimentaciones. Memoria La única memoria precisa para la resolución del circuito (memoria X), tendrá marcado como relé (implementación física) K5. En definitiva, una vez realizadas todas las transformaciones tenemos... A

M · a0

con transformación...

A

M · K1

A

b0 · x

“”

A

K3· K5

B

a1· x

“”

B

K2 · K5

B

b1

“”

B

K4

“”

K5 (K4 K5 ) · K1

X (b1 x ) · a0

Las ecuaciones están listas para su implementación. Para ello se recomienda consultar la normativa descrita en “Automatismo Eléctrico”. Comenzaremos con la parte correspondiente a la asignación de detectores a relé.

Técnicas de diseño II

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Formación Abierta

+24V

A0

A1 K1

B0

B1

K2

K3

K4

0V

Figura 4.9.

Asignación de detectores a relé.

Pasaremos ahora a la implementación completa del automatismo. Se recomienda el análisis del mismo y la comparación con las ecuaciones descritas... En primer lugar, partiremos de la asignación de detectores a relés (protección del dispositivo y mayor posibilidad de automatismo). En este caso se reservan los cuatro primeros relés a los detectores a0... b1. Posteriormente, se implementará el circuito según las ecuaciones definidas... +24V K4

K5

M_(S1)

K1

K3

K5

K2

K4

K5

K1

K5

Y1

Y2

Y3

0V

Figura 4.10.

Circuito de aplicación. Secuencia A+ B+ B- A- .

Con este proceso, se completa el diseño de aplicación.

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Y4

Electroneumática

04

4.4. Ejemplos de aplicación Quizá el mejor método para comprender la elaboración y particularidades de los grafos será el análisis de varios ejemplos (en los cuales se trabajará con la variedad de válvulas de control – monoestable / biestable – y particularidades del mando).

4.4.1.

Ejemplo 1

Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática correspondiente a un dispositivo de estampación compuesto por dos actuadores de carácter lineal (A y B). La secuencia a realizar corresponde a... A+ A- B+ BCroquis de posición

Cilindro A

Cilindro B

Figura 4.11.

Croquis de posición. Funcionamiento máquina.

Como puede observarse, las piezas son introducidas de modo manual. La señal de marcha inicia el ciclo con una primera estampación (A+ y A-). Concluido el trabajo del primer actuador, se realiza la segunda estampación mediante los movimientos del actuador B (B+ y B-). Las piezas son extraídas de modo manual.

Técnicas de diseño II

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Formación Abierta

Desarrolla el diagrama de fases para la secuencia propuesta. A+ A- B+ B-

Una vez conocido el funcionamiento máquina, deberemos establecer las condiciones particulares de trabajo. Estas corresponden a... En cuanto a la potencia...



Velocidad máxima de A y B en avance.



Velocidad regulada en A y B en retorno.



Control de A y B mediante válvulas 5/2 de carácter biestable.

En cuanto a mando...



Sin condiciones particulares.

Esto nos deja en disposición de poder establecer el circuito de potencia. Se debe destacar a este respecto que no existe variación con respecto a las aplicaciones neumáticas convencionales (cuando se están tratando elementos de potencia). A0

A1

B0

A

B

100%

100%

2 1

4

3

2 Y2

5

4

0.1

Técnicas de diseño II

Circuito de potencia. Ejemplo 1.

3

2

Y3

3 1

24

2 1

Y1

Figura 4.12.

B1

Y4 5

3 1

Electroneumática

04

A partir de este memento, podemos empezar con el desarrollo del grafo, su resolución, extracción de ecuaciones e implementación. a1 b0 Aa0 b0 “M”

A+

B+

a0 b0 Ba0 b1

Figura 4.13.

Grafo de secuencia.

a1 b0 Aa0 b0 “M”

A+

B+

a0 b0 Ba0 b1

Figura 4.14.

Grafo de secuencia. Resolución gráfica.

Planteada la resolución gráfica, tan sólo restará la extracción de las ecuaciones de funcionamiento. Debemos recordar que en las mismas figuran las variables directivas y la discriminación si procede.

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Las ecuaciones resultantes corresponden a... con transformación...

A

M · K3 · K5

a1

“”

A

K2

B

a0 · x

“”

B

K1· K5

B

b1

“”

B

K4

“”

K5 (K2 K5 ) · K4

A

M · b0 · x

A

X (a1 x ) · b1

Para el planteamiento de las transformaciones se han seguido las asignaciones de detectores (a0 = k1, a1 = k2, etc.). La memoria sigue teniendo asignación K5. Del mismo modo, las bobinas siguen correspondiendo a Y1... Y4 según A+,... B-. Esta asignación secuencial (exceptuando la memoria, variable en función del número de detectores), será la empleada para todos los circuitos desarrollados).

En un momento determinado, podría interesar el cambio de una válvula de accionamiento biestable por una monoestable. Si esto sucede, el grafo y las ecuaciones son perfectamente válidas y tan sólo deberemos ejecutar las transformaciones de biestable a monoestable correspondientes (al igual que hemos realizado con la memoria). Si por ejemplo se opta por un control de A mediante monoestable, tendremos... A

(M · b0 · x realimenta ción) · a1

B

a0 · x

B

b1

X (a1 x ) · b1

Si por ejemplo se opta por un control de B mediante monoestable, tendremos... A

M · b0 · x

A

a1

B

(a0 · x realimentación) · b1

X (a1 x ) · b1

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Técnicas de diseño II

Electroneumática

04

Si por ejemplo se opta por un doble control mediante monoestable, tendremos...

A

(M · b0 · x realimentación) · a1

B

(a0 · x realimentación) · b1

X (a1 x ) · b1

Una vez transformadas todas las ecuaciones en función de las condiciones particulares del control empleado, podríamos realizar las tareas de simplificación de las mismas (si procede). Nosotros por el momento, prescindiremos de dicha simplificación.

Con estas variantes de circuito tan sólo se pretende indicar que igual que pueden realizarse transformaciones de biestable a monoestable en memorias, estas también pueden llevarse a cabo en ecuaciones de actuación con la misma sencillez.

Una vez que tenemos las ecuaciones finales de funcionamiento, nos encontramos en disposición de realizar la implementación del circuito. Se representa este para los controles indicados inicialmente, es decir, gobierno de los actuadores A y B mediante válvulas de carácter biestable (lo cual supone ecuaciones directamente obtenidas del grafo y la única transformación de la memoria, al tratarse de un relé de accionamiento monoestable). +24V

A0

A1 K1

B0 K2

B1 K3

K4

0V

Técnicas de diseño II

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Formación Abierta

En primer lugar, partiremos de la asignación de detectores a relés (protección del dispositivo y mayor posibilidad de automatismo). En este caso se reservan los cuatro primeros relés a los detectores a0... b1. Posteriormente, se implementará el circuito según las ecuaciones definidas... +24V K2

K5

M_(S1)

K2

K3

K1

K4

K5

K4 K5

K5

Y1

Y2

Y3

Y4

0V

Figura 4.15.

Circuito de aplicación. Secuencia A+ A- B+ B- .

Con este proceso, se completa el diseño de aplicación.

4.4.2.

Ejemplo 2

Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática correspondiente a un dispositivo de estampación y extracción de piezas compuesto por tres actuadores de carácter lineal (A, B y C). La secuencia a realizar corresponde a... A+ B+ B- A- C+ C-

28

Técnicas de diseño II

Electroneumática

04

Croquis de posición

Cilindro A

Cilindro C

Cilindro B

Figura 4.16.

Croquis de posición. Funcionamiento máquina.

La secuencia se inicia mediante el avance de la unidad A, la cual introduce y amordaza el material. Se provoca la estampación mediante el avance y posterior retorno de B. El actuador A se retira (liberación) y entra el expulsor (movimiento de avance y retorno de C).

Desarrolla el diagrama de fases para la secuencia propuesta. A+ B+ B- A- C+ C-

Técnicas de diseño II

29

Formación Abierta

Resolución Inicialmente y de cara a la resolución, se plantea una implementación mediante 3 válvulas de carácter biestable (no se precisarán transformaciones). Las asignaciones de detectores, memorias y bobinas corresponde a... a0

Asignación a relé...

K1

a1

Asignación a relé...

K2

b0

Asignación a relé...

K3

b1

Asignación a relé...

K4

c0

Asignación a relé...

K5

c1

Asignación a relé...

K6

X

Memoria asignada...

K7

A+

Bobina...

Y1

A-

Bobina...

Y2

B+

Bobina...

Y3

B-

Bobina...

Y4

C+

Bobina...

Y5

C-

Bobina...

Y6

Completado el cuadro de asignaciones, estamos en disposición de comenzar la resolución (realmente es un paso posterior ya que se precisa conocer el número de memorias). Para ello desarrollaremos el grafo... a1 b0 c0

B+

B-

a1 b1 c0 a1 b0 c0

“M”

A+

A-

a0 b0 c0 a0 b0 c1

Figura 4.17.

30

Técnicas de diseño II

C-

Grafo de secuencia.

C+

a0 b0 c0

Electroneumática

a1 b0 c0

B+

B-

x1

04

a1 b1 c0 a1 b0 c0

“M”

A+

X

a0 b0 c0 a0 b0 c1

Figura 4.18.

C-

X

x0

C+

A-

a0 b0 c0

Grafo de secuencia. Resolución gráfica.

Tal y como puede observarse en el grafo, una vez localizadas las repeticiones se ha de proceder a la discriminación. Esto puede llevarse a cabo mediante una única memoria ya que esta diferencia con total claridad dos dominios (entendiendo que en ninguno de ellos existe repetición).

Puede observarse que bajo un mismo dominio pueden encontrarse diferentes bloques de repetición, siempre y cuando no exista igualdad entre los mismos (en cada dominio).

Del mismo modo, en el establecimiento de los dominios se ha tenido en cuenta desconectar la memoria, o en otras palabras, existe negación de X en reposo. Nos encontramos en condiciones de extraer las ecuaciones de mando... con transformación...

A

M · K5 · K7

b0 · x

“”

A

K3 · K7

B

a1· x

“”

B

K2 · K7

B

b1

“”

B

K4

C

a0 · x

“”

C

K1· K7

C

c1

“”

C

K6

“”

K7 (K4 K7 ) · K6

A

M · c0 · x

A

X (b1 x ) · c1

Técnicas de diseño II

31

Formación Abierta

La ecuación de control de la memoria, ha sido extraída de las órdenes de conexión y desconexión de modo individual (controles biestables) y transformada con posterioridad debido a su naturaleza monoestable. Se entiende que... x1 (conexión) = b1 x0 (desconexión) = c1

+24V

A0

A1 K1

B0

B1

K2

K3

C0 K4

C1 K5

K6

0V

En primer lugar, partiremos de la asignación de detectores a relés (protección del dispositivo y mayor posibilidad de automatismo). En este caso se reservan los seis primeros relés a los detectores a0... c1. Posteriormente, se implementará el circuito según las ecuaciones definidas... +24V K4

K7

M_(S1)

K5

K3

K7

K2

K4

K7

K1

K6

K7

K6 K7

K7

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

0V

Figura 4.19.

Circuito de aplicación. Secuencia A+ B+ B- A- C+ C- .

Con este proceso, se completa el diseño de aplicación.

32

Técnicas de diseño II

Y6

Electroneumática

04

Variantes Imaginemos ahora la misma aplicación pero alguna variante en cuanto al circuito de potencia. A será gobernado por una válvula de carácter biestable mientras que B y C lo harán mediante monoestables (todas ellas 5/2). El grafo no sufrirá variaciones y las ecuaciones resultarán ser las mismas, pero con las transformaciones oportunas el sistema quedará definido por... A

M · c0 · x

A

b0 · x

B

(a1· x realimentación) · b1

C

(a0 · x realimenta ción) · c1

X (b1 x ) · c1

Estas ecuaciones son perfectamente válidas para el montaje (funcionamiento correcto), pero no están optimizadas. Ha de tenerse en cuenta que por planteamiento general, B y C al ser transformadas precisan de realimentación y ello implica el empleo de relés de control para poder ejecutar dicha acción. Si observamos el grafo de secuencia comprobaremos que en las ecuaciones de activación de las bobinas B y C se incluyen contactos de la memoria X; cada vez que uno de los movimientos se ejecuta, se produce un cambio en la misma y por tanto se da incumplimiento de la ecuación. El resultado será que se corta el accionamiento a la bobina y dado el carácter monoestable de la válvula, está recupera su posición inicial (forzándose el movimiento inverso). Si no se precisa corte ni realimentación, el sistema se simplifica quedando finalmente ecuaciones de control... A

M · c0 · x

A

b0 · x

B

a1· x

C

a0 · x

X (b1 x ) · c1

Habitualmente este tipo de simplificaciones podrá realizarse cuando se trabaje con elementos de carácter monoestable y los movimientos se ejecuten consecutivamente (por ejemplo B+ y B-, C+ y C-, etc). En caso de existir movimientos intermedios de otros actuadores, la simplificación no es posible (debiendo por tanto realimentar y cortar en el punto adecuado).

Técnicas de diseño II

33

Formación Abierta

+24V

A0

A1

B0

K1

B1

K2

C0

K3

C1

K4

K5

K6

0V

En primer lugar, partiremos de la asignación de detectores a relés (protección del dispositivo y mayor posibilidad de automatismo). En este caso se reservan los seis primeros relés a los detectores a0... c1. Posteriormente, se implementará el circuito según las ecuaciones definidas... +24V

K4

K7

M_(S1)

K3

K5

K7

K2

K7

K1

K7

K6 K7

K7

Y1

Y2

Y3

Y4

0V

Figura 4.20.

Circuito de aplicación. Secuencia A+ B+ B- A- C+ C- .

En esta representación se cuenta con controles B y C monoestables, a los cuales se les aplica simplificación. Ver ecuaciones de mando. Con este proceso, se completa el diseño de aplicación.

34

Técnicas de diseño II

Electroneumática

4.4.3.

04

Ejemplo 3

Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática correspondiente a un dispositivo de estampación secuencial compuesto por tres actuadores de carácter lineal (A, B y C). La secuencia a realizar corresponde a... A+ A- B+ B- C+ CCroquis de posición Cilindro B

Cilindro C Cilindro A

Figura 4.21.

Croquis de posición. Funcionamiento máquina.

La máquina realizará un proceso de tres estampaciones sobre una pieza colocada de modo manual. El proceso de avances y retornos es secuencial con objeto de evitar interferencias entre los cilindros. Del mismo modo, la extracción de piezas se realiza manualmente.

Desarrolla el diagrama de fases para la secuencia propuesta. A+ A- B+ B- C+ C-

Resolución Inicialmente y de cara a la resolución, se plantea una implementación mediante 3 válvulas de carácter biestable (no se precisarán transformaciones). Las asignaciones de detectores, memorias y bobinas corresponde a... a0

Asignación a relé...

K1

a1

Asignación a relé...

K2

Técnicas de diseño II

35

Formación Abierta

b0

Asignación a relé...

K3

b1

Asignación a relé...

K4

c0

Asignación a relé...

K5

c1

Asignación a relé...

K6

X

Memoria asignada...

K7

Y

Memoria asignada...

K8

A+

Bobina...

Y1

A-

Bobina...

Y2

B+

Bobina...

Y3

B-

Bobina...

Y4

C+

Bobina...

Y5

C-

Bobina...

Y6

Completado el cuadro de asignaciones, estamos en disposición de comenzar la resolución (realmente es un paso posterior ya que se precisa conocer el número de memorias). Para ello desarrollaremos el grafo...

Tal y como podrá observarse en el grafo de secuencia, debido a la aparición de un numero importante de repeticiones la discriminación no podrá ser ejecutada a través de una única memoria (en este caso serán precisas dos, X e Y). Desde este momento observaremos que conforma aumenta la complejidad de la secuencia (debido a la naturaleza de movimientos de la misma), aumenta también el número de memorias a emplear.

36

Técnicas de diseño II

Electroneumática

a1 b0 c0

A-

B+

04

a0 b0 c0 a0 b1 c0

“M”

A+

B-

a0 b0 c0 a0 b0 c1

Figura 4.22.

C-

C+

a0 b0 c0

Grafo de secuencia.

a1 b0 c0

A-

B+

a0 b0 c0 a0 b1 c0

y1 X “M”

A+

x1

Y

Y

BX

a0 b0 c0

x0

a0 b0 c1

Figura 4.23.

C-

y0

C+

a0 b0 c0

Grafo de secuencia. Resolución gráfica.

Una vez realizado el grafo y solucionada la secuencia (gráficamente), nos encontramos en disposición de extraer las ecuaciones de control. Estas corresponden a... con transformación...

A

M · K5 · K8

a1

“”

A

K2

B

a0 · x · y

“”

B

K1· K7 · K8

B

b1

“”

B

K4

C

b0 · x · y

“”

C

K3 · K7 · K8

C

c1

“”

C

K6

X (b1 x ) · (c0 y)

“”

K7 (K4 K7 ) · (K5 K8)

Y (a1 y ) · c1

“”

K8 (K2 K8 ) · K6

A

M · c0 · y

A

Técnicas de diseño II

37

Formación Abierta

Las ecuaciones están listas pero en su extracción y transformación deberemos prestar especial atención a la memoria X. Para su correcta implementación ha sido necesario emplear los “axiomas de Morgan”.

Axioma de Morgan. Aplicación electroneumática. De las ecuaciones obtenidas según el grafo de secuencia, tenemos un control biestable de la memoria X, donde tenemos como órdenes de conexión / desconexión... X1 (conexión) = b1

X0 (desconexión) =

c0 · y

Conocido es que debemos seguir para la transformación la base a monoestable, pero ello nos lleva a la negación de un producto para la desconexión...

Desconexión

(c0 · y )

la transformación nos lleva a invertir el signo (producto por suma) y la doble negación de y queda convertida a y sin negar.

Desconexión

(c0

y)

(c0

y)

+24V

A0

A1 K1

B0 K2

B1 K3

C0 K4

C1 K5

K6

0V

En primer lugar, partiremos de la asignación de detectores a relés (protección del dispositivo y mayor posibilidad de automatismo). En este caso se reservan los seis primeros relés a los detectores a0... c1. Posteriormente, se implementará el circuito según las ecuaciones definidas...

38

Técnicas de diseño II

Electroneumática

04

+24V K4

K7

K2

K8

M_(S1)

K2

K8

K3

K6

K7

K6 K8

K7

K4

K7

K5 K5

K1

K8

Y1

K8

Y2

Y3

K8

Y4

Y5

Y6

0V

Figura 4.24.

Circuito de aplicación. Secuencia A+ A- B+ B- C+ C- .

Con este proceso, se completa el diseño de aplicación. Variantes Imaginemos ahora la misma aplicación pero alguna variante en cuanto al circuito de potencia. Todas las válvulas serán gobernadas mediante 5/2 de carácter monoestable. Ecuaciones de control... A

(M · c0 · x realiemnta ción) · a1

B

(a0 · x · y realiement ación) · b1

C

(b0 · x · y realimenta ción) · c1

X (b1 x ) · (c0 y) Y (a1 y ) · c1

Una vez concluidas todas las ecuaciones, nos encontramos en disposición de poder ejecutar las simplificaciones (si caben) de las mismas. Todos los movimientos son del tipo avance / retorno sin posición intermedia, por lo cual no se precisan realimentaciones (y por ello es innecesario el corte de la misma). Sólo existe un caso especial y es el arranque, ya que pretendiendo abarcar todas las posibilidades (por ejemplo un pulsador, caso más desfavorable) se precisará de realimentación.

Técnicas de diseño II

39

Formación Abierta

Las ecuaciones resultarán... A

(M · c0 · x realiemnta ción) · a1

B

a0 · x · y

C

b0 · x · y

X (b1 x ) · (c0 y) Y (a1 y ) · c1

Un factor común a los contactos de X e Y simplificará aún más si cabe nuestra aplicación, permitiendo el funcionamiento de la misma con un número muy reducido de contactos.

Desarrolla el esquema de potencia y mando eléctrico para el ejemplo descrito bajo las condiciones expuestas: A, B y C: control 5/2 monoestable.

4.4.4.

Ejemplo 4

Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática correspondiente a un dispositivo de doblado compuesto por tres actuadores de carácter lineal (A, B y C). La secuencia a realizar corresponde a... A+ B+ B- C+ C- ACroquis de posición Cilindro A Cilindro B

Cilindro C

Figura 4.25.

40

Técnicas de diseño II

Croquis de posición. Funcionamiento máquina.

Electroneumática

04

En el primer movimiento, se ejecuta la retención de la pletina introducida manualmente (movimiento A+). Con posterioridad, se ejecuta el primer proceso de doblado (B+ y B-) y segundo proceso de doblado (C+ y C-). Por último se libera la pletina, se extrae manualmente y el ciclo queda en disposición de poder ejecutarse de nuevo. Resolución Inicialmente y de cara a la resolución, se plantea una implementación mediante 3 válvulas de carácter biestable (no se precisarán transformaciones). Las asignaciones de detectores, memorias y bobinas corresponde a... a0

Asignación a relé...

K1

a1

Asignación a relé...

K2

b0

Asignación a relé...

K3

b1

Asignación a relé...

K4

c0

Asignación a relé...

K5

c1

Asignación a relé...

K6

X

Memoria asignada...

K7

Y

Memoria asignada...

K8

A+

Bobina...

Y1

A-

Bobina...

Y2

B+

Bobina...

Y3

B-

Bobina...

Y4

C+

Bobina...

Y5

C-

Bobina...

Y6 a1 b0 c0

B+

B-

a1 b1 c0 a1 b0 c0

“M”

A+

C+

a0 b0 c0 a1 b0 c0

Figura 4.26.

A-

C-

a1 b0 c1

Grafo de secuencia.

Técnicas de diseño II

41

Formación Abierta

a1 b0 c0

B+

y1

a1 b1 c0

B-

Y

Y

a1 b0 c0

x1

X

“M”

A+ a0 b0 c0

C+ X

x0

y0 a1 b0 c0

Figura 4.27.

A-

C-

a1 b0 c1

Grafo de secuencia. Resolución gráfica.

Las ecuaciones que se extraen del grafo corresponden a... A

M · a0

A

c0 · x · y

B

a1· x · y

B

b1

C

b0 · y

C

c1

X (b0 · y

x ) · a0

Y (b1 y ) · c1

Para las ecuaciones descritas como solución, realiza...  Las transformaciones a contactos de relé según tabla de asignación.  El esquema de potencia y mando eléctrico de la aplicación.

Según el grafo propuesto, modifica las ecuaciones para un control: A y C monoestable; B biestable. Realiza...  Las transformaciones a contactos de relé según tabla de asignación.  El esquema de potencia y mando eléctrico de la aplicación.

42

Técnicas de diseño II

Electroneumática

4.4.5.

04

Ejemplo 5

Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática compuesta por cuatro actuadores de carácter lineal (A, B, C y D). La secuencia a realizar corresponde a... A+ B+ B- A- C+ C- D+ DCroquis de posición Cilindro A

Cilindro B

Cilindro D Cilindro C

Figura 4.28.

Croquis de posición. Funcionamiento máquina.

Resolución Inicialmente se plantea una implementación mediante 5/2 de carácter biestable. a0

Asignación a relé...

K1

a1

Asignación a relé...

K2

b0

Asignación a relé...

K3

b1

Asignación a relé...

K4

c0

Asignación a relé...

K5

c1

Asignación a relé...

K6

d0

Asignación a relé...

K7

d1

Asignación a relé...

K8

X

Memoria asignada...

K9

Y

Memoria asignada...

K10

Técnicas de diseño II

43

Formación Abierta

A+

Bobina...

Y1

A-

Bobina...

Y2

B+

Bobina...

Y3

B-

Bobina...

Y4

C+

Bobina...

Y5

C-

Bobina...

Y6

D+

Bobina...

Y7

D-

Bobina...

Y8

En esta secuencia se puede comprobar que aún siendo reducido el número de actuadores (4), la resolución va ganado complejidad debido a la propia secuencia ejecutada por los mismos.

Como siempre, inicialmente se planteará el grafo y sobre el mismo se trazará la solución gráfica. Está corresponde a...

a1 b0 c0 d0

“M”

a1 b1 c0 d0

a1 b0 c0 d0

B-

B+

Aa0 b0 c0 d0

A+

C+

a0 b0 c0 d0 D-

CD+ a0 b0 c0 d1

Figura 4.29.

44

Técnicas de diseño II

a0 b0 c0 d0

Grafo de secuencia.

a0 b0 c1 d0

Electroneumática

04

Sobre el grafo aportado, intenta trazar la solución gráfica. Para poder realizarlo, deberás localizar e identificar gráficamente las repeticiones de bloques de señales activas.

a1 b0 c0 d0

“M”

a1 b1 c0 d0 y1

B+

a1 b0 c0 d0

B-

x1

Aa0 b0 c0 d0

A+

Y X

a0 b0 c0 d0

C+

Y

X y0

D-

C-

x0 D+ a0 b0 c0 d1

Figura 4.30.

a0 b0 c0 d0

a0 b0 c1 d0

Grafo de secuencia. Resolución gráfica.

Si se ha optado por este resolución (que admite variaciones), las ecuaciones de control que de ella extremos corresponden a...

Para las ecuaciones descritas como solución, realiza...  Las transformaciones a contactos de relé según tabla de asignación.  El esquema de potencia y mando eléctrico de la aplicación. Puedes probar a ejecutar variaciones en el control como por ejemplo trabajar con algunos controles monoestables (A y B), mientras que C y D se mantienen como biestables. Prueba otras combinaciones...

Técnicas de diseño II

45

Formación Abierta

4.4.6.

Ejemplo 6

Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática compuesta por tres actuadores de carácter lineal (A, B, y C). La secuencia a realizar corresponde a... A+ B+ B- C+ B+ B- C- ACroquis de posición

Cilindro B Cilindro C

Cilindro A

Figura 4.31.

Croquis de posición. Funcionamiento máquina.

En esta secuencia deberemos prestar atención especial ya que incluye “dobles movimientos”, en este caso sobre el actuador B (doble avance y retorno). Este efecto es muy frecuente en las aplicaciones neumáticas y electroneumáticas (sobre todo en automatismos pick & place) y requieren de una especial atención a la hora de extraer y discriminar las ecuaciones.

46

Técnicas de diseño II

Electroneumática

04

Resolución Inicialmente se plantea una implementación mediante 5/2 de carácter biestable. a0

Asignación a relé...

K1

a1

Asignación a relé...

K2

b0

Asignación a relé...

K3

b1

Asignación a relé...

K4

c0

Asignación a relé...

K5

c1

Asignación a relé...

K6

X

Memoria asignada...

K7

Y

Memoria asignada...

K8

A+

Bobina...

Y1

A-

Bobina...

Y2

B+

Bobina...

Y3

B-

Bobina...

Y4

C+

Bobina...

Y5

C-

Bobina...

Y6

Comenzáremos mediante el planteamiento del grafo para luego resolver gráficamente. Como dato genérico se debe indicar que siempre que aparezcan secuencias con más de un movimiento por cilindros (dobles, triples movimientos, etc), será necesaria más de una memoria.

a1 b0 c0

a1 b1 c0

a1 b0 c0 B-

B+

C+ a1 b0 c1

“M”

A+

B+

a0 b0 c0 A-

BCa1 b0 c0

Figura 4.32.

a1 b0 c1

a1 b1 c1

Grafo de secuencia.

Técnicas de diseño II

47

Formación Abierta

Sobre el grafo aportado, intenta trazar la solución gráfica. Para poder realizarlo, deberás localizar e identificar gráficamente las repeticiones de bloques de señales activas.

a1 b0 c0

a1 b1 c0

a1 b0 c0 B-

y1

B+

C+ Y

“M”

x0

a1 b0 c1

x1

X

A+ a0 b0 c0

Y

B+

X y0 A-

BCa1 b0 c0

Figura 4.33.

a1 b0 c1

a1 b1 c1

Grafo de secuencia. Resolución gráfica.

Del grafo de resolución, podemos extraer las ecuaciones que resultarán...

48

A

M · a0

A

c0 · x

B

a1· x · y

1ª ejecución B+

B

b1

1ª ejecución B-

B

c1· y

2ª ejecución B+

B

b1

2ª ejecución B-

C

b0 · y

C

b0 · y

Técnicas de diseño II

Electroneumática

04

Como se puede observar, las ecuaciones para los movimientos son extraídas sin mayor complejidad que en aplicaciones de movimiento simple. Tan sólo debe tenerse en cuenta que la doble posibilidad de accionamiento para B+ y B- debe implementarse como una función lógica OR (paralelo eléctrico). A nivel de ecuación esto supone la suma de ambas (teniéndose en cuanta las posibles simplificaciones). De este modo... B

a1· x · y c1· y

B

b1

b1

b1

Una vez obtenidas las ecuaciones de movimiento, pasaremos a las de control de memorias X e Y... La ecuación para X no representa mayor problema y corresponde a... X1(conexión)

c1· y

X0 (desconexión)

a0

Puede observarse que inicialmente se ha discriminado el accionamiento X1 mediante la variable Y. Esto no es necesario ya que como la propia memoria se rearmará, es indistinta su simplificación con respecto a la segunda igualdad (la cual queda bajo un dominio activo). Por ello, y una vez simplificado X1... X (c1 x) · a0

Mientras, para la memoria Y tenemos algo curioso... Y1(conexión) b1 Y0 (desconexión)

b1

Evidentemente, una memoria no puede conectarse y desconectarse con la misma señal (en este caso b1), pero el grafo no ha indicado igualdad y por tanto discriminación. Esto se debe a que el sistema es perfectamente discriminable mediante otros medios, no siendo estrictamente obligatorio el uso de variables exteriores. En este caso, la discriminación puede venir dada por la variación de estados de los detectores c0 y c1. Quedará... Y1(conexión)

b1· c0

Y0 (desconexión)

b1· c1

Técnicas de diseño II

49

Formación Abierta

Estas técnicas de discriminación (empleo de otras variables activas de circuito), permiten en algunas ocasiones una resolución con un mínimo empleo de auxiliares exteriores. Se deberá prestar especial atención en aquellos ciclos donde se realice más de un movimiento por actuador.

+24V K6

K7

K4

K8

M_(S1)

K5

K5

K1

K2

K7

K7

K1 K4

K7

K4

K3

K8

K3

K8

K8

K8

K6

K8

K6

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

0V

En primer lugar, partiremos de la asignación de detectores a relés (protección del dispositivo y mayor posibilidad de automatismo). En este caso se reservan los seis primeros relés a los detectores a0... c1. Posteriormente, se implementará el circuito según las ecuaciones definidas... +24V

A0

A1 K1

B0 K2

B1 K3

C0 K4

C1 K5

0V

Figura 4.34.

Circuito de aplicación. Secuencia A+ B+ B- C+ B+ B- C- A- .

Con este proceso, se completa el diseño de aplicación.

50

Técnicas de diseño II

K6

Electroneumática

04

Resumen Las aplicaciones electroneumáticas de carácter secuencial, suelen presentar problemas de doble señal (bloqueos de las válvulas / electroválvulas). Por ello se requiere para su resolución algún método de diseño. Los métodos de diseño para la resolución de secuencias electroneumáticas son muy variados. Pueden emplearse variaciones de otros sistemas clásicos de resolución como por ejemplo sistemas cascada, paso a paso, mapas de Karnauht, etc, pero entre todos ellos destaca por su sencillez y eficacia la “Teoría de Grafos”. Estos métodos enunciados son muy apropiados para la resolución de secuencias electroneumáticas, pero son perfectamente válidos para cualquier automatismo de carácter secuencial (previo estudio de las condiciones particulares de cada tecnología). Centrándonos en la resolución mediante teoría de grafos, existen unos pasos para el planteamiento, resolución y posterior implementación, correspondientes a...



Representación gráfica de la secuencia.



Identificación de las variables activas en cada confirmación de fase.



Identificación de los bloques de señal repetitivos (causantes del bloqueo).



Discriminación de los mismos.



Extracción de las ecuaciones lógicas (Booleanas) de control.



Simplificación de las ecuaciones (si procede).



Adaptación de las mismas a las condiciones particulares de trabajo.



Implementación (mediante la tecnología más apropiada).

Técnicas de diseño II

51

05

Electroneumática

Técnicas de diseño III

Electroneumática

05

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 5.1. Autómatas programables.......................................................................... 5 5.1.1. Unidad central...................................................................................... 6 5.1.2. Entradas y salidas de un PLC ............................................................ 10 5.1.3. Programación de PLC´s..................................................................... 12 5.2. Implementación mediante PLC´s............................................................ 13 5.2.1. Implementación basada en Grafos .................................................... 13 5.2.2. Grafcet ............................................................................................... 25 5.2.2.1. Etapas ......................................................................................... 26 5.2.2.2. Transiciones ................................................................................ 34 5.2.2.3. Reglas de evolución del Grafcet .................................................. 38 5.2.3. Ciclos con bifurcación ........................................................................ 39 5.2.3.1. Bifurcaciones simultáneas ........................................................... 39 5.2.3.2. Bifurcaciones selectiva ................................................................ 41 5.2.4. Ciclos con saltos ................................................................................ 42 5.2.4.1. Saltos .......................................................................................... 42 5.2.4.2. Repeticiones ............................................................................... 44 5.2.5. Ciclos complejos ................................................................................ 45 RESUMEN......................................................................................................... 47

Técnicas de diseño III

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Electroneumática

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Objetivos Identificar los problemas de doble señal que aparecen en prácticamente el 100% de las secuencias electroneumáticas de carácter secuencial (entendiéndose por tanto la necesidad de un método de resolución). Conocer la teoría de grafos con objeto de dominar un método sencillo y rápido de resolución electroneumática (aunque este método no es propio de la técnica y por ello nos ayudará a resolver secuenciales mediante otras tecnologías). Conocer los problemas característicos de algunas secuencias electroneumáticas (como por ejemplo movimientos repetitivos de algunas unidades neumáticas) y las precauciones a adoptar si se escoge la resolución mediante teoría de grafos. Conocer las aplicaciones básicas de los PLC´s (autómatas programables) sobre los ciclos electroneumáticos. Para ello se describirán las transcripciones fieles de ecuaciones Booleanas (extracción por grafo) y la resolución mediante Grafcet. Conocer el proceso y las reglas de evolución de un Grafcet (resolución y representación neumática). Al mismo tiempo se describirán algunos ciclos especiales (de mayor complejidad) como son los ciclos multirrama (bifurcaciones simultánea y selectiva) y los saltos (salto o repetición de secuencia).

Técnicas de diseño III

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Formación Abierta

Introducción Hasta el momento, han sido analizados sistemas electroneumáticos de relativa sencillez en cuanto a su concepción y resolución (pequeños automatismos). Sin embargo, en la actualidad es frecuente encontrar sistemas mucho más complejos (tanto a nivel de la propia mecánica de máquina), como de mando. Precisamente, este último será el abordado en la presente unidad didáctica. La evolución de la neumática hacia los denominados sistemas pick & place (recoger y posicionar), suele precisar de mandos “flexibles”, o en otras palabras, mandos que permitan una rápida modificación de la secuencia o incluso su cambio radical. Evidentemente, si el mando de la aplicación se ha realizado en base a una lógica cableada (cuadros de relés), está tarea resultaría extremadamente costosa. Debido a ello, se tiende a realizar este tipo de mandos mediante el empleo de autómatas programables o PLC´s (en gamas baja / media / alta según el nivel de automatización deseado), los cuales aportaran una clara ventaja con respecto a los anteriores. Para la programación de PLC´s en aplicación electroneumática, serán válidos todos los conceptos explicados en la unidad “Técnicas de diseño II”, ya que la teoría de grafos nos da ecuaciones lógicas que podrán ser implementadas según la propia necesidad del usuario (incluido la programación de las mismas). No obstante, la potencia que aportan estos elementos hace que surjan nuevas herramientas de representación / solución ampliamente difundidas (como las aplicaciones Grafcet). Estas serán descritas con detalle en la presente unidad.

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Electroneumática

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5.1. Autómatas programables Tal y como se ha podido observar en apartados anteriores, la resolución de secuencias electroneumáticas puede realizarse sin mayor problema mediante automatismos clásicos cableados (es decir, implementados mediante cuadros de relés). Sin embargo, debido a circunstancias muy variadas puede que este tipo de implementaciones no sea razonable (por elevada complejidad de mando, por coste, por necesidad de comunicación con otros equipos, etc). Es en estas ocasiones cuando puede resultar interesante la utilización de un PLC o autómata programable como elemento de control de la aplicación. Un autómata (de aquí en adelante PLC), no deja de ser más que un elemento de control de aplicaciones industriales, compuesto por un procesador y una memoria y que comunica con el exterior (intercambio de información), mediante sus entradas y salidas. Evidentemente, esta definición e identificación de componentes internos necesitará ser ampliada para tener una visión global del funcionamiento de un PLC.

En esta unidad se pretende dar una visión general de los elementos integrantes de un PLC y su modo de trabajo. En ningún momento pretendemos centrarnos sobre un modelo o marca concreta ya que nos interesa ver la aplicación de estos dispositivos sobre la resolución de ciclos electroneumáticos, con independencia de la unidad que pudiese interesar al usuario. En otras asignaturas se profundizará sobre la constitución, aplicaciones y programación de los modelos más representativos implantados actualmente.

Comenzaremos el estudio de la estructura interna de un PLC diferenciando tres zonas importantes. Por un lado, tendremos la unidad central (donde encontramos el procesador y la memoria del autómata). Por otro, tendremos la comunicación con el entorno (entradas y salidas en sus diferentes categorías –digitales / analógicas), en donde conectaremos los elementos de ciclo encargados de la captación de señales y la potencia.

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5

Formación Abierta

5.1.1.

Unidad central

En ella diferenciamos: Procesador / CPU En la unidad central encontramos el procesador (alma de nuestro PLC). Este es el encargado de realizar los tratamientos requeridos por las instrucciones de programa o, en otras palabras, es el encargado de realizar a nivel físico todo lo que nosotros como usuarios, hayamos requerido en la programación elaborada (programa en memoria). Evidentemente, estamos hablando de electrónica pura y dura (podrás encontrar mucha más información en las asignaturas Electrónica (Digital / Analógica). La CPU se considera el conjunto físico donde tenemos encontramos el procesador, la memoria, la fuente batería de respaldo a la memoria RAM, etc. Sobre la misma se realizara la alimentación y de definirá el estado del PLC. Por ejemplo, la CPU de un S7 300 corresponde a...

Led de indicación RUN P

Slot para tarjeta de memoria

RUN Selector de funcionamiento STOP MRES Batería de respaldo Conector de alimentación M

Interface Multipunto MPI

L+ M

Figura 5.1.

CPU Simatic S7 300.

El selector de funcionamiento permite seleccionar entre los modos RUN (ejecución de programa) y STOP (no ejecución de programa). MRES permitirá el reseteo de la CPU, es decir, el borrado de la memoria del programa existente. Los modos de funcionamiento (además de otros aspectos de interés), son indicados mediante led en la carátula frontal. En cuanto al almacenamiento de programa, este es respaldado por la batería tampón. Además, se dispone de un slot para acoplar tarjetas de memoria que contengan programas.

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El interface MPI permite la conexión con otros dispositivos para la programación, visualización o interacción con el programa. De este modo, un PC, programadora, módulo visualizador, etc se conectará a través de este puerto. El conector de alimentación requiere de señal 24 VDC. Esta proviene de la fuente de alimentación externa.

24 VDC

Indicador de tensión

Voltage selector

Selector de voltaje

ON OFF

Interruptor ON/OFF de 24 VDC

L1 N L+ M Terminales de salida de 24 VDC L+ M

Figura 5.2.

Fuente de alimentación.

Memoria En la unidad central también encontraremos la memoria del autómata (de diferentes tipos). Una memoria no deja de ser más que un dispositivo capaz de realizar el almacenamiento de información. Esta información es tratada digitalmente (en base a bit de estado 1 ó 0) y puede ser nuestro programa, o datos que el PLC necesita. También puede ser información transparente a nosotros, es decir, programas y datos ya incluidos dentro del autómata, y usados por él, sin que nosotros seamos conscientes de ello (por ejemplo el sistema operativo que este emplee). Físicamente, sabemos que el almacenamiento de información en base a bit corresponde a estados 1 ó 0. De este modo, 1 bit nos dará la capacidad de almacenar tan sólo dos estados (claramente la capacidad es insuficiente). Por ello se emplean matrices de bits, ampliando de forma importante la capacidad de las mismas. Tan sólo indicar, que para las aplicaciones electroneumáticas convencionales, la memoria disponible en cualquier unidad suele ser más que suficiente.

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Formación Abierta

En cuanto a tipos de memoria, encontramos...



Memoria ROM (Read Only Memory). Memoria de solo lectura. La ROM es la memoria que no pierde sus datos cuando quitamos la alimentación. Por esta razón, la ROM también se conoce como memoria no volátil. Hay distintos tipos de memoria ROM, como la PROM, EPROM, EEPROM, Flash EPROM. Todas ellas hacen referencia a los modos en que estas son grabadas / borradas.



PROM (Programmable Read Only Memory). ROM Programable. La memoria PROM es una memoria ROM que puede ser programada por el usuario. Por cada bit de la PROM hay algo parecido a un fusible. La PROM se programa fundiendo estos fusibles. Si la información grabada en la PROM resulta ser errónea, la podemos tirar tranquilamente, puesto que estos fusibles se funden de forma permanente. Por este motivo a la memoria PROM también se conoce como OTP (One-time programable, o programable sólo una vez).



EPROM (Erasable Progammable ROM). ROM programable y borrable. Esta memoria se inventó para permitir cambios en los contenidos de una memoria PROM una vez que la habíamos “fundido”. Con los EPROM podemos programar el chip de memoria y después borrarlo tantas veces como queramos. El único problema es que el borrado puede tardar unos 20 minutos. Todas las memorias EPROM tienen una ventanita en el chip, usada para permitir el paso de radiaciones ultravioletas (UV), que son las que realizan las tareas de borrado. Por esta razón podemos encontrar referencias a las mismas como UV-EPROM.



EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). ROM programable y borrable eléctricamente. La memoria EEPROM tiene grandes ventajas sobre su antecesora EPROM, como el hecho de que su sistema de borrado es eléctrico e instantáneo. Además, con las EEPROM podemos seleccionar qué byte queremos borrar, en contraste con las UV-EPROM en las que se borraba el contenido entero de la memoria.

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Aun así, la principal ventaja de las memorias EEPROM, es el hecho de que podemos programar y borrar sus contenidos desde la misma tarjeta de sistema que la soporta, es decir, no necesita un dispositivo externo para programarla o borrarla. Para aprovechar esta característica completamente, el diseñador debe incorporar en la tarjeta de sistema la circuitería necesaria.



Flash EPROM. EPROM (Rápida). Su nombre proviene de la rapidez con la que se realiza el proceso de borrado: se borra en un flash. Como el sistema de borrado es eléctrico, también la encontraremos como Flash EEPROM. La mayor diferencia con las EEPROM puras es que las Flash EPROM se borran completamente.



Memoria RAM (Random Access Memory). Memoria de acceso aleatorio. También conocida como memoria volátil, ya que al quitarle la alimentación se pierde su contenido. Hay tres tipos de RAM: SRAM, DRAM y NV-RAM.



SRAM (Static RAM). RAM estática. Las celdillas en la SRAM están hechas con biestables flip-flops y no necesitan refrescar su contenido para mantener los datos. El principal problema que presentan es que, por sus características constructivas, pueden almacenar a igual tamaño, menos información que sus primashermanas DRAM.



DRAM (Dynamic RAM). RAM dinámica. Estas memorias usan un condensador para almacenar cada bit. El uso de condensadores supone un menor tamaño para almacenar la misma información que con una SRAM, pero tiene el inconveniente de que necesitan “refrescar” su contenido constantemente, por el hecho de que el condensador pierde su carga (todos los condensadores tienen una corriente de pérdida). Otra desventaja con respecto a la SRAM, es que el “tiempo de acceso” (el tiempo que se tarda en leer o escribir un dato en ellas), es mayor. Su principal ventaja: son mucho más baratas.

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Formación Abierta



NV-RAM (Non Volatile RAM). RAM no volátil. Simplemente es una RAM que cuenta con una pequeña batería de Litio integrada en el mismo chip. Cuando desconectamos la alimentación, la batería se encarga de mantener los datos. ¿Cuánto dura la batería? Unos diez años. ¿Cuál es su principal inconveniente? Son astronómicamente caras.

La programación que un usuario realiza en un PLC es alojada en la memoria RAM del mismo (posibilidad de lectura / escritura). Se debe recordar que este tipo de memorias pierde su contenido al desconectar la alimentación, lo cual implicaría que la pérdida de tensión tendría como consecuencia la pérdida del programa. Afortunadamente esto no sucede ya que el propio PLC dispone de una pila para el resguardo del mismo.

5.1.2.

Entradas y salidas de un PLC

Los módulos de entrada y/o salida de un PLC pueden ser de carácter digital o analógico. De este modo, podremos realizar tratamientos de señal desde lo más simple (presencias o no presencias), hasta lo más complejo (por ejemplo controles variables de señal para ciclos proporcionales). Todo ello se realiza gracias a los conversores analógico / digital o digital / analógico de un PLC.

Señal digital (binaria): es aquella que tan sólo diferencia dos posibles estados 1 ó 0, ON – OFF, conectado – desconectado, etc. Como aplicación: un detector magnético. Señal analógica: es aquella variable en el tiempo y de infinitos valores (comprendidos entre límites genéricos 0 10 V. Como aplicación: un transductor de presión.

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En los PLC de gama media, los módulos de entradas y salidas (independientemente de su carácter analógico o digital) pueden ser ampliadas. De este modo, configuraremos el PLC acorde a las necesidades de nuestro ciclo. Para ello, deberemos de consultar la capacidad de ampliación del modelo de PLC empleado (ver documentación técnica de fabricante). 24 VDC

E 124

E ...

A 124

A ...

E 125

E ...

A 125

A ...

RUN P

Voltage selector

RUN

ON OFF

STOP MRES L1 N L+ M L + M

M L+ M

Figura 5.3.

Configuración de un PLC. Fuente + CPU + n... módulos de Entrada / Salida.

Las conexiones de los dispositivos de entrada / salida serán directos si la tensión de trabajo es coincidente y la carga es soportada. De este modo, a nivel físico la conexión de pulsadores, detectores, bobinas de electroválvula, etc... resultará: Módulo de entradas

Módulo de salidas

Elección libre de direccionamientos...

E 124

A 124

E 125

A 125

Elección libre de direccionamientos...

Y1

...

S1 a0

a1

Y3 ...

b0 L+

Figura 5.4.

Y2

N

Ejemplo de conexionado físico.

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5.1.3.

Programación de PLC´s

Los PLC´s pueden ser programados desde programadoras o software específico. Los elementos empleados son propios de cada marca e incluso en algunos casos, de cada modelo. Por otra parte, un PLC puede ser programado por contactos, en lista de instrucciones y en algunas ocasiones por bloques lógicos de función (por ejemplo en SIEMENS). Para obtener una información más detallada, consultar el Anexo 1. Programación S7. En el mismo, se darán unas nociones básicas sobre las instrucciones de programación más comunes, las cuales nos permitirán comprender sin problemas los siguientes apartados.

En este apartado tan solo se trata una visión general de la programación de autómatas. Para mayor información, consultar los manuales de programación de cada modelo.

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5.2. Implementación mediante PLC´s Tal y como ya se ha comentado, un PLC es un elemento programable mediante el cual “programaremos” un funcionamiento máquina en vez de cablearlo. Evidentemente, necesitaremos conocer “que programar” o lo que es lo mismo, necesitaremos conocer las ecuaciones lógicas que describen cada movimiento neumático. Para ello, podemos emplear diferentes sistemas o herramientas a libre voluntad. Centrándonos en la programación de sistemas electroneumáticos, los métodos más habituales serán: Empleo de ecuaciones lógicas (extraídas de grafos de secuencia). Programación Grafcet. Evidentemente, el primer método indicado (implementación directa de ecuaciones lógicas), requiere el conocimiento del método de “Grafos” para definirlas previamente. Si este es conocido, la programación resultará extremadamente sencilla y compacta (muy pocas líneas de programa). Por otro lado, se debe indicar que la modificación de la secuencia o la inclusión de condiciones adicionales resultará relativamente laboriosa. En el segundo de los métodos de resolución propuesto (Grafcet), observaremos que estos últimos problemas (cambios de secuencia) se minimizan, ya que el Grafcet se caracteriza por ser un sistema de programación estructurado y extremadamente flexible. Sin embargo, la programación resultará más laboriosa debido a lo extenso del código a programar. Ambos sistemas se explican a continuación...

5.2.1.

Implementación basada en Grafos

Si se desea realizar una implementación mediante ecuaciones lógicas lo primero que necesitaremos será establecer el proceso que analizamos en la unidad anterior, el cual corresponde a: definir el grafo (según secuencia), localizar repeticiones de bloque, discriminar y extraer las ecuaciones. Una vez realizado este proceso, comenzarán las diferencias, las cuales serán:



Establecer una correspondencia entre entradas y salidas del PLC con respecto a los detectores, elementos de potencia y demás elementos auxiliares. La asignación será variable (denominación), en función del PLC analizado.

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

Establecer una correspondencia de las variables auxiliares (memorias X, Y...) con los bit internos del autómata (variables en función de marca y modelo).



Establecer simplifcaciones y / o transformaciones si procede entre elementos de carácter biestable / monoestable.



Implementar mediante el lenguaje de programación más adecuado (variable en función del programador, complejidad de mando y marca – modelo de PLC).

Con referencia a las transformaciones de ecuaciones biestable / monoestable se debe indicar que: Cuando se trabaja con elemento físico (por ejemplo un relé, propio de lógica cableada) debemos de adaptarnos a la mecánica del componente. Cuando se trabaja con bit interno de autómata, estos presentan la opción de ser programados a voluntad. Ello quiere decir que las transformaciones no serán necesarias. Por ello, si un elemento (por ejemplo memoria –bit interno equivalente a una memoria) ha de ser programado tendremos una doble opción; puede ser programado en modo monoestable (lo cual requerirá transformación) o bien podrá ser programado en modo biestable (aprovechando directamente las ecuaciones definidas para la conexión –SET- y desconexión – RESET-.

Analizaremos un ejemplo de aplicación y para ello optaremos por una programación basada en un PLC Siemens (concretamente un S7 – 300). La programación para otros autómatas tan apenas sufrirá modificaciones si se programa en contactos eléctricos (excepto las direcciones de entradas / salidas / bit internos / temporizadores / etc...). Si se opta por una programación en lista de instrucciones la diferencia será total (al ser prácticamente propia de cada autómata). Planteamos el siguiente funcionamiento... Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática correspondiente a un dispositivo de estampación y extracción de piezas compuesto por tres actuadores de carácter lineal (A, B y C). La secuencia a realizar corresponde a...

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Cilindro A

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Cilindro C

Cilindro B

Figura 5.5.

Croquis de funcionamiento máquina.

La secuencia lineal del funcionamiento máquina corresponde a... A+ B+ B- A- C+ CUna vez definida la secuencia lineal, plantearemos el grafo, buscaremos las repeticiones y ejecutaremos la discriminación. Una correcta discriminación nos deja en condiciones de empezar a extraer las ecuaciones de control. Inicialmente plantearemos que la máquina trabaja con actuadores de carácter “doble efecto” gobernados por válvulas 5/2 biestables. Posteriormente se realizará algún cambio en el control para comprobar las diferencias entre el mando (en sus posibles variantes de programación).

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a1 b0 c0

B+

x1

B-

a1 b1 c0 a1 b0 c0

“M”

A+

X

a0 b0 c0 a0 b0 c1

Figura 5.6.

X

C-

x0

C+

A-

a0 b0 c0

Grafo de secuencia. Resolución gráfica.

De este grafo, extraemos las ecuaciones las cuales corresponden a... A

M · c0 · x

A

b0 · x

B

a1· x

B

b1

C

a0 · x

C

c1

X1(conexión)

b1

X0 (desconexi ón) c1

Con las ecuaciones ya escritas, analizaremos la asignación de entradas / salidas y marcas (denominación de los bit internos de SIEMENS). Se debe recordar que en cada marca / modelo de autómata se darán diferencias. En una CPU Siemens 314, la asignación E / S / M corresponde a...

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Entradas digitales integradas

E

De E 124.0

a...

E 125.7

Salidas digitales integradas

A

De A 124.0

a...

A 125.7

Marcas integradas

M

De M 0.0

a...

M 255.7

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Se opta por una asignación propia correspondiente a... Entradas

Salidas

a0

E 124.0

A+

A 124.0

a1

E 124.1

A-

A 124.1

b0

E 124.2

B+

A 124.2

b1

E 124.3

B-

A 124.3

c0

E 124.4

C+

A 124.4

c1

E 124.5

C-

A 124.5

Marcha

E 125.0

Marcas (memorias auxiliares) X

M 0.0

Ejemplo de tabla de asignación para Simatic S7 300. Una vez conocidas las asignaciones, estamos en disposición de poder ejecutar la programación del dispositivo. Analizaremos la programación en KOP, AWL y FUP (como ejemplo de solución). La programación se realizará estructurada por segmentos (es decir, ecuación por ecuación). Programación KOP

Segmento 1

Movimiento A +

Espacio reservado para la documentación del programa... E 125.0

E 124.4

M 0.0

A 124.0

Marcha

c0

Negación X

A+

Como puede observarse, se trata de algo tan sencillo como realizar una trascripción fiel del esquema eléctrico de contactos anteriormente cableado a un esquema de contactos (americanos) programados. El cumplimiento de la serie de tres contactos (dos presencias y una no presencia), activa la bobina A+. El incumplimiento de alguno de las mismas desactiva el accionamiento pero esto no preocupa al trabajar con válvula biestable.

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Segmento 2

Movimiento A -

Espacio reservado para la documentación del programa... E 124.2

M 0.0

A 124.1

b0

X

A-

Segmento 3

Movimiento B +

Espacio reservado para la documentación del programa... E 124.1

M 0.0

A 124.2

a1

Negación X

B+

Segmento 4

Movimiento B -

Espacio reservado para la documentación del programa... E 124.3

A 124.3

b1

B-

Segmento 5

Movimiento C +

Espacio reservado para la documentación del programa...

E 124.0

M 0.0

A 124.4

a0

X

C+

Segmento 6

Movimiento C +

Espacio reservado para la documentación del programa...

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E 124.5

A 124.5

c1

C-

Electroneumática

Segmento 7

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Memoria de discriminación X (Opción 1)

Espacio reservado para la documentación del programa...

Como es sabido, en lógica cableada al ser el relé X de carácter monoestable debería darse una transformación de las ecuaciones para obtener un control de tipo... X (b1 x ) · c1

Este sería fácilmente implementable programando la marca en monoestable. El resultado sería... E 124.3

E 124.5

M 0.0

b1

c1

X

M 0.0

Rearme

El tratamiento es similar al relé (enclavamiento eléctrico). Si se da la señal E 124.3 (b1), la memoria X (tratada como M 0.0) se conecta. Esta se encarga de realizar su realimentación mediante el paralelo de su contacto abierto a la señal de conexión. En el momento en que se de la señal E 124.5 (c1), se procede al corte de esta realimentación. Este efecto se debe a que cuando se da presencia, se abre el circuito lógico interrumpiendo el flujo de señal. Segmento 7

Memoria de discriminación X (Opción 2) Espacio reservado para la documentación del programa...

Otra opción (si cabe más sencilla), es programar el bit de memoria X (M 0.0) como biestable. Esto quiere decir que se precisa señal de SET y de RESET para ejecutar la conexión y desconexión respectivamente del mismo. La ventaja evidente es que el sistema de grafo nos ha proporcionado señales para biestable, por lo que en este caso no será necesaria ninguna transformación. Ante las ecuaciones... X1(conexión)

b1

X0 (desconexi ón) c1

La implementación resultará...

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E 124.3

M 0.0 SET

b1

E 124.5 RESET c1

X

Independientemente del modo de programación por el cual se opte, se hace evidente que todos ellos resultan extremadamente sencillos, máxime cuando se trata tan sólo de una trascripción pura a contacto eléctrico. Programación FUP La programación FUP emplea simbología lógica para la implementación de los circuitos. Recordando conceptos lógicos explicados en la asignatura de “Neumática” (y otras como “Electrónica Digital”, etc), no deberemos de tener mayor problema para la implementación.

KOP: método de programación muy adecuado para personas con formación eléctrica. FUP: método de programación muy adecuado para personas con formación en “lógica” (neumática, electrónica, etc.).

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Electroneumática

Segmento 1

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Movimiento A +

Espacio reservado para la documentación del programa... E 125.0 Marcha E 124.4 A 124.0

c0 M 0.0 Negación X

=

&

A+

Como puede observarse, el tratamiento de una no presencia es realizado mediante la negación de la entrada. Para ello bastará posicionarnos sobre la entrada a negar y forzar su negación mediante un inversor (software de programación).

Segmento 2

Movimiento A -

Espacio reservado para la documentación del programa... E 124.2 b0

A 124.1

M 0.0 X

Segmento 3

=

&

A-

Movimiento B +

Espacio reservado para la documentación del programa... E 124.1 a1 M 0.0 Negación X

A 124.2

&

= B+

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Segmento 4

Movimiento B -

Espacio reservado para la documentación del programa... A 124.3 E 124.3

=

b1

B-

Segmento 5

Movimiento C +

Espacio reservado para la documentación del programa... E 124.0 a0 M 0.0 X

Segmento 6

A 124.4

&

= C+

Movimiento C -

Espacio reservado para la documentación del programa... A 124.5 E 124.5

=

c1

C-

Segmento 7

Memoria de discriminación X (Opción 1)

Espacio reservado para la documentación del programa...

Obtenidas las ecuaciones de conexión y desconexión de la memoria, podremos optar por su implementación en modo monoestable o biestable. Para el primer caso indicado tenemos... X (b1 x ) · c1

Esto requiere utilizar una nueva puerta (OR) para poder ejecutar la realimentación de la propia memoria. La negación de c1, ejecutará el corte de señal o desconexión.

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Electroneumática

05

E 124.3 b1 M 0.0

>1

X

M 0.0

&

E 124.5

=

Negación c1

Segmento 7

X

Memoria de discriminación X (Opción 2)

Espacio reservado para la documentación del programa...

La segunda opción (tratamiento biestable), es una implementación directa de las señales SET / RESET sobre el módulo de programación. M 0.0 E 124.3

SET

b1 E 124.5

RESET

c1

X

Programación AWL La programación AWL emplea códigos de operación (propios de cada autómata). Por ello, representa el método más complejo de programación (dada la variedad de PLC´s) pero también se debe destacar que es la programación que presta mayores prestaciones. En Siemens los códigos corresponden a U (función AND), O (función OR), N (negación), = (asignación monoestable), S / R (asignación biestable), etc. Segmento 1

Movimiento A +

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

125.0

Marcha

U

E

124.4

c0

UN

M

0.0

X negado

=

A

124.0

A +

Técnicas de diseño III

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Formación Abierta

Segmento 2

Movimiento A -

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

124.2

b0

U

M

0.0

X

=

A

124.1

A -

Segmento 3

Movimiento B +

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

124.1

a1

UN

M

0.0

X negado

=

A

124.2

B +

Segmento 4

Movimiento B -

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

124.3

b1

=

A

124.3

B -

Segmento 5

Movimiento C +

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

124.0

a0

U

M

0.0

X

=

A

124.4

C +

Segmento 6

Movimiento C -

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

124.5

c1

=

A

124.5

C -

Segmento 7

Memoria de discriminación X (Opción 1)

Espacio reservado para la documentación del programa... X (M 0.0) es tratado como elemento de carácter monoestable (se precisa transformación). U

E

124.3

b1

O

M

0.0

X

UN

E

124.5

c1

=

M

0.0

X

La programación que se muestra en la opción 1 es susceptible de alguna pequeña modificación (generalmente basada en los gustos del usuario). No olvidemos que la memoria (bit M 0.0 también puede ser programado en biestable). Esta opción se muestra en el Segmento 7, Opción 2 y puede comprobarse su mayor claridad.

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Técnicas de diseño III

Electroneumática

Segmento 7

05

Memoria de discriminación X (Opción 2)

Espacio reservado para la documentación del programa... Recordar que el orden de programación S/R o R/S define la prioridad. En este caso, encontramos prioridad RESET (ultima acción programada). U

E

124.3

b1

S

M

0.0

conexión X

U

E

124.5

c1

R

M

0.0

desconexión X

Terminamos aquí con el ejemplo de programación del ciclo electroneumático propuesto (en los 3 métodos de programación SIEMENS). En ellos, se ha podido comprobar que partiendo de “soluciones dadas”, es decir, ecuaciones extraídas de grafos de secuencia la programación del autómata resulta sencilla y tan sólo bastarán nociones de programación y manejo del software apropiado. Ahora, se analizarán otros métodos de resolución basados en la gran potencia que aporta un autómata como por ejemplo el Grafcet. Este nos permitirá solucionar sin necesidad de emplear los grafos analizados hasta el momento.

5.2.2.

Grafcet

El Grafcet o también conocido como Sistema de Mando – Etapa –Transición, constituye un sistema homologado por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, 848), que nos permitirá tanto la representación de sistemas de carácter secuencial como su resolución multidisciplinar (automatismo eléctrico, neumático, registros, PLC, etc.). Se entiende que el sistema comienza con la representación de las acciones a ejecutar, la relación con las anteriores y posteriores y las informaciones que provocan cada accionamiento. Una vez el sistema este representado, las instrucciones son extraídas fácilmente e implementadas con la tecnología que más no convenga. Muchos fabricantes facilitan la labor de programación de sistemas mediante Grafcet, como por ejemplo la programación de PLC´s Telemecanique o SIEMENS (mediante su software GRAPH 5). Hay que destacar que un Grafcet puede resultar sencillo o complejo en cuanto a las informaciones que recoja, y además, puede incluir información específica si de antemano conocemos la tecnología que emplearemos para la resolución del secuencial.

Técnicas de diseño III

25

Formación Abierta

5.2.2.1.

Etapas

Un ciclo de carácter secuencial (neumático o hidráulico), se compone de varias acciones encadenadas. Este proceso, seguro se puede agrupar en pequeños bloques y a su vez estos, nos llevarán a las acciones individuales de cada elemento. Pues bien, cada acción de elemento, puede constituir una etapa (en algunas ocasiones una etapa también puede desarrollar varias acciones individuales). Si estamos familiarizados con las aplicaciones neumáticas, digamos que una “etapa” es una “fase de trabajo”. Comenzaremos con un ejemplo de automatización...

Se pretende realizar la automatización de una secuencia electroneumática correspondiente a un dispositivo de estampación y extracción de piezas compuesto por tres actuadores de carácter lineal (A, B y C). La secuencia a realizar corresponde a...

A + B + B- A- C + CEl croquis de la aplicación...

Cilindro A

Cilindro C

Cilindro B

Figura 5.7.

26

Técnicas de diseño III

Croquis de funcionamiento máquina.

Electroneumática

05

Inicialmente, se deberá definir la mecánica a emplear en el dispositivo. De este modo, se opta por 3 cilindros (A, B y C) de doble efecto gobernados por válvulas 5/2 de carácter biestable. La detección será realizada por medio de detectores magnéticos (a0, a1,...c1). En estos momentos, deberemos establecer una tabla de asignación de entradas y salidas. Como en el ejemplo anterior, está corresponderá a... Entradas

Salidas

a0

E 124.0

A+

A 1240.

a1

E 124.1

A-

A 124.1

b0

E 124.2

B+

A 124.2

b1

E 124.3

B-

A 124.3

c0

E 124.4

C+

A 124.4

c1

E 124.5

C-

A 124.5

Marcha

E 125.0

Reset

E 125.1

Marcas (memorias auxiliares) Ver desarrollo de Grafcet.

Ejemplo de tabla de asignación para Simatic S7 300. Partiremos de una representación de la primera etapa de Grafcet. Podemos apreciar dos zonas; la primera corresponde a información de la posición que ocupa en el ciclo, la segunda hace referencia a condiciones particulares y descripción de la acción. S

P1 M 0.1

R

NM

A+

A 124.0

Avance primera unidad. Alimentación de pieza y apriete.

Como puede apreciarse, la información aportada en esta etapa es completa ya que se hace referencia a la posición ocupara por la acción, las marcas y salidas físicas asociadas a la acción, las condiciones de activación (SET) y desactivación (RESET) e información textual de la acción.

Técnicas de diseño III

27

Formación Abierta

La información contenida por un Grafcet puede ser variable (principalmente en función de cómo se desee implementar con posterioridad). No obstante, debe tenerse en cuenta que cuanto más completa sea la información que este contiene, más útil resultará tanto al programador como a quien deba interpretarlo con posterioridad).

Condiciones de activación Posición de ciclo Condiciones de desactivación Memorizar/ No memorizar Acción S

P1

R

NM

A+

A 124.0

Avance primera unidad. Alimentación de pieza y apriete.

M 0.1

Marcas asociadas Información textual Salida asociada

Indiscutiblemente, esta etapa de Grafcet muestra una información del todo completa y en algunas situaciones no será necesaria tanta información. Incluso podemos reducir la etapa a...

P1

A+

No obstante, vale la pena perder un poco de tiempo en la elaboración de las mismas ya que posteriormente nos facilitará en gran medida la resolución de la secuencia y al tiempo es una valiosa documentación del sistema.

28

Técnicas de diseño III

Electroneumática

05

Lo realmente importante de las etapas de Grafcet es que no podemos activar una de ellas hasta que se cumpla la condición de transición (CT) y que la etapa previa se encuentre activa. Este aspecto es el que hace del Grafcet un sistema realmente interesante ya que aunque una determinada condición de transición afecte a dos o más etapas, estas no podrán activarse de forma simultánea (como mucho una si se cumple su precedente). Esta regla de evolución del Grafcet evita las dobles señales producidas en las aplicaciones neumáticas e hidráulicas (tanto en su variante de mando por fluido o eléctrico), y hace del Grafcet sistema imprescindible en la programación de secuenciales complejos. En la figura, puede apreciarse como imaginando que se ha ejecutado el movimiento B+, la condición de transición b1 intentará activar la etapa 8 y la etapa 11. Esto supondría un grave problema en un sistema que no se base en las reglas de evolución Grafcet ya que una misma señal ha de forzar acciones diferentes en distintos puntos de secuencia. Una NO discriminación del estado supondría una ejecución incorrecta de la misma. Sin embargo, sabemos que en Grafcet una etapa tan sólo se activa con la CT y el cumplimiento de la etapa anterior.

P6 ... P7

B+ b1

P8

Bb0

P9

C+ c1

P10

B+ b1

Esto supone que si se da b1 · P7, se activará la P8. Si se da b1 · P10, se activará P11. La P7 y P10 no pueden darse simultáneamente.

P11

A...

P12

Un Grafcet se basa en reglas de evolución. Se entiende por tanto que... Una etapa tan sólo puede ser conectada cuando se da la presencia de la condición de transición y además se encuentra activa su etapa anterior. Este efecto elimina los complicados métodos discriminación que se emplean en otros sistemas.

de

Técnicas de diseño III

29

Formación Abierta

P6

P6 ...

P7

... B+

P7

b1 P8

b1 B-

P8

b0 P9

P9

c1

C+ c1

B+

P10

b1 P11

Bb0

C+

P10

B+

B+ b1

A-

P11

... P12

A...

P12

Aquí se representa la activación de las etapas 8 y 11 mediante el cumplimiento del producto lógico (Etapa anterior · CT). Se entiende además, que en un Grafcet, cada etapa borra a la anterior o dicho de otro modo, tan sólo se encuentra activa la etapa que está desarrollando la acción. Volveremos al ejemplo presentado para completar la representación de las posiciones de circuito antes de pasar a la definición de las condiciones de transición. Representación de las posiciones de ciclo...

30

Técnicas de diseño III

Electroneumática

S

P1

R

P2

R

P3

R

P4

R

P5

R

P6

R

P0

NM

B-

A 124.3

NM

A-

A 124.1

NM

C+

A 124.4

NM

C-

A 124.5

Retorno tercera unidad. Retirada del expulsor.

M 0.6

S

A 124.2

Avance tercera unidad. Entra expulsor.

M 0.5

S

B+

Retorno primera unidad. Liberación de pieza.

M 0.4

S

NM

Retorno segunda unidad. Retirada del marcador.

M 0.3

S

A 124.0

Avance segunda unidad. Marcado de pieza.

M 0.2

S

A+

Avance primera unidad. Alimentación de pieza y apriete.

M 0.1

S

NM

05

R

M 0.0

En todo Grafcet, existe una posición que corresponde a la condición de inicio de secuencia. Esta posición recibe el marcado “0” y a nivel de representación gráfica corresponde a un doble cuadro. No tiene acciones asociadas ya que tan sólo muestra el sistema en condiciones de inicio o lo que es lo mismo, la máquina posicionada para la realización de un nuevo ciclo.

S

P0

R

M 0.0

Esta posición puede estar representada al inicio o fin de secuencia, al ser ambos puntos idénticos (concepto de sistema secuencial puro).

Técnicas de diseño III

31

Formación Abierta

Algunas consideraciones sobre las etapas (marcado) En cada una de las etapas, se realiza un marcado de códigos correspondientes a M (memorizar) o NM (no memorizar). Este tipo de marcado suele ser suficiente para las aplicaciones electroneumáticas. Este marcado corresponde a la necesidad o no necesidad de memorizar las salidas asociadas y viene dado por la mecánica de la válvula a emplear. De este modo si la válvula es biestable, no será precisa la memorización ya que la propia válvula se comporta como memoria. Si por el contrario la válvula presenta mecánica monoestable, suele ser precisa la memorización ya que el tránsito de posición (tránsito de marca), tendría como consecuencia la pérdida de la salida. Este último caso tiene sus particularidades ya que si un monoestable ejecuta acción e inmediatamente la contraria, puede omitirse la memorización (por ejemplo C+ C -, no memorizado). No obstante, IEC recomienda otro tipo de marcado más completo, el cual corresponde a las denominaciones C, D, L, P y S. C

Acción condicionada.

D

Acción retardada.

L

Acción limitada en el tiempo.

P

Acción de impulso.

S

Acción memorizada.



Acción condicionada (C) Una acción condicionada corresponde a aquella en la cual, una condición externa la hace activarse (fuera del proceso habitual de Grafcet). Por ejemplo, un cilindro de prensado puede bloquearse al ser detectada una presión insuficiente mediante un presostato. La indicación, puede venir dada de forma exterior al Grafcet. Presostato "P1"

S

P3

R

M 0.3



NM

C+

Ciclo prensado. Avance.

A 124.4

D

Bloqueo +

A 124.5

Bloqueo de prensa.

Acción retardada (D) Este código nos servirá para representar las acciones retardadas en el tiempo, es decir, aquellas lanzadas habitualmente mediante temporizador de tipo RC. Se puede indicar el valor de la temporización para obtener una mayor documentación.

32

Técnicas de diseño III

Electroneumática

S

P3

R

M 0.3

D = 3s

C+

05

A 124.4

Ciclo prensado. Avance.

En el ejemplo se representa un movimiento C+ temporizado, es decir, se ejecutará 3 segundos más tarde de la activación de la posición o marca 0.3. Si durante el tiempo de espera la marca es borrada, la temporización no se ejecuta. 1 M 0.3

0 1

A 124.4 0



T

Acción limitada en el tiempo Digamos que es el tipo contrario al anterior en cuanto a concepto de funcionamiento. Se entiende, que en este caso la etapa es activada de forma automática y esta puede dar un tránsito inmediato a la siguiente, pero la acción lanzada perdurará el tiempo especificado en el Grafcet.



Acción memorizada (S) Este ha sido el caso que desarrollamos en el Grafcet. Se entiende que podemos definir memorización (Set) y posteriormente su desactivación (Reset). La no identificación de etapa memoriza hace suponer que esta no lo es.

Habitualmente en electroneumática memorizaremos la salida en caso de trabajar con válvulas monoestables. Si por el contrario son biestables, se suele optar por una programación de salida en modo monoestable.



Acción de impulso ( I ) En este caso la etapa da un impulso de duración limitada y definida.

Técnicas de diseño III

33

Formación Abierta

5.2.2.2.

Transiciones

Las transiciones son sencillamente las condiciones que han de darse para poder activar una etapa de Grafcet. Estas, quedan constituidas como mínimo por el producto lógico de la etapa anterior y la condición de transición pura, que no es otra cosa que la señal que valida o confirma la ejecución de las acciones de la etapa anterior. Las condiciones de transición corresponden a señales simples o negadas como producto o suma lógica. También pueden ser señales de contador, temporizador o incluso elementos exteriores a la aplicación. De cara a la representación simbólica tenemos... a

a

a

a

b

b

b

b

c

c

c

c

Producto lógico

A=a·b·c

Suma lógica

Producto lógico

Suma lógica

1 señal negada

1 señal negada

A=a·b· c

A=a+b+ c

A=a+b+c

Por supuesto, para la activación o desactivación de una etapa pueden incluirse todo tipo de funciones lógicas, tanto simples como complejas. Imaginando que la función de conexión y desconexión de una etapa corresponde a... Set = a · b + c · d

a

Reset = e + f b c

e

d

f S

P...

R Etapa cualquiera

M ....

Las señales a, b, c... pueden ser detectores de posición, marcas, pulsadores, contactos de temporizador o cualquier otra señal. Las transiciones, podrán ser representadas como expresiones Booleanas si se pretende simplificar la representación del Grafcet. Veamos el ejemplo...

34

Técnicas de diseño III

Electroneumática

Marcha

05

Reset

a0 · b0 · c0

M 0.2

M 0.0 S

P1

R

NM

M 0.1 M 0.1

Reset

a1

M 0.3 S

P2

R

NM

M 0.2

Reset

b1

M 0.4 P3

R

M 0.3

Reset

b0

M 0.5 P4

R

NM

M 0.4

Reset

a0

M 0.6 P5

R

NM

M 0.5

Reset

c1

M 0.0 P6

A-

A 124.1

C+

A 124.4

Avance tercera unidad. Entra expulsor.

M 0.5

S

A 124.2

Retorno primera unidad. Liberación de pieza.

M 0.4

S

B+

NM BA 124.3 Retorno segunda unidad. Retirada del marcador.

M 0.3

S

A 124.0

Avance segunda unidad. Marcado de pieza.

M 0.2

S

A+

Avance primera unidad. Alimentación de pieza y apriete

R

NM

C-

A 124.5

Retorno tercera unidad. Retirada del expulsor.

M 0.6 M 0.6 c0

M 0.1

Reset S

P0

R

M 0.0

En el Grafcet puede apreciarse claramente la filosofía del mismo en cuanto a...



Para iniciarse, deberán darse las condiciones de posición inicial (a0, b0 y c0), la señal de arranque “Marcha” y la marca 0.0 (M 0.0). Esta ultima indica que el Grafcet se encuentra en reposo (desactivado y en espera de iniciar un nuevo ciclo).

Técnicas de diseño III

35

Formación Abierta



Las transiciones entre etapas son ejecutadas siempre por la condición de marca y su producto por la CT (señal o señales de confirmación de movimientos). Se muestra claramente el proceso secuencial y paso progresivo por las mismas.



Las marcas son borradas por la siguiente y como doble opción por la señal de Reset. Esta borrará todas las marcas excepto la inicial. Habitualmente esta señal también tiene efectos sobre la potencia del sistema.



Se puede decir, que la secuencia esta completa y tan sólo será necesaria la implementación con el lenguaje de programación más adecuado.

Por ejemplo, si una vez realizado el Grafcet deseamos implementar mediante una programación AWL (lista de instrucciones), esta corresponderá a... Segmento 1

Mando A+

Segmento 2

Espacio reservado para la documentación del programa...

Mando B+

Espacio reservado para la documentación del programa...

U

E

125.0

Marcha

U

M

0.1

U

E

124.0

a0

U

E

124.1

U

E

124.2

b0

S

M

0.2

U

E

124.4

c0

O

E

125.1

U

M

0.0

Aux.

O

M

0.3

S

M

0.1

R

M

0.2

O

E

125.1

O

M

0.2

R

M

0.1

a1

Reset

Reset

Puede observarse como en la conexión de la primera etapa se consulta el posicionamiento inicial de ciclo (a0 · b0 · c0). Además, es indispensable la señal de arranque genérica M y la presencia de señal sobre la marca de inicio M 0.0. Las desconexiones quedan reservadas al paralelo entre la señal de Reset (puesta a cero) o bien la marca siguiente. Segmento 3

Mando B -

Segmento 4

Espacio reservado para la documentación del programa...

36

U

M

0.2

U

E

124.3

S

M

0.3

O

E

125.1

O

M

R

M

Técnicas de diseño III

Mando A -

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.3

U

E

124.2

S

M

0.4

O

E

125.1

0.4

O

M

0.5

0.3

R

M

0.4

b1

Reset

b0

Reset

Electroneumática

Segmento 5

Mando C+

Segmento 6

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.4

U

E

124.0

S

M

0.5

O

E

125.1

O

M

R

M

Segmento 7

Mando C -

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.5

U

E

124.5

S

M

0.6

O

E

125.1

Reset

0.6

O

M

0.0

Inicio

0.5

R

M

0.6

a0

Reset

05

c1

Inicio M 0.0

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.6

U

E

124.4

c0

O

E

125.1

Reset

S

M

0.0

Inicio

U

M

0.1

R

M

0.0

Inicio

Una vez definido el mando de Grafcet, pasaremos al desarrollo de la potencia. Debemos recordar que al trabajar con válvula monoestable no es preciso enclavar la salida (programación monoestable). Pueden incluirse tratamientos adicionales como la incorporación de presostatos, sistemas de reposición, etc... Por ejemplo y considerando un sistema de reposición a mínima, la programación resultará... Segmento 8

Potencia A +

Segmento 9

Potencia A -

Espacio reservado para la

Espacio reservado para la

documentación del programa...

documentación del programa...

U

M

0.1

=

A

124.0

A+

O

E

125.1

O

M

0.4

=

A

124.1

Reset

A -

Técnicas de diseño III

37

Formación Abierta

Segmento 10

Potencia B +

Segmento 11

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.2

=

A

124.2

Segmento 12

B+

Potencia C +

Potencia B -

Espacio reservado para la documentación del programa... O

E

125.1

O

M

0.3

=

A

124.3

Segmento 13

Reset

B -

Potencia C -

Espacio reservado para la

Espacio reservado para la

documentación del programa...

documentación del programa...

U

M

0.5

=

A

124.4

C+

O

E

125.1

O

M

0.6

=

A

124.5

Reset

C -

Con esto la programación queda terminada.

5.2.2.3.

Reglas de evolución del Grafcet

Antes de continuar con los ciclos especiales (bifurcaciones y saltos), se recogen las consideradas como reglas de evolución del Grafcet. Estas corresponden a...

38



Un proceso secuencial, se deberá descomponer en etapas las cuales se ejecutaran de forma secuencial conforme a lo descrito en Grafcet.



Cada etapa podrá tener una o varias acciones asociadas (recordar las “fases de trabajo” en aplicaciones electroneumáticas o electrohidráulicas. Las acciones tan sólo se ejecutaran cuando “su” etapa se encuentre activa.



Una etapa se activará, cuando estando la anterior activada se cumpla la condición de transición. Este efecto podrá ser un tanto confuso en secuencias donde se produzcan saltos.



El cumplimiento de una condición de transición implicará la conexión de la etapa siguiente y por tanto la propia desconexión de la misma (previa verificación de la acción ejecutada).



Un ciclo Grafcet precisa que la etapa de condición inicial (para nosotros etapa 0), se encuentre activa. Podrá precisarse una señal de activación o enclavar la misma para futuros ciclos.

Técnicas de diseño III

Electroneumática

5.2.3.

05

Ciclos con bifurcación

En este aparatado se prestará atención a dos de las secuencias más importantes en los automatismos electroneumáticos o electrohidráulicos como son las bifurcaciones de carácter simultáneo o selectivo. Comenzamos con las bifurcaciones simultáneas o “divergencias”.

5.2.3.1.

Bifurcaciones simultáneas

En este tipo de secuencias, se da que en un momento determinado se activan dos o mas ramales de ejecución, los cuales se desarrollaran conforme a la activación de sus etapas y condiciones de transición pero, por decirlo de algún modo, dichos ramales serán independientes entre si. Tan solo, al finalizar la ejecución de los ramales, se entrara en un tiempo de espera hasta que todos hayan terminado su ejecución (es momento de terminar con la secuencia común). Por ejemplo tenemos un ciclo que ejecuta un proceso común “A”. Concluido este proceso, se abren ramales simultáneos “B, C y D” (mecanizados). Tan solo cuando estos hayan concluido su ejecución, se terminará la secuencia con el ramal común “E”. Se entiende que cada uno de los ramales contendrá X número de etapas y en consecuencia de acciones a desarrollar. El incumplimiento de alguno de los ramales supondría el paro de la secuencia.

Técnicas de diseño III

39

Bloque A

Formación Abierta

1

...

2

...

3

...

Bloques B (10), C (20) y D (30)

Ct = bloque A

Ct = bloque A

Ct = bloque A

10

...

20

...

30

...

11

...

21

...

31

...

12

...

22

...

23

...

Bloque E

Ct = bloque B · bloque C · bloque D 4

...

5

...

6

...

0

Como puede observarse, el cumplimiento del bloque A lanzará la ejecución simultánea de los bloques B, C y D. Cada uno de ellos, se ejecutará en función de sus propias condiciones. Para retomar la secuencia común E, se deberá haber confirmado la ejecución de todos los ramales lanzados con anterioridad (en este caso, E = cumplimiento B · C · D).

40

Técnicas de diseño III

Electroneumática

5.2.3.2.

05

Bifurcaciones selectiva

Bloque A

Parecidas a las anteriores en cuanto a que suelen tener ramales de ejecución común pero llegada a un determinado punto, ejecutan alguno de los ramales en función de la condición de lanzamiento. Por ejemplo, podemos encontrar una ejecución común sobre pieza (bloque A); llegados a un determinado punto, se analiza una condición externa K. Si existe K, lanzamos el bloque B pero si por el contrario no existe K, se ejecutará el bloque C. Con independencia del ciclo ejecutado (bloques B ó C), se retoma con posterioridad una secuencia común de ejecución D. Evidentemente, si la condición de lanzamiento K es de carácter binario, no podrán ejecutarse los ramales B y C de forma simultánea. 1

...

2

...

3

...

Bloques B (10) y C (20)

Ct = bloque A · K

Ct = bloque A · K

10

...

20

...

11

...

21

...

12

...

22

...

23

...

Bloque D

Ct = bloque B + bloque C 4

...

5

...

6

...

0

Técnicas de diseño III

41

Formación Abierta

Un ciclo de carácter selectivo no está limitado a 2 ramales sino que su número será variable. De este modo, podremos encontrar secuencias donde en función de la identificación de producto se optará por actuar con un bloque A, B, C, D...

5.2.4.

Ciclos con saltos

Existen dos tipos de saltos y ambos son de extrema importancia para el tipo de aplicaciones con las que trabajamos: saltos (hacia delante) o repeticiones (saltos hacia atrás). Los primero suelen estar relacionados con la no ejecución de tareas especificas (lo cual suele requerir de señales externas), mientras que los segundos, quedan relacionados con la ejecución repetitiva de acciones (a modo de subrutina) por lo cual suelen combinarse con contadores y comparaciones.

5.2.4.1.

Saltos

En este tipo de ciclos, una parte de la secuencia quedará contenida en el denominado “salto”. De este modo, llegados a un determinado punto, se analiza si este bloque ha de ejecutarse o no. En caso afirmativo, la secuencia continua en modo lineal. En caso negativo, el salto no es ejecutado ni en consecuencia las acciones asociadas al mismo. Imaginemos un ciclo donde una pieza se construye en plástico o metal. La pieza que ha sido mecanizada debe recibir un tratamiento si es metálica pero no si es plástica. Se entiende que existirá un proceso común de manipulación A; posteriormente se analiza el material (por ejemplo mediante inductivos y capacitivos). Si la pieza es metálica (cumple K), se deberá realizar el tratamiento asignado al bloque de ejecución B. Si la pieza es plástica (no cumple K), no se realizará el tratamiento (omisión o salto del bloque B). Independientemente de la ejecución o no de este bloque, las piezas tienen salida de máquina mediante una manipulación asignada al bloque C. Recordamos que...

42

Bloque A

Manipulación de entrada (común).

Bloque B

Tratamiento condicional (salto).

Bloque C

Manipulación de salida (común).

Técnicas de diseño III

Bloque A

Electroneumática

1

...

2

...

3

...

05

Bloques B (10) Condicional.

Ct = bloque A · K

10

...

11

...

12

...

Bloque C

Ct = bloque A · K

Ct = bloque B

4

...

5

...

6

...

0

En este tipo de secuencias, se deberá prestar especial atención a algunos bloques de conexión y desconexión. Mientras, el desarrollo propio de cada bloque (es decir, las partes no afectadas por el salto se ejecutan de modo convencional. Ver bloques 3, 4 y 12.

Técnicas de diseño III

43

Formación Abierta

5.2.4.2.

Repeticiones

En este caso trataremos un salto hacia atrás, donde también se suele analizar una condición K o su negación, la cual se suele trabajar asociada a contadores y comparadores.

Bloque A

Imaginaremos un ciclo donde existe una secuencia común de manipulación A. Posteriormente se ha de realizar un proceso de estampado (asignado al bloque B) que deberá ejecutarse X veces (valor asignado a contador y comparador). Una vez ejecutado el bloque B (cumplimiento de K), el ciclo terminará la manipulación de extracción de pieza asignada al bloque C. 1

...

2

...

3

...

Bloques B (10) . CNT.

Ct = bloque A

10

...

11

...

12

...

Bloque C

Ct = bloque B · K

Ct = bloque B · K

4

...

5

...

6

...

0

44

Técnicas de diseño III

Electroneumática

5.2.5.

05

Ciclos complejos

Se han estudiado los principales casos o tipos de secuencia que podemos encontrar en el desarrollo de secuenciales, pero ha de tenerse en cuenta que lo más habitual es encontrar ciclos combinados. De este modo, es fácil encontrar secuencias donde se combinen las bifurcaciones y los saltos incluso dentro de los propios ramales de activación. Suele ser en estos casos donde resulta especialmente útil un Grafcet, dada la enorme simplicidad de programación que presenta.

...

Bloque lineal

...

3 ramales simultáneos Bifurcación AND

... ...

...

...

...

...

...

...

2 ramales selectivos Bifurcación OR

... ...

...

...

...

... ...

... ...

Salto de secuencia

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

Técnicas de diseño III

45

Electroneumática

05

Resumen El tratamiento de las señales eléctricas y por tanto la resolución de las secuencias puede ser realizado mediante autómatas programables (PLC´s). Estos permiten una resolución más eficaz que los clásicos cuadros de relés. En una aplicación basada en PLC´s, los diferentes elementos integrantes serán conectados a los módulos de entrada o salida (en función del tipo). Las informaciones serán tratadas por el “programa de usuario”. Esto simplifica en gran medida las correcciones y modificaciones del comportamiento de la máquina. Los PLC´s son programados en diferentes lenguajes, lo cual permite que el usuario escoja el que mejor convenga a su formación técnica. Evidentemente, es necesario tener un conocimiento electro / electrónico / informático para poder programarlos. El PLC permitirá implementar de forma directa las ecuaciones extraídas de los grafos de secuencia (analizados con anterioridad). Optar por este método simplifica la programación (además de reducirla). Habitualmente, las secuencias electroneumáticas son programadas mediante Grafcet, lo cual permite realizar programaciones complejas con cierta sencillez. Además, el sistema es extremadamente flexible, lo cual lo hace especialmente adecuado para dejar programaciones abiertas donde los posibles cambios serán realizados muy cómodamente.

Técnicas de diseño III

47

06

Electroneumática

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

06

Índice OBJETIVOS ........................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 4 6.1. Estación 1 .................................................................................................. 8 6.1.1. Mecánica ............................................................................................. 9 6.1.2. Secuencia ............................................................................................ 9 6.1.3. Grafcet y asignación E/S ................................................................... 12 6.1.4. Programación .................................................................................... 14 6.2. Estación 2 ................................................................................................ 18 6.2.1. Mecánica ........................................................................................... 19 6.2.2. Secuencia .......................................................................................... 19 6.2.3. Actividades ........................................................................................ 20 6.3. Estación 3 ................................................................................................ 21 6.3.1. Mecánica ........................................................................................... 22 6.3.2. Secuencia .......................................................................................... 22 6.3.3. Actividades ........................................................................................ 23 6.4. Estación 4 ................................................................................................ 25 6.4.1. Mecánica ........................................................................................... 26 6.4.2. Secuencia .......................................................................................... 26 6.4.3. Actividades ........................................................................................ 27 6.5. Estación 5 ................................................................................................ 29 6.5.1. Mecánica ........................................................................................... 30 6.5.2. Secuencia .......................................................................................... 30 6.5.3. Actividades ........................................................................................ 32 6.6. Estación 6 ................................................................................................ 33 6.6.1. Mecánica ........................................................................................... 34 6.6.2. Secuencia .......................................................................................... 34 6.6.3. Actividades ........................................................................................ 35 RESUMEN......................................................................................................... 37

Ejemplos Grafcet

1

Electroneumática

06

Objetivos Conocer una aplicación real formada por varios manipuladores neumáticos, lo cual nos permitirá tener una visión clara del alcance del automatismo electroneumático. Conocer los diferentes tipos de ciclos que se pueden presentar en una aplicación, demostrando la sencillez de programación. Conocer las diferentes mecánicas empleadas para la consecución de accionamientos mecánicos basados en activaciones neumáticas (con independencia del tipo de mando aplicado). Profundizar en la elaboración de ciclos basados en Grafcet, lo cual nos permitirá reforzar lo estudiado en la Unidad Didáctica anterior.

Ejemplos Grafcet

3

Formación Abierta

Introducción Esta unidad es un tanto especial ya que no se centra en el estudio teórico sino en el práctico. A lo largo de las siguientes páginas se mostrará una célula flexible que tiene por objeto realizar un montaje de componentes mecánicos. Para ello, se empleará un total de 6 estaciones dedicadas y un transfer de para la continuidad del ciclo. Se opta por automatizar mediante PLC´s dedicados a cada estación (lo cual no es necesario, ya que un PLC potente y dotado de suficientes entradas y salidas sería capaz de realizar todo el control); se opta por tanto por una solución más didáctica cuyo objeto será analizar detalladamente cada unidad integrante de modo aislado. El dispositivo a montar corresponde a... Montaje de base.

Estación 1.

Montaje de rodamiento.

Estación 2.

Montaje de eje.

Estación 3.

Verificación de altura de eje.

Estación 4.

Carga de tapeta si eje = OK. Carga de tornillos.

Estación 5.

Solo si eje = OK. Extracción del conjunto.

Estación 6.

Pieza buena = salida OK. Pieza mala = salida no OK. Las piezas de montaje y proceso del mismo se establecen a continuación (existen algunas condiciones propias de aplicaciones didácticas, en donde soluciones basadas en otras tecnologías podrían resultar más adecuadas y eficaces). Los elementos integrantes corresponden a...

4

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

Figura 6.1.

Figura 6.2.

06

Base. Operación de estación 1.

Rodamiento. Operación de estación 2.

Figura 6.3.

Eje. Operación de estación 3.

Ejemplos Grafcet

5

Formación Abierta

Figura 6.4.

Figura 6.5.

Figura 6.6.

6

Ejemplos Grafcet

Tapeta. Operación de estación 4.

Tornillos. Operación de estación 5.

Conjunto. Operación de estación 6 (extracción).

Electroneumática

Figura 6.7.

06

Conjunto de montaje (explosión).

La descripción la encontraremos más detallada en cada una de las estaciones, las cuales se enuncian a continuación...

Ejemplos Grafcet

7

Formación Abierta

6.1. Estación 1 En la estación número 1, comienza el trabajo de montaje del dispositivo mecánico. Esta estación está compuesta por un moto – reductor que corre la cinta de alimentación (no analizado en el ejemplo), y un conjunto de tres actuadores (ejes neumáticos y sujeción de pieza). La detección de la posición de los actuadores es ejecutada mediante detectores magnéticos. También se dispone de un detector inductivo para la captación de la presencia o no presencia de piezas sobre la cinta transportadora de carga. Antes de realizar la explicación de ciclo, veamos el croquis de máquina... A

B

C

Figura 6.8.

Estación de trabajo 1.

Ante la llegada de un palet de carga, se da la orden de arranque (señal genérica “M”). Es entonces cuando se hace la consulta de presencia de piezas o no piezas sobre la zona de carga (detector inductivo). En caso de no existir piezas, se pone en funcionamiento el motor reductor de cinta hasta captar la presencia. En caso de existir presencia, comienza la acción neumática. El ciclo comienza con movimiento con movimiento del brazo vertical (B+) y el cierre de la pinza (C+). Se provoca la elevación y traslado (B- y A+). Desde aquí se baja a posicionar sobre el palet (B+ y liberación de material C-). El sistema recupera a posición de inicio mediante un B- y A-, para quedar e disposición de iniciar una nueva secuencia ante el aporte de la señal de arranque.

8

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

6.1.1.

06

Mecánica

La estación queda compuesta a nivel mecánico por tres actuadores, un motoreductor y los sistemas de detección (de posición de actuadores y condiciones de trabajo). Más concretamente... Actuador A

Cilindro de doble efecto con unidad de guiado externa (función de limitación de carrera y antigiro). Dispone de amortiguadores hidráulicos en topes de carrera. Brazo horizontal.

Actuador B

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo vertical.

Actuador C

Pinza neumática de apertura paralela.

Motoreductor

Motoreductor de acople a cinta transportadora para la carga de los bloques base. Estos son captados por un detector inductivo situado en el extremo de carga.

6.1.2.

Secuencia

La secuencia desarrollada por la estación corresponde a.... "M"

B+

C+

B-

A+

B+

C-

B-

A-

Según un desarrollo o representación GRAFCET...

Ejemplos Grafcet

9

Formación Abierta

“M”

B+

C+

B-

A+

B+

C-

B-

A-

Figura 6.9.

10

Ejemplos Grafcet

GRAFCET estación de trabajo 1.

Y1

a0

R

A

A

S

B

a1

Y2

Y3

b0

R

A

B

S

B

b1

Y4

c0

R

A

C

S

B

c1

S

P

R

Electroneumática

Ejemplos Grafcet

06

11

Formación Abierta

6.1.3.

Grafcet y asignación E/S

Se dispone de una tabla de asignación entradas / salidas correspondiente a... Entradas

Salidas

a0

E 124.0

A+

A 124.0

a1

E 124.1

A-

A 124.1

b0

E 124.2

B

A 124.2

b1

E 124.3

C

A 124.3

c0

E 124.4

c1

E 124.5

Marcha

E 125.0

Reset

E 125.1

Inductivo p.p.

E 125.7

Estamos en disposición de plantear el Grafcet.

12

Ejemplos Grafcet

M

A 124.4

Electroneumática

Marcha

06

Reset

a0 · b0 · c0

M 0.2

M 0.0 S

P1

R

M 0.1

M B+ A 124.2 Bajada eje vertical. Recoge pieza.

M 0.1

Reset

b1

M 0.3 S

P2

R

M 0.2

M C+ Cierra pinza. Amarre de pieza.

M 0.2

Reset

c1

M 0.4 S

P3

R

M 0.3

M

Reset

b0

M 0.5 P4

R

M 0.4

NM

Reset

a1

M 0.6 P5

R

M 0.5

Reset

b1

M 0.7 P6

R

M 0.6

M CAbre pinza Libera pieza.

M 0.6

Reset

c0

M 1.0 S

P3

R

M 0.7

M

Reset

b0

M 0.0 P4

B-

---

---

Subida eje vertical.

M 0.7

S

A 124.0

M B+ A 124.2 Bajada eje vertical. Recoge pieza..

M 0.5

S

A+

Desplazamiento horizontal.

M 0.4

S

---

Subida eje vertical.

M 0.3

S

B-

A 124.3

R

M 1.0

NM

A-

A 124.1

Desplazamiento horizontal.

M 1.0 a0

M 0.1

Reset S

P0

R

M 0.0

Ejemplos Grafcet

13

Formación Abierta

6.1.4.

Programación

Como podemos observar, lanzado el ciclo mediante la señal de marcha se produce una transición secuencial entre las marcas. Ahora, cada una de las mismas controlará las salidas en modo mono o biestable (comprobar sobre Grafcet como se indica memorización para los controles de electroválvulas monoestables). La programación en lista de instrucciones corresponde a... Segmento 1

Segmento 1, accionamiento B+ (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

125.0

MARCHA

U

E

124.0

A0

U

E

124.2

B0

U

E

124.4

C0

U

M

0.0

MARCA DE INICIO

U

E

125.7

PRESENCIA DE PIEZAS

S

M

0.1

O

M

0.2

O

E

125.1

R

M

0.1

Segmento 2

RESET

Segmento 2, accionamiento C+ (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.1

U

E

124.3

S

M

0.2

O

M

0.2

O

E

125.1

R

M

0.2

Segmento 3

B1

RESET

Segmento 3, accionamiento B- (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa...

14

U

M

0.2

U

E

124.5

S

M

0.3

O

M

0.4

O

E

125.1

R

M

0.3

Ejemplos Grafcet

C1

RESET

Electroneumática

Segmento 4

06

Segmento 4, accionamiento A+ (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.3

U

E

124.2

S

M

0.4

O

M

0.5

O

E

125.1

R

M

0.4

Segmento 5

B0

RESET

Segmento 5, accionamiento B+ (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.4

U

E

124.1

S

M

0.5

O

M

0.6

O

E

125.1

R

M

0.5

Segmento 6

A1

RESET

Segmento 6, accionamiento C- (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.5

U

E

124.3

S

M

0.6

O

M

0.7

O

E

125.1

R

M

0.6

Segmento 7

B1

RESET

Segmento 7, accionamiento B- (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.6

U

E

124.4

S

M

0.7

O

M

1.0

O

E

125.1

R

M

0.7

C0

RESET

Ejemplos Grafcet

15

Formación Abierta

Segmento 8

Segmento 8, accionamiento A- (mando)

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.7

U

E

124.2

S

M

1.0

O

M

0.0

O

E

125.1

R

M

1.0

Segmento 9

B0

RESET

Segmento 9, MARCA DE INICIO

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

1.0

U

E

124.0

A0

O

E

125.1

RESET

S

M

0.0

U

M

0.1

R

M

0.0

Con esto completaremos el GRAFCET de mando para movimientos de cilindro. Ahora ha de programarse la potencia del sistema (activación física de las salidas). En función de la naturaleza de las electroválvulas se deberán programar las salidas en monoestable o biestable (ver GRAFCET, condiciones de memorización o no memorización –códigos M o NM respectivamente-). Segmento 10

Segmento 10, potencia A+

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.4

Marca de A+

=

A

124.0

Salida física A+

Segmento 11

Segmento 11, potencia A-

Espacio reservado para la documentación del programa...

16

O

M

1.0

Marca de A-

O

E

125.1

RESET

=

A

124.1

Salida física A-

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

Segmento 12

06

Segmento 12, potencia B±

Espacio reservado para la documentación del programa... O

M

0.1

Marca de B+ (primera)

O

M

0.5

Marca de B+ (segunda)

S

A

124.2

Salida física B+

O

M

0.3

Marca de B- (primera)

O

M

0.7

Marca de B- (segunda)

O

E

125.1

RESET

R

A

124.2

Salida física B+

Segmento 13

Segmento 12, potencia C±

Espacio reservado para la documentación del programa... U

M

0.2

Marca de C+

S

A

124.3

Salida física C+

O

M

0.6

Marca de B- (primera)

O

E

124.1

RESET

R

A

124.3

Salida física C+

Una vez concluida la programación general de mando y potencia, pueden establecerse otras condiciones particulares de trabajo (las cuales pueden ser consideradas incluso como no pertenecientes a la secuencia electroneumática). Como ejemplo encontramos el accionamiento de la cinta en caso de no encontrar presencia de piezas. Las soluciones son del todo variadas. En este caso se plantea una resolución sencilla de accionamiento en caso de no presencia y desactivación cuando se realice la carga. Para prever la “no llegada” de las piezas, podrían establecerse temporizadores de desconexión o cualquier otro automatismo. Segmento 14

Segmento 14, Mando de cinta transportadora

Espacio reservado para la documentación del programa... U

E

125.0

MARCHA

UN

E

125.1

PRESENCIA DE PIEZA

S

A

124.4

SALIDA MOTOR

U

E

125.1

PRESENCIA DE PIEZA

R

A

124.4

SALIDA MOTOR

Son válidas otras muchas opciones de control.

Ejemplos Grafcet

17

Formación Abierta

6.2. Estación 2 En la estación 2 se realiza la carga de un rodamiento (apoyo sobre la base de conjunto). Esta compuesta por un par de mesas lineales de translación (eje horizontal y vertical) más una pinza de tres dedos para el amarre interno del rodamiento. También se dispone de un cilindro de vástago paralelo situado en la zona externa y que forma el alimentador por gravedad de la aplicación. Veamos el croquis de posición...

A B

C

D

Figura 6.10. Estación de trabajo 2.

Ante la llegada de un palet cargado, se produce la elevación mediante un cilindro centrador no contemplado en esta secuencia (pertenece a transfer). Imaginemos que la elevación provoca la señal genérica de arranque “M”. Con esta señal “M”, arranca el ciclo mediante la carga del rodamiento (C+); este cilindro debe retirarse inmediatamente (C-) ya que de otro modo actuaría a modo de mordaza. Se controla la presencia de rodamiento mediante corte de célula fotoeléctrica. Cargado el rodamiento, se procede a su extracción mediante la bajada del brazo vertical (B+), y apertura de la pinza (D+); elevación con B- y traslado con A+. Bajaremos el brazo vertical (B+) y se suelta el rodamiento (D-). En estos momentos el rodamiento se encuentra posicionado y tan solo resta la retirada a condiciones iniciales: B- (recuperación del brazo vertical) y A- (recuperación del brazo horizontal). Se fuerza la salida del palet y con ello nos encontraremos en condiciones de volver a ejecutar un nuevo ciclo.

18

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

6.2.1.

06

Mecánica

La estación queda compuesta a nivel mecánico por cuatro actuadores y los sistemas de detección (de posición de actuadores y condiciones de trabajo). Más concretamente... Actuador A

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo horizontal.

Actuador B

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo vertical.

Actuador C

Cilindro plano de vástagos paralelos. Función antigiro.

Actuador D

Pinza neumática de tres dedos. Amarre interno.

Detección

Célula fotoeléctrica para la captación de carga.

6.2.2.

Secuencia

La secuencia desarrollada por la estación corresponde a.... "M"

C+

C-

B+

D+

B-

A+

B+

D-

B-

A-

Según un desarrollo o representación GRAFCET... “M”

C+

C-

B+

D+

B-

A+

B+

D-

B-

A-

Figura 6.11. GRAFCET estación de trabajo 2.

Ejemplos Grafcet

19

Formación Abierta

6.2.3.

Actividades

Plantea el esquema de potencia (posibilidades) para la estación de trabajo número 2.

Plantea el GEAFCET desarrollado de la estación de trabajo número 2.

Plantea una asignación de entradas y salidas de PLC. Estudia detalladamente lo que se considere estrictamente necesario para ciclo.

Plantea la resolución mediante programación PLC (cualquier lenguaje de programación) para la estación número 2.

20

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

06

6.3. Estación 3 En la tercera estación se realiza la carga de ejes sobre el rodamiento. La estación está compuesta por un cilindro de doble efecto con unidad de guiado (brazo horizontal), una mesa de traslación (brazo vertical), una pinza de dos dedos apertura paralela y un conjunto de paso de cinta activado mediante un giro limitado con rueda libre y un cilindro de doble efecto que provocará el bloqueo de la misma. El croquis de posición corresponde a...

A B

E

C-D

Figura 6.12. Estación de trabajo 3.

Ante la llegada del palet se aporta la señal genérica de arranque “M”. El ciclo comienza con la bajada del brazo vertical en busca del eje (B+). Cierra la pinza y se eleva el conjunto (E+ y B-). Para que todo ello suceda se deberá tener presencia de eje, algo que es realizado mediante una célula fotoeléctrica. Comienza el posicionamiento del eje mediante un traslado horizontal (A+), la bajada del brazo vertical (B+) y la apertura de la pinza (E-). El sistema queda en disposición de recuperar mediante un ciclo clásico correspondiente a B- y A-. Mientras todo esto sucede, se deberá ejecutar la carga de un nuevo eje (ya que se establecida por secuencia que cuando la máquina arranca, existe presencia de los mismos.). Esto es realizado mediante una cinta de avance paso a paso de accionamiento neumático, una solución eficaz pero quizá no del todo recomendable (dada su relativa complejidad y poca flexibilidad).

Ejemplos Grafcet

21

Formación Abierta

Una carga es realizada mediante: Se provoca un movimiento de avance (paso de cinta) mediante el accionamiento del giro limitado (C+). Se presupone que se acaba de forzar la carga de eje. Si el cilindro de giro recupera su posición, se perderá el paso y por ello dispone de una rueda libre acoplada. Se requiere el bloqueo de la misma (D+) y asegurado el mismo se recupera el cilindro de giro (C-). El bloqueo existente hace que se pierda el paso y por ello ya se puede proceder al desbloqueo de la rueda (D-). Esta subsecuencia corresponde a... C+ D+ C- DPuede integrarse linealmente con la secuencia o lanzarse de modo simultáneo durante la ejecución de la principal. Pueden establecerse también repeticiones de la misma en previsión de una falta en la carga de ejes.

6.3.1.

Mecánica

La estación queda compuesta a nivel mecánico por cinco actuadores y los sistemas de detección (de posición de actuadores y condiciones de trabajo). Más concretamente... Actuador A

Cilindro de doble efecto con unidad de guiado externa (función de limitación de carrera y antigiro). Dispone de amortiguadores hidráulicos en topes de carrera. Brazo horizontal.

Actuador B

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo vertical.

Actuador C

Cilindro de giro limitado (piñón – cremallera). Su eje viene acoplado a una rueda libre.

Actuador D

Cilindro de doble efecto convencional con accesorio para el trabado de la rueda libre.

Actuador E

Pinza neumática. 2 dedos apertura paralela.

Detección

Célula fotoeléctrica para la captación de carga.

6.3.2.

Secuencia

La secuencia desarrollada por la estación corresponde a.... “M”

22

Ejemplos Grafcet

B+

E+

B-

A+

B+

E-

B-

C+

D+

C-

D-

A-

Electroneumática

06

Según un desarrollo o representación GRAFCET... “M” B+

E+

B-

A+

C+

B+

D+

E-

C-

B-

D-

A-

Figura 6.13. GRAFCET estación de trabajo 3.

6.3.3.

Actividades

Plantea el esquema de potencia (posibilidades) para la estación de trabajo número 3.

Plantea el GEAFCET desarrollado de la estación de trabajo número 3.

Ejemplos Grafcet

23

Formación Abierta

Plantea una asignación de entradas y salidas de PLC. Estudia detalladamente lo que se considere estrictamente necesario para ciclo.

Plantea la resolución mediante programación PLC (cualquier lenguaje de programación) para la estación número 3.

24

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

06

6.4. Estación 4 En la estación 4 se realiza una doble acción. Por una lado se verificara la medida de eje (mediante un cilindro con lectura de carrera) y por otro lado se procede a la carga de la tapeta en caso de que la pieza reciba una inspección positiva. El croquis de posición corresponde a...

E

D A C

B

Figura 6.14. Estación de trabajo 4.

Ante la llegada del palet, se produce la señal de marcha genérica “M”. Esta arranca el ciclo mediante movimiento A+ y A- (cilindro con lectura de carrera y unidad de programación, donde se aportará señal k o su negación en función de pieza correcta o incorrecta respectivamente). Se inicia una bifurcación selectiva donde... Si la pieza es incorrecta (señal k negada), el ciclo concluye, dándose salida a la pieza sin ninguna ejecución sobre la misma. Si la pieza es correcta (señal k), se inicia el ciclo mediante la carga de tapeta (almacén de gravedad). El ciclo corresponde a C+ (carga) y C- (retirada para no amordazar). Bajada de la mesa de traslación (D+) y cierre de la pinza (B+). Elevación y traslado (D- y E+), para iniciar el posicionado de la tapeta (D+ y B-). El sistema queda en condiciones de recuperar su posición de inicio. Para ello recupera el brazo vertical y horizontal respectivamente (D- y E-). El sistema queda en posición de reposo y listo para la ejecución de un nuevo ciclo.

Ejemplos Grafcet

25

Formación Abierta

6.4.1.

Mecánica

La estación queda compuesta a nivel mecánico por cinco actuadores y los sistemas de detección (de posición de actuadores y condiciones de trabajo). Más concretamente... Actuador A

Cilindro con lectura de carrera (+ control electrónico de la misma). Empleado como verificador de alturas de eje.

Actuador B

Pinza neumática. 2 dedos apertura paralela.

Actuador C

Cilindro plano de vástagos paralelos. Función antigiro.

Actuador D

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo vertical.

Actuador E

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo horizontal.

6.4.2.

Secuencia

La secuencia desarrollada por la estación corresponde a.... “M”

k A+

A-

C+

C-

D+

B+

k

Según un desarrollo o representación GRAFCET...

26

Ejemplos Grafcet

D-

E+

D+

B-

D-

E-

Electroneumática

06

“M” A+ Ak C+

k

CD+ B+ DE+ D+ BDE-

Figura 6.15. GRAFCET estación de trabajo 4.

6.4.3.

Actividades

Plantea el esquema de potencia (posibilidades) para la estación de trabajo número 4.

Plantea el GEAFCET desarrollado de la estación de trabajo número 4.

Ejemplos Grafcet

27

Formación Abierta

Plantea una asignación de entradas y salidas de PLC. Estudia detalladamente lo que se considere estrictamente necesario para ciclo.

Plantea la resolución mediante programación PLC (cualquier lenguaje de programación) para la estación número 4.

28

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

06

6.5. Estación 5 En la estación 5 se realiza la carga de una par de tornillos sobre la base del conjunto. Para ello se emplea un sistema manipulador (ejes horizontal / vertical), un sistema de amarre (2 pinzas de dedos paralelos y un giro limitado) y un sistema de paso de cinta similar al descrito en la estación 3 (acoplamiento a rueda libre) pero activado por un cilindro lineal. El croquis de posición corresponde a...

A B C

E

D

F-G

Figura 6.16. Estación de trabajo 5.

Ante la llegada de un palet cargado, se produce la elevación mediante un cilindro centrador no contemplado en esta secuencia (pertenece a transfer). Imaginemos que la elevación provoca la señal genérica de arranque “M”. Se provoca la bajada del la mesa de traslación (B+) y se recoge el primer tornillo (D+). Se debe elevar la mesa para no provocar golpes en el giro, por lo cual se produce un B-. Gira el actuador C (C+) y activamos el sistema de paso de cinta. Este corresponde a un movimiento F+ (cilindro lineal de paso), un G+ (bloqueo de la rueda libre) y la recuperación del sistema mediante un F- y G-. Se debe proceder a una nueva carga ya que se contempla que cuando la máquina arranca existe presencia del primer tornillo. Se fuerza la bajada a por el segundo tornillo (B+) y cierre de la pinza E (E+). Recupera el brazo vertical (B-) ya nos encontramos con el sistema cargado con los dos tornillos a posicionar. El resto corresponde a un sistema clásico de traslado y recuperación. Movimiento del brazo horizontal (A+), bajada del posicionador (B+) y liberación de los tornillos (apertura de las pinzas con D y E-). Recuperación del brazo vertical y horizontal, así como del actuador de giro (B-, A- y C-). El sistema se encuentra en condiciones iniciales y por tanto en disposición de comenzar un nuevo ciclo ante la señal de arranque “M”.

Ejemplos Grafcet

29

Formación Abierta

6.5.1.

Mecánica

La estación queda compuesta a nivel mecánico por siete actuadores y los sistemas de detección (de posición de actuadores y condiciones de trabajo). Más concretamente... Actuador A

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo horizontal.

Actuador B

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo vertical.

Actuador C

Cilindro de giro limitado (piñón – cremallera).

Actuador D

Pinza dos dedos.

Actuador E

Pinza dos dedos.

Actuador F

Cilindro lineal doble efecto con eje articulado y acoplado a rueda libre (recuperación de cinta).

Actuador G

Cilindro de doble efecto convencional con accesorio para el trabado de la rueda libre.

6.5.2.

Secuencia

La secuencia desarrollada por la estación corresponde a.... “M”

B+

D+

B-

C+

F+

G+

F-

G-

B+

E+

B-

A+

B+

D-

B-

A-

C-

F+

G+

E-

30

Ejemplos Grafcet

F-

G-

Electroneumática

06

Según un desarrollo o representación GRAFCET... “M”

continua B+

B-

D+

A+

B-

B+

C+

D-

F+

B-

E-

G+ A-

F+

C-

G+

F-

GFB+ GE+

Figura 6.17. GRAFCET estación de trabajo 5.

Ejemplos Grafcet

31

Formación Abierta

6.5.3.

Actividades

Plantea el esquema de potencia (posibilidades) para la estación de trabajo número 5.

Plantea el GEAFCET desarrollado de la estación de trabajo número 5.

Plantea una asignación de entradas y salidas de PLC. Estudia detalladamente lo que se considere estrictamente necesario para ciclo.

Plantea la resolución mediante programación PLC (cualquier lenguaje de programación) para la estación número 5.

32

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

06

6.6. Estación 6 La estación 6 dispone de una mecánica similar a la 1, ya que ambas funciones son similares (en la estación 1 se procede a la introducción de palet mientras que en la 6 a su extracción). El croquis de posición corresponde a... A

B

C

Figura 6.18. Estación de trabajo 6.

Ante la llegada del palet, se produce la señal genérica de arranque “M”. Esta lanza el brazo horizontal (A+) y posteriormente el brazo vertical (B+); se produce el cierre de la pinza (C+). El sistema recupera (B-) y comienza el traslado (A-). Baja el brazo vertical para posicionar sobre la cinta de salida (B+), abre la pinza (C) y recupera el brazo vertical (B-). El sistema se encuentra en disposición de iniciar un nuevo ciclo ante la señal de arranque “M”. Adicionalmente se puede contemplar un accionamiento de la cinta transportadora con sentidos de giro inverso (clasificación del material en “piezas buenas o malas” en función de la detección de medida realizada en la estación 4, lectura de carrera).

Ejemplos Grafcet

33

Formación Abierta

6.6.1.

Mecánica

Actuador A

Cilindro de doble efecto con unidad de guiado externa (función de limitación de carrera y antigiro). Dispone de amortiguadores hidráulicos en topes de carrera. Brazo horizontal.

Actuador B

Mesa lineal de traslación guiada. Extrema precisión con función antigiro y limitación de carrera. Brazo vertical.

Actuador C

Pinza neumática de apertura paralela.

Motoreductor

Motoreductor de acople a cinta transportadora para la descarga de los bloques montados. Posible accionamiento en giro a derechas o izquierdas en función de pieza correcta / incorrecta.

6.6.2.

Secuencia

La secuencia desarrollada por la estación corresponde a.... "M"

A+

B+

C+

B-

A-

B+

C-

B-

Según un desarrollo o representación GRAFCET... “M” A+ B+ C+ BAB+ CB-

Figura 6.19. GRAFCET estación de trabajo 6.

34

Ejemplos Grafcet

Electroneumática

6.6.3.

06

Actividades

Plantea el esquema de potencia (posibilidades) para la estación de trabajo número 6.

Plantea el GEAFCET desarrollado de la estación de trabajo número 6.

Plantea una asignación de entradas y salidas de PLC. Estudia detalladamente lo que se considere estrictamente necesario para ciclo.

Plantea la resolución mediante programación PLC (cualquier lenguaje de programación) para la estación número 6.

Ejemplos Grafcet

35

Electroneumática

06

Resumen Las estructuras de manipulación son conjuntos de elementos comerciales unidos por muy pocas piezas, por lo cual resulta extremadamente sencilla la formación de los mismos. Una vez establecidas las estructuras y conocida la secuencia a realizar, se establecerán las entradas y salidas necesarias. Con ello nos encontraremos en disposición de comenzar la programación. Las herramientas de representación y programación GRAFET nos resultarán extremadamente cómodas ya que aún siendo un método de resolución lento, es sencillo y se prestan especialmente bien a las modificaciones y / o correcciones de programa. La documentación completa y legible facilita enormemente las labores de mantenimiento. Por ello se debe prestar especial atención a este aspecto.

Ejemplos Grafcet

37