Antología Automatización y Robótica

Automatización y Robótica

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PUEBLA

PROCESOS DE PRODUCCIÓN

Antología de Automatización y Robótica

Ing. Carlos Romero Halfón

Elaboro: Ing. Carlos Romero Halfón


INDICE

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De las herramientas de pedernal ............................................................................................. 1 a la manufactura flexible ........................................................................................................ 1 Introducción ....................................................................................................................... 1 La tecnología amplía el potencial humano. ............................................................. .......... 1 Mecanización .......................................................................................................................... 3 Control Automático ................................................................................................................ 4 Control del orden de los eventos ........................................................................................ 4 Control de las variables físicas ............................................................................................... 7 Automatización....................................................................................................................... 9 Robótica ................................................................................................................................ 10 Sistemas retroalimentados .................................................................................................... 12 Sistemas en lazo abierto contra sistemas en lazo cerrado ................................................ 12 Diagrama de bloques general en lazo cerrado .................................................................. 15 Modos de control .................................................................................................................. 16 Control de encendido- apagado (on- off) ............................................................................. 16 Brecha diferencial ............................................................................................................. 18 Control proporcional ........................................................................................................ 19 Banda proporcional....................................................................................................... 19 Efectos del control proporcional .................................................................................. 21 Control proporcional integrativo (PI) ............................................................................... 22 Control proporcional integrativo derivativo (PID) ........................................................... 27 Control Proporcional Derivativo (PD) ............................................................................. 27 Controlador Proporcional Integrativo Derivativo (PID) .................................................. 29 Control .................................................................................................................................. 31 Control electromecánico ....................................................................................................... 32 Relevador .......................................................................................................................... 32 Principio de funcionamiento ......................................................................................... 32 Simbología Complementaria ........................................................................................ 32 Representación de Circuitos ............................................................................................. 33 Diagrama de Escalera ....................................................................................................... 33 Relevador de tiempo ......................................................................................................... 36 Hidráulica ............................................................................................................................. 42 Conservación de la Energía .............................................................................................. 43 Ventajas de la Hidráulica .................................................................................................. 44 Aceite Hidráulico.............................................................................................................. 46 Presión en una columna de fluido..................................................................................... 46 Como se crea la presión ................................................................................................ 48 Velocidad de un actuador ................................................................................................. 51 Velocidad en las tuberías .................................................................................................. 52 Potencia trabajo ............................................................................................................. 52 Diseño dey un sistema hidráulico sencillo ......................................................................... 53 Presión Atmosférica ......................................................................................................... 53 Principios del flujo ........................................................................................................... 54 Elaboro: Ing. Carlos Romero Halfón

Automatización y Robótica Flujo Laminar y Turbulento ............................................................................................. 54 Principio de Bernoulli ....................................................................................................... 56 Simbología ........................................................................................................................ 56 Líneas ........................................................................................................................... 56 Componentes rotatorios .................................................................................................... 56 Cilindros. .......................................................................................................................... 56 Válvulas. ........................................................................................................................... 58 Símbolo del depósito de aceite. ........................................................................................ 59 Fluidos Hidráulicos .......................................................................................................... 59 Propósitos del fluido ..................................................................................................... 59 Transmisión................................................................................................................... de potencia ............................................................................................... 59 Lubricación Sellamiento ................................................................................................................... 59 Enfriamiento ................................................................................................................. 60 Requisitos de calidad ........................................................................................................ 60 El aceite derivado del petróleo como fluido hidráulico .................................................... 60 Actuadores Hidráulicos ........................................................................................................ 60 Cilindros ........................................................................................................................... 60 Tipos de cilindro ............................................................................................................... 61 Cilindro de tipo embolo ................................................................................................ 61 Cilindro telescópico ...................................................................................................... 61 Cilindro estándar de doble acción ................................................................................ 61 Cilindro de doble vástago ............................................................................................. 62 Controles Direccionales .................................................................................................... 62 Posiciones limitadas ..................................................................................................... 62 Válvulas check .............................................................................................................. 62 Válvulas de 2 vías y de cuatro vías .............................................................................. 62 Válvula de dos vías de tipo carrete ............................................................................... 63 Válvula de cuatro vías tipo carrete ............................................................................... 66 Operación de los controles ............................................................................................... 66 Válvulas de alivio ............................................................................................................. 66 Control de Volumen ......................................................................................................... 66 Métodos para controlar el flujo ........................................................................................ 66 Circuito controlado a la entrada........................................................................................ 69 Circuito controlado a la salida .......................................................................................... 69 Circuito de sangrado ......................................................................................................... 69 Neumática ............................................................................................................................. 70 Ventajas de la Neumática ................................................................................................. 70 Desventajas de la neumática ............................................................................................. 71 Propiedades del aire comprimido ..................................................................................... 71 Fundamentos físicos ......................................................................................................... 72 Elementos Neumáticos ..................................................................................................... 73 PLCs ..................................................................................................................................... 84 Normas de seguridad e higiene. ........................................................................................ 88 Sección de entrada y salida. .............................................................................................. 89 Tipos de entradas salidas .................................................................................................. 91 Interfaces para entradas analógicas .................................................................................. 94 Elaboro: Ing. Carlos Romero Halfón


De las herramientas de pedernal a la manufactura flexible Introducción

La tecnología es tan antigua como el hombre mismo. Los hombres se convirtieron en tecnólogos cuando aprendieron a aprovechar los materiales y fenómenos naturales del mundo físico que los rodeaba. Cuando descubrieron que un hueso o garrote podía usarse para matar animales y mover rocas se convirtieron en fabricantes de herramientas y el uso de herramientas es la marca distintiva del tecnólogo. Las herramientas, desde los garrotes hasta los teleoperadores, han permitido a la raza humana adquirir una posición de preeminencia en el reino animal. Para el hombre un peso de una tonelada es una carga que sin duda lo aplastaría; cualquier animal del campo lo despedazaría como si fuera un pedazo de trapo viejo sin embargo, el hombre puede utilizar herramientas. Sin herramientas el hombre es nada con ell as lo es todo”. Las herramientas han aumentado la capacidad humana pero además han establecido otra diferencia importante entre nosotros y los animales: el concepto de la planificación. Cuando un hombre fabrica una herramienta es porque tiene en mente un uso para ella: la planificación y la resolución de problemas forma el núcleo de la tecnología.

L a tecnol ogía am plía el potenci al hum ano.

Este proceso de resolución de problemas y de aplicación de los conocimientos adquiridos ha redundado, como parte de un desarrollo evolutivo, en una gran variedad de tecnologías, cada una de las cuales amplia el potencial humano de una manera particular (McCloy 1984). Las máquinas y la mecanización han incrementado la fuerza muscular; la computadora ha aumentado el poder mental; los sentidos del hombre se han ampliado por medio de instrumentos y dispositivos de medición; a nuestra capacidad de control la ha mejorado la cibernética; la velocidad y el balance de nuestros medios de comunicación se han incrementado enormemente con las telecomunicaciones; es ilimitado el acervo de materiales y estructuras disponibles para la fabricación de artefactos, incluyendo los de cerámica, las fibras de carbón y los materiales compuestos. Hemos llegado a una era emocionante y dramática en la cual la tecnología, especialmente la de robot no solo incrementara nuestras capacidades humanas sino que bien podría remplazarlas por completo. Pero antes de seguir adelante con este tema será de gran utilidad analizar estas capacidades en mayor detalle. La frase de Carlyle destaca nuestras limitaciones físicas frente a otros animales. Uno de los hombres más fuertes del mundo, Paúl Anderson, campeón olímpico de levantamiento de pesas, podía levantar un peso de aproximadamente 25 KN, la cual es equivalente a 38 personas. Pero este peso es minúsculo si se compara con el desplazado en muchas de las actividades industriales de la actualidad. ¿Y qué decir de la potencia? Algunos experimentos han demostrado que durante intervalos de menos de un segundo un hombre extraordinariamente dotado puede generar aproximadamente 1KW, pero conforme aumenta la duración del periodo de trabajo, la potencia generada disminuye a 200 W en 10 segundos Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica y a menos de 100 W en periodos más prolongados. Esto también es risible si se compara con la potencia generada por el automóvil promedio que alcanza 50 KW. Los sentidos del hombre también tienen limitaciones. El oído está restringido al intervalo de frecuencia de 20 a 20000 HZ y las amplitudes de presión mayores de 200 N/m 2 puede provocar sordera. La vista también tiene grandes limitaciones. El espectro de radiación electromagnética se extiende desde longitudes de onda de aproximadamente 0.001 nm. (rayos gama), hasta el rededor de 100 Km. (Onda larga de radio), pero dentro de este amplísimo espectro el ojo humano está restringido a captar la estrecha banda que abarca de los 390 nm. (Luz violeta), a los 750 nm.(Luz roja). Otra limitación de los sentidos es la necesidad de que existiera un cambio notable en un estímulo antes que nuestros percibir. fenómeno lo investigó ampliamente E. H.deWeber en 1834órganos definiólolapuedan fracción WeberEste como la relación entre el cambio requerido en un estímulo antes de que el ser humano perciba realmente que dicho estimulo ha cambiado del estímulo srcinal. Por ejemplo, una masa de 10 kilogramos tendrá que incrementarse alrededor de 0.2 kilogramos antes de que una persona que sostiene dicha carga note cualquier cambio. Así, a pesar de que nuestros aparatos sensores han evolucionado durante millones de años hasta alcanzar un grado de perfección adecuado para desenvolvernos en nuestro medio habitual, no pueden satisfacer las demandas del mundo actual donde la ciencia, la tecnología y el comercio requieren que muchos de los aspectos del mundo real se determinen con extrema precisión. Nuestra habilidad para comunicarnos también está limitada en cuanto a su alcance y a su contenido. Sin ayuda, podemos transmitir aproximadamente una palabra por segundo a través de una distancia de cerca de dos kilómetros. En la actualidad, las telecomunicaciones han permitido ampliar el alcance de la comunicación humana, pero todavía existe el problema de la velocidad en el intercambio de información. La información se mide en términos de la unidad más pequeña y simple, la cual es la transmisión de una decisión entre opciones igualmente probables, como en el caso de cara o cruz, si o no, encendido o apagado. Lo anterior es particularmente adecuado para el sistema binario, donde: 1 representa posiblemente si y 0 representa no. Así, un bit (dígito binario) es la unidad básica de información. Por ejemplo, si alguien le pregunta el sexo de su único hijo y usted responde mujer, entonces usted habrá dado un bit de información. Del mismo modo. Si hay 64 casas en la calle donde vive y usted le indica a alguien en la que usted vive, le habrá dado 6 bits de información, ya que para extraer esta información habrá sido necesario hacer cuando menos seis preguntas con respuestas sí o no. El cerebro humano puede aceptar y manejar sin ningún problema alrededor de 25 bit por segundo. Es fácil mostrar que una palabra en el idioma inglés tiene un contenido de información de aproximadamente cinco bit y una novela promedio tiene aproximadamente 250,000 bit. Por lo tanto una persona normal deberá ser capaz de leer una novela promedio en aproximadamente 10,000 segundos, a una velocidad de 25 bit/segundo. Pero comparemos lo anterior con la velocidad a la cual se muestra la información en una pantalla de televisión blanco y negro, 37.5 X10 6 bits/segundo. Todas estas limitaciones, combinadas con la fragilidad física y la falta de capacidad del hombre para trabajar en ambientes hostiles, han motivado el avance de la mecanización y automatización.

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Mecanización Dado que las fuerzas generadas por los seres humanos son reducidas, fue necesario inventar dispositivos que amplificaran estas fuerzas, los cuales adquirieron la forma de máquinas. Las 5 máquinas más elementales, enumeradas por Hero de Alejandría, son la palanca, la rueda y el eje, la polea, la cuña y el tornillo. La palabra máquina es notablemente difícil de definir y la explicación del diccionario Webster es tan buena como cualquier otra: ”una máquina es el intermediario entre la potencia motriz y aquellas partes que realmente llevan a cabo los movimientos necesarios para realizar el trabajo requerido “. En realidad, cuando un ser humano da la potencia motriz, la función como intermediario de la máquina consiste en transformar la potencia motriz humana en una forma de satisfaga los requerimientos de la pieza de trabajo. personas esta pueden generar la suficiente energía para muchas actividades o tareas, pero conLas frecuencia energía no se encuentra en la forma adecuada. Por ejemplo, usted no tendría ninguna dificultad para subir un escalón de 50cm, y si pesara 600N, habría consumido 300J de energía para subir el escalón, Ahora, a pesar de que la misma cantidad de energía podría levantar un peso de 6KN a una altura de 5 centímetros, la magnitud de la fuerza haría que esta actividad quedara fuera del alcance de la capacidad humana. Se necesita una máquina para poder aplicar nuestra energía a la realización de esta actividad. Una palanca con una relación de 20:1 reduciría el esfuerzo humano a una fuerza mucho más manejable de 300N, aunque para ello tendría que pagarse un preció ya que; para poder mover la carga 5 centímetros, el operador tendría que desplazar el extremo del control de la palanca a una distancia de 100 cm. Pero este es un precio razonable, dado que ahora la actividad queda dentro del alcance de la capacidad humana. De esta forma, la máquina actúa como un transformador de energía, convirtiendo la energía en una forma que resulta adecuada para una actividad o tarea dada. Sin embargo, la capacidad de transformación de las máquinas no es infinita y son muchas lasdemasiado ocasiones grande en las que de las capacidades humanas imponen problema para las quelimitaciones lo pueda resolver una máquina. En estos casos, un el poder muscular humano debe ser reemplazado por animales o motores. Los motores, o fuentes de energía primaria transforman un tipo de energía que ocurre en forma natural en otro tipo de energía con mayor utilidad directa. El molino de viento, una de las primeras fuentes de energía primaria, transformaba la energía cinética presente en forma natural en el aire en movimiento, en la energía cinética de una piedra de molino en rotación. El motor de combustión interna transforma la energía química natural del petróleo en la energía cinética de un volante giratorio. La invención de estas máquinas ha permitido al hombre entrar a la era de la mecanización. La mecanización, o utilización de las máquinas para llevar a cabo el trabajo de personas o animales, ha estado presente desde hace siglos, Su evolución fue particularmente rápida durante la Revolución Industrial, cuando el uso de la fuerza generada por el vapor permitió que muchas operaciones manuales fueran relegadas a las máquinas. Pero a pesar de haber reducido en gran medida el esfuerzo físico, la mecanización no pudo librarnos de la carga de tener que controlarlo. Todavía era necesario que el hombre alimentara, guiarael progreso y corrigiera los movimientos de las máquinas. siguiente etapa que revolucionará tecnológico, la automatización, lo libraría La de esta carga para dejarla en manos de la máquina.


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Control Automático Antes de tratar de definir la automatización será necesario aclarar las ideas sobre el control, en particular el control automático. Este es un control que actúa solo, sin intervención humana. La mayoría de los actuales sistemas de control industrial no podrían funcionar si dependieran de operadores humanos. El tiempo de reacción inherente del hombre es aproximadamente 0.2 s y la tendencia de este a aburrirse, son algunos de los factores que lo excluyen del manejo de estos sistemas. El control automático se divide en dos subsecciones principales: control de orden de los eventos y control de las variables físicas. A continuación se analiza cada uno de ellos en orden. Contr ol del orden de l os eventos

Muchos procesos de manufactura requieren que se controle el orden de los eventos. Por ejemplo, una operación de perforación puede incluir la siguiente secuencia de eventos: (1) el componente se empuja a su posición, (2) el componente se sujeta en su sitio, (3) el componente se perfora, (4) se suelta el sujetador y (5) el componente se retira de la máquina. Esta tarea sencilla para el operador humano pero también es en exceso repetitiva; el operador se aburre y su rendimiento puede dejar de ser satisfactorio. Sin embargo como existe un programa de eventos definidos con claridad resulta fácil convertir esta actividad en un sistema automático. El maravilloso autómata del siglo XIX y los robots de la actualidad tienen una característica en común con este sistema: ambos deben poder programarse para seguir una secuencia determinada de eventos. Un autómata puede programarse para levantar un bolígrafo, voltear la cabeza, girar los ojos y bajar nuevamente el bolígrafo. Un robot puede programarse para levantar un componente a alta temperatura, darle la vuelta y colocarlo sobre una máquina de estampación. ¿Cómo les decimos En a estas que queremos que hagan? ¿Cómo de las relojería programamos? los máquinas primerosloautómatas, ciertos mecanismos aseguraban la sincronización adecuada de cada movimiento. El principio de operación puede verse en las cajas musicales que usan un tambor giratorio cuya superficie está cubierta de pequeñas agujas. Conforme el tambor gira, las agujas golpean sobre pequeños dientes en forma de peine, cada uno de los cuales tienen un tono específico y la secuencia o arreglo ordenado de las agujas produce la tonada deseada. El tambor y las agujas constituyen el programa. Por su puesto, en los casos de los autómatas, los robots y otras formas de máquinas automáticas, es necesario producir una secuencia ordenada de eventos, no solamente de notas; pero el principio es el mismo. En muchos casos se emplea un árbol de levas para controlar los movimientos de un autómata. En lugar de agujas en un tambor giratorio, el programa del árbol de levas utiliza bielas sobre un eje giratorio. (Fig. 1. a)


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Fig. 1a

Fig. 1b

F E D

Válvulas A

Actuadores

B C

C

B E A Válvula

F Actuador

Las protuberancias de las bielas (los lóbulos) hacen contacto con los interruptores o válvulas que causan que ciertos actuadores se extiendan y retraigan; el programa, o la sincronización de los eventos, puede variarse modificando las posiciones angulares relativas de las bielas. La facilidad de la programación, la programabilidad, es una característica importante del control automático de una secuencia. Si los programas tienen que cambiarse en forma regular, entonces no es recomendable el programador de árbol de levas: su programabilidad es muy baja. El ajuste de la bielas es tedioso y requiere mucho tiempo así que, en conjunto, esta forma de control está restringida a sistemas con secuencias fijas, como la operación del engrane de válvulas de un motor. El uso de selectores unitarios y tableros de conexiones pueden mejorar la programabilidad figura 1b. Como se muestra, el selector unitario avanza a una velocidad constante de contacto a contacto, seis en total. Cuando se cierra un contacto, se activa la columna correspondiente del tablero de conexiones. Las conexiones conectan las columnas y renglones del tablero de manera que, para una configuración de conexiones dada, la válvula A se energizará primero, seguida por la válvula B y así sucesivamente. La secuencia puede cambiarse reacomodando las conexiones.


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Automatización y Robótica Se puede obtener una mejor programabilidad con sistemas que utilizan tarjetas perforadas o cintas para almacenar las instrucciones. El movimiento de las tarjetas a través de una cabeza lectora pueden iniciar la secuencia apropiada de acciones: esta vieja idea es obra intelectual de Vaucanson, famoso por su autómata. Asimismo, pueden emplearse orificios o ranuras que permitan el paso de la luz para activar y operar dispositivos fotoeléctricos, o agujas para activar interruptores mecánicos, o pulsadores para establecer contactos eléctricos. De hecho, en las antiguas pianolas de “rollo” pasaban chorros de aire a

través de los orificios para activar el movimiento de los martillos. La programabilidad de estos sistemas es alta, dada que consiste en el sencillo acto de remplazar una tarjeta o cinta por otra, o en perforar una nueva tarjeta o cinta. Loso cintas sistemas recién son descritos, ya sea que se trate de árbolesEldeárbol levas,detableros de conexiones móviles, controladores basados en tiempos. levas gira a una velocidad constante, como las manecillas de un reloj, y la sincronización de cada movimiento está determinada por la posición angular relativa de las bielas. El brazo del selector unitario se desplaza a una velocidad constante. En el caso de la cinta perforadora la cinta puede hacerse pasar a través de la cabeza lectora a una velocidad constante o a intervalos de tiempos espaciados en forma regular. En los tres casos el controlador avanzaba inexorablemente, activando las diversas acciones demandadas por el programa. Pero ¿Cómo sabe un sistema como este que las acciones requeridas realmente se llevan a cabo?. Considérese por ejemplo la secuencia descrita anteriormente para la alimentación, sujeción y perforación de un componente. La secuencia podría impulsase con un árbol de levas, en cuyo casos los diversos eventos podrían iniciarse en tiempos predeterminados, por ejemplo, la sujeción se lleva acabo 10 segundos después de la alimentación y la perforación 10 segundos después de la sujeción. ¿Pero qué sucede si un componente se atora mientras se está alimentando? Es obvio que no llegará a tiempo el sujetador. El árbol de levas continuara girando y 10 segundos después de que la tenaza haya terminado su acción, el taladro descenderá y posiblemente perforará un orificio en el sujetador o en la base de la máquina. Estos sucesos pueden evitarse utilizando controladores basados en movimientos en lugar de controladores basados en tiempos. Los controladores basados en eventos, utilizan la terminación de uno como señal para iniciar el siguiente. El principio de operación se ilustra en la figura 2, un operador oprime el botón a; esto energiza al actuador A, el cual se extiende para oprimir el botón b; que opera el actuador B, y así sucesivamente. Se inicia una reacción en cadena; la conclusión de la cadena depende de la conclusión de cada enlace individual. Si un controlador como el mencionado se hubiera utilizado en la aplicación de alimentaciónsujeción-perforación, no habría existido la posibilidad de que ocurriera el problema descrito. El componente atorado habría detenido el actuador de alimentación antes de que terminara su tarea; dicho evento no se habría completado y, por lo tanto, el siguiente, la sujeción del componente, no se habría iniciado. La secuencia se detendría en el punto en el cual se presenta el problema y se requeriría la presencia del operador para corregir el error.


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Automatización y Robótica Interruptor a

Actuador A

b

B

Posible conexión para Un ciclo continuo

c

d

Actuador C

Fig. 2 Controlador basado en eventos Los controladores basados en eventos son superiores a los controladores basados en tiempos en cuanto a que tienen una cierta idea de qué tan bien están llevando a cabo una actividad en particular. Un programa basado en eventos se detiene cuando sus sensores (los botones) dejan de indicar la conclusión satisfactoria de cualquier parte de la secuencia. La información se retroalimenta de la actividad al controlador y este es el primer paso hacia la maquina inteligente.

Control de las variables físicas Cuando un controlador no tiene conocimiento de los resultados de sus propias acciones, se conoce como un controlador de malla abierta. Cuando la información relacionada con sus acciones se retroalimenta de la actividad al controlador este se convierte en un controlador de malla cerrada. Así, por lo que concierne a los controles de secuencia, el controlador basado en tiempos puede clasificarse como de malla abierta, en tanto el controlador basado en eventos puede catalogarse como de malla cerrada. Pero en general esta terminología se asocia con mayor frecuencia al control de variables físicas como velocidad, intensidad de luz o temperatura, más que al control del orden en que suceden los eventos. El concepto de control de malla puede en resultar aún másdeclaro si seAlrecurre un ejemplo. Considérese el control decerrada la velocidad una turbina vapor. llevar aa cabo la instalación de la turbina, el ingeniero encargado puede medir la velocidad de la turbina y la posición de la válvula de vapor y generar una gráfica en la que se muestre la


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Automatización y Robótica relación entre ambos factores. Para el uso siguiente de la turbina, los técnicos a cargo podrían consultar la gráfica para ajustar la válvula a una velocidad deseada en particular. Pero, ¿qué sucedería si la presión de vapor fuera reducida, si se aumentara la carga a la turbina o si partículas de suciedad restringieran el paso en los conductos de la válvula de control en ese día en particular? Es claro que la velocidad de la turbina sería distinta al valor deseado. El sistema de control habría fallado en su tarea, porque no tiene conocimiento de los resultados de sus acciones. Estos sistemas se denominan de malla abierta, porque no existe una malla de información que regrese desde la salida. El ciclo puede cerrarse midiendo los resultados de las acciones del controlador y utilizando dichas mediciones para influir en sus acciones futuras, en el ejemplo seleccionado, llevarse cabounsi operador se instalara un dispositivo paramedidor medir lay velocidad en elesto ejepodría de salida y se ausara humano para leer este realizar los ajustes necesarios en la válvula de control. Un paso adelante hacia el control automático podría ser la substitución del operador humano por un dispositivo mecánico o eléctrico. James Watt, uno de los pioneros del control automático, diseño el gobernador de contrapesos para realizar esta actividad en el sistema de control de las primeras máquinas de vapor. En este regulador, unos contrapesos giratorios estaban engranados al eje de salida. Si la velocidad aumentaba, los contrapesos se movían hacia fuera y hacia arriba debido a la acción de las fuerzas centrífugas y su movimiento levantaba una manga que cerraba la válvula de vapor. Una reducción en la velocidad tenía el efecto contrario. En el diagrama de los bloques de la figura 3 se muestra un sistema de malla cerrada y sus elementos integrantes más importantes: medición, detección de errores y accionamiento. En el ejemplo de control de velocidad, el valor de entrada era la velocidad deseada y a la cantidad controlada era la salida o velocidad real. El proceso o planta era la turbina; la carga y medición, la detección de errores y el accionamiento consistían ya sea en un operador humano o, en el caso automático, en un dispositivo como el regulador de contrapesos. La detección de errores requiere que la salida se sustraiga del valor de entrada, lo que ha llevado a una forma de retroalimentación que se conoce como retroalimentación negativa. Cantidad Entrada

Detección de error

Accionamiento

Proceso o planta

Controlada

Medición

Fig. 3 Existen tres clasificaciones principales de los sistemas de retroalimentación negativa: servomecanismos, controles de procesos y reguladores. Los servomecanismos se usan para hacer que el movimiento de un miembro de salida siga el de un miembro de entrada con una amplificación de la potencia. Un ejemplo de esto es el control de un torno Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica automático en donde la salida o resultado es la posición de la herramienta de corte y la entrada podría derivarse de una plantilla cortada con la forma deseada o, posiblemente, de una cinta de computadora. Mientras que los servo mecanismos están restringidos al control de variables cinemáticas, los controles de procesos abarcan un campo mucho más extenso incluyendo control de la presión, la acidez, la temperatura, etc. Finalmente, la clase de los reguladores están restringida a sistemas con entradas fijas, como por ejemplo el control del nivel de potencial. La principal ventaja del control de malla cerrada es la reducción del efecto de perturbaciones como puede ser aumento en la carga, reducción en la presión de vapor y otros factores similares. Una de las desventajas más importantes de este tipo de control es la posibilidad surjay la inestabilidad, unapor situación en la que la controlada tienda a salirdedeque control, la malla de control, así decirlo, persiga su variable propia cola.

Automatización Fue necesario primero aclarar los puntos de vista acerca del control automático antes de pasar al tema de la automatización, ya que este es un concepto mucho más complicado. La palabra automatización proviene de la contracción de los términos en inglés automatic motivation (motivación automática) y fue usada por primera vez en la década de los años 40 por un ingeniero de la Ford Motor Company, para describir la operación colectiva de muchas máquinas interconectadas en su planta de Detroit. Las máquinas podrían fresar, perforar rectificar y terminar un monobloc, dejando el producto terminado al final de la línea. De igual forma que con las operaciones de maquinado el sistema estaba programada para hacer las tareas poco productivas de sujeción y manejo que anteriormente se llevaba a cabo en forma manual. El esfuerzo humano se requería solo parar supervisar las máquinas revisarnola calidad producto terminado. Hasta yahora ha sidodelposible establecer una definición clara y precisa de automatización. Los autores prefieren la definición dada por la Enciclopedia Británica: ahí, automatización se define como “ el desempeño de operaciones automáticas dirigidas por medio de comandos programados con una medición automática de la acción, retroalimentación y toma de decisiones .

Esta definición indica que parte de la automatización consiste en un programa para determinar el orden de los eventos así como para instruir al sistema sobre cómo debe llevarse a cabo cada uno de los pasos de la operación. La computadora ofrece la forma más flexible la programación, por lo que no resulte sorprendente que en la actualidad la automatización tienda a asociarse con el control por computadora. De esta forma la automatización abarca tanto el control automático de eventos como el control automático de variables Por ejemplo, puede usarse desde sencillos árboles de levas hasta computadoras para controlar el orden de los eventos, pero si no hay control (o no es necesarios el control) sobre las variables en cada uno de las etapas de la secuencia, entonces el de sistema no será un ejemplo una verdadera automatización. sencillo dispositivo selección y colocación paraderecoger y transferir componentes Así, quedael excluido de la lista de sistemas automatizados. Y sorprendentemente, “la automatización srcinal de Detroit” también queda excluida de la lista. En la actualidad, ésta se clasifica como una


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Automatización y Robótica línea de transferencia. Por otra parte el sencillo control de encendido y apagado o los mucho más complicados controladores adaptables si pueden emplearse para controlar las variables físicas en cualquier etapa de un proceso dado, pero si no existe control (o si dicho control no es necesario) sobre la orden en la cual se llevan a cabo los diversos procesos, entonces nuevamente el sistema no representan una automatización verdadera. Así el control de la temperatura por medio de un termostato o incluso el control digital de la posición no representan un verdadero sistema automatizado.

Robótica robot es elCapek epítome de cuento la automatización. palabra en mucho sí misma fue introducida en 1917Elpor Karen en su corto Opilec,Lapero recibió mayor publicidad en 1920 con su famosa obra RUR (Rosum’s Universal Robots): robota es la palabra

checoeslovaca para labor monótona o trabajos forzados. Desde entonces ha aparecido un gran número de robots dentro de la ciencia ficción, muchos de ellos con aviesas intenciones hacia la raza human. Sin embargo, la historia de los verdaderos robots no comienza sino hasta 1954 cuando un ingeniero norteamericano llamado George Devol registró una patente llamada Programmed article transfer (Transferencia automática de artículos). Esta patente condujo al primer robot industrial, fabricado en 1962 por Unimation, Inc., una compañía fundada por Joseph Engleberger en 1958. Como en el caso de la automatización, el robot industrial ha generado una multitud de definiciones, de ellas la adoptada por el Robot Institute of America (Instituto Norteamericano de Robots) es la que tiene actualmente mayor aceptación: un robot industrial es un manipulador reprogramable con funciones múltiples, diseñado para mover materiales, partes, herramientas o dispositivos especializados a través de movimientos programados variables para el desempeño de una gran diversidad de tareas. Las palabras claves que distinguen a los máquinas sony“manipulador” y “reprogramable”. La manipulación es robots el actodedeotras sujetar un objeto cambiar su posición y orientación

en el espacio. Los seres humanos dedican gran parte de su tiempo a manipular objetos: levantar un bolígrafo y escribir con él es un ejemplo característico. Es posible que para llevar a cabo estas tareas el manipulador deba producir hasta seis movimientos independientes. Esto es necesario, ya que la posición de un objeto en el espacio la determinan tres coordenadas en un referencial ortogonal fijo, así como sus rotaciones angulares alrededor de cada uno de los ejes del referencial. Esto significa que un manipulador para fines generales, requiere contar cuando menos con seis actuadores. Fig. 5


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Fig. 5 Seis grados de libertad de un manipulador Muchos manipuladores son antropomórficos, es decir, parecen brazos humanos; esto no debe ser sorprendente dado que con frecuencia su propósito es remplazar trabajadores humanos, y deben ser adecuados para ambientes diseñados para las personas. Es por ello que frecuentemente el manipulador se conoce como el brazo, la muñeca y la mano del robot, aun cuando en fechas recientes se ha preferido el término “efector final”

dado que incluye tanto herramientas como dispositivos de succión y magnéticos, así como sujetadores antropomórficos. Existe cierta confusión acerca de la relación entre los robots industriales y los teleoperadores dado que, especialmente, los últimos guardan con frecuencia gran similitud con los primeros. Pero la diferencia es clara: el teleoperador lo dirige un operador humano, mientras que el robot es automático.


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Sistemas retroalimentados En los sistemas industriales es común encontrar mecanismos de autocorrección. Esto se refiere a la capacidad de un sistema para monitorear o revisar una cierta variable del proceso industrial y automáticamente, sin la intervención humana, corregirlo si no es aceptable. Los sistemas que pueden llevar a cabo tal acción de autocorrección son llamados sistemas realimentados o sistemas en lazo cerrado. Cuando la variable que está siendo monitoreada y corregida es la posición física de un objeto, al sistema realimentado se le asigna un nombre especial: es llamado sistema de seguimiento.

Sistemas en lazo abierto contra sistemas en lazo cerrado Comencemos por considerar la diferencia esencial entre ambos. Supongamos que se desea mantener el nivel de líquido constante en el tanque de la figura 6. El líquido entra en el tanque por la parte superior y sale de él por el tubo de salida en la parte inferior. Válvula manual

Tubo de alimentación

Nivel deseado Tubo de salida

Fig.6 Una manera de intentar mantener el nivel adecuado es que una persona ajuste la válvula manual para que la razón de flujo de líquido que entra al tanque balancee exactamente la razón de flujo de líquido que sale del tanque cuando el líquido está en el nivel adecuado. Esto podría requerir un poco de tiempo para encontrar la apertura adecuada de la válvula, además de que siempre y cuando las condiciones de operación fueran exactamente iguales. El problema es que en la realidad las condiciones de operación no se mantienen iguales. Podrían ocurrir cambios tal como que la presión de alimentación en la entrada de la válvula manual podría incrementarse por alguna razón. Esto aumentaría el flujo de entrada sin un correspondiente aumento en la salida. El nivel del líquido comenzaría a subir, y el tanque pronto se desbordaría. Un incremento en la presión de alimentación sólo es unpodría ejemplo de un cambio que alteraría el ajuste manual. Cualquier cambio de temperatura modificar la viscosidad del líquido por tanto las razones de flujo.


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Automatización y Robótica Ahora consideremos la figura 7. Si el nivel del líquido llega a ser un poco bajo, el flotador baja, abriendo por lo tanto la válvula cónica y permitiendo un flujo mayor de líquido. B Punto de pivote A

Tubo de alimentación Válvula de control Tubo de salida

Fig. 7 Si el nivel de líquido llega a ser un poco alto, el flotador sube, y la válvula cónica se cierra un poco para reducir la afluencia de líquido. Mediante una construcción adecuada y un dimensionamiento correcto de la válvula y el mecanismo de enlace entre el flotador y la válvula, será posible controlar el nivel del líquido a un punto muy cercano al deseado. Con este sistema las condiciones de operación pueden variar tanto como quieran. Sin importar la dirección en que intente desviarse del punto deseado el nivel de líquido, y sin importar la razón de esta desviación, el sistema tenderá a restablecer al punto deseado. Desde el punto de vista general, muchos sistemas de control industriales tienen ciertas cosas en común. Sin importar el sistema exacto, hay ciertas relaciones que nunca cambian entre los mecanismos de control y la variable de control. En la figura 8, se ilustran a manera de bloques un sistema de lazo abierto (a) y otro de lazo cerrado (b) con la finalidad de ilustrar dichas relaciones de causa y efecto. Perturbaciones

Ajuste

Controlador

Proceso

Variable Controlada

Fig. 8 a


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Automatización y Robótica Perturbaciones Comparador Ajuste

Controlador

Proceso

Variable Controlada

Fig. 8 b Intentando relacionar los bloques con las partes físicas del sistema manual de control de la válvula de la fig. 8 a, se muestra que un controlador (la válvula manual) afecta el proceso global. La flecha que va del cuadro del controlador al cuadro del proceso, solo significa que el controlador envía señales a o afecta el proceso. El cuadro del controlador tiene una flecha apuntando a éste llamada el ajuste. Esto significa que el operador suministra alguna información al controlador indicando lo que debe de hacer. En el ejemplo el ajuste es la posición del vástago de la válvula. La caja del proceso tiene una flecha apuntando a ésta llamada perturbaciones. Esto indica que las condiciones externas pueden alterar el proceso y afectar su salida. La flecha de variable controlada significa la variable del proceso que el sistema debe monitorear y corregir cuando se requiera. En este caso la variable controlada es el nivel de líquido en el tanque. Dado que en este diagrama no existe ninguna línea que regrese al inicio para hacer un círculo o para cerrar el lazo, tal sistema se llama sistema en lazo abierto. Estos sistemas se caracterizan por la incapacidad de comparar el valor real de la variable controlada, con el valor deseado y tomar acciones con base en dicha comparación. Por su parte el sistema que contiene el flotador y la válvula cónica se representa en la fig. 8 b. En este diagrama, el ajuste y la variable controlada son comparados a través de un dispositivo llamado controlador. La salida del comparador representa la diferencia entre los dos valores. Esta señal de diferencia es alimentada al controlador permitiéndole corregir si es necesario la variable controlada. Es precisamente esta línea la que permite al sistema tener una retroalimentación por lo cual se considera como un sistema de lazo cerrado. Todos los sistemas de lazo cerrado se caracterizan por la capacidad de comparar el valor real de la variable controlada con su valor deseado y automáticamente llevar a cabo acciones con base en esa comparación. Para el ejemplo anterior, el ajuste representa la ubicación del flotador en el tanque. Es decir, el operador selecciona el nivel que desea ubicando el flotador a cierta altura sobre el fondo del tanque. Este ajuste puede realizarse cambiando la longitud de la varilla A que conecta el flotador con el miembro horizontal B del mecanismo de enlace de la fig. 7 El comparador del diagrama de bloques es el flotador mismo. Este registra constantemente el nivel real del líquido, ya que este sube y baja de acuerdo al sistema. También conoce el ajuste, que es el nivel deseado de líquido, como se explicó. Si el nivel es demasiado bajo, el flotador propicia el desplazamiento (rotación) del miembro horizontal B en dirección contraria a las manecillas del reloj. La cantidad de desplazamiento de B depende de lo bajo que sea el nivel de líquido. Si el nivel de líquido es demasiado alto, el flotador propicia el movimiento a favor de las manecillas. En este caso la diferencia significa el nivel de líquido por encima del nivel deseado. Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica Por tanto el flotador corresponde al bloque del comparador del diagrama de bloques. El controlador es la válvula cónica, la cual se abre y se cierra para aumentar o disminuir el flujo.

Diagrama de bloques general en lazo cerrado En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques general más detallado en el que se describe adecuadamente la mayoría de los sistemas en lazo cerrado. En este diagrama general, se mide una variable de proceso que está siendo controlada (temperatura, presión, razón de flujo de fluido, concentración química, humedad, viscosidad, posición y se alimenta un comparador. El comparador, quemecánica, puede servelocidad mecánico,mecánica, eléctrico oetc.), neumático, lleva a acabo una comparación entre el valor medido y el punto de ajuste, que representa el valor deseado de la variable. Entonces genera una señal de error, que representa la diferencia entre el valor medido y el deseado. Según el valor la señal de error es positiva o negativa. Esto es representa por la ecuación: Error = valor medido – punto de ajuste El controlador que también puede ser mecánico, eléctrico o neumático, recibe la señal de error y genera una señal de salida. Todos los controladores en lazo cerrado pueden clasificarse en 5 clases, o modos de control. 1. Encendido y Apagado (on-off) 2. Proporcional 3. Proporcional Integrativo 4. Proporcional Integrativo Derivativo Derivativo 5. El modo de control no tiene nada que ver con la naturaleza eléctrica, mecánica o neumática del controlador. Depende solo de cuan drásticamente y de qué manera reacciona el controlador a una señal de error. Siendo más precisos depende de la relación matemática entre la salida del controlador y su entrada (su entrada es la señal de error). En la fig. 9 se muestra que la salida del controlador es alimentada a un dispositivo corrector final. Podrá requerirse amplificación si la señal de salida del controlador no es de potencia suficiente para operar el dispositivo corrector final. El dispositivo corrector final muchas veces es un motor eléctrico, que puede ser usado para abrir o cerrar una válvula, mover algún objeto mecánico en una dirección u otra, o cualquier función semejante. También podría ser una válvula solenoide o un SCR o un tríac para controlar la potencia de carga de un sistema completamente eléctrico.


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Perturbaciones Valor Medido

Variable Controlada

Dispositivo de medición

Punto de Ajuste

Señal

Señal de

Controlador

De Error

salida del Controlador

Proceso

Amplificador y/o dispositivo corrector final

Comparador

Fig. 9

Modos de control Como se mencionó anteriormente los controladores en lazo cerrado pueden clasificarse en 5 modos de control. 1. 2. 3. 4. 5.

Encendido y Apagado (on-off) Proporcional Proporcional Integrativo Proporcional Derivativo Proporcional Integrativo Derivativo

La lista anterior está clasificada por orden de complejidad de los mecanismos y los circuitos involucrados. Esto es el modo que el de Encendido – Apagado, es el más sencillo de poner en práctica. A medida que se baja por la lista, la construcción de los controladores se vuelve más compleja. Naturalmente los modos de control más complicados son más difíciles de entender.

Control de encendido- apagado (on- off) En este modo, el dispositivo corrector solo tiene 2 posiciones, o estados de operación. Es también conocido como todo o nada. Si la señal de error es positiva, el controlador envía el dispositivo corrector final a una de sus dos posiciones, (encendido o apagado). Si la señal de error es negativa el controlador envía el dispositivo corrector final a la otra posición. El control de encendido apagado puede visualizarse fácilmente considerando que el dispositivo corrector final es una válvula actuada por solenoide, la cual puede estar completamente abierta o completamente cerrada. No hay ningún punto intermedio. Una gráfica de la posición del dispositivo corrector final (porcentaje de apertura de la válvula) para un control de encendido apagado ideal aparece en la figura 10a. En esta se considera que la variable controlada es la temperatura, con un punto de ajuste igual a 120° F. Como puede verse, si el valor medido de la temperatura es menor que 120° F, aun en una cantidad muy pequeña, la válvula es posicionada a una apertura de


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Automatización y Robótica 100%. Si el valor medido es mayor que 120°, aun en una cantidad mínima, la válvula está abierta al 0%, o completamente cerrada. En la fig. 10 b. se muestra una gráfica típica del valor medido de la temperatura contra el tiempo, con la posición de la válvula graficada contra el mismo eje de tiempos. Note que la temperatura tiende a oscilar alrededor el punto de ajuste. Esta es una característica universal el control de encendido – apagado. La oscilación se debe a que el sistema no puede responder instantáneamente a los cambios de posición de la válvula. Cuando la temperatura se incrementa, es porque la razón de entrada de calor es mayor que la razón de pérdida de calor en dicho proceso. El cierre rápido de la válvula de control no puede revertir instantáneamente esa tendencia, porque habrá una energía calorífica residual acumulada alrededor del dispositivo de calentamiento que debe difundirse a través de la cámaraen de yproceso. A medida que este calor residual es distribuido, temporalmente continúa aumentando la temperatura.

% de apertura de la válvula

Temperatura real ( °F )

100

125 120 115

110 115 120 125

Temp. (°F)

Fig. 10 a

0

1

2

3

Tiempo (min.)

2

3

Tiempo ( min. )

% apertura de la válvula

100

0 0

1

Fig. 10 b De la misma manera una tendencia a la baja no puede revertirse instantáneamente, pues lleva un rato distribuir la nueva energía calorífica a través del proceso. Hasta que pueda ocurrir la distribución, la tendencia a la baja continuará, causando una subcorreción. Con toda seguridad es posible diseñar el sistema para que mantenga baja la magnitud de las oscilaciones, esto tiendeapagado, a causares ciclos másel frecuentes. Estodispositivo agrava la otra desventaja del control depero encendidodecir, desgaste del corrector causado por su operación frecuente. En este ejemplo específico, la válvula solenoide se desgastara más pronto si su frecuencia de apertura y cierre es más alta.


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Automatización y Robótica La gráfica de posición de la fig. 10b refleja que la válvula está completamente abierta cuando la temperatura está por debajo del punto de ajuste y completamente cerrada cuando está por encima. Las líneas punteadas son para el caso en que la válvula no es de acción rápida. Esto es frecuente cuando la válvula tiene un tamaño físico grande.

Brecha diferencial Ningún controlador de encendido apagado, puede presentar el comportamiento ideal de la fig. 10 a y b. Todos estos presentan una pequeña brecha diferencial, que se ilustra en la fig. 11a. La brecha diferencial de un controlador de encendido- apagado se define como el rango de valores encima debajo delnopunto corrector final. En lospor otros modosy de control existe.de ajuste para activar el dispositivo Cuando la señal de error es positiva, la brecha diferencial es el valor por encima del punto de ajuste al que debe llegar la variable controlada para cerrar la válvula. De la misma manera, el valor medido debe de caer por debajo del punto de ajuste para abrir la válvula, lo que indica una señal de error negativa. % de apertura de la válvula

100 brecha diferencial =6°F Temp. 110 115 120 125 (°F)

Temperatura real ( °F )

125 120 115 0

1

2

3

Tiempo (min.)

2

3

Tiempo ( min. )

Fig. 11 a % apertura de la válvula

100

0 0

1

Fig. 11 b En el ejemplo de la fig. 11. la temperatura medida real debe subir 3° por encima el punto de ajuste para cerrar la válvula, y debe caer por debajo 3° para abrirla. Por tanto, el cambio de temperatura menor posible que puede operar la válvula de abierto a cerrado es de 6° F. Entonces la brecha diferencial es de 6° F.


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Control proporcional En este, el dispositivo corrector no es obligado a tomar una posición de todo o nada. Tiene un rango continuo de posiciones posibles. La posición exacta que toma es proporcional a la señal de error. En otras palabras, la salida del bloque del controlador es proporcional a su entrada.

Banda proporcional Suponiendo que el dispositivo corrector final es una válvula de posición variable controlada por un motor con reductor de baja velocidad y un acoplamiento, vamos a ilustrar los efectos del control proporcional dibujando una gráfica de porcentaje de apertura de la válvula contra temperatura. Esto se muestra en la fig. 12a. Imaginemos que la válvula controla el flujo de combustible a un quemador. Este arreglo se ilustra en la fig. 12b. Al aumentar la apertura de la válvula, el suministro de combustible aumenta, y se libera más calor en el proceso. Por tanto, la temperatura del proceso tiende a aumentar. Al hacerse más pequeña la apertura de la válvula, se suministra menos combustible al quemador, y la temperatura del proceso tiende a bajar.

% de apertura de la válvula

100 80 60

Fig. 12a

40 20

165 170 175 180 185 190


Temp. °F

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Automatización y Robótica Cámara de proceso Movimiento de la carga a través de la cámara

Quemador

Válvula de posición variable Suministro de Combustible Acoplamiento Motor y reductor

Fig. 12b En la fig. 12a. Se muestra la relación proporcional entre el porcentaje de apertura de la válvula y la señal de error. Supongamos que la temperatura de proceso se mantiene exactamente a 180° F, con una apertura de la válvula de 40%. Si por alguna causa cambia el valor de la temperatura, la válvula tomará una nueva posición de acuerdo a la gráfica. Si la temperatura llega a caer por alguna razón a 175° F, la válvula se abrirá al punto de 60%. Esto ocasionará que la temperatura aumente subsecuentemente de regreso a 180° F. Si la caída srcinal de la temperatura hubiera sido más drástica, digamos hasta 170° F, la válvula se habría abierto 80%. Por tanto, el controlador responde no solo al hecho de que la temperatura medida es demasiado baja. También responde a la cantidad de error. Entre más serio el error, más drástica la acción correctiva. Esta es la diferencia esencial entre el control proporcional y el de encendido-apagado. La palabra proporcional se aplica correctamente con esta situación, ya que la cantidad de corrección introducida está en proporción de la cantidad de error. Cuando el error es de 5° F (el valor medido es igual a 175° F), la válvula pasa de una apertura de 40% a una del 60%. Esto significa que varía un 20% de su rango completo. Si el error es de una magnitud del doble, es decir 10° F (el valor medido es igual a 170° F), la válvula pasa de una apertura de 40% a una del 80%, o 40% de su rango completo. Por tanto la acción correctiva es también dos veces más grande cuando el error es el doble de la magnitud anterior. En el ejemplo, una temperatura medida de 165° F o menos hace que la válvula se abra al 100%, y una temperatura de 190° F o más hace que la válvula se abra al 0%. La diferencia entre estos dos puntos es llamada banda proporcional de control. La banda proporcional en este caso es de 25° F. Dentro de esa banda, la respuesta de la válvula es Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica proporcional al cambio de temperatura. Fuera de esa banda, la respuesta de la válvula cesa, pues ha llegado a su límite. Generalmente, la banda proporcional es expresada como un porcentaje del rango de escala completa del controlador. Si por ejemplo, el punto de ajuste del controlador puede ajustarse en cualquier punto entre 60° F y 300° F, tiene un rango de ajuste de 240° F. La banda proporcional expresada como un porcentaje es dada por 25° F = 0.104 = 10.4% 240° F La definición formal de banda proporcional es la siguiente: banda proporcional es el porcentaje del rango completo del controlador que debe cambiar el valor medido para producir un cambio de 100% del dispositivo corrector. La mayoría de los controladores proporcionales tienen una banda proporcional ajustable, generalmente variable de un porcentaje de unas cuantas unidades hasta un porcentaje de algunos cientos.

Efectos del control proporcional Este elimina la oscilación permanente que siempre acompaña al control de encendido-apagado. Puede haber alguna oscilación temporal al llegar el controlador a la temperatura de control final, pero tarde o temprano las oscilaciones desaparecen si la banda proporcional está ajustada de manera adecuada. Sin embargo, si la banda proporcional se ajusta a un tamaño muy pequeño, pueden ocurrir oscilaciones de todos modos, pues una banda proporcional muy pequeña hace que el control proporcional se comporte casi igual que un control de encendido-apagado. En la fig.a 13 muestran algunas respuestas deocurrido un controlador proporcional de temperatura unaseperturbación de carga. En cadatípicas caso ha una perturbación de carga que tiende a bajar la temperatura. Temp.

Temp. Banda proporcional =10%

Banda proporcional =50%

Tiempo

Fig. 13a


Tiempo

Fig. 13b

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Automatización y Robótica Temp. Banda proporcional =200%

Tiempo

Fig. 13c En la fig. 13a se muestra la respuesta para una banda proporcional pequeña (10%). El acercamiento a la posición de control es rápido, pero una vez ahí, la temperatura oscila un rato antes de estabilizarse. En la fig. b, una banda proporcional mediana (50%) causa una aproximación mas lenta al punto de control, pero casi elimina la oscilación. El comportamiento de una banda proporcional amplia (200%) se representa en la fig. c. el tiempo para que el sistema alcance el punto de control es mayor, pero una vez ahí, la temperatura no oscila en absoluto. La desventaja del control proporcional, es que como se ve en la fig. 13, la temperatura medida real no regresa al valor de control srcinal. Entre mayor sea la banda proporcional, mayor será la diferencia entre los dos valores de control antes y después de la perturbación. Con una banda proporcional pequeña, la recuperación es más cercana. Esta limitación significa que el modo de control proporcional no es muy útil excepto en algunos pocos tipos de procesos. Como un planteamiento general, puede decirse que el control proporcional trabaja muy bien solo en aquellos sistemas en los que los cambios de proceso son bastante pequeños y lentos. Es de ayuda el que las perturbaciones ocurran con lentitud, pues la banda proporcional puede ajustarse de manera bastante estrecha, ya que un proceso de cambio lento no produce mucha oscilación.

Control proporcional integrativo (PI) Como se vio, el control proporcional elimina las oscilaciones en la variable medida, y reduce el desgaste de la válvula de control, pero introduce un offset permanente en la variable medida (diferencia entre el punto de ajuste y valor de control). Por esta razón no es muy útil en la mayoría de los sistemas. Para procesos más comunes en los cuales los cambios de carga son grandes y rápidos, y el punto de ajuste puede variar considerablemente, el modo de control PI es más adecuado. También es llamado control proporcional más reajuste. En este la posición de la válvula de control es determinada por dos cosas:


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Automatización y Robótica 1. La magnitud de la señal de error: ésta es la parte proporcional. 2. La integral de tiempo de la señal de error: en otras palabras, la magnitud del error multiplicada por el tiempo durante el que ha persistido. Esta es la parte integral. Puesto que la válvula puede responder a la integral de tiempo del error, cualquier Amplificador error de offset permanente que resulte del control proporcional en algún momento es electrónico corregido con el paso del tiempo. Puede pensarse en esto de la siguiente manera: la parte del control proporcional posiciona la válvula en proporción al error existente. Entonces la parte del control integral detecta la persistencia de ese pequeño error (offset). Con el paso del tiempo, partetiempo integralpersista aleja laelválvula en la misma dirección, a reducir el offset, entre la mayor error, mayor distancia se mueveayudando la válvula. En algún momento, el error se reducirá a cero, y el movimiento de la válvula cesara. Deja de moverse porque, a medida que pasa el tiempo, la integral de tiempo del error ya no aumenta, debido a que el error ahora es cero. Para comprender la acción de la parte integral de tal controlador, utilizaremos un diagrama esquemático, que muestre el modo de construcción de uno. Hagamos referencia a la fig. 14. La mejor manera de visualizar la acción de este control PI es concentrarnos en el circuito RC conectado al cursor del potenciómetro de posición de la válvula. Recordemos que el capacitor no se carga instantáneamente y que, a veces le lleva un tiempo más bien prolongado acumular cualquier cantidad considerable de voltaje. Este es el caso de este circuito, pues la constante de tiempo RC es bastante grande. Cuando la posición del cursor del potenciómetro de posición de la válvula se desplaza del centro y aplica un voltaje al circuito RC, al principio el voltaje total del cursor aparece a través de R porque el capacitor C no tiene ninguna carga. Con el paso del tiempo, C se carga, reduciendo por tanto el voltaje a través de R. El voltaje a través de R es igual al voltaje del cursor (la diferencia de potencial entre el cursor y la tierra) menos el voltaje del capacitor. A medida que se acumule voltaje en el capacitor, el voltaje del resistor disminuye.

Motor


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Ajuste de la Aumento de banda proporcional Potenciómetro la temperatura de error

+ -

0% de apertura

Error positivo

50% de apertura 100% de a ertura

Válvula de control de posición variable

Combustible

Proceso

Aumento de la temperatura Error negativo Resorte de Punto de ajuste

Fuelle

Bulbo sensor de temperatura

Aumento de la apertura de la válvula

Fig. 14 Método eléctrico control PI Ahora imaginemos que el controlador logra el punto de ajuste con una apertura de la válvula del 50%. Supongamos que el potenciómetro de ajuste de la banda proporcional está fijo en cortocircuito. Si ocurre una perturbación del proceso que eleva la temperatura, el potenciómetro de error subirá una cierta distancia. El potenciómetro de posición de la válvula debe seguirlo por la misma distancia, debido a la acción del amplificador motor. Por tanto se reduce el porcentaje de apertura de la válvula, la temperatura es corregida parcialmente, y se establece un error de offset. El error de offset es debido a que el potenciómetro de error debe permanecer fuera de centro para poder mantener ligeramente cerrada la válvula. Supongamos que el voltaje en el cursor del potenciómetro de error es de +1 V referido a la tierra y que el voltaje en el potenciómetro de posición de la válvula también es de +1 V referido a la tierra. Por tanto, el voltaje aplicado al amplificador es la diferencia entre éstos, que es de 0 V. Por tanto el motor se detiene. Con el paso del tiempo, C comenzará a cargarse + arriba y – abajo. Esto reduce el voltaje a través de R, digamos que a 0.75 V. El voltaje de entrada al amplificador ahora es de 0.25 V, los cuales son amplificados y causan la continuación del movimiento del motor en la misma dirección (cerrando la válvula). El potenciómetro de posición de la válvula subirá hasta que el voltaje del cursor sea de 1.25 V, que cancelará de nuevo el amplificador. Por tanto, el flujo de combustible se reduce aún más, y la temperatura se acerca al punto de ajuste. El voltaje del potenciómetro de error ahora se reduce a medida que el error de temperatura se acerca a cero.


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Automatización y Robótica A medida que transcurre el tiempo, C continúa cargándose, reduciendo constantemente por tanto el voltaje a través de R, que es la señal de una de las terminales de entrada del amplificador. Mientras el error no sea cero, el voltaje a través de R puede reducirse a menos del voltaje del cursor del potenciómetro de error con el paso del tiempo. Esto continuará moviendo la posición de la válvula en la dirección ascendente, cerrando más y más la válvula. En algún momento, la temperatura puede reducirse al punto de ajuste, provocando el regreso del potenciómetro de error al centro. Esto aplica 0 V a la terminal de entrada del amplificador conectada al cursor del potenciómetro de error. En este momento, el capacitor acaba de alcanzar una carga completa, y el voltaje a través de R será cero, dando srcen a 0 V en la otra terminal de entrada del amplificador. La válvula por tanto se detiene en la posición correcta para mantener la temperatura correcta en el punto de ajuste. Puede verse que la posición de la válvula de control inicialmente es determinada por la parte proporcional del control, pero finalmente se estabiliza en una posición parcialmente determinada por la parte integral del control. La importancia relativa de las partes proporcional e integral puede ser variada ajustando el resistor R. En la mayoría de los controladores, R es un potenciómetro, por lo que la constante de tiempo RC puede ajustarse. Cuando la constante de tiempo es grande (R es grande), la parte integral es menos efectiva (más lenta para hacer sentir sus efectos). Cuando la constante de tiempo es pequeña (R es pequeña), la parte integral es más efectiva. En la fig. 15 se muestra el efecto de control al cambiar la constante de tiempo integral. En la mayoría de los controladores industriales, la constante de tiempo integral, no es usada como referencia. En su lugar, el recíproco de la constante de tiempo es la variable de la que se habla. Esta variable es llamada razón de reajuste. Cuando la razón de reajuste es baja (constante de tiempo grande), la parte integral es lenta para hacer sentir al proceso sus efectos. Cuando la razón de reajuste es alta (constante de tiempo pequeña), la parte integral del control es rápida para hacer sentir al proceso sus efectos. En la fig. 15a se muestra una gráfica de posición de la válvula (porcentaje de apertura) contra tiempo para una constante de tiempo integral grande (baja razón de reajuste). A mayor altura del eje vertical, mayor la apertura de la válvula, y a menor altura del eje vertical, menor apertura de la válvula. En la fig. 15b se muestra la temperatura medida real contra tiempo para la constante de tiempo integral grande. Las gráficas 15a y 15b deben ser consideradas como pareja. Las gráficas de las figuras 15 c y 15d comprenden otra pareja, para una constante de tiempo mediana, y las de la fig. 15e y 15f comprenden una tercera pareja, para una constante de tiempo pequeña.


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Automatización y Robótica Constante de tiempo grande (razón de reajuste baja)

Constante de tiempo mediana (razón de reajuste mediana)

Posición de la válvula

Constante de tiempo pequeña (razón de reajuste alta)


15a

t

Temp.


15c

t

Temp.

Temp.

Posición de ajuste

Posición de ajuste

t 15b

t

15e

Posición de ajuste

t 15d

t 15f

En las figuras a, y b, para la constante de tiempo grande (razón de reajuste baja). Como puede verse la válvula hace un cambio inicial de posición debido a la aparición repentina de un error cuando ocurre una perturbación de carga. La parte proporcional del controlador suministra este cambio inicial. A partir de entonces, la válvula se cierra en un esfuerzo por corregir el offset resultante. Debido a la reacción lenta de la parte integral, la temperatura real tarda en regresar al punto de ajuste. En la figura c, la válvula reacciona con mayor rapidez al error de offset, debido a la constante de tiempo integral mediana. La temperatura, por tanto regresa con mayor rapidez al punto de ajuste en la fig. d. En la figura e, la válvula reacciona muy rápidamente al error de offset, debido a la constante de tiempo integral pequeña (razón de reajuste alta). La temperatura, regresa con rapidez al punto de ajuste en la fig. f. Todas las gráficas de la figura 15, están un tanto idealizadas. En la vida real, la temperatura no se hubiera recuperado al punto de ajuste de manera tan suave. Más bien, produciría algunas oscilaciones en el camino de regreso al punto de ajuste, y probablemente produciría, cuando menos una oscilación cerca del punto de ajuste una vez que se halla recuperado. Hay un límite de lo alta que se puede hacer la razón de reajuste. Si es demasiado grande, la temperatura puede caer en oscilaciones prolongadas tras la perturbación.


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Control proporcional integrativo derivativo (PID) Aunque el control PI es adecuado para la mayoría de las situaciones de control, no es adecuado para todas. Hay algunos procesos que presentan problemas de control muy difíciles que no pueden ser manejados por el control proporcional más integral. Específicamente aquí hay dos características de proceso que presentan problemas de control de tal dificultad que el control PI podría no ser suficiente: 1. Cambios de carga muy rápidos. 2. Mucho tiempo de atraso entre la aplicación de la acción correctiva y la aparición de resultados de esa acción correctiva en la medición. En los casos en los que prevalece alguno de estos dos problemas, la solución podría ser el control proporcional más de integral más El correctiva término control derivativo también se llama control de razón cambio. En derivativo. este, la acción (la posición de la válvula) es determinada por tres cosas: 1. La magnitud de la señal de error: ésta es la parte proporcional. 2. La integral de tiempo del error: o la magnitud del error multiplicada por el tiempo que ha persistido. Esta es la parte integral. 3. La razón de cambio del error con el tiempo. Un rápido cambio del error provoca una mayor acción correctiva que un cambio de error lento. Esta es la parte derivativa. En un sentido intuitivo, la parte derivativa del controlador intenta ver adelante y predecir que el proceso presentará cambio mayor del esperado por las mediciones actuales. Esto es, si la variable medida cambia con mucha rapidez, con seguridad intentará cambiar en una cantidad grande. Siendo éste el caso, el controlador intenta adelantarse al proceso aplicando una acción correctiva mayor que la requerida por un control PI exclusivamente.

Control Proporcional Derivativo (PD) Éste es de muy poco uso en el control industrial de temperatura. Su uso es común en los sistemas de control de seguimiento. En la fig. 16 se muestra un circuito de control PD. Enfoquemos la atención al circuito RC. Con respecto al control PI la posición del resistor y el capacitor han sido invertidas. Recordemos que el capacitor, tarda una cierta cantidad de tiempo en cargarse a través de un resistor. Si ocurre una perturbación que eleve la temperatura, el potenciómetro de error subirá una cierta distancia. El potenciómetro de posición de la válvula intentará seguirlo debido a la acción del amplificador motor. Sin embargo, para nulificar el voltaje de entrada del amplificador, el voltaje a través del capacitor debe ser igual al voltaje del cursor del potenciómetro de error. Dado que el voltaje a través de C está rezagado detrás del voltaje del cursor del potenciómetro debido al retardo de constante de tiempo RC, la posición de la válvula debe sobre corregir. Esto es, debe moverse más hacia arriba de lo que normalmente haría para poder anular el amplificador. Es más, la cantidad de sobre corrección de la rapidez de cambio del error. Si el error cambia con lentitud, el cursor del depende potenciómetro de posición lo seguirá con lentitud, y el capacitor tendrá el tiempo para estar casi al corriente con el voltaje del cursor del potenciómetro de posición. Por tanto no se requiere de mucha sobre corrección. Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Ajuste de la Aumento de banda proporcional Potenciómetro la temperatura de error 0% de apertura

+ -

Error positivo

50% de apertura 100% de apertura

Combustible Aumento de la temperatura

Error negativo Resorte de Punto de ajuste

Fuelle

Fig. 16 Método eléctrico control PD Por otro lado, si el error cambia con rapidez, el cursor del potenciómetro de posición lo seguirá rápidamente, y el capacitor quedará muy rezagado del voltaje del cursor del potenciómetro de posición. Por tanto se requiere de una sobre corrección grande para mantener nulificado el amplificador (para mantener el voltaje del capacitor igual al voltaje del potenciómetro de error). De esta manera, la parte derivativa del controlador responde a la razón de cambio del error). Introduce un ajuste adicional en la apertura de la válvula más allá de lo que el control proporcional produciría por sí mismo. La cantidad de movimiento adicional depende de la rapidez del cambio del error. En un controlador industrial real, el resistor R es un potenciómetro, por lo que se puede variar la constante de tiempo derivativa. Cuando la constante de tiempo derivativa es pequeña (R baja), la parte derivativa del control es menos efectiva. Introduce únicamente una pequeña sobre corrección debido al cambio rápido del error. Cuando la constante de tiempo derivativa es grande (R grande), la parte derivativa se vuelve más efectiva. Introduce una sobre corrección grande al ocurrir un cambio rápido del error. La variable de referencia comúnmente utilizada al trabajar con el control PD es el tiempo de razón e cambio . Esta es una variable bastante complicada desde el punto de vista

matemático. Su definición formal es la siguiente: tiempo de razón de cambio es la cantidad de tiempo permitida para que la variable medida cambie a través del rango completo del


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Automatización y Robótica controlador, si va a manejar el dispositivo corrector final a través de su rango completo de ajuste, suponiendo una banda proporcional de 100%.

Controlador Proporcional Integrativo Derivativo (PID) En la fig. 17 se muestra un diagrama esquemático de este tipo de control, nótese que la parte derivativa está conectada a la parte integral. La salida del circuito integral RC es la entrada del circuito derivativo RC.

Aumento de Razón de reajuste Parte integral

Parte derivativa

+

Combustible Aumento de la temperatura

-

Fuelle Aumento de Tiempo de razón de cambio

Resorte de Punto de ajuste

Fig. 17 Método eléctrico control PID En la fig.17 se muestra la dirección de ajuste del potenciómetro integral para incrementar la razón de reajuste (para aumentar la cantidad de contribución de la parte integral). También en la figura se muestra la dirección de ajuste del potenciómetro derivativo para incrementar el tiempo de razón de cambio (para aumentar la cantidad de contribución de la parte derivativa). La operación del controlador PID puede entenderse combinando las explicaciones el controlador PI con las del PD. En las gráficas de la fig. 18 se muestra el efecto de control resultante de cambiar la constante de tiempo derivativa (que cambia el tiempo de razón de cambio).


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Automatización y Robótica En la fig. 18 a y b se muestra la posición de la válvula y la temperatura medida para un cambio grande y rápido de carga sin el control derivativo. Como puede verse el error inicial es bastante grande y, en consecuencia, requiere un tiempo largo para corregirse. Constante de tiempo derivativa = 0 (solo PI)

Constante de tiempo derivativa pequeña (corta)


Constante de tiempo derivativa grande (larga)



t

t

18a

t

18c

Temp.

18e

Temp.

Temp.

t 18b

t 18d

t 18f

En la fig. 18 c y d, la constante de tiempo derivativa (tiempo de razón de cambio) es pequeña, y el error inicial no es tan grande porque la corrección inicial de la válvula es mayor. El controlador ha introducido la sobre corrección, porque ha reconocido que la razón de cambio rápida inicial pronosticaba un cambio total de temperatura grande, a menos que se tomaran pasos correctivos especiales. Debido a que el error inicial es pequeño, la recuperación al punto de ajuste es más pronta. En la fig. 18 e y f, la contribución del derivativo ha sido elevando la constante de tiempo derivativa. Por tanto, el error inicial es aún menor que antes, debido a que se proporciona mayor sobre corrección inicial de la válvula. Con el error inicial reducido, el tiempo de recuperación y estabilización en el punto de ajuste se reduce aún más que antes. Así como había un límite a la razón de reajuste, hay un límite al aumento del tiempo de razón de cambio. Pueden ocurrir oscilaciones prolongadas alrededor del punto de ajuste si se introduce demasiado control derivativo, es decir, si el tiempo de razón de cambio está ajustado demasiado alto.


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Control En cualquier circuito industrial, los circuitos de control constantemente reciben y procesan información acerca de las condiciones en el sistema. Esta información representa datos tales como las posiciones mecánicas de partes móviles; temperaturas en lugares diversos; presión existente en tuberías; velocidades de flujo de fluidos; etc. Los sistemas de circuitos de control deben recoger toda esa información empírica y combinarla con la información suministrada por los operadores. Esta información, por lo común tiene la forma de arreglos de interruptores de selección y/o instalaciones de potenciómetros selectores. La información introducida por el operador representa la respuesta deseada del sistema o, en otras palabras, los resultados de producción esperados del sistema. Con base en la comparación entre ladecisiones. información del decisiones sistema y laestán aportada por los operadores, los circuitos de control toman Estas relacionadas con la próxima acción del sistema mismo, como por ejemplo arrancar o apagar un motor, aumentar o disminuir la velocidad de un movimiento mecánico, abrir o cerrar una válvula de control, o incluso apagar totalmente el sistema debido a una condición e inseguridad. Obviamente, no hay ningún raciocinio real en la toma de decisiones hecha por los circuitos de control. Los circuitos de control solamente reflejan los deseos del diseñador que previó todas las condiciones posibles de entrada e incluyo en el diseño las respuestas apropiadas de los circuitos. Sin embargo, como los circuitos de control imitan los pensamientos de su diseñador, suelen llamarse circuitos de toma de decisiones, o más comúnmente, circuitos lógicos. Un circuito de control para controlar un sistema industrial puede ser dividido en tres partes distintas. Estas partes o secciones son: 1. Entrada 2. Lógica 3. Salida La sección de entrada, es la encargada de recopilar la información proveniente del sistema y las disposiciones del operador. Algunos de los dispositivos de entrada comunes son los botones, los interruptores límite mecánicos, interruptores de presión y fotoceldas, (Sensores). La sección lógica, es la parte del circuito que actúa sobre la información proporcionada por la sección de entrada. Toma decisiones con base en la información recibida y envía órdenes a la sección de salida. Los circuitos de la sección lógica están construidos con relevadores magnéticos, circuitos discretos de transistores o circuitos integrados de transistores y dispositivos a base de fluidos. La sección de salida son los dispositivos de actuación o actuadores, y son aquellos que recogen las señales de salida de la sección lógica y convierten o amplifican estas señales a una forma útil. Los actuadores más comunes son arrancadores de motores, contactos automáticos, cilindros, bobinas de solenoides y lámparas indicadoras.


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Control electromecánico Una práctica común en la industria es el control del encendido y apagado del equipo (tal como motores, luces, maquinaria etc.) a través de equipo conocido como electromecánico, es decir aquel que en base al uso de la electricidad permite el accionamiento mecánico de ciertas partes tal como es el relevador.

Relevador Es un dispositivo electromecánico formado por una bobina que al ser energizada, permite accionar sus contactos. Tiene contactos que en estado normal (sin energizar) se encuentran abiertos y son llamados contactos NA, también tiene contactos que en estado normal se encuentran cerrados y se les denomina contactos NC. Los símbolos utilizados son los siguientes: Bobina Contacto NA Contacto NC

Principio de funcionamiento Se basa en el principio de Oersted que dice que en cualquier conductor por el que circula una corriente eléctrica se genera un campo magnético como se vio en la materia de Física y en Electricidad y Electrónica . En este caso el relevador tiene una bobina la cual al ser energizada con un voltaje según sea el caso de CD o CA genera un campo magnético lo cual permite jalar una armadura metálica en la cual se encuentran colocados una serie de contactos fijos y móviles en disposición de contactos NA y NC, los cuales se abran si son NC o se cierren si son NA. Simbología Complementaria En el control electromecánico también se usan otros elementos tal como botones para arranque y paro del sistema Botón Tipo Push NA

Botón Tipo Push NC Los botones pulsadores permiten introducir una señal de mando al ser pulsados, al botón NA es común utilizarlo para encender un equipo, este tiene sus contactos abiertos los cuales cierran mientras se esté pulsando el botón. El NC por su cuenta tiene sus contactos Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica cerrados los cuales abren mientras se esté presionando el botón. (Son de contacto momentáneo).

Representación de Circuitos Un circuito como sabemos es un camino cerrado por el que puede circular una corriente eléctrica, cualquier circuito está diseñado para encender o controlar un equipo. Un circuito eléctrico puede representarse a través de un diagrama, existen diferentes formas de representar dichos circuitos, sin embargo utilizaremos para el control electromecánico un diagrama conocido como de escalera

Diagrama de Escalera Es una representación de un circuito a través de un diagrama parecido a una escalera en la cual se tienen dos líneas en forma vertical que indican la alimentación y una serie de peldaños que vienen a ser cada uno de los circuitos Negativo o Neutro

Alimentación (CD o CA)

Positivo o Fase

Circuitos

: Diseñarunamediante diagrama de escalera, un circuito en el que al apretar Ejemplo un botón, 1encienda lámpara un de Cd a 24 Volts

+

-

Circuito 1 Como se ve en este diagrama, de lado izquierdo se representa el cable de alimentación positivo de 24V de Cd, y de lado derecho el negativo. En el circuito tenemos un botón pulsador abierto el cual al ser pulsado se cierra y permite que le llegue corriente eléctrica a la lámpara y que por lo tanto encienda. Cabe mencionar que para que la lámpara esté encendida, el botón se tiene que estar oprimiendo, ya que si se suelta se abre e impide la circulación de corriente. Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica Como siguiente paso vamos a agregarle un relevador y analizaremos su funcionamiento. R R

Circuito 2 En este circuito, al apretar el botón de arranque, este permite que el relevador se energice y que por lo tanto su contacto NA se cierre permitiendo a la lámpara encender, pero parece que no tiene ninguna ventaja sobre el circuito anterior, más bien se ha vuelto más complicado al tener más elementos. En el siguiente circuito es donde observaremos la primera ventaja de usar un relevador R

R R Circuito 3

Analizando el circuito anterior, se observa que al apretar el botón, la bobina del relevador se energiza, permitiendo que los contactos NA del mismo (denominados R) se cierren y la lámpara pueda encender. Obsérvese como aun y cuando se suelte el botón de arranque, el contacto R que se encuentra en paralelo al botón pulsador permite que la energía siga fluyendo a través de él y hacia el relevador. Esta conexión se conoce como retención, memoria, o enclave y permite que con solo un toque el equipo quede encendido. Ahora el problema es como apagar la lámpara. Para esto es que usaremos el botón NC y el circuito queda de la siguiente manera: R

R

R Circuito 4 Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica En el circuito 4 obsérvese como al apretar el botón NC y aunque el circuito se hubiera enclavado, se abre la línea 1 y la bobina se desenergiza logrando con esto el paro del sistema. NOTA: Es importante fijarse como a los contactos se les debe de poner un nombre para saber que elemento es el que controla su activación.

PRÁCTICAS Práctica 1. Realizar los circuitos del l al 4 y comprobar su funcionamiento. Práctica 2. Diseñar el siguiente circuito: 1. Al apretar un botón de arranque, deben de encender 2 lámparas 2. Al apretar un botón de paro apagan las 2 lámparas 3. Armarlo en forma práctica y verificar su adecuado funcionamiento Práctica 3. Diseñar el siguiente circuito: 1. Inicialmente debe haber 2 lámparas encendidas 2. Al apretar un botón de arranque, deben de apagar las 2 lámparas 3. Al apretar un botón de paro las lámparas regresan a su condición inicial de encendidas Armarlo en forma práctica y verificar su adecuado funcionamiento Nota notaremos como los relevadores tienen un número limitado de contactos por lo que se pueden usar más de uno para expandir las ramas. Práctica 4. Diseñar el siguiente circuito: 1. Inicialmente debe de haber 2 lámparas encendidas L1 y L2 2. Al apretar un botón de arranque, deben de apagar L1 y L2 y encender L3 y L4 3. Al apretar un botón de paro todo vuelve a la condición inicial 4. Armarlo en forma práctica y verificar su adecuado funcionamiento Hasta ahora hemos usado un dispositivo electromecánico llamado relevador, el cual posee una serie de contacto normalmente abiertos y normalmente cerrados, y como sabemos puede haber relevadores tanto de CD como de CA. Existe otro dispositivo llamado Contactor, el cual posee exclusivamente contactos NA pero con mayor capacidad de corriente, es decir este se usa para la conexión de cargas y el relevador como elemento de control ya que permite determinar en qué momento se enciende o se apaga algo.


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1. 2. 3. 4. 5.

Práctica 5. Diseñar el siguiente circuito a 120VCA: Inicialmente debe de haber 1 lámparas roja encendidas L1 y una lámpara verde apagada L2 Al apretar un botón de arranque, L1 apaga, L2 y un motor M1 de ½ hp encienden Al apretar un botón de arranque 2 y siempre y cuando M1 esté encendido un motor M2 de ¼ hp enciende Al apretar un botón de paro todo vuelve a la condición inicial Armarlo en forma práctica y verificar su adecuado funcionamiento Nota: Para la práctica armarlo a 24 VCD y sustituir el M1 por una lámpara y M2

por un zumbador.

Relevador de tiempo En algunos sistemas, es importante que los equipos enciendan o apaguen después de un tiempo o que su encendido sea intermitente, para esto existe el relevador de tiempo, el cual puede programarse para que abra o cierre sus contactos después de un tiempo de ser energizada la bobina (On delay) o para que cambie de estado después de desenergizar la bobina (Off delay).

Ejemplo 2: Diseñar un circuito con las siguientes características: 1. Inicialmente una lámpara roja esta encendida indicando que el sistema esta Off 2. Al apretar el botón de arranque, la luz roja apaga y enciende una luz verde indicando que el sistema está On. 3 seg. después un Motor monofásico de ¼ hp enciende. 3. El sistema deberá de incluir un botón de paro

F

N R

R R R R RT

3s

RT M1

Circuito 5 Relevador On delay Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica En el diagrama anterior, se observa en la línea 1 los botones de arranque y paro para controlar al relevador R, así como el enclave, en la línea 2 se muestra una luz roja que inicialmente está encendida al estar el contacto R del relevador cerrado inicialmente y por lo tanto dejando pasar la corriente a través de el. En la línea 3 se tiene a la lámpara verde inicialmente apagada al estar controlada por un contacto R que se encuentra abierto. En la línea 4, se utiliza un contacto abierto R para energizar a un relevador de tiempo on delay programado a 3 seg. el cual al cerrarse R, permite que este empiece a contar el tiempo para actuar sus contactos. La líneas 5 controla el arranque de M1, una vez que cierra RT, esto es 3s. después de activarse el botón de arranque, que es el tiempo a que se programó. Para el caso de la lógica off delay el circuito queda de la siguiente forma:

F

N R

R R R R RT

3s

RT M1

Circuito 6 Relevador Off delay En este caso, en la línea 4 el contacto R está cerrado por lo que el Relevador RT está energizado y su contacto RT se abre inicialmente, por lo que el motor está apagado. Cuando se aprieta el botón de arranque, se energiza R, por lo que en la línea 4 se abre el contacto R desenergizando a la bobina RT generando que el RT empiece a contar los 3s. En ese instante el contacto RT cierre y arranca el motor.

Ejemplo 3: Diseñar un circuito con las siguientes características: 4. Inicialmente una lámpara roja está encendida indicando que el sistema esta Off 5. Al apretar el botón de arranque, la luz roja apaga y enciende una luz verde indicando que el sistema está On y además un Motor 1 monofásico de CA enciende. 6. 5 seg. después enciende un Motor 2 7. 5 seg. después enciende un Motor 3 8. El sistema deberá de incluir un botón de paro Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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F

N R

R R R R R2 R2 M1 R2

5s RT

RT M2 RT

5s RT2

RT2

M3 Circuito 7

En el diagrama anterior, se observa en la línea 1 los botones de arranque y paro, así como el enclave, en la línea 2 una luz roja que inicialmente está encendida al estar el contacto R del relevador cerrado inicialmente y por lo tanto dejando pasar la corriente a través de el. En la línea 3 se tiene a la lámpara verde inicialmente apagada al estar controlada por un contacto R que se encuentra abierto. En la línea 4, se utiliza un contacto abierto del relevador para energizar a un segundo relevador y así tener más contactos disponibles. Las líneas 5 y 6 permiten que el relevador 2 controle el arranque del motor 1 y asimismo a un relevador de tiempo RT tipo on delay el cual será programado con un tiempo de 5 seg. En las líneas 7 y 8 el relevador de tiempo RT permite encender 5 seg. después de apretado el botón de arranque al motor 2 y a otro relevador de tiempo RT2 programado a otros 5 seg. Por último la línea 9 es el encendido del motor 3, después de 10 seg. de apretado el botón de arranque al ser controlado por RT2. Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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PRÁCTICAS Práctica 6. Armar el circuito 5 y 6 y comprobar su funcionamiento. Práctica 7. Armar el circuito 7 y comprobar su funcionamiento. Práctica 8. Diseñar el siguiente circuito: Condición Inicial: Luz Roja inicialmente encendida y luz verde apagada 1. Al apretar un botón de arranque, enciende luz verde, motor 1y apaga luz roja 2. 3 seg. después enciende motor2 y apaga motor 1 3. Armarlo 5 seg. después todopráctica vuelve ya la condición inicial funcionamiento 4. en forma verificar su adecuado

Contador Otro elemento utilizado ampliamente es el contador, el cual permite que sus contactos abran o cierren según sea el caso (NA, NC), al mandarle un número determinado de pulsos para habilitarlo Ejemplo: 1. Activar una lámpara al apretar un botón 3 veces

F

N C

R

3

C

Circuito 8 Contador

Práctica 9. Diseñar el siguiente circuito: Condición Inicial: Luz Roja inicialmente encendida y luz verde apagada 1. Al apretar un botón de arranque, enciende luz verde, y apaga luz roja 2. Un motor M1debera de encender en forma intermitente 3 seg. en On por 2 seg. en Off. 3. El motor deberá encender 3 veces y el sistema debe volver a la condición inicial 4. Armarlo en forma práctica y verificar su adecuado funcionamiento


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Lógica de Relevadores vs. Lógica de Estado Sólido Durante muchos años, las funciones lógicas en la industria fueron realizadas casi exclusivamente por relevadores operados mecánicamente y la lógica de relevadores aún goza de gran popularidad hoy en día. A causa de materiales mejorados de construcción y mejor diseño, los relevadores ahora son capaces de varios millones de operaciones sin fallas bajo condiciones normales. Actualmente la lógica de estado sólido ha ido desplazando a la lógica de relevadores por lo cual se muestra un comparativo entre ambas lógicas. Confiabilidad. En la mayoría de las situaciones industriales la consideración más importante es la operación confiable y libre de mantenimiento. Los relevadores tienen contactos y enlaces mecánicos móviles, bastante que estángrandes sujetosaa fin desgaste. También, susnecesaria bobinas deben permitir corrientes de irrupción de crear la fuerza para mover sus enlaces. Esto causa tensión en el cable de la bobina y su aislamiento. Éstas son las razones por los que la expectativa de vida de los relevadores se limita a unos pocos millones de operaciones. Aunque esto parece mucho, cuanto duraría un relevador si ejecutara su ciclo dos veces por minuto. Dos operaciones por minuto asciende a 2880 operaciones por día, o más de 1 millón de operaciones al año. A ese ritmo, un relevador con una expectativa de 2 millones de operaciones duraría solo unos 2 años. Los dispositivos de estado sólido, por otra parte tienen una expectativa de vida ilimitada. No tienen partes móviles ni una corriente apreciable de irrupción. Excluyendo choques térmicos inesperados o sobrecorrientes, un dispositivo de estado sólido durará para siempre. Esto es una ventaja obvia de la lógica de estado sólido. Los componentes de un relevador están expuestos a la atmósfera. Las partículas de impurezas pueden, por tanto, entrar en el aparato mecánico e interferir con el movimiento correcto. Los químicos y el polvo en la atmósfera pueden atacar las superficies de los contactos, ocasionando deformaciones o picaduras. En algunos casos los contactos pueden soldarse por alguna por la acción química.sobrecorriente. El aislamiento de una bobina también puede dañarse Por el contrario los dispositivos de estado sólido se sellan en paquetes que son impermeables al medio. Ambientes explosivos. El hecho de que los relevadores estén expuestos a la atmósfera tiene otra consecuencia importante. Los contactos de relevador crean chispas cuando operan, debido al choque de metales y retroceso de carga. Si hay gases explosivos en el ambiente, no se puede permitir que haya chispas. Bajo estas condiciones los relevadores pueden usarse solo en gabinetes herméticos que son costosos. Las compuertas se encienden y apagan sin producir chispas, haciéndolas inherentemente seguras en ambientes explosivos. Requerimiento de espacio. Considerando peso y tamaño físico, la lógica de estado sólido es claramente más compacta. En general no es un factor importante en circuitos industriales, pero ocasionalmente puede serlo. Velocidad de operación. En lo que concierne a este punto, definitivamente no hay comparación. Los relevadores operan en milisegundos, mientras que los dispositivos de estado sólido en microsegundos o nanosegundos. Costo.operan La lógica de estado sólido es barata ya que un circuito contiene centenares de elementos que toman decisiones además de que consume menos energía.


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Ventajas de la lógica de relevadores . En el lado positivo de los relevadores la lógica de estos es más barata de construir si el circuito es pequeño. Esto se debe a que los relevadores no requieren ninguna otra alimentación de potencia, no requieren ninguna interfaz en el extremo de recopilación de información (entrada) o en el extremo e actuadores (salida), y se montan muy fácilmente sobre un panel. Segundo, los relevadores no son susceptibles al ruido. No pueden ser engañados por una señal extraña de ruido. Tercero, los relevadores funcionan bien en las altas temperaturas ambiente que se encuentran en ciertas condiciones industriales. La lógica de estado sólido debe ser frecuentemente enfriada por ventilación o aire acondicionado. Cuarto, yfamiliarizado a menudo muy que muchoypersonal de mantenimiento está completamente conimportante, la lógica deesrelevadores mucho menos con la de estado sólido. Dada esta situación, el tiempo de inactividad en caso de descompostura puede ser mayor tratándose de lógica de estado sólido.


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Hidráulica Su estudio tiene que ver con el uso y características de líquidos. Desde el comienzo del tiempo el hombre ha usado líquidos para suavizar su carga. No es difícil imaginar a un hombre de las cavernas flotando río abajo, en unos leños amarrados con lianas enroscadas. Sin embargo fue hasta el siglo XVII en que la rama de la hidráulica se empezó a usar, basándose en el principio descubierto por el francés Pascal, este se relaciona con el uso de fluido confinado, transmitiendo potencia, multiplicando fuerza y modificando movimientos. La ley de Pascal simplemente dice así: La presión aplicada a un fluido confinado se transmite sin disminución de fuerza en todas direcciones correspondientes.

y actúa con fuerza igual y en áreas iguales en los ángulos

Fig.1

En los primeros años de la revolución industrial un mecánico ingles Joseph Bramah utilizó el principio de Pascal en una prensa hidráulica. Esto es que una fuerza pequeña en un área pequeña ejerce una fuerza mayor en un área mayor. Fig. 2.


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Para determinar la fuerza total ejercida en una superficie, es necesario saber la presión o fuerza por unidad de área. La cual normalmente expresamos en libras por pulgada cuadrada (PSI).

Presión =

Fuerza Área

Conservación de la Energía La energía no se puede crear o destruir. La multiplicación de la fuerza no es el obtener algo por nada, el pistón más grande se mueve solamente por el desplazamiento del líquido por medio de un pistón pequeño, haciendo que la distancia que cada pistón se mueve sea inversamente proporcional a su área. Lo que se gana en fuerza se debe sacrificar en distancia o velocidad. Fig. 3 Hidráulica ahora se puedeEldefinir como un medio de al empujarLasobre un líquido confinado. componente de empuje de transmitir entrada al potencia sistema se llama bomba y el empuje de salida es un actuador.


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El sistema hidráulico no es una fuente de energía. La fuente de energía es el primer impulsor, tal como un motor eléctrico o el motor que impulsa a la bomba. ¿Entonces por qué no acoplar directamente el mecanismo mecánico con el primer impulsor? La respuesta es la versatilidad del sistema hidráulico, el cual da las ventajas sobre otros métodos para transmitir potencia.

Ventajas de la Hidráulica La mayoría los motores eléctricos a unaavelocidad Velocidad Variable.constante. Sin embargo, el actuador de un de sistema hidráulico puedetrabajan ser dirigido infinidad de velocidades variables al variar el abastecimiento de la bomba o usando una válvula de control de flujo. Fig. 5


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Reversible.- Algunos de los primeros impulsores son reversibles. Y esos que son reversibles normalmente se les baja la velocidad hasta un paro total antes de invertirlos. Un actuador hidráulico puede ser invertido en plena operación sin que se dañe. Fig.6


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Protección de Sobrecarga.- La válvula de alivio de presión de un sistema hidráulico lo protege del daño que causa la sobrecarga. Cuando la carga excede el ajuste de la válvula, el abastecimiento de la bomba es dirigido al tanque con límites definidos de acuerdo a la torsión o fuerza de salida. La válvula de alivio de presión también da los medios para ajustar una máquina para una cantidad especificada de torsión o fuerza, como en la operación de sujetar o abrazar una pieza. Pueden ser Parados.- Un actuador hidráulico puede ser parado sin causar daños cuando esté sobrecargado y arrancará inmediatamente cuando le reduzcan la carga. Mientras esté parado, la válvula de alivio simplemente desviará el abastecimiento de la bomba al tanque.

Aceite Hidráulico. Cualquier líquido es esencialmente incompresible y por eso transmite la fuerza instantáneamente en un sistema hidráulico. La palabra Hidráulico viene del griego Hidros que quiere decir agua y aulos que quiere decir tubo. El líquido más comúnmente usado en los sistemas hidráulicos es el aceite de petróleo. El aceite transmite la potencia fácilmente porque es muy poco compresible. La propiedad más deseada del aceite es su habilidad de lubricación. El líquido hidráulico debe lubricar la mayoría de las partes móviles de los componentes.

Presión en una columna de fluido El peso de un volumen de aceite varía de grado como su viscosidad (espesor). Sin embargo la mayoría del aceite hidráulico pesa de 55 a 58 libras por pie cúbico en porcentajes de operación normales. Una consideración importante del peso del aceite es el efecto de éste en la entrada de la bomba. El peso del aceite causará una presión de 0.4 psi, más o menos, al fondo de una columna de aceite de un pie. Por cada pie adicional de peso, éste será 0.4 psi más. Así que para estimar la presión de cualquier columna de aceite, simplemente multiplique lo alto por 0.4 psi. Para aplicar este principio, considere en donde está el depósito arriba o debajo de la entrada del abastecimiento de la bomba. Fig. 8 Cuando el nivel del depósito de aceite está más arriba de la entrada de la bomba, se tiene una presión positiva para forzar el aceite dentro de la bomba. Sin embargo, si la bomba está localizada arriba del nivel del aceite, un vacío equivalente a 0.4 psi por pie se necesita para levantar el aceite a la entrada de la bomba. (Presión atmosférica) El agua y varios fluidos hidráulicos resistentes al fuego son más pesados que el aceite, y requieren más vació por pie para levantarlos. Normalmente la entrada de la bomba se carga con aceite por medio de la diferencia de presión entre el depósito de la Usualmente la presión depósito, es presión atmosférica, que yesladeentrada 14,7 psi enbomba. un medidor absoluto. Entoncesenesel necesario tener un vació parcial o reducir la presión a la entrada de la bomba para crear flujo.


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Si fuese posible jalar un vacío completo a la entrada de la bomba, habría disponibles 14.7 psi para empujar el aceite hacia dentro. Sin embargo prácticamente la diferencia de presión disponible debería ser mucho menor por una cosa, los líquidos se vaporizan en un vacío. Esto pone burbujas de gas en el aceite. Las burbujas pasan a través de la bomba, estallando con fuerza considerable, causan daño y desajustan el funcionamiento de la bomba, reduciendo su duración. La mayoría de los fabricantes de bombas recomiendan un vacío no mayor de 5 pulgadas de mercurio, el equivalente de más o menos 12.2 psi. Por lo común cuando hay una pérdida de presión la tendencia es culpar a la bomba. Si una bomba de 10 galones por minuto (gpm) se usa para empujar el aceite bajo un pistón de 10 pulgadas cuadradas y levantar 8000 libras de carga fig. 10. Cuando se está levantando la carga o soportándola por el aceite hidráulico, la presión debe ser de 800 psi. Aunque un agujero en el pistón permitiera una fuga de 9 1/2 gpm a 800 psi, la presión se mantendrá.


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Automatización y Robótica Con solo ½ gpm disponible para mover la carga, ésta naturalmente, se elevará muy lentamente, pero la presión necesaria para hacerlo se mantendrá igual. Si la fuga está en la bomba en lugar de en el cilindro. Aun así habría ½ gpm moviendo la carga y también aún habría presión. Por lo tanto, el mantener la presión no es un indicador de la condición de la bomba. Es necesario medir el flujo a una presión dada, para determinar si la bomba está en buenas o malas condiciones.

Como se crea la presión La presión se crea cuando el flujo encuentra resistencia. La resistencia puede venir de 1. Una carga en un actuador o 2. Una restricción (u orificio en la tubería). La fig. 10 es un ejemplo de carga en el actuador. Las 800 libras de peso resisten el flujo del aceite bajo el pistón y crean presión en el aceite. Si el peso aumenta, también aumentará la presión. La fig. 11 muestra una bomba conectada a una válvula de alivio ajustada a una presión y a una llave de agua común y corriente. Si la llave está completamente abierta, el


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Automatización y Robótica abastecimiento de la bomba fluye sin restricción y no marca nada en el medidor. Si la llave es gradualmente cerrada, esta resistirá el flujo y causará presión. Así como se vaya restringiendo la salida, habrá más presión para empujar el líquido a través de la restricción. Sin la válvula de alivio, ahí teóricamente no habría límite de la presión creada. En realidad o algo se rompería o la bomba atascaría al primer componente.

Aún más cerrada la llave solamente nos daría menos aceite pasando por la salida y más pasando por la válvula de alivio. Con la llave completamente cerrada, todo el flujo se irá a través de la válvula de alivio a la presión calibrada. Una característica inherente de los líquidos es que estos siempre tomarán el paso que tenga la menor resistencia. Así que cuando dos pasos paralelos ofrecen resistencias


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Automatización y Robótica diferentes, la presión solo aumentará a la cantidad requerida por el paso de menos resistencia. Fig. 12 Cuando las resistencias al flujo son conectadas en serie la presión aumenta. fig.13


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Velocidad de un actuador Que tan rápido se desliza el cilindro o rota un motor depende de su tamaño y del porcentaje de aceite que fluya dentro de ellos. Para relacionar el porcentaje de flujo a la velocidad, considere el volumen que debe llenarse en un actuador para efectuar un deslizamiento especificado. Fig. 16


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Automatización y Robótica Como conclusión, 1) la fuerza de un actuador es directamente proporcional a la presión e independiente al flujo, 2) su velocidad depende exclusivamente de la cantidad del flujo del fluido sin tomar en cuenta la presión.

Velocidad en las tuberías La velocidad a la que el fluido hidráulico fluye a través de las líneas es una consideración importante en el diseño. Generalmente, los porcentajes de velocidad recomendados son: Línea de la entrada de la bomba .............................. 2-4 pies por segundo Líneas trabajo ...................................................... 7-20 pies por segundo En estade consideración se toma en cuenta que: 1. La velocidad del fluido varía inversamente como el cuadrado del diámetro interior. 2. Normalmente, la fricción del fluido a través de la línea es proporcional a la velocidad. Sin embargo si el flujo se vuelve turbulento la fricción varía así como el cuadrado de la velocidad.

Potencia y trabajo Cuando se aplica una fuerza o un empuje para mover un objeto una distancia, se realiza un trabajo. Trabajo = fuerza X distancia La formula de trabajo anterior no considera que tan rápido se efectúa el trabajo, o potencia. Potencia = fuerza X distancia = trabajo tiempo tiempo La unidad estándar de potencia es caballos fuerza, abreviando 1 hp= de33,000pies libras hp. minuto Esto equivale a que 33,000 libras se levantaron un pie en un minuto. Para calcular la potencia exacta que se está usando en un sistema, utilizaremos la siguiente formula: hp= gpm X psi 1714 Los caballos de fuerza para impulsar la bomba serán sin embargo más altos que esto, ya que el sistema no es 100% eficiente. Si tomamos un porcentaje de eficiencia del 80%, ésta fórmula se puede usar para calcular la potencia de entrada requerida:

hp = gpm x psi x .0007


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Diseño de un sistema hidráulico sencillo Con la información anterior, es posible diseñar un circuito. Todos los diseños, deben empezar con un trabajo por hacer. Hay un peso que levantar, una cabeza de herramienta que debe de girar o una pieza que debe ser prensada. El trabajo determina el tipo de actuador que se va a usar. Si solo se requiere levantar una carga, un cilindro hidráulico colocado debajo de ésta, hará el trabajo. Lo largo de la carrera del cilindro será cuando menos igual a lo largo de la distancia que la carga se tiene que mover. Su área será determinada por la fuerza requerida para levantar la carga y la presión operante deseada. Supongamos que un peso de 8000 libras se quiere levantar a una distancia de 30" y la presión operante debe ser limitada a 1000 psi, el cilindro seleccionado tendrá quefuerza tener una carrera y conSinunembargo área de pistón 8 pulgadas cuadradas, daría una máxima de de 80030" libras. esto nodenos daría ningún margenesto de error. Una mejor selección sería un cilindro de 10 pulg. cuadradas, permitiendo que la carga sea levantada con 800 psi y dando una capacidad de levantamiento de 10,000 libras. El desplazamiento de arriba y abajo del cilindro será controlado con una válvula direccional, si la carga se tiene que parar en un punto intermedio de su desplazamiento, la válvula deberá tener una posición neutral en la cual el fluido de aceite de la parte de abajo del pistón sea bloqueado para soportar la carga en el cilindro. El porcentaje al cual la carga debe desplazarse, determinará el tamaño de la bomba. El pistón de 10 pulg. cuadradas desplazará 10 pulg. cúbicas de fluido por segundo ó 6,000 pulgadas cúbicas por minuto. Ya que normalmente las bombas están calculadas en galones por minuto, se hace la conversión y el resultado es una bomba de 26gpm. Los caballos de fuerza necesarios para impulsar la bomba están en función de su abastecimiento y la máxima presión a la cual funcionara. Hp = gpm x psi x .0007 Hp = 26 x 1000 x .0007 = 18.2 Para evitar la sobrecarga del motor eléctrico y proteger la bomba y otros componentes de presión excesiva debido a las sobrecargas o atascamientos un juego de válvulas de alivio deberá ser instalado en la línea entre la salida de la bomba y el orificio de entrada de la válvula direccional, para limitar la presión máxima del sistema. Un depósito del tamaño aproximado de dos a tres veces la capacidad de la bomba y unas adecuadas interconexiones de tubo completarían el sistema.

Presión Atmosférica Es la que ejerce el aire de nuestra atmósfera debido a su propio peso. Al nivel del mar, una columna de aire de una pulgada cuadrada en sección transversal pesa 14.7 lbs. Así pues la presión es de 14.7 psia. Desde luego que a mayores altitudes la columna pesa menos y la presión resulta más baja. Bajo el nivel del mar la presión atmosférica es superior a 14.7 Cualquier condición donde se encuentra una presión inferior a la psia atmosférica se dice que existe un vacío total o parcial. El vacío perfecto es la ausencia total de presión, es decir cero psia. Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica La presión atmosférica se mide también en pulgadas de mercurio mediante un barómetro, el cual fue inventado por Torricelli. Él descubrió que cuando se invierte un tubo lleno de mercurio, sumergiéndolo en un recipiente abierto que contenga el mismo líquido, la columna desciende solo una cierta distancia quedando con una altura de 29.92 pulgadas de altura. Así, la presión se puede medir en la siguiente forma: Psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) hace referencia a la escala que comienza con el vacío perfecto (0 psia). En esta escala la presión atmosférica marca 14.7 Psi (libras por pulgada cuadrada manométricas) están calibradas en las mismas 

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unidades marca 0). solo que esta ignora a la presión atmosférica. (la presión atmosférica

Principios del flujo El flujo es la acción del sistema hidráulico que proporciona movimiento al actuador este se crea mediante la bomba. La velocidad es la rapidez promedio de las partículas de un fluido al pasar por un punto determinado, o la distancia promedio que viajan las partículas por unidad de tiempo, se mide en pies sobre segundo (fps), pies sobre minuto (fpm) ó en pulgadas sobre segundo (ips). El flujo es la medida del volumen de fluido que pasa por un punto en un tiempo determinado (gpm). Siempre que se encuentre fluyendo un líquido, deberá existir alguna condición de desequilibrio de fuerza para causar movimiento. Por el contrario, cuando no hay diferencia de presión en un líquido, éste simplemente trata en de los mantener un nivel, pero si pero en algún puntolacambia la que presión los niveles de líquido demás puntos se elevan, solo hasta altura en su peso sea el suficiente como para hacer la diferencia de presión. Así se puede ver que para que un líquido suba por una tubería o para hacerlo ascender por la misma, se requerirá de una diferencia de presión ya que habrá que vencer la fuerza debida al peso del fluido. Naturalmente en el diseño del circuito, la presión que se requiere para desplazar a la masa de aceite y para vencer la fricción de la tubería, debe ser agregada a la presión necesaria para mover la carga. En la mayoría de las aplicaciones un buen diseño reduce al mínimo estas caídas de presión, hasta el punto de hacerlas casi despreciables.

Flujo Laminar y Turbulento En forma ideal cuando las partículas de un fluido se desplazan en forma suave y paralela a la dirección del flujo se obtiene un flujo laminar, este se obtiene a bajas velocidades y en tubería recta. Con este tipo la fricción se reduce al mínimo. Fig. 2-9 Existedelturbulencia partículas no seesdesplazan en forma suave y paralela la dirección flujo. Fig. cuando 2-10. Ellas flujo turbulento srcinado por cambios abruptos en laa dirección o en el área de la sección transversal o por una velocidad excesiva. Esto nos da


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Automatización y Robótica como resultado un gran aumento en la fricción, que produce calor, aumenta la presión de operación y desperdicia potencia.


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Principio de Bernoulli El fluido hidráulico contiene energía en dos formas: 1. Energía cinética en virtud del movimiento del líquido y a su peso. 2. Energía potencial debido a la existencia de presión. Bernoulli demostró que en un sistema con un porcentaje de fluido constante, la energía se transforma de una forma a otra, cada vez que varía el área de la sección transversal de la tubería. El principio de Bernoulli dice que la suma de las energías potencial y cinética en los diversos puntos de un sistema, debe ser constante si el porcentaje de fluido lo es. Al variar el diámetro Sin de laembargo tubería varía también la velocidad. la energía cinética aumentadeo disminuye. la energía no se puede crearAsí ni pues, destruir, por lo tanto, el cambio energía cinética se debe compensar mediante una disminución o incremento de la presión. Un ejemplo es la utilización de un venturi en el carburador de un automóvil.

Simbología Los circuitos hidráulicos y sus componentes se indican de diversas formas en los dibujos. Según la información que nos deba proporcionar la ilustración, se puede tener una representación pictórica de la parte externa del componente; un corte seccional que muestre la construcción interna; un diagrama gráfico que nos indique la función; o una combinación. Sin embargo en la industria el más usual es el diagrama gráfico o simbólico.

Líneas Las tuberías, tubos y pasos hidráulicos se trazan como simples líneas. Existen 3 clasificaciones fundamentales: fig. 14 Una línea de trabajo (sólida) que lleva la corriente principal del flujo del sistema. Quedan incluidas en la misma categoría la línea de entrada de la bomba (succión), las líneas de presión y las de inversión al depósito. Una línea piloto (guiones largos) lleva el fluido que se utiliza para controlar el funcionamiento de una válvula u otro componente, Una línea de drenaje (guiones cortos) lleva el aceite de fuga de regreso al depósito. 

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Componentes rotatorios Un círculo es el símbolo básico para un componente rotatorio. Las fuentes de energía se muestran con triángulos para indicar una fuente de energía (bomba) o como receptores de energía (motores). Si el elemento es unidireccional, el símbolo presenta solamente un triángulo. Una bomba o motor reversible se dibuja con dos triángulos. Fig. 15

Cilindros. Un cilindro se dibuja como un rectángulo indicando el pistón, el vástago y las conexiones de los orificios. Un cilindro de simple acción se dibuja abierto al extremo del Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica vástago y con una sola conexión al orificio del extremo de la tapa. El de doble acción se representa cerrado y con dos orificios. fig. 16


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Válvulas. El símbolo fundamental es un cuadrado. Le llaman sobres, se le agregan flechas a los sobres que muestran las trayectorias del flujo y la dirección del mismo. Las válvulas de posiciones infinitas, tales como las de alivio, cuentan con un solo sobre. Se considera que pueden adoptar cualquier posición, desde totalmente cerradas, hasta totalmente abiertas. Las válvulas de posiciones finitas son las direccionales. Sus símbolos constan de un sobre individual por cada una de las posiciones a las que se puede cambiar la válvula. F. 17


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Símbolo del depósito de aceite. Se dibuja en forma de rectángulo, abierto en su parte superior cuando se trata de un depósito con respiradero y cerrado, cuando es presurizado. Las líneas de conexión se dibujan hasta llegar a la parte inferior del símbolo cuando las tuberías terminan por abajo del nivel del fluido. Si termina por arriba, se dibuja solo hasta la parte superior del símbolo.

Fluidos Hidráulicos La selección que se haga y el cuidado que se tenga del fluido hidráulico de una máquina, ejercerán un efecto importante sobre el rendimiento de ésta, así como por lo que respecta a la duración de los elementos hidráulicos.

Propósitos del fluido El fluido hidráulico tiene cuatro finalidades principales: 1. Transmitir potencia, 2. Lubricar las piezas móviles, 3. Sellar las tolerancias entre una y otra pieza y 4. Enfriar o disipar el calor. Transmisión de potencia Como medio de transmisión de potencia, el líquido debe fluir con facilidad a través de las líneas y orificios de los elementos. La excesiva resistencia al flujo crea pérdidas de potencia considerables. El fluido debe ser también tan incompresible como sea posible, a fin de que cuando arranque una bomba o se cambie de posición una válvula, la acción sea instantánea. Lubricación En la mayoría de los elementos hidráulicos, la lubricación interna la proporciona el fluido. Los elementos de la bomba y otras piezas sujetas a desgaste deslizan entre sí con una película de aceite de por medio. A fin de que el elemento tenga una larga duración el aceite debe contener los aditivos necesarios para garantizar buenas características contra el desgaste. Además deben proporcionar una buena anti-emulsividad y protección contra la oxidación Sellamiento En muchos casos, el fluido es el único sello contra la presión en el interior de un componente hidráulico. Debido a esto son el estrecho ajuste mecánico y la viscosidad del aceite los factores que determinan el porcentaje de fuga que existirá.


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Enfriamiento La circulación del aceite a través de las líneas y alrededor de las paredes del depósito, hace que ceda el calor que se genera en el sistema.

Requisitos de calidad Además de estas funciones primarias, al fluido hidráulico se le pueden exigir un gran número de otros requisitos de calidad. He aquí algunos de ellos: Evitar la oxidación     

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Evitar la formación de sedimentos, gomosidades y barnices. Inhibir la espuma Mantener su propia estabilidad y por ende, reducir el costo del cambio de aceite Mantener un cuerpo relativamente estable en todo un amplio porcentaje de temperaturas Evitar la corrosión y la picadura Separar el agua Compatibilidad con sellos y empaques

Estos resultados son a menudo resultado de composiciones especiales y pueden no estar presentes en todos los fluidos.

El aceite derivado del petróleo como fluido hidráulico Hasta hoy, el aceite derivado del petróleo sigue siendo, con mucho, la base más comúnmente utilizada para los fluidos de hidráulicos. Las características o propiedades de los fluidos de aceite de petróleo dependen tres factores: 1. El tipo de petróleo crudo que se utilice. 2. El grado y método de refinamiento 3. Los aditivos que se usen En general, el petróleo posee excelentes cualidades de lubricación. Algunos aceites crudos cuentan con propiedades lubricantes o antidesgastante superiores a las comunes.

Actuadores Hidráulicos El elemento de salida o actuador es por donde debe comenzar realmente el diseño. El tipo de trabajo a realizar y los requisitos de potencia son los factores que determinan el tipo y tamaño de motor o cilindro que deberá utilizarse.

Cilindros Los cilindros son actuadores lineales. Por lineales entendemos simplemente que la salida de un cilindro es un movimiento o fuerza, o ambos en línea recta.


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Tipos de cilindro Los cilindros se clasifican como de simple acción o de doble acción y en diferenciales o no diferenciales. Entre sus variantes encontramos los diseños en forma de émbolo o de vástago y pistón; los vástagos además pueden ser sólidos o telescópicos.

Cilindro de tipo embolo Es quizá el más sencillo de los actuadores. Posee solamente una cámara para fluido y ejerce fuerza en una sola dirección. La mayor parte de ellos van montados verticalmente y su regreso se efectúa por la fuerza de gravedad que actúa sobre la carga. Son muy prácticos en carreras largas y se utilizan en elevadores, gatos y rampas para automóviles.

Cilindro telescópico Se utiliza cuando su longitud ya retraído, debe ser más corta de la que se obtendría con un cilindro normal. Se puede usar hasta 4 ó 5 secciones; aun cuando la mayoría son de simple efecto, se pueden obtener también unidades de doble acción. Cilindro estándar de doble acción Se denomina así porque es operado mediante fluido hidráulico en ambas direcciones. Esto significa que es capaz de proporcionar una carrera con potencia en cualquiera de los sentidos. El cilindro estándar de doble acción se califica como diferencial porque las áreas que quedan expuestas a la presión durante los movimientos de avance y retroceso, son desiguales. La diferencia es función del área de la sección del vástago. La Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica carrera de avance es más lenta pero capaz de ejercer mayor fuerza que cuando se retroceden vástago y pistón.

Cilindro de doble vástago Los cilindros de doble vástago se utilizan en aquellos casos en que resulta ventajoso acoplar una carga en cada extremo, o bien, cuando se requiere el mismo desplazamiento en ambas carreras. También estos cilindros de doble acción se les clasifica como no diferenciales. Al contar con áreas iguales a uno y otro lado del pistón, pueden proporcionar iguales velocidades o fuerzas, o ambas cosas, en cualquier sentido. Cualquier cilindro el deextremo doble acción extremo inactivosealpuede tanque.utilizar como unidad de simple acción al drenar al

Controles Direccionales Las válvulas direccionales, como dice su nombre, se usan para controlar la dirección del flujo. Aunque comparten su función las válvulas direccionales varían considerablemente en su funcionamiento y construcción. Están clasificadas según sus características principales, tales como: Tipo de elemento interno de la válvula Métodos de actuación Número de vías del fluido Conexiones    

Posiciones limitadas La mayoría de las válvulas direccionales industriales tienen posiciones limitadas. Esto es, que controlan a dónde va el aceite al abrir y cerrar pasos en válvulas de posiciones definidas. Se puede notar que los símbolos gráficos para válvulas direccionales tienen un sobre separado para cada posición fija, mostrando los pasos del flujo en esa posición.

Válvulas check Una válvula check puede funcionar de dos maneras, de control direccional o de presión. Sin embargo, en su forma más sencilla, no es más que una válvula direccional de un paso. Esta permite flujo libre en una dirección y obstruye el paso en la otra. Fig. 7.1 Válvulas de 2 vías y de cuatro vías Su función básica, es dirigir el flujo de la entrada a cualquiera de los orificios de salida. El flujo al orificio "P" (bomba) de la válvula puede ser dirigido a cualquier orificio de salida (Etiquetados A y B). En la válvula de cuatro pasos el orificio alternador está abierto al orificio del tanque permitiendo que el flujo de regreso llegue al depósito. En la válvula de dos pasos el orificio alternador está obstruido y el orificio del tanque sirve sólo para las fugas que se drenarán dentro de la válvula.


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Automatización y Robótica Se hacen en dos o tres posiciones. La válvula de tres posiciones tiene una posición neutral o de centro. Los métodos para actuarlas incluyen palancas mecánicas manuales, levas o uniones mecánicas, resortes, solenoides, y otras. Fig. 7-13

Válvula de dos vías de tipo carrete En la válvula direccional de tipo carrete, un carrete cilíndrico se mueve de atrás para adelante en un agujero maquinado en el cuerpo de la válvula. Pasos maquinados o perforados de las conexiones del orificio en el cuerpo son interconectados a través de ranuras anulares (cortadas por debajo) en el carrete u obstruidas por el espacio del carrete. La válvula de dos vías permite escoger dos pasos de flujo. En una posición se permiteorificios al flujo ydelpasos orificio al orificioFig. "A",7-15 en la otra posición del "P" al "B". Todos los demás están"P" obstruidos.


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Válvula de cuatro vías tipo carrete Es idéntica a la anterior, excepto por el maquinado en los espacios del carrete. El ancho del espacio es reducido para descubrir el orificio "T" en las posiciones extremas, y permite que pase el fluido de regreso al tanque. Fig. 7-16

Operación de los controles Las válvulas de carrete pueden ser actuadas o cambiadas de varias formas, manual, mecánica o en forma eléctrica mediante un solenoide. En esta última, energía eléctrica aplicada al espiral del solenoide, crea un campo magnético, empuja la vástago armadura espiral. El al movimiento la armadura se transmite porque medio de un de dentro empujedel el cual mueve carrete. Fig.de7-19. En válvulas grandes, la fuerza requerida para cambiar el carrete, es mayor que la obtenida del solenoide. La mayoría de las válvulas direccionales grandes son actuadas por presión piloto en contra de cualquier extremo del carrete. El aceite piloto es alimentado de una válvula de cuatro pasos más pequeña denominada válvula piloto la cual normalmente es actuada por un solenoide. Fig. 7-20

Válvulas de alivio La válvula de alivio se encuentra virtualmente en todos los sistemas hidráulicos. Esta es una válvula normalmente cerrada conectada entre la línea de presión (salida de la bomba) y el depósito. Su propósito es limitar la presión en el sistema a un preajuste máximo. Al desviar parte o toda la salida de la bomba al tanque cuando se llega al ajuste de presión. Una válvula de alivio sencilla puede que solo consista de un balero o cabezal móvil asentado en el cuerpo de la válvula por medio de un resorte fuerte. Cuando la presión en la entrada no es suficiente para empujar el resorte, la válvula se conserva cerrada. Cuando alcanza la presión preajustada el balero o cabezal móvil se desasienta y, permite, que el flujo fluya a través de la salida del tanque mientras se mantenga esa presión. En la mayoría de estas válvulas hay un tornillo de ajuste para variar la fuerza del resorte. Así es como se puede ajustar la válvula para abrirse a un porcentaje de presión requerida.

Control de Volumen Las válvulas de control de flujo o volumen se usan para regular la velocidad. Recordemos que la velocidad de un actuador depende de cuánto aceite se le bombee por unidad de tiempo. Es posible regular el flujo con una bomba de desplazamiento variable, pero en muchos circuitos es más práctico usar una bomba con desplazamiento constante y regular el flujo con una válvula de control de flujo.

Métodos para controlar el flujo

Hay tres métodos básicos para aplicar las válvulas de control de volumen para controlar la velocidad del actuador. Estos son:


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Automatización y Robótica 1. Medidos en la entrada, 2. Medidos en la salida y 3. Sangrados.


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Circuito controlado a la entrada En este, la válvula de control de flujo se coloca entre la bomba y el actuador, de este modo, ésta controla la cantidad de flujo que va al actuador. El exceso del abastecimiento de la bomba es enviado al tanque a través de una válvula de alivio. Con la válvula de control de flujo instalada en la línea del cilindro, el flujo está controlado en una dirección. Se debe de incluir una válvula check en el control de flujo o ponerlo paralelo para el flujo de retorno. Si se desea controlar la velocidad en ambas direcciones, el control de flujo puede ser instalado en la línea de salida de la bomba antes que la válvula direccional. El método de control a la entrada es altamente exacto. Se usa en las aplicaciones en las que lavertical carga ocontinuamente resistea velocidad el movimiento del actuador, tales como empujar un cilindro empujar una carga controlada.

Circuito controlado a la salida El control a la salida es el que se usa cuando la carga tiende a escaparse. El control de flujo se localiza en donde restrinja el flujo de salida que viene del actuador. Para regular la velocidad en ambas direcciones, la válvula es instalada en la línea del tanque de la válvula direccional. El control es más frecuentemente necesitado en una sola dirección y se coloca en la línea entre el actuador y la válvula direccional. Aquí también una válvula check de desvío se necesitaría para una carrera rápida de regreso.

Circuito de sangrado En la modificación de sangrado el control de flujo es desunido de la línea de abastecimiento y determina la velocidad del actuador al ir midiendo una parte del abastecimiento de la bomba que va al tanque. La ventaja es que la bomba funciona a la presión requerida por el trabajo, ya que el exceso del fluido regresa al tanque a través de un control de flujo en lugar de que lo haga a través de la válvula de alivio. Su desventaja es que pierde parte de su exactitud porque el flujo medido va al tanque, en vez de al cilindro haciendo que lo anterior esté sujeto a variaciones en el abastecimiento de la bomba debido a los cambios de las cargas de trabajo.


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Neumática La neumática es la realización de un trabajo mediante el empleo de aire comprimido como fuente de energía. El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos. El primero del que sabemos con seguridad que ocupó la neumática, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. el vientoDey,los en antiguos filosofía, griegos tambiénprocede el alma.la expresión "Pneuma", que designa la respiración, Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática que trata los movimientos y procesos del aire. Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación. Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido). La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta queprocesos llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los de trabajo. A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación. En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos.

Ventajas de la Neumática  

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El aire es de fácil captación y abunda en la tierra El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas. Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete.


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Automatización y Robótica 

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Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente. Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa. El aire es una energía limpia Cambios instantáneos de sentido

Desventajas de la neumática  

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En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera, lo cual se ha mejorado mediante el empleo de dispositivos insonorizantes

Propiedades del aire comprimido Causará asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico. ¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad? • Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas. • Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno. • Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas). • Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura, garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas. • Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras. • Limpio: El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero. • Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos puede regularse sin escalones.) • A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden detenerse completamente sin riesgo alguno de sobrecargas. Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas.


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Automatización y Robótica • Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes). • Compresible: Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes. • Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp). • Escape:

El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha

resuelto• en gran parte, gracias al desarrollo de materiales Costos: El aire comprimido es una fuente deinsonorizantes. energía relativamente cara; este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento

Fundamentos físicos La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta es una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición: Nitrógeno aprox. 78% en volumen Oxígeno aprox. 21% en volumen Además contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y xenón. Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada. Toma la del recipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido (compresión) y tiene la tendencia a dilatarse (expansión). Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías. En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, con el objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables. Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores.


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Elementos Neumáticos La Neumática como medio de control consta de los siguientes niveles: 1) 1.Fuente de aire obtenida de un compresor, el símbolo de la fuente es el siguiente:

2) Preparación del aire. Realizado por una unidad de mantenimiento, la cual tiene 4 funciones: a) b) c) d)

Regular la presión. Servir como elemento filtrante Purga de condensados Lubricación (excepto en condiciones que requieran un control sanitario, tal como alimentos y medicinas)

El símbolo de la unidad de mantenimiento es:

O en forma simplificada:

3) Elementos de Entrada al sistema: consiste de los elementos que indican al sistema cuando realizar una acción, tal como botones de mando que indican cuando iniciar un proceso o cuando detenerlo, así como sensores que indican el estado de ciertos componentes o variables. Algunos símbolos son:

Botón pulsador normalmente abierto



2

El primer símbolo es el empleado para diagramas de escalera, este botón al ser apretado, cambia su estado a cerrado pero al soltarlo vuelve a abrirse.


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Botón pulsador normalmente cerrado

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1

El primer símbolo es el empleado para diagramas de escalera, este botón al ser apretado, cambia su estado a abierto pero al soltarlo vuelve a cerrarse. 

Sensor inductivo

1 3 2

Un sensor inductivo se emplea para el caso de querer detectar un objeto metálico (al ser modificado su campo magnético). Funciona de la siguiente manera, se alimenta al voltaje de funcionamiento por ejemplo 24VCD (terminales 1 y 2) y al ser detectado un objeto metálico manda una señal del mismo voltaje a la Terminal 3.



Sensor capacitivo

Un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico (al ser modificado su campo electroestático). Para objetos metálicos es más adecuado inductivo. Para distancias superioresuna a los 40 mm es inadecuadoescoger el usoundesensor este tipo de sensores, siendo preferible detección contotalmente sensores ópticos o de barrera. Su alimentación es igual que la del sensór inductivo 

Sensor óptico

Presenta un emisor y un receptor de luz, si algún objeto atraviesa dicho haz de luz este manda una señal al ser interrumpida la barrera de luz 

Sensor magnético

El interruptor se cierra ante la presencia de un magneto.


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Automatización y Robótica 4) Control. Que es la parte lógica o de toma de decisiones que permite saber que debe hacer el sistema en base a la idea plasmada por el diseñador, está representado por los relevadores y el PLC Recordemos que el relevador ya fue explicado previamente y del PLC se hablará más adelante. La parte neumática lógica, está constituido por las válvulas direccionales, estos son elementos que permiten dirigir el flujo a una u otra dirección.

Válvula 4/2



4

2

1

3

Se muestra una válvula de 4 vías representadas por las flechas o las cuatro conexiones, dicha válvula tiene 2 posiciones representadas por los dos cuadros o sobres. En esta válvula la terminal 1 es la entrada de presión (P), 3 es el retorno del aire (R), 4 es la salida A y 2 la salida B. Si la válvula se encuentra en la posición de lado derecho el flujo de aire se dirigirá de P hacia B y A estará conectado a R. Si la válvula se encuentra en la posición de lado izquierdo, el flujo de aire se dirigirá de P hacia A y B estará conectado a R. La forma de actuar una válvula direccional es variada, por ejemplo: 4

2

1

3

Aquí se muestra una válvula 4/2 la cual se mantiene normalmente en la posición derecha debido a que tiene un resorte o muelle el cual tiene que ser vencido para cambiarla de posición. De lado izquierdo nos indica que para ponerlo en esa posición se tiene que energizar una bobina en forma eléctrica, la cual al ser energizada se imanta y jala la válvula. 4

2

1

3

Esta otra válvula, es controlada de lado derecho por un botón y de lado izquierdo neumáticamente. Existen otras formas de accionarla como puede ser un pedal, un rodillo, etc.

Válvula 5/3



4

2

5

3

Aquí se muestrea una válvula de 5 vías y tres posiciones, la válvula se mantiene en la posición central o neutra debido a que tiene retorno por muelle en ambos lados, en dicha Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica posición no circula el aire por ella, si se quiere cambiar de posición se debe activar uno de los imanes para vencer a los muelles. No pueden estas activados los dos imanes a la vez. 5) Salidas. Que son aquellos elementos que van a realizar un trabajo tal como pistones, motores o luces indicadoras. 

Piston de simple efecto

El al vástago un cilindro de simple efectosesedescarga desplazaelhacia posición final delantera aplicardeaire comprimido. Cuando aire lacomprimido, el émbolo regresa a su posición de partida por efecto de un muelle. El émbolo del cilindro está provisto de un imán permanente que puede utilizarse para activar un sensor de proximidad. 

Pistón de doble efecto

El vástago de un cilindro de doble efecto se acciona por la aplicación alternativa de aire comprimido en la parte anterior y posterior del cilindro. El movimiento en los extremos es amortiguado por medio de estranguladores regulables. El émbolo del cilindro está provisto de un imán permanente que puede utilizarse para activar un sensor de proximidad. 

Motor neumático

El motor de aire transforma la energía neumática en energía mecánica. 

Indicador luminoso

2

Nos sirve para indicar el estado de apagado o encendido del equipo 

Indicador acústico

1

Este indicador activa una señal acústica


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Ejercicios Prácticos: 1) Diseñar un sistema electro neumático con un pistón de simple efecto en el que: a) Inicialmente se encuentre una luz roja encendida, una luz verde apagada y un pistón adentro, b) Al apretar el botón de arranque apaga la luz roja, enciende la luz verde, y el pistón sale c) Al apretar el botón de paro todo vuelve a la condición inicial (inciso a).

Funcionamiento del sistema: Como se ve en el diagrama, al apretar el botón de arranque BA, la energía fluye hacia la bobina del relevador R, con lo cual esta se energiza y elensistema enclava mediante el contacto que se se encuentra colocado paralelose con el botón de arranque. La abierto Luz rojaR que encontraba inicialmente encendida se apaga al abrirse el contacto cerrado R. La lámpara verde se enciende al cerrarse el contacto normalmente abierto R y por último se energiza una válvula solenoide SP que hace que la válvula direccional 3/2 cambie a la posición izquierda y permita que el pistón salga. Si se aprieta BP el sistema regresa a la condición inicial al desenergizar a R. 5

1 2

BA

3R

4

BP

R 2

SP

R

1

3

R 2

R 1

3

P S

Es importante mencionar que el símbolo: 2

1

3

Nos indica una válvula conocida como Reguladora de Presión, esta es muy importante debido a que regula la presión de alimentación y la mantiene a un determinado valor a pesar de las fluctuaciones. 2) Diseñar un circuito con un pistón de doble efecto en el que: a) Inicialmente se encuentre una luz roja encendida, una luz verde apagada y un pistón adentro, Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica b) Al apretar el botón de arranque apaga la luz roja, enciende la luz verde, y el pistón sale c) Al apretar el botón de paro todo vuelve a la condición inicial (inciso a).

Funcionamiento del sistema: Como se ve, esta práctica es similar a la anterior excepto por el pistón que en este caso es de doble efecto. La diferencia entre ambas es el tipo de válvula direccional a emplearse, en este caso se utiliza una válvula 4/2. El funcionamiento eléctrico es similar al anterior. Al apretar el botón de arranque BA, la energía fluye hacia la bobina del relevador R, con lo cual esta se energiza y el sistema se enclava. La Luz roja que se encontraba inicialmente encendida se apaga. se enciende y por4/2 último se aenergiza una válvula solenoide SP La quelámpara hace queverde la válvula direccional cambie la posición izquierda y permita que el pistón salga. Si se aprieta BP el sistema regresa a la condición inicial al desenergizar a R

5

1 2

BA

3R

4

BP

R 4

2

1

3

SP R

R 2

R 1

3

P S

3) Diseñar un circuito con un pistón de doble efecto en el que: a) Inicialmente se encuentre una luz roja encendida, una luz verde apagada y un pistón adentro, b) Al apretar el botón de arranque apaga la luz roja, enciende la luz verde, y el pistón sale c) Al tocar un sensor de límite ubicado al final de su carrera, el pistón regresa. d) Al apretar el botón de paro todo vuelve a la condición inicial (inciso a). NOTA: es importante que primero intentes diseñar tú el circuito antes de observar el diagrama ya resuelto, esto con la finalidad de permitirte desarrollar esta habilidad


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LSF 5

1 2

BA

R BP

R

3

4

4

2

1

3

SP

R

R

2

R

R2 1

3

P S

R2 LSF

BP

R2

Funcionamiento del sistema: Como se ve en esta práctica, el retorno del pistón es automático al ser tocado el Switch de Límite (LSF) colocado al final de la carrera del mismo. El funcionamiento eléctrico es el siguiente: Al apretar el botón de arranque BA, la energía fluye hacia la bobina del relevador R, con lo cual esta se energiza y el sistema se enclava. La Luz roja que se encontraba inicialmente encendida se apaga. La lámpara verde se enciende y la válvula solenoide SP se energiza debido a que el contacto abierto R cierra y el contacto R2 se encuentra normalmente cerrado hasta este momento. Cuando el vástago del pistón sale, toca el switch de límite LSF y entonces se activa R2, enclavándose, esto hace que el contacto normalmente cerrado R2 colocado en serie a la válvula SP se abra y haga que SP se desenergize y por tanto el pistón regrese. Es importante enclavar a LSF ya que de lo contrario el pistón al empezar a regresar, empezaría inmediatamente a salir al volverse a cerrar el contacto R2. Si se aprieta BP el sistema regresa a la condición inicial al desenergizar a R y R2. 4) Diseñar un circuito con un pistón de doble efecto en el que: a) Inicialmente se encuentre una luz roja encendida, una luz verde apagada y un pistón adentro, b) Al apretar el botón de arranque apaga la luz roja, enciende la luz verde, y el pistón sale c) Al tocar un sensor de límite ubicado al final de su carrera, el pistón regresa. d) Al regresar toca un switch LSI ubicado al inicio de su carrera, vuelve a salir esto lo realiza cíclicamente. d) Al apretar el botón de paro todo vuelve a la condición inicial (inciso a).


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Recuerda intentar diseñar tú el circuito antes de observar el diagrama ya resuelto Funcionamiento del sistema: Como se ve solo se ha añadido un contacto cerrado de LSI antes de R2, esto con el objetivo de que al ser tocado LSI, este contacto se abra y rompa el enclave del switch de límite final, permitiendo desenergizar a R2 y provocando que el pistón vuelva a salir al volverse a cerrar el contacto normalmente cerrado de R2 que se había abierto al activarse LSF. LSI

LSF

5

1 2

BA

R BP

R

3

4

4

2

1

3

SP

R

R

2

R

R2 1

3

P S

R2 LSF

BP

LSI

R2

Temporizadores: Como se vio anteriormente, existen dos tipos de temporizador, el de retardo a la conexión y el de retardo a la desconexión, sus símbolos se muestran a continuación: 1 5

Temporizador de retardo a la conexión (on), sus contactos cambian de estado al transcurrir el tiempo prefijado una vez que fue energizada su bobina 1 5

Temporizador de retardo a la desconexión (off) , sus contactos cambian de estado al transcurrir el tiempo prefijado una vez que fue desenergizada su bobina.


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Automatización y Robótica 5) Diseñar un circuito con un pistón de doble efecto en el que: a) Inicialmente se encuentre una luz roja encendida, una luz verde apagada y un pistón adentro, b) Al apretar el botón de arranque apaga la luz roja, enciende la luz verde, y 5 segundos después el pistón sale c) Al tocar un sensor de límite ubicado al final de su carrera, el pistón regresa. d) Al regresar toca un switch LSI ubicado al inicio de su carrera, vuelve a salir después de los 5 segundos y esto lo realiza cíclicamente. d) Al apretar el botón de paro todo vuelve a la condición inicial (inciso a).

Recuerda intentar diseñar tú el circuito antes de observar el diagrama ya resuelto Funcionamiento del sistema: Como se ve en esta práctica, en el segmento 4, existe un relevador de tiempo del tipo On el cual se energiza al cerrar R. Dicho relevador esta programado a 5 seg. Por lo cual en el segmento 5, al transcurrir los 5 seg. se cierra el contacto normalmente abierto de RT y la válvula SP se activa al ser alimentada. El pistón sale y al tocar el LSF se habilita a R2 con lo cual RT se desenergiza al abrirse el contacto normalmente cerrado R2. En su regreso el pistón toca a LSI con lo cual se rompe el enclave de R2 y por lo tanto el ciclo reinicia. LSI 1

LSF

6 2

BA

3

4

R

BP

R

R

4

2

1

3

SP

2

R

R

R2

5 1

3

T R RT

P S LSF

R2

LSI

R2


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Automatización y Robótica 6) Diseñar un circuito con un pistón de doble efecto en el que: a) Inicialmente se encuentre una luz roja encendida, una luz verde apagada y un pistón adentro, b) Al apretar el botón de arranque apaga la luz roja, enciende la luz verde, y 5 segundos después el pistón sale c) Al tocar un sensor de límite ubicado al final de su carrera pasan 3 segundos y el pistón regresa. d) Igual que en el ejercicio 5 esto se realiza cíclicamente. d) Al apretar el botón de paro todo vuelve a la condición inicial (inciso a).

Recuerda intentar diseñar tú el circuito antes de observar el diagrama ya resuelto

LSI 1

LSF

6 2

BA

3

4

R

BP

R

R

4

2

1

3

SP

2

R

R

RT2

5 1

3

T R RT

P S LSF

R2

LSI

R2

R2

2

3

RT2

Funcionamiento del sistema: A diferencia de la práctica anterior ahora R2 controla un RT2 que es quien tras 3 segundos desenergiza a RT y por tanto el Pistón dejará de salir y regresará al desconectarse SP, ya que por efecto del muelle la válvula direccional regresa a su posición derecha.


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Contador: Este elemento permite contar eventos, piezas, etc. su símbolo se muestra a continuación:

Contador-selector eléct…

A1 y A2 es su entrada de habilitación, R1 y R2 su entrada de Reset. Para su funcionamiento, se introduce un valor al que se desee se active (número de cuentas) al llegar a este valor se activa y sus contactos cambian de estado. Para regresarlo a 0, se resetea.

7) Diseñar un circuito con un pistón de doble efecto en el que: a) Inicialmente se encuentre un pistón adentro, b) Al apretar el botón de arranque pasan 5 segundos y el pistón sale c) Al tocar un sensor de límite ubicado al final de su carrera pasan 3 segundos y el pistón regresa. d) Al tocar LSI vuelve a repetir el ciclo. Esto se realiza 3 veces d) Al apretar el botón de paro todo vuelve a la condición inicial (inciso a). Recuerda intentar diseñar tú el circuito antes de observar el diagrama ya resuelto


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LSI 1

LSF

6 2

BA

3

4 BP

R

C

R

R

RT2

4

2

1

3

SP

5

2

T R RT

P S LSF

1

3

R2

LSI

R2

R2

3

2 T R

LSI BP

Funcionamiento del sistema: Solo mencionaremos que un contador C, cuenta el número de veces que LSI es tocado por el pistón, por lo tanto cuando el pistón salga y regrese 3 veces el contador C se activa y su contacto normalmente cerrado C se abre deteniendo al sistema.

PLCs      

Siemens. Omnron. Festo Neumatic. Allen Bradley. Mitsubishi. Telemecanique

Todos los PLC’s del mercado se basan en el principio de lectura cíclica de programa. A diferencia de las computadoras, donde un programa está orientado a objetos y no tiene porque ejecutarse completamente, los PLC si que efectúan el recorrido completo del programa almacenado salvo, como veremos más adelante se encuentren instrucciones de interrupción o salto que modifiquen este comportamiento inicial. Un PLC bajo tensión puede mantenerse en uno de los siguientes estados de funcionamiento (modos de operación):


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Automatización y Robótica RUN: El PLC ejecuta normalmente el programa de usuario con tenido en su memoria. Las salidas evolucionan ON/OFF según el estado de las entradas y las órdenes del programa. Los temporizadores y contadores programados operan con normalidad. STOP: La ejecución del programa se detiene por orden del usuario. Las salidas pasan a estado 0FF. Las posiciones internas (relés, registros), contadores y temporizadores mantienen su estado en memoria interna. En el paso a RUN, todas las posiciones internas, excepto las mantenidas, o protegidas contra pérdidas de tensión, pasan a estado 0FF. − ERROR: El PLC detiene la ejecución por un error de funcionamiento, y queda bloqueado hasta que se corrige el error. Las salidas pasan a estado 0FF. Corregido el error, el PLC sale deenviado este modo bien resetdedeprogramación. puesta en tensión u ordenado desde la CPU, bien por comando desde la por unidad El modo STOP es normalmente utilizado para servicios de mantenimiento o diagnóstico, al congelar el funcionamiento del PLC sin pérdida de la información contenida en su interior, que puede entonces ser visualizada desde la unidad de programación. El modo de operación del PLC puede ser controlado desde conmuta dores situados en la misma CPU, o desde la unidad de programación, con el envío de los comandos adecuados. Ambas posibilidades pueden encontrarse simultáneamente en PLC’s de gamas media y alta, mientras que los modelos compactos de gama baja suelen incluir sólo la segunda. Algunos PLC’s compactos no disponen de conmutadores para el cambio de modo, aunque pueden sustituirlos por interruptores externos que se leen a través de puntos de la interfaz de entradas, asignados para esta función mediante los parámetros de con figuración. Tras la puesta en tensión, el PLC pasa a modos RUN o HALT/ LSTOP, dependiendo del modelo y de la configuración del mismo. En cualquier caso, las conmutaciones RUN/STOP pueden ser forzadas por el usuario des de la unidad de programación o desde los interruptores previstos a tal efecto sobre la CPU. Si en el intento de puesta en marcha o paso a estado RUN el PLC detecta algún mal funcionamiento sobre aparato (conexiones, alimentación, etc.) o sobre el programa (sintaxis), no se mantiene el estado RUN y la CPU cae en ERROR. La gama de PLC de Siemens comprende diversos sistemas de automatización pequeños (Micro-PLCs) que se pueden utilizar para numerosas tareas. La figura muestra un Micro-PLC S7-200.

Gracias a su diseño compacto, su capacidad de ampliación, su bajo costo y su amplio juego de operaciones, los Micro-PLCs S7-200 se adecuan para numerosas


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Automatización y Robótica aplicaciones pequeñas de control. Además, los diversos tamaños y fuentes de alimentación de las CPUs ofrecen la flexibilidad necesaria para solucionar las tareas de automatización. El funcionamiento del PLC es, salvo el proceso inicial que sigue a un Reset, de tipo secuencial y cíclico, es decir, las operaciones tienen lugar una tras otra, y se van repitiendo continuamente mientras el PLC esté bajo tensión. Antes de entrar en el ciclo de operación el PLC realiza una serie de acciones comunes (“power on sequence”), que tratan fu ndamentalmente de inicializar los estados del mismo y de chequear el hardware. Estas rutinas de chequeo, incluidas en el monitor ROM, comprueban: − el bus de conexión de las unidades de E/S, − de ladebatería, sí ésta existe, − el la nivel conexión las memorias in ternas del sistema, − el módulo de memoria exterior conectado, si existe. − Si se encuentra algún error en el chequeo, se activa el LED de error y queda

registrado el código del mismo. El funcionamiento puede quedar interrumpido en ese punto, según la gravedad del error. − Comprobadas las conexiones, se inicializan las variables internas: − se ponen a 0FF las posiciones de memoria interna (excepto las mantenidas o

protegidas contra pérdidas de tensión), − se borran todas las posiciones de memoria imagen E/S, − se borran todos los contadores y temporizadores (excepto los mantenidos o

protegidos contra pérdidas de tensión). − El tiempo total empleado en ejecutar estas rutinas de inicialización es siempre menor que 1 segundo. Transcurrida la secuencia de inicialización, y si no han aparecido errores, el PLC entra en el ciclo de operación, constituido por aquellas operaciones que se ejecutan continuamente. Este ciclo puede considerarse dividido en tres bloques: − proceso común, − ejecución del programa de usuario, − servicio a periféricos.

En el primero de ellos se comprueba el reloj de guarda y realizan los chequeos cíclicos de conexiones y de memoria de programa, protegiendo al sistema contra: − errores de hardware (conexiones I/O, ausencia de memoria de programa, etc.), − errores de sintaxis (programa imposible de ejecutar). El reloj de guarda («watchdog») es un temporizador interno no accesible por el usuario que fija el tiempo máximo de ejecución de un ciclo de operación. Si este temporizador alcanza el valor prefijado, entre 0,1 y 0,5 s según modelos, el PLC pasa al estado STOP y se ilumina el indicador de error. Posibles causas para la activación del reloj de guarda pueden ser: − existencia de algún error de sintaxis en el programa, de forma que nunca se alcanza la instrucción END. − bloqueo de la comunicación con periféricos externos, − avería en el funcionamiento de la CPU, etc. − El chequeo cíclico de conexiones comprueba los siguientes puntos: − niveles de las tensiones de alimentación − estado de la batería, si existe, y


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Automatización y Robótica − buses de conexión con las interfaces.

En el chequeo de la memoria de programa se comprueban la integridad de la misma y los posibles errores de sintaxis y gramática: − mantenimiento de los datos, comprobados con el «checksum», existencia de la instrucción END de fin de programa, − estructuras de salto y anidamiento de bloques correctas, − códigos de instrucción correctos, etcétera

Este proceso común no supera normalmente 1 o 2 milisegundos de tiempo. En el segundo bloque de operaciones, ejecución del programa de usuario, se consultan y actualizan los estados de las entradas y las salidas y se elaboran las órdenes de mando El a partir de de ellos, por ejecución de las instrucciones deldel: programa. tiempo ejecución de este secuencial bloque de operaciones es la suma − tiempo de acceso a interfaces de E/S, − tiempo de escrutación del programa que a su vez dependen, respectivamente, de: − número y ubicación de las interfaces de E/S, − longitud del programa y tipo de CPU que lo procesa.

El tiempo de acceso a las interfaces depende de si éstas están cableadas como locales o remotas (conectadas a la CPU por el bus interno, o a través de procesadores de comunicaciones), y del número de entradas/salidas instaladas. En un PLC compacto o modular con interfaces locales, este tiempo es del orden de 5 ms, aunque puede variar significativamente de uno a otro modelo. El tiempo de ejecución del programa depende del tipo de instrucciones que se procesan, siendo mayor en caso de instrucciones aritméticas o de manipulación de datos, y del modelo de CPU que lo ejecuta, reduciéndose si el PLC utiliza procesadores a medida o personalizados («custom») en vez de microprocesadores estándar. El tercer bloque de operaciones dentro de un ciclo de ejecución, el servicio a periféricos externos, sólo es atendido si hay pendiente algún intercambio con el exterior. Estos periféricos se comunican con el PLC bien directamente, a través de un conector situado sobre la CPU, bien a través de procesadores de comunicaciones específicos, que soportan los protocolos de comunicación des cargando a la unidad de control de esta tarea. La comunicación a través del conector incorporado queda reservada casi exclusivamente para la unidad de programación, aunque existen productos de mercado (por ejemplo, visualizadores y terminales de operador) directamente conectables a esta línea. La conexión con otros periféricos se realiza normalmente a través de procesadores de comunicaciones, que permiten el enlace con: − Computadoras. − Impresoras. − Visualizadores de plasma o siete segmentos. − Lectores de códigos de barra. − Otros PLC’s, etc.

Una vez establecida la comunicación, la CPU dedica un tiempo limita do, de 1 a 2 ms, en atender al intercambio de datos. Si este tiempo no fuera suficiente, el servicio queda interrumpido hasta el siguiente ciclo. Esta suspensión del servicio puede llegar a ser apreciable en procesos de monitorización de estados, cuando la unidad de programación u otro periférico específico pretende visualizar la evolución de las variables en el PLC, dando como resultado la Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica aparición de un retardo entre el estado de los LED indicadores de señal en las interfaces de E/S y la información visualizada sobre la unidad externa. Para el resto de servicios, conexión con impresora, con monitores o visualizadores industriales, etc., los retardos resultan inapreciables.

Normas de seguridad e higiene. Una característica fundamental de los equipos eléctricos industriales es su robustez electromagnética. Entre las normas de protección electromagnética más importantes que un dispositivo debe cumplir en un ambiente industrial están las que hacen referencia a la compatibilidad electromagnética, definida como la aptitud de un dispositivo, aparato o sistema para funcionar en formaelectromagnéticas satisfactoria en suintolerables entorno electromagnético, sin producir por si mismo perturbaciones en otros aparatos que se encuentren en dicho entorno. Existen Normas, que limitan los niveles de emisión de perturbaciones electromagnéticas y establecen la inmunidad del equipo frente a la recepción de las mismas. Si el equipo está además conectado a red debe ser capaz de trabajar con distintos voltajes y variaciones importantes de los mismos, soportar sobretensiones, cortes y transitorios en las líneas de alimentación, etc. (recomen daciones IEC 65A). La normalización EMC recogida por la Directiva Europea 89/336/CEE es el resultado del trabajo de distintos organismos, como la Comisión Electrotécnica Internacional (LEC), que engloba a 47 países con dos centenares de comités y subcomités de estudio, y el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica (CENELEC), que está formado por los países de la Unión Europea más los países miembros de la Asociación Europea de Libre Comercio (EFTA), que elabora las normas europeas (EN) agrupando las normativas nacionales. Al LEC pertenece el Comité de Estudios 77, que trata de los problemas de compatibilidad electromagnética dividiéndolos en seis apartados principales; por ejemplo, SC 77/A hace referencia a los ensayos de inmunidad de armónicos, SC 77/B trata de los transitorios eléctricos en ráfagas, y así sucesivamente. También miembro del IEC es el Comité Internacional Especial para las Perturbaciones Radioeléctricas (CLSPR), entre cuyos subcomités destacan los CISPR/A y CISPRJB, que elaboran las normas para los equipos de medida y equipamiento industrial en general, respectivamente. Al mismo organismo pertenece el subcomité SC 65 A, que elabora las normas de los ensayos de inmunidad de equipos industriales, como computadoras, PLC, entre otros. Miembro del Comité Europeo de Normalización (CEN), CENELEC elabora las normas que hacen referencia a los equipos eléctricos y electrónicos. Para evitar duplicidades con el IEC, los trabajos que aprueba uno de ellos quedan automáticamente aprobados por el otro. Las publicaciones fundamentales del CEN contienen las normas emitidas por el organismo, y sirven de documento de referencia para los comités de productos, ya que definen las exigencias y los métodos de ensayo aplicables a las familias de productos. Por ejemplo, CISPR22 hace referencia a los límites y métodos de medida de perturbaciones radioeléctricas producidos por equipos de tratamiento de la información, como son los PLC’s o PLC’s, terminales de op erador, computadoras industriales, entre otros. Los mínimos requerimientos que el equipo debe cumplir para ser electromagnéticamente seguro se recogen en la especificación NAMUR (Normen Aussch


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Automatización y Robótica Me und Regeltechnick), a la que se refieren muchos de los productos de fabricación europea y alemana en particular. En cuanto a seguridad eléctrica, los equipos deben cumplir alguna de las especificaciones VDE 0805 5.80, EN 60.950, IEC 950, TÜV OS, etc., o ser conformes CE a la Directiva Comunitaria correspondiente. El hecho de que encontremos cada vez con mayor frecuencia PLC's en las más variadas aplicaciones habla muy bien de la confiabilidad de éstos. Pero no se debe olvidar que cualquier equipo electrónico está sujeto a condiciones muy variadas de funcionamiento, las cuales no siempre son las ideales, y que en determinadas circunstancias pueden provocar un malfuncionamiento errático, transitorio o permanente. Por este motivo, es que las SEGURIDADES de las máquinas o procesos automatizados, - fines de carrera - contactos de puertas - pulsadores de emergencia. Jamás deben ser procesadas por un equipo electrónico, sino que deben actuar directamente sobre las alimentaciones de válvulas, contactores, entre otros. Los riesgos mecánicos o hidráulicos son tan importantes como los eléctricos, por lo que deben ser tenidos muy en cuenta a la hora de planear la ubicación de los elementos de seguridad. Otro punto importante es el de las tensiones utilizadas para el comando. Hoy día es frecuente encontrar contactores, válvulas, y sensores acondicionados para trabajar en 24VCC ó 24VCA. La utilización de bajos voltajes no es caprichosa y debe ser considerada seriamente en cualquier automatización moderna. La tensión de 24VCC debe provenir de un transformador/rectificador. No utilice Auto transformadores. La puesta a tierra de los equipos es muy importante, ya que garantiza una vía segura para drenar Posibles corrientes letales provenientes de equipos con fugas en sus aislaciones. La condensación de agua puede transformar un tablero en un elemento de alto riesgo, por lo que, de ser posible, deben tomarse los recaudos para su correcta ventilación y, en el caso de goteos, asegurar su estanqueidad.

Sección de entrada y salida. • Tipos de módulos − De entrada.

Las interfaces de entradas y salidas establecen la comunicación entre la unidad central y el proceso, filtrando, adaptando y codificando de forma comprensible para dicha unidad las señales procedentes de los elementos de entrada, y decodificando y amplificando las señales generadas durante la ejecución del programa antes de enviarlas a los elementos de salida. Tomando en cuenta la enorme cantidad de variantes que pueden presentarse en las señales de proceso, es evidente que deberá existir también un gran numero de tipos de interfaces tanto de entradas como de salidas. Las interfaces pueden clasificarse de la siguiente forma: 1. Por el tipo de señal a. Digitales de 1 bit


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Automatización y Robótica b. Digitales de varios bits c. Analógicas 2. Por tensión de alimentación a. De corriente continua b. De corriente continua a colector abierto c. De corriente alterna d. Salidas por relé 3. Por el aislamiento a. Con separación galvánica b. Con acoplamiento directo 4. Por a. la forma de comunicación Comunicación en serie con la unidad central b. Comunicación en paralelo 5. Por la ubicación a. Locales b. Remotos En la gama de pequeños PLC, el tipo de interfaces disponibles suele ser más limitado, siendo las más frecuentes, clasificadas por entradas las siguientes: Entradas Corriente continua a 24 o 48 V cc Corriente alterna a 110 o 220 V ca Analógicas de 0-10 V cc o 4-20 mA Las interfaces de entrada digitales son aquellas que conectan el PLC con señales de proceso de tipo binario o con grupos de señales binarias formando palabras. Un PLC está adaptado especialmente a las señales binarias, hasta el punto de que ésta es la característica más peculiar. Las señales de entrada todo-nada proceden, por lo general, de contactos electromecánicos (interruptores, pulsadores, finales de carrera, entre otras). Una característica importante a tener en cuenta en las interfaces de entradas binarias son los márgenes de ruido, los cuales son rangos de valores que pueden tomar dicha señal siendo interpretada como nivel 1 ó 0. Este nivel permite determinar el máximo nivel de perturbación que puede superponerse a una señal de entrada sin que el sistema lógico interprete erróneamente su valor. Las entradas de tipo PNP trabajan, con lógica positiva. La conexión de las señales de campo a las terminales de entrada del PLC se efectúa de las siguientes formas: Se unen por un extremo todos los interruptores. Este extremo se conoce como común de campo o común de interruptores y se conecta, para la interfaz PNP, al polo positivo de la fuente de alimentación de E/S. El otro extremo de cada uno de los interruptores se conecta a las distintas terminales de entrada del PLC. Internamente en la interfaz, varios circuitos de entrada suelen estar unidos por un extremo, por lo que sólo se dispondrá de un terminal por entrada y uno común a todas ellas que se conoce como común de la interfaz. En las entradas PNP dicho común de la interfaz debe conectarse al polo negativo de la fuente de alimentación E/S. Este tipo de interfaces suelen trabajar con Elaboró: Ing. Carlos Romero Halfón

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Automatización y Robótica tensiones de 12, 24, 48 o 110 Vcc. El estado de las entradas suele estar indicado por un diodo LED que enciende cuando estas tienen tensión aplicada. Esta comprobación es realmente útil para la comprobación y mantenimiento del equipo. − De salida.

Las interfaces de salida de tipo lógico son aquellas que conectan al PLC con los accionamientos del proceso tales como relés, electroválvulas, etc. Una característica común a todos ellos suele ser que disponen de un buffer, o registro donde el procesador escribe una sola vez por ciclo el valor 1 ó 0 según corresponda por programa. Así, el mencionado registro constituye el bloque lógico de enlace entre la lógica interna y la interfaz. Las interfaces de salida se pueden clasificar Según los componentes salida podemos distinguir dos grupos: Interfacesutilizados de salida como estáticas. Estas emplean algún tipo de semiconductor para conmutar la salida. Según la naturaleza de la tensión de salida pueden ser para corriente continua y para corriente alterna. Interfaces de salida por relé Este tipo es válido tanto para corriente alterna como para corriente continua y proporciona siempre un aislamiento galvánico entre la salida y la lógica interna. Es, el tipo de salida más empleado por los PLC. Según la separación galvánica entre el circuito de salida y la lógica interna podemos clasificar las interfaces en: Salidas acopladas directamente y salidas con aislamiento galvánico. De función especial. Frente a las entradas /salidas de uso general que conectan el PLC con señales estándar de planta, las entradas/salidas especiales permiten la interfaz con elementos sensores o actuadores que entregan o reciben señales particulares, por su forma o por su 



aplicación. La selección los rangos entrada/salida y de modos deo funcionamiento se realizademediante micro interruptoresespeciales integrados en los el módulo, mediante parámetros enviados por programa, limitándose la comunicación por la CPU desde este momento al intercambio de datos de entrada/salida. Si se ha de decidir alguna acción respecto a estos datos, Fuera de las evidentes de adaptación, filtrado y tratamiento específico, la responsabilidad corresponde siempre a la CPU.

Tipos de entradas salidas Las interfaces de entrada digitales son aquellas que conectan el PLC con señales de proceso de tipo binario (conectado /desconectado o abierto / cerrado), o con grupos de señales binarias formando palabras. El PLC, como sucesor de muchos sistemas antiguos basados en relés, está especialmente adaptado a las señales binarias, hasta el punto de que ésta es quizás la característica más peculiar que le distingue de otros sistemas de control industriales como puedan de robótica, máquinas-herramienta de los sistemas Uno de ser losloscriterios de clasificación de los PLCo incluso está precisamente en elinformáticos. número de entradas/salidas (binarias) y su CPU (unidad central de proceso) suele estar especialmente adaptada al tratamiento de bits.


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Automatización y Robótica Las señales de entrada todo-nada proceden, por lo general, de contactos electromecánicos (interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc.) y las salidas suelen atacar a bobinas de electroimanes (relés, electroválvulas, etc). Ambos suelen estar alimentados con tensiones alternas entre 24 y 220 VCA o tensiones continuas de 24 a 110 VCC. La interfaz para estas señales suele ser básicamente una interfaz de hardware de tipo unidireccional, en el caso de entradas destinadas a captar los niveles (alto o bajo) de tensión y convertirlos a niveles lógicos TTL (0 a 5 V) y en el caso de las salidas haciendo la conversión inversa. Una característica a valorar para estos tipos de interfaces es la separación galvánica entre los circuitos internos del PLC, que operan a niveles TTL, y los circuitos externos. En la práctica, la mencionada separación exige tener fuentes de alimentación la lógica interna delestar PLC contenidas y para las E/S. Dichas separadas fuentes depara alimentación pueden ambas dentro del propio PLC. Puede también utilizarse una alimentación externa para alimentar las E/S o incluso alimentaciones independientes para entradas y salidas.

Características principales para una E/S discreta. Dentro de las interfaces de entrada para señales binarias, podemos distinguir los siguientes tipos: Según la tensión de alimentación pueden ser. De corriente continua (CC): Los valores de tensión más frecuentes son 12, 24,48 y 110 VCC. De corriente alterna (CA): Los valores de tensión más frecuentes son 24, 48, 110 y 220 VCA. Para los de CC y según la polaridad de la fuente de alimentación conectada al común, podemos distinguir los tipos: PNP: Común de alimentación a negativo (lógica positiva). NPN: Común de alimentación a positivo (lógica negativa). Según el aislamiento de la interfaz: Con aislamiento galvánico: Alimentaciones completamente se paradas de las E/S y de la lógica interna. Dicho aislamiento se suele conseguir mediante un optoacoplador, que suele admitir tensiones de prueba desde 1500 hasta 5000 V, según los casos. De acoplamiento directo: Señales sin aislamiento galvánico que requieren, por tanto, unir el común de alimentación de E/S al cero de la lógica interna. Este tipo de acoplamiento está prácticamente en desuso por las razones que se han comentado anteriormente. La descripción detallada de cada uno de estos tipos de interfaces se hará a continuación, estudiando un circuito típico de cada uno de ellos. Una característica importante a tener en cuenta en las interfaces de entradas binarias son los márgenes de ruido, que se definen como sigue. El margen de ruido de una señal lógica es el rango de valores que puede tomar dicha señal siendo interpretada Como 0 o 1. Este parámetro permite determinar el máximo nivel de perturbación que puede superponerse a una señal de entrada sin que el sistema lógico interprete erróneamente su nivel lógico. Cabe distinguir dos márgenes de ruido:


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Automatización y Robótica Margen de ruido estático: Aplicable a señales que permanecen durante un tiempo significativamente mayor que la constante de tiempo de respuesta del circuito interfaz. En general, los márgenes de ruido para el nivel “0” lógico y para el nivel 1 lógico pueden ser distintos, tal como se indica a continuación. Se define el margen de ruido estático del nivel “0”, como el rango de valores, para una tensión de entrada permanente, que la interfaz interpretará como nivel lógico “0”. Análogamente, se define el margen estático de ruido del nivel 1, como el rango de valores de tensión de entrada permanente que la interfaz interpretará como 1 lógico. tensiones de entrada comprendidas ambos márgenes de ruido, la interfaz dará unPara estado lógico indeterminado y, por tanto,entre la señal de entrada podría ser interpretada erróneamente por el PLC. Los márgenes de ruido dependen, en general, de la tensión de entrada de la interfaz siendo mayor cuanto más grande sea aquella. Margen de ruido dinámico: aplicable a señales transitorias cuya duración es inferior a la constante de tiempo de respuesta a la interfaz. Para transitorios de corta duración, se admiten mayores fluctuaciones de la entrada sin que se interprete un cambio de estado lógico.

Entradas salidas analógicas Representación de datos analógicos. No todos los PLC son capaces de manipular señales analógicas, pero es frecuente que existan módulos de ampliación para los tipos compactos o tarjetas analógicas en los tipos de rack, que sí son capaces de tratar dichas señales. Paralelamente dichos PLC’s

incorporan ciertas funciones de software (programación), específicas para tratar este tipo de señales y que permiten controlar valores máximos y mínimos de ciertas variables del proceso, realizar cálculos aritméticos o incluso funciones más complejas para control PID, aplicables a servo válvulas, servomotores, control de temperatura, etc. El procesamiento de datos dentro del PLC es enteramente digital, como corresponde a todo sistema basado en un microprocesador y, por tanto, las señales de tipo analógico deben ser previamente digitalizadas para que puedan ser procesadas. Así pues, para el tratamiento de señales analógicas será preciso ante todo convertir dichas señales a la forma digital. Dicha forma digital consistirá en representar la magnitud de la variable analógica por un número codificado en forma binaria o en forma BCD (Decimal Codificado en Binario). Recíprocamente, si el PLC debe suministrar al proceso, variables o señales de regulación continuas, deberá previamente convertir los datos internos en forma binaria o BCD a magnitudes de tipo analógico. Téngase en cuenta que, en general, no se tratará de las mismas señales, sino que el PLC procesará las señales de entrada y elaborará otras de salida, combinando entradas y variables internas y procesándolas con los algoritmos adecuados. Las funciones de multiplexado y conversión AID y DIA son precisamente unas de las funciones esenciales que realizan las interfaces de EIS analógicas. Las señales que aparecen en el control de un proceso proceden, en general, de diversos tipos de sensores (entradas), con rangos de variación muy diversos y deberán aplicarse a distintos tipos de reguladores (salidas), que exigirán en cada caso un margen de variación distinto. Evidentemente, dada la variedad de sensores con que podemos encontrarnos, sería preciso disponer de un gran número de interfaces especiales para cada caso. Debido a esto, se busca la estandarización dentro del campo de la instrumentación, de manera que la señal del


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Automatización y Robótica sensor se convierte en una señal de tipo normalizado que suele ser de uno de los siguientes tipos: Señales de 0 a l0 V. Señales de 0 a 5 V. Señales de 0 a 20 mA. Señales de 4 a 20 mA.    

Interfaces para entradas analógicas Las interfaces de entrada de tipo analógico para PLC’s programables suelen disponer de varios canales de entrada agrupados, pero, salvo casos especiales, no se utiliza un convertidor para cada canal, sino que se utiliza un solo convertidor para un conjunto de entradas analógicas. Para ello es preciso que en cada momento sólo una de ellas esté conectada al convertidor, realizándose la conversión de forma cíclica, una tras otra. Las interfaces de entradas analógicas más comunes trabajan con señales normalizadas de 0 a 10 V o de 4 a 20 mA, pero algunas familias de PLC’s de gama alta

disponen también de tarjetas específicas para tipos concretos de transductores (termopares, encoders, etc.). Como criterio general, los parámetros más relevantes a comprobar en cada aplicación son los siguientes: Márgenes de tensión o corriente de entrada. Impedancia de entrada. Nivel de aislamiento entre entradas y unidad de control y entre entradas entre sí. Resolución, que dependerá del número de bits del convertidor. Tipo de conversión A/D. Polaridad de la señal de entrada (conversión con signo o sólo valor absoluto). Tiempo de adquisición del dato. Precisión o margen de error. Precauciones de instalación (longitud y tipo de cables). Modulo ASCII Basic Módulos de transmisión serie, o módulos ASCII Los PLC necesitan frecuentemente intercambiar datos con dispositivos ajenos a ellos, con los que no tienen interfaces específicas: visualizadores de mensajes pantallas TRC impresoras teclados lectores magnéticos módems computadoras   

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esta funcióncon loselfabricantes procesadores de comunicaciones capacesPara de comunicarse dispositivo disponen mediante de un canal serie, según estándares RS232 C, punto a punto, o RS-422 o RS-485, multipunto.


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Automatización y Robótica En su versión más sencilla, estos procesadores son simples interfaces serie que transmiten o recogen de la línea bloques de información sin intervención de ningún control ni protocolo, fuera de las contenciones físicas o de software que fije la transmisión serie, y de las comprobaciones de integridad de la transmisión (bit de paridad). En la transmisión, la interfaz se limita a recoger los datos en el orden en que se le presentan en un área de su memoria interna, y de transmitirlos por la línea serie en el formato (bits de inicio y final, bit de paridad, velocidad) que haya sido indicado en la parametrización de la tarjeta: es responsabilidad del usuario que los datos hayan sido preparados de forma que puedan ser reconocidos por el dispositivo de destino. En la recepción, la tarjeta lee la línea serie, comprueba la integridad de la transmisión filtrapalabras, los bits de control, dejando los datos válidos aenasegurar un área de memoria interna. En yotras estos enlaces asíncronos se limitan la su transmisión física de datos entre dispositivos, pero no reconocen ni intervienen en los caracteres que están transmitiendo: datos, direcciones, códigos de control, etc. Toda esta información debe haber sido preparada previamente por el usuario, y cargada en memoria de transmisión en el orden que el receptor espera. La comunicación de estas tarjetas con la CPU tiene lugar en dos fases: 1. Parametrización, en la que la CPU les envía una palabra o bloque que define las características: número de bits de inicio (Start) número de bits de final (Stop), número de bits de datos (7 u 8), existencia o no de bit de paridad, velocidad      

contenciones “hard” o “soft” empleadas

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modo de transmisión (Duplex, Half Duplex, etc.).

2. Transferencia, la que la instrucciones CPU se limitao abloques leer o escribir en unpredefinidos área de memoria RAM interna de la tarjeta,enmediante funcionales por el fabricante. El tratamiento que la tarjeta aplica a la información que emite o recibe consiste en: convertir de paralelo a serie, y viceversa añadir/filtrar los bits de control. Eventualmente, algunas tarjetas permiten: paginar la información enviada F (número de página, cabecera, pie), añadir/esperar ecos de transmisión / recepción, sobreimprimir fecha y hora actuales en el mensaje, etc. Los procesadores de comunicaciones serie más sencillos se denominan frecuentemente interfaces ASCII, por ser éste el código más empleado en las transferencias, y constituyen, hoy por hoy, una respuesta rápida a las necesidades de comunicación del PLC con dispositivos de otros fabricantes o de protocolos no compatibles.  

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Comunicación síncrona. • RS – 232 (ANSI/EIA-232).

El enlace RS-232C, recibe su nombre de la norma americana de EIA (Electrical Industries Association), equivalente al estándar europeo V.24 de CCIT. Este estándar fue previsto en un principio para la comunicación entre un terminal (DTE) y un módem (DCE) pero, posteriormente, han surgido una multitud de variantes, aplicadas de forma generalizada a enlaces punto a punto entre terminales de datos (DTE ↔ DTE).

La norma básica se ocupa, esencialmente, del aspecto físico de la conexión indicando los tipos de conectores, niveles de señal y las señales de protocolo a nivel de hardware (señales de “handshakin”). En concreto, el enlace definido por la norma básica

utiliza 25 líneas (datos + control) y conectores tipo DB-25. Actualmente existe una gran diversidad de dispositivos digitales (computadoras, aparatos de medida, controladores industriales, etc.) que disponen de un canal de comunicaciones serie que suele designarse como RS-232, aunque ciertamente utilizan sólo una mínima parte de las señales definidas en la norma srcinal. Este hecho ha dado lugar a algún desconcierto y falta de compatibilidad entre terminales que teóricamente obedecen a la misma norma pero que, en muchas ocasiones, no utilizan las mismas señales de control (handshaking). Así por ejemplo, los aspectos básicos de la norma han sido adoptados para los enlaces entre terminales industriales, PLC y computadoras personales (PC) pero, en dichas aplicaciones, no suelen emplearse todas las señales previstas por la norma srcinal y, por ello, muchos utilizan un conector de 9 patillas, tipo DB-9, en lugar del conector DB-25. Tanto en la configuración de los distintos tipos de conectores y las patillas que ocupan cada una de las señales, tanto en el caso del conector DB-25 previsto en la norma srcinal para el enlace terminal-módem, como en el DB-9 previsto como canal serie en muchos PC y PLC. En la tabla 14.4 se indican los nombres y símbolos habituales de las señales de E/S másyimportantes se un especifica, que ocupan conectores DB-25 DB-9, segúndel se bus tratey de terminalademás, (DTE) oladepatilla un módem (DCE).en los


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Antología Automatización y Robótica

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