Sensores - PLC - Actuadores

Liceo Diego Portales 3º Electrónica

Control Eléctrico Rogelio Ortega B.

SENSORES O CAPTORES

Un sensor es una unidad electrónica capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería. Dependiendo del tipo de señal de salida del sensor, estos pueden ser: - Sensor analógico. - Sensor digital. Los sensores analógicos entregan como salida un voltaje o una corriente continuamente variable dentro del campo de medida especificado. El rango de voltaje de salida más común es 0 a 10 V y los rangos de corriente de salida más comunes son de 0 a 20 mA y 4 a 20 mA. Los sensores digitales entregan un voltaje o una corriente variable en forma de pulsos o pasos discretos de manera codificada, es decir con su valor representado en algún formato de pulsos o palabras, digamos PWM (Modulación de ancho de pulsos) o binario (0 - 1).

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TIPOS DE SENSORES

MAGNITUD FÍSICA Posición lineal o angular Desplazamiento y deformación Fuerza y torque (deformación) Presión Caudal

Temperatura

Proximidad Sonido Acidez (pH) Luz

Humedad

TRANSDUCTOR Potenciómetro Encoder Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) Galga extensiométrica

CARACTERÍSTICA Analógico Digital

Galga extensiométrica

Analógico

Presostato Piezoeléctrico Galga extensiométrica Magnético Termopar (Termocupla) Detector de temperatura resistivo (RTD) Termistor (NTC y PTC) Semiconductor (LM35) Termostato (Bimetal) Inductivo Capacitivo Fotoeléctrico Final de carrera Micrófono IsFET Fotodiodo Fototransistor Fotorresistencia (LDR) Celda fotovoltaica Capacitivo) Resistivo (Humistor) Humistato (expansión o contracción)

Digital Analógico Analógico Analógico Analógico

Analógico Analógico

Analógico Analógico Analógico Digital Digital Digital Digital Digital Analógico Analógico Digital Analógico Analógico Analógico Analógico Analógico Digital

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SENSORES ANALÓGICOS 1. Sensor de caudal Los sensores de flujo comúnmente llamados caudalímetros miden el volumen de líquido que pasa por un punto determinado durante un periodo definido. El flujo de un líquido que pasa por una tubería depende de cuatro factores: velocidad, densidad, viscosidad de flujo y el diámetro de la tubería. La operación de un caudalímetro magnético se basa en la ley de Faraday, que indica si un conductor se mueve a través de un campo magnético, entonces se induce en el mismo un voltaje (E) proporcional a su longitud (D), su velocidad de desplazamiento (V) y la intensidad del campo (B). En este caso el fluido en movimiento actúa como conductor, mientras que el campo lo establecen dos bobinas montadas en las paredes exteriores de la tubería y excitadas por un voltaje DC pulsante. Fórmula de Faraday:

E

D V B

Donde: E = Voltaje inducido en el conductor (electrodos) D = Longitud del conductor (distancia entre los electrodos) V = Velocidad del conductor (velocidad promedio del fluido) B = Fuerza del campo magnético El voltaje inducido que es proporcional al caudal volumétrico, se capta a través de dos electrodos localizados en las paredes internas de la tubería. Los caudalímetros magnéticos dependiendo del método de montaje pueden ser de dos tipos: ‾ En línea o tipo galleta ‾ De inserción Los encontrados en la planta el tabaco son del tipo galleta, los cuales son utilizados en aplicaciones de alta precisión, el campo magnético se produce a través de toda la sección transversal de la tubería de flujo.

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2. Transmisor de presión El transmisor de presión ha sido diseñado para todos los campos industriales en la medida de presión. Las aplicaciones típicas las encontramos en la ingeniería mecánica, plantas y la industria de la automatización así como en la industria de la refrigeración y el aire acondicionado. Estos sensores son alimentados con voltaje de 10 a 30 VDC y entregan señales de salida análoga entre 4 a 20 mA y 0 a 10 V, con lo que este transmisor puede ser integrado fácilmente en diferentes sistemas incluso bajo condiciones ambientales difíciles. Los trasmisores de presión poseen interiormente un diafragma que se deflecta proporcionalmente a la presión aplicada y una galga o puente de galgas (interconectadas formando un puente de Wheatstone) adheridas al diafragma que varían su resistencia de acuerdo a la magnitud de la fuerza resultante. Tanto el diafragma como las galgas extensiométricas (strain gage) pueden ser de material metálico o semiconductor. Las galgas fabricadas de semiconductores son las más utilizadas en la actualidad, también se les denomina piezorresistores. Figura transmisor

Cableado eléctrico

UB+: Fuente alimentación Sig+: Carga (PLC) Características técnicas transmisor de presión: Temperatura permisible Tensión de alimentación Rango de medición Señal de salida análoga Índice de protección

-30 °C a +80 °C 10 a 30 VDC 0 a 16 bar 4 a 20 mA 0 a 10 V IP65

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3. Sensor de nivel ultrasónico El transmisor envía un pulso ultrasónico (20 – 100 kHz) hacia la superficie del líquido (agua), mientras que el receptor capta el eco, es decir, el pulso reflejado. El tiempo trascurrido desde el instante en que se produce el pulso ultrasónico hasta el instante en que se recibe el eco, es proporcional a la distancia entre el sensor y la superficie del líquido y por lo tanto al nivel de este último. El sensor puede estar o no en contacto con el líquido. Se suprimen de manera fiable fuentes de interferencias tales como uniones soldadas, objetivos fijos, etc. Las propiedades químicas y físicas del medio no afectan al resultado de la medida. Por lo tanto, se pueden medir sin problemas sustancias agresivas, abrasivas, viscosas y adherentes. El sensor ultrasónico es alimentado con una tensión continua de 10 a 30 VDC y entrega una salida análoga de 4 a 20 mA y de 0 a 10 V al controlador lógico programable.

Características técnicas del sensor de nivel ultrasónico: Temperatura de funcionamiento Tensión de alimentación Consumo de potencia Alcance de medición Precisión Resolución Salida análoga Indicadores Montaje Índice de protección

-25 °C a +70 °C 10 a 30 VDC 1.200 mW 0,3 m a 4 m 0,5 % del fondo de escala 2mm 4 a 20 mA, RL máx 500 Ω 0 a 10 V, RL mín 1 kΩ LED verde, en funcionamiento LED rojo intermitente de 2 Hz, fallo Ha de montarse perpendicular al nivel a medir IP 55

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ACTUADORES ELÉCTRICOS 1. Contactores Los contactores son interruptores electromecánicos que es accionado por un electroimán o bobina con corriente. Se utiliza para permitir o interrumpir automáticamente el flujo de corriente a través de motores monofásicos y trifásicos de mediana y alta potencia. Al aplicar una tensión a la bobina, a través de esta circula una corriente y se produce en su interior un campo magnético, el cual es concentrado e intensificado por el núcleo fijo. Este campo a su vez, ejerce una fuerza sobre la culata móvil, superior a la fuerza ejercida por el resorte. Como resultado la culata es atraída por núcleo, cerrándose el circuito magnético y el resorte se comprime. Esto último causa que los contactos se cierren. Esta situación se mantendrá mientras permanezca energizada la bobina. Al retirar la tensión, cesa la corriente, se extinguen el campo magnético y la fuerza atractiva, y el resorte retorna los contactos a su posición original.

2. Pilotos de señalización Los pilotos de señalización se utilizan para indicar si un contacto y por tanto una carga (motor) está o no operando. Sirven además para llamar la atención sobre el correcto funcionamiento de una máquina o equipo, facilitando su control y mantenimiento, y por ende aumentando la seguridad de los operarios. Existen dos tipos de señalizadores ópticos, el primero de mica color verde (indica funcionamiento normal) y el segundo de mica color roja (indica falla por sobrecarga).

Piloto de señalización verde

Piloto de señalización roja

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3.

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Motor de inducción trifásico

Los motores de inducción trifásicos son los más utilizados en equipos industriales de trabajo pesado debido a que ofrecen un par (torque) elevado y un gran rendimiento. El devanado de campo se compone de tres bobinas, donde cada una de ellas se alimenta a la red trifásica (380 V). Al conectar el motor a red, las corrientes en las bobinas del estator producen un campo magnético giratorio. Este campo actúa sobre el campo magnético secundario producido por la corriente inducida en el rotor y mantiene a este último en movimiento permanente. El motor de inducción trifásico se compone básicamente de una parte fija o estator y una parte móvil o rotor. El estator comprende la carcasa, un núcleo magnético, un devanado y una bornera. La carcasa sirve de soporte al núcleo magnético, el cual está formado por un gran número de láminas ferromagnéticas apiladas que forman ranuras donde se aloja el devanado estatórico, encargado de producir el campo magnético giratorio. La bornera permite tener acceso a los principios de las bobinas, identificados como U1, V1 y W1, y los finales identificados como U2, V2 y W2. El rotor se compone de un eje y otro paquete de láminas ferromagnéticas que llevan en la periferia unas ranuras para alojar las bobinas rotóricas. Los extremos del eje se introducen en unos cojinetes o rodamientos. Dependiendo de la disposición de los conductores del rotor, se habla de motores de jaula de ardilla y motores de rotor bobinado. Los motores de jaula de ardilla son los más comunes, el bobinado del rotor está formado por un conjunto de conductores desnudos de cobre o aluminio, puestos en cortocircuito por sus extremos mediante dos anillos frontales del mismo material. En los motores de rotor bobinado, el rotor lleva un bobinado trifásico en estrella, alojado en las ranuras del núcleo magnético. Conexión en estrella

Conexión en triángulo

Devanados del motor

Devanados del motor

Caja de conexiones

Caja de conexiones

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El arranque estrella - triángulo es uno de los métodos por tensión reducida más usado en la industria para la puesta en marcha de motores de inducción de mediana potencia (entre 10 y 25 kVA), por su fácil construcción, bajo costo y alta confiabilidad. Para su aplicación, se requiere que el motor este diseñado para tal propósito; esto implica que éste pueda funcionar en régimen permanente con sus bobinas conectadas en triángulo y sometidas a la tensión de línea (380/660 VAC) y que además los seis terminales de sus bobinas sean accesibles (U1, U2, V1, V2, W1, W2).

EQUIPOS DE CONTROL 1. Variador de frecuencia Los variadores de frecuencia son equipos electrónicos de estado sólido, ampliamente utilizados en la industria para controlar velocidad en motores de inducción AC trifásicos que impulsan ventiladores, bombas, compresores, ascensores, líneas de proceso, etc. En estos, la potencia AC trifásica se rectifica y filtra quedando potencia DC que se aplica al inversor. La magnitud y la frecuencia del voltaje AC de salida del inversor pueden ser, controlados utilizando técnicas de modulación de ancho de pulso (PWM) por medio del microprocesador o controlador. Para evitar que se produzca saturación magnética, el motor debe trabajarse con una relación v/f (voltaje/frecuencia) constante.

Variador de frecuencia Altivar

Variador de frecuencia Siemens

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A continuación se presenta un circuito esquemático de un variador de frecuencia típico.

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2. Controlador lógico programable (PLC) Un autómata programable o PLC, es un dispositivo programable diseñado para el control de señales eléctricas asociados al control automático de procesos industriales. Un PLC posee las herramientas necesarias, tanto de software como de hardware, para controlar dispositivos externos, recibir señales de sensores y tomar decisiones de acuerdo a un programa que el usuario elabore según el esquema del proceso a controlar. El PLC está compuesto de tres componentes principales: ‾ Unidad central de proceso (CPU) ‾ Grupo de entradas (X) o (I) ‾ Grupo de salidas (Y) o (Q) Las entradas pueden ser digitales (pulsador, fin de carrera, sensor de proximidad, presostato, termostato, etc.) o análogas (transmisor de presión, caudalímetro magnético, sensor de temperatura, etc.). Las salidas pueden ser digitales (bobina contactor, piloto de señalización, etc.) o análogas (electroválvula reguladora de caudal o válvulas proporcionales). Existen dos tipos de PLC: ‾ PLC modulares ‾ PLC compactos Cualquiera sea el tipo de PLC, están compuestos de varias partes internas entre ellas: ‾ Fuente de alimentación ‾ Unidad central de procesos ‾ Memoria ROM ‾ Memoria de datos RAM ‾ Memoria de programa (EEPROM) ‾ Interfaces de entrada y salida

PLC compacto

PLC modular