CFGM Instalaciones eléctricas y automáticas Electricidad Electrónica
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Automatismos eléctricos e industriales José Luis Duran Moyano Herminio Martínez García Juan Gámiz (aro Joan Domingo Peña Antoni Grau Saldes
marcombo ediciones
técnicas
~·ltamar
Título de la obra:
Automatismos eléctricos e industriales Autores:
© José Luis Duran Moyano
© Herminio Martínez Garcia © Juan Gámiz (aro
© Joan Domingo Peña © Antoni Grau Saldes
Diseño de cubierta:
Uriol Miró Genovart Diseño de interiores:
Uriol Miró Genovart Fotografías:
José Luis Duran, Herminio Martínez, Juan Gámiz, Joan Domingo, Antoni Grau, Shiva y Fondo Altamar Ilustraciones interior:
www.eximpre.com Maquetación:
www.eximpre.com Impresión:
BIGSA
© Reservados todos los derechos de publicación, reproducción, préstamo y alquiler o cualquier otra forma de cesión del uso de este ejemplar de la presente edición española por: ALTAMAR, SA CI Medes 8/10. 08023 (Barcelona) MARCOMBO Gran Via de les Corts Catalanes, 594. 08007 (Barcelona)
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ISBN por Marcombo: 978-84-26715-63-0 ISBN por Altamar: 978-84-96334-68-7 Impreso en España Printed in Spain Depósito legal: B-30778-2011
Presentación El libro que tienes entre las manos desarrolla el currículo del módulo de Automatismos industriales correspondiente al Ciclo Formativo de Grado Medio de Instalaciones eléctricas y automáticas de la familia profesional de Electricidad y Electrónica. En la propuesta que presentamos hemos tenido en cuenta la dificultad que en la práctica tenemos los docentes para poder impartir todo el currículo en la horas asignadas, así como las capacidades que tiene el alumnado cuando empieza a cursar el ciclo formativo. Así, pues, queremos que sea una propuesta creíble como libro de texto, es decir, que se pueda impartir en su totalidad . .Además, hemos desarrollado el currículo de una manera especial: no como un módulo completamente independiente de los demás, sino de manera integradora dentro del conjunto de los módulos del ciclo, evitando posibles reiteraciones y solapamiento de contenidos entre ellos. El libro se ha estructurado en siete unidades didácticas que podemos agrupar en tres bloques: Automatismos cableados y programables. Introducimos este primer bloque repasando las magnitudes básicas y, de una manera muy sencilla, los fundamentos matemáticos de los automatismos, así como también su representación y simbología (Unidad 1). Dedicamos toda la Unidad 2 al tratamiento de los automatismos cableados incluyendo -antes de proponer el montaje de los circuitos en el taller o laboratorio, las principales normas eléctricas para trabajar con seguridad. En la Unidad 3 trataremos los automatismos programables destacando las principales ventajas respeto de los cableados. Cableado e instalación de los cuadros eléctricos. Empezamos este bloque presentando las herramientas y operaciones más importantes que un técnico suele realizar, actualmente, en el proceso de instalación y montaje de un cuadro eléctrico. También se indican las precauciones que se deben seguir para trabajar con seguridad con las herramientas y máquinas-herramienta; así como la utilización de los equipos de protección individual (EPI) para evitar riesgos mecánicos (Unidad 4). En la Unidad 5 presentamos los cuadros eléctricos y las principales características que hay que considerar para una correcta elección en función de la aplicación. También se estudian en esta unidad los principales riesgos eléctricos y se relacionan los diferentes tipos de EPI para protegerle. Análisis, diagnóstico y reparación de averías. En este bloque se explica la metodología que se debe seguir para diagnosticar la existencia de averías (Unidad 6), y también la manera de actuar para repararlas (Unidad 7). Todas las unidades están articuladas en apartados y subapartados en los que se proponen ejemplos resueltos para facilitar la consolidación de los conceptos y procedimientos. Con la misma intención, al final de cada apartado, se proponen diferentes actividades. Para acabar, cada unidad didáctica se cierra con una autoevaluación. Finalmente, queremos agradecer a Fernando Vázquez y a Enric Sospedra, del EUETIB-UTB, su colaboración desinteresada en la realización de fotografías, tanto aportando material y herramientas corno para ofrecerse a salir en ellas. Los autores
Indice general
índice general Unidad didáct i ca 1 Automatización básica ..... . .........•. • . . ..... . . 1.1. Introducción a los automatismos ..
2.7. RealizaC ión de esquemas de automatismos. 2.7.1. Tipos de esquemas de circu itos.
6 7
1.1.1. Automatismos y automatización.
7
1. 1,2. Elementos o dispositivos que forman un automatismo.
8
1. 1.3. Fases de realización de un automatismo.
1.2. Magnitudes eléctricas tratadas en automatismos. 1.2.1. Intensidad eléctrica.
2.7.2. ElaboraCión desarrollada de esquemas ........ . . 2.8. Automatismos básicos.
66 66 68 71
2.8.1. Contro l manual mediante un conmulador 2.8.2. Control al impulso de un contactar (con pulsadores) .
71 71
11
2.8.3. Con trol al impulso de un contactor desde varios puntos. 2.8.4. Circuitos de mando con temporizadores.
72 72
JI
2.8.5. Control de contactares asociado.
74
10
2.9 Elementos de protección. 2.9.1. Fusibles ..
75 76
1.2.2. Tensión eléctrica.
JI
1.2.3. Resistencia eléctrica.
12
1.2.4 Energía eléctrica.
12
2.9.2 Magnetotérmicos o interruptores automáticos.
13
2.9.3. Relés térmicos .. 2.9.4. Interruptores diferenciales.
80
2.9.5. la alimentaCión y protección de los motores.
82
'1.2.5 Potencia eléctrica. 1.2.6. Densidad de corriente ..
14
1J. El lenguaje de los automatismos ...................... .
1.3.1. Las señales.
15 15
2.1 0 Automatismos para máquinas eléctricas de CA ..
1.3.2. Códigos de representación numéricos.
16
tE Álgebra de Boole ..
17
1.3.4. Sistemas combinacionales.
20
2.1 0.1. las tres reglas baSIGlS de la segu ridad eléctrica para trabajar en ci rCUitos sin tensión (en baja tensión) . 2.10.2. Arranque de motores de CA. 2.10.3. Arranque directo.
1.3.5. Método de Karnaugh para la simplificación de funciones lógicas.
2l
2.10.4. Inversor de giro para motores de CA ... 2.10.5 Arranque estrella-triángulo.
1.3.6. Sistemas secuenciales.
26
2.10.6. Circuitos alternativos de arranque.
14. la simbología en los automatismos.
28
1.4.1. Simbología electrón ica.
28
1.4.2. Simbología eléctrica ..
32
1.5. Descripción de automatismos mediante el GRAFCET . 1.5.1. ¿Qué es el GRAFCEP .
40 40
1.5.2. Estructuras de secuencias del GRAFCET Autoevaluación .
41 46
Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas .. 2.1. Los automatismos cableados ..
48 49
2.1. 1. El circuito de maniobra
49
2.2. Dispositivos de mando básicos. . ........... .. . .. . 2.2.1. Elementos de mando manuales. 2.2.2. Detectores automát icos y sensores .......... . . 2.3. los dispositivos de regulación y los actuadores 2.3.1. Reguladores o controladores. . ......... . .
2. 4. Relés y contactores . 2.4.1. Relés electromecánicos 2.4.2. Contactores. 2.5. Identificación de los bornes de conexión. 2.5.1. Marcado de bobinas de mando ..
50 50
51
3.1. la apariC ión de los autómatas programables. 3. 1.1. ¿Cómo se automatizaba antes? 3.1.2. El primer autómata programable .
65
2.6.1. Señalización luminosas y ópticas .
65
2.6.2. Senalizaciones acúslicas.
66
2.6.3 Simbolos de los elementos señalizadores y sistema de refe rencias para bornes.
66
101 10 1
106
3.3.1. Aspectos generales de las entradas y salidas.
106
3.3.2. Entradas digitales.
107
3.3.6. Módulos especiales.
63
99 100
105
3.3.5. Salidas analógicas
63
99 99
3.2.4. La ejecución de programas y el ciclo de exploración
54
2.5.3. Marcado de contactos auxiliares ..
98
102
3.3. las entradas y salidas.
56
63
92
103
H 4. Salidas digitales.
63
84
85 86 89
3.2.2. la estructura externa. 3.2.3. la memoria en los autómatas.
53
2.5.2. Marcado de contactos principales.
2.6. Elementos de señalización ..................... . .
3.2. la estructura de los autómatas. 3.2.1. la estructura interna .................... . . . .
l.E Entradas analóg icas.
59
83
97
Unidad didáctica 3 Aplicaciones con autómatas programables. . . . . . . . . . . .
53
56
83
94
3.1.3. la evolución de los autómatas programables
Unid ad didáctica 2
2.3.2. Actuado res.
2.10.7. Frenado de motores de CA. Autoevaluación
77 79
.
....... .
108 109
.... .. . . . .
3.4. Instalación del autómata 3.4. 1. Disposición en un cuadro eléctrico. 3.4.2. Montaje y desmontaje de módulos. 3.4.3. Conexión del autómatas ............... . .
109
110 111
111 112 113
3.5. Mantenimiento de autómatas.
117
3.6. la programación de los autómatas. 3.6.1. Instrumentos para la programación de autómatas.
119
3.6.2. Los lenguajes de programación y la norma lEC 61131-3.
120
120
3.7. Para saber más ... ejemplos de automatizac ión avanzados ..
127
3.8. Aplicaciones y ventajas e inconvenientes de los autómatas.
1JJ
Autoevaluación
134
índice general
5.4. EqUipos de protección para la prevención
Unidad didáctica 4
de 105 riesgos eléctricos.
Me(ánica básica . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . • . • . . . . .. 136
. .......... . .
S.S. Verillcación y prueba del cuadro.
196 200
4.1. Operaciones de mecanizado
137
5.5.1. Verificación de la instalación
200
4.2. Materiales para mecanizado y sus propiedades ...... .. . . . . 4.2.1. Los metales férricos. 4.2.2. los metales no férricos. 4.2.3. Plásticos.
137 138
5.5 .2. Pruebas de funcionamiento ........ . .
201
4.3. Métodos de representación gráfica
141
203
139
140
4.3.1. Planos y croqUIs.
141
4.3.2. Escalas. 4.3.3. Vistas y proyecciones de una pieza.
141
4.3.4. Acotado.
143
4.4. Operaciones de mecanizado. . 4.4. 1. Operaciones de marcar y trazar.
Autoevaluación .
141
144 144
Unidad didáctica 6
Detección V diagnóstico de averías en automatismos cableados V programados. . . . . . . . . .. 104 6.1. Las averías y sus tipos.
................. _ . . .
205
6.1.1. tncidencias de las averías en los sistemas automatizados.
205
6.12. Averías en automatismos cableados.
206
6.13. Averías en automatismos programables.
207
4.4.2. Operaciones de sujeción. . ... . . . .. . . . . ... . . .. . .
145
4.4.3. Operaciones de corte..................... . .
146
4.4.4. Operaciones de desbastado y limado ......... . .
148
6.2.1. Métodos de detección de averías.
208
4.4.5. Operaciones de doblado y curvado ........... . .
149
6.2.2. Documentos para el análisis y evaluación de las averías.
209
6.2. Métodos de detección y análisis de averías.
208
4:5. Uniones.................................... . .
150
63 Efectos observados y sus pOSibles causas.
Uniones roscadas. . . . . .. . . . . .. . . . . . . . 4.5.2. Uniones roblonadas o remachadas..
150
63.1 Síntoma, ave ría y disfunción.
212
151
63.2. tdentilicación de las causas de los síntomas observados.
212
4.5.3. Uniones soldadas.
152
633. Formulación del diagnóstico.
l15
15 4
6.4. Identificación de los elementos averiados.
215
4.5.1
4.6. Operaciones con máquinas herramientas ...... . .. . .
212
4.6. 1. Operaciones de taladrado.
154
6.4. 1. Selección de pruebas y medidas que deben realizarse.
216
4.6.2. Otras operaciones .......................... .
155
6.4.2. Ayudas a la identilicación de averías por parte del automatismo.
219
157
6. 43. Utilización de sinópticos ..
221
158
6.4.4. Utilización de códigos de avería
221
6.4. 5. Posicionamiento manual de la parte mecánica.
222
4.7. la seguridad en las operaciones de mecanizado. 4.7.1. Normativa de seguridad laboral. 4.7.2. la responsabilidad de empresas y trabajadores
157
4.7.3 Origen de los accidentes con herramientas
máquinas-herramienta portátiles .. 4.7. 4. Riesgos que generan las herramientas y las máquinas-herramienta portátiles.
158
22l
160
4.7.5. Medidas para evitar riesgos en las operaciones de mecanizado .
161
4.7.6. Equipos de Protección individual.
161
4.8. Metrología y operac iones de medida ..
164
4.8.1. la medición y los errores.
164
4.8.2. Metros y reglas graduadas.
165
4.8.3. El pie de rey o calibrador.
166
4.8.4. Micrómetro y pálmer .......... . . Autoevaluación .
AUloevaluación .
168 170
Unidad didáctica 7
Reparación de averías en automatismos cableados V/ o programables ..... . ... . ........ . . . . 114 7.1. La reparación o sustitución. .
225
7.1 .1. Elementos que hay que reparar o sustituir .
225
7.1.2. Determinación del tiempo previsto de trabajo . .
227
7.1.3. Normas de seguridad.
228
7.2. Recambios, instrumentos y ma teriales necesarios.
Unidad didáctica S
Cuadros eléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 171 5.1. Elección y colocación de cuadros eléctr icos. 5.1.1. ¿Qué son y pa ra que sirven los cuadros eléctricos?
173 173
5.1.2. Aspectos relacionados con la protección de los cuadros eléctricos.
174
5.1.3. Tipos de cuadros eléctricos
176
5.1.4. Accesor ios auxiliares.
177
5.2. Cableado de cuadros ..
180
5.2.1. los conductores eléctricos.
180
5.2.2. Identificación de elementos en un cuadro eléctrico.
184
5.3. ubicación de aparatos y medidas de segu ridad
en cuadros eléctricos. 5.3.1. Accesibilidad .......................... •. . 532. 5eguridad ..
188 188 193
229
7.2.1. los recambios y sus tipos ..
229
7.2.2 Preparación de los recambios.
229
7.2.3. Selección de herramientas y accesorios..
230
72.4 Selección de instrumentos de medida.
230
7.2.5. Selección de la indumentaria.
231
7.2.6. tnspeCClón previa a la reparación.
212
7.3. Protocolos de mantenimiento y de reparación.
2ll
7.4. Realización de las operaciones de sustitución de
elementos o reparación. 7.4.1. Aspectos de tipo personal .
235
. ............. . . . .
235
7.4.2. Aspectos relacionados con los materiales.
215
7.4.3. Aspectos económicos y de optimización ..
236
7.5. VerificaCión del !uncionamiento del automatismo.
218
7.5.1. Pruebas paramétricas y pruebas funciona les.
238
7.5.2. rareas de verificación.
238
AUloevaluación .
240
Unidad didáctica 1
Automatización básica
¿Qué aprenderemos? Qué es un automatismo. La arquitectura y las fases de realización de un automatismo. Qué variables eléctricas intervienen en los automatismos. Qué lenguaje utilizan los automatismos. Para qué sirve el álgebra de Boole. Qué distingue un automatismo combinacional de otro secuencial. Cuál es la simbología utilizada en la representación de automatismos. Cuál es la finalidad del GRAFCET.
Unidad didactlca 1 Automatización basica
Introducción a los automatismos . ]~
Automatismos y automatización
¿En qué consiste la automatización? Desde el inicio de los tiempos, los seres humanos aplicaron su ingenio en la invención y el desarrollo de máquinas que les permitieran mitigar el esfuerzo físico ocasionado en sus labores diarias. Estas máquinas se componían de un conjunto de piezas o elementos que permitían, a partir de la aplicación de una cierta energía, transformarla o restituirla en otra más adecuada o, bien, producir un determinado trabajo o efecto. Más tarde tuvieron la necesidad de construir mecanismos capaces de ejecutar tareas repetitivas y de controla r determinadas operaciones sin la intervención de un operador humano, lo que dio lugar a los lla mados automatismos. La historia industrial reciente está marcada por logros tecnológicos que se desencadenan a partir de importantes aportaciones en el área de los automatismos. Ya en 1788 el ingeniero escocés James Watt (1736-1819) aplicó sus conocimientos de mecánica en la construcción del primer regulador centrífugo que permitía vincular el movimiento, o la velocidad, con la presión en las máquinas de vapor. También es importante la contribución al desarrollo industrial que se produjo en 1801 cuando el industrial textil e inventor francés Joseph-Marie Jacquard (1752-1834) revolucionó el uso del telar automático, lo que permitió programar las puntadas del tejido. Sin embargo, no sería hasta 1946 cuando surge la palabra automatización. Se la hemos de atribuir a D. S. Harder, de la Ford Motor Company, que la utilizó por primera vez al referirse al sistema de fabricación en cadena que años atrás, en 1913, había implantado la compañía Ford en su factoría de Highland Park. En un contexto actual debemos entender por automatización el p roceso de diseño, realización y/o explotación de sistemas que emplean y combinan la capacidad de las máquinas para realizar tareas y controlar secuencias de operaciones sin la intervención humana. La automatización combina la aplicación conjunta de la tecnología eléctrica, electrónica, neumática, hidráulica y/o mecánica para transformar un gran número de procesos de fabricación. Su difusión en el campo de la industria contribuye a disminuir los costes de producción, elimina el trabajo monótono y reclama grandes inversiones de capital que revierten en nuevas instalaciones y en la preparación de técnicos especializados.
Fig.l .l. Linea de ensamblado del Ford modelo Ten Highland Park (Michigan, EE.U U.).
•
Unidad dida(hc, 1 Automatización basica
Aplicaciones de la automatización La implantación de la automatización no sólo se da en el sector industrial. Actualmente se localiza de forma significativa en sectores tan importantes como el de la agricultura, la domótica, el comercio, etc. Algunos ejemplos los encontramos en: Industria. Sistemas para el control de producción y fabricación, plantas manufactureras, plantas automatizadas, sistemas de retirada de desechos tóxicos, sistemas de control y monitorización de polución, etc. Agricultura, ganaderia y pesca. Sistemas para el control de invemaderos, sistemas automáticos de riego, sistemas de clasificación y distribución de productos, control climático de viveros, control automático para la alimentación de reses y aves, etc. Servicios básicos: Sistemas de agua y canalización, estaciones de alimentación eléctrica, sistemas de monitorización de emergencias y alerta, sistemas de control de inundaciones y desastres, desecho de residuos, etc. Comunicaciones: Sistemas y centrales telefónicas, sistemas de televisión por cable, satélites de comunicaciones y entretenimiento, etc. Domótica: Sistemas para el control del clima, homos microondas, contestadores automáticos, sistemas de seguridad, sistemas de iluminación automática, etc. Comercio: Sistemas de iluminación y alimentación de emergencia, sistemas de seguridad ambiental, sistemas de calefacción y ventilación, ascensores, plataformas y escaleras mecánicas, etc. Transporte: Sistemas de control y señalización de tráfico, sistemas de radar, controles iluminación urbana, sistemas y máquinas expendedoras de billetes, etc.
Elementos o dispositivos que forman un automatismo Aunque en este libro abordamos el estudio de automatismos eléctricos, las pautas de trabajo que marcamos se pueden extrapolar a automatismos de naturaleza diferente. En general, cualquier automatismo presenta un diagrama de bloques como el que muestra la figura 1.2.
Fuente de energía
Alimentación secundaria
(
f--i.~
Operador ) .... ---~
1
Señal de con trol
---l.~
r
A( tuador
Controlador o aUlómata Sensor
Mando y senalización Medición y detección
Fig. 1.2. Diagrama de bloques de un automati smo.
----:l 1
Alimentación
I
prrmarra
•
J. . . . --
~
_ _ _ _--...
Máquina o planta
Unodad dldátllc . 1 Automatización básica
Básicamente, los elementos o dispositivos que constituyen un automatismo son los siguientes: Máquina o planta. Es el elemento principal objeto del control automático. Puede estar constituido por un único aparato (motor eléctrico, bomba hidráulica, compresor de aire, máquina herramienta, etc.) o por un conjunto de dispositivos dispuestos en planta con una finalidad concreta (climatización de zona, sistema de riego, cinta transportadora, etc.). Fuente de energía. Es el medio empleado para realizar el control. En un automatismo eléctrico este medio lo constituye la energía eléctrica aplicada en sus distintas formas, como las tensiones continuas o alternas de baja potencia para la alimentación de dispositivos de control y señalización (alimentación secundaria) y/o aquellas otras de mayor potencia utilizadas para mover las máquinas o actuar sobre las plantas (alimentación primaria). En automatismos de naturaleza neumática, hidráulica o mecánica intervienen otras fuentes de energía obtenidas, respectivamente, a partir de la fuerza del aire, la fuerza de algún líquido o por la transmisión y transformación de movimientos.
•
Controlador o autómata. Es el dispositivo o conjunto de dispositivos encargados de establecer el criterio de control. Partiendo de la señal proporcionada por el detector o sensor enclavado en la máquina o planta, y de acuerdo con las indicaciones del operador o de algún criterio de actuación previamente definido, determina la correspondiente señal de control que debe ser aplicada al actuador para mantener la máquina o la planta en las condiciones de funcionamiento previstas. Actuador. Es el dispositivo utilizado para modificar la aportación de energía que se suministra a la máquina o a la planta. El mayor o menor aporte energético que provoca el actuador está en consonancia con la señal de control que le suministra el controlador. Hallamos actuadores típicos en automatismos eléctricos en los relés, los contactares, las electroválvulas, las válvulas motorizadas, los tiristores, etc.
f ig. 1.3. Elementos empleados en automatización.
Sensor. Es el elemento empleado para medir o detectar la magnitud de la variable que deseamos controlar. Adquiere o detecta el nivel del parámetro objeto de control y envía la correspondiente señal, habitualmente eléctrica, al dispositivo controlador. Los sensores de uso frecuente en automatismos son: los tacómetros, los codificadores digitales, los sensores de proximidad, o las sondas de temperatura, de presión o de nivel, etc. Operador. Es el conjunto de elementos de mando y señalización que facilita el intercambio de información entre personas y automatismos para modificar o corregir las condiciones de actuación de la máquina o planta bajo control. Debemos considerar que la mayoría de los automatismos deben posibilitar que el ser humano incida de forma directa, y en el instante deseado, sobre el proceso, con el objetivo de solventar situaciones de avería, de mantenimiento o de emergencia. Generalmente, el conjunto de dispositivos que forman los bloques sensor y controlador se denomina circuito de control, y el constituido por el actuador y la máquina, circuito de potencia (también se llama de fuerza o principal). El bloque encargado de generar las alimentaciones primaria y secundaria recibe el nombre de circuito de aliment ación. En el circuito de control se tienen habitualmente señales de baja o media tensión y de baja potencia, que son fácilmente manipulables, en cambio, en el circuito de potencia pueden aparecer tensiones e intensidades eléctricas elevadas que hacen recomendable la desconexión del automatismo ante cualquier intervención. Además de los bloques básicos señalados, hay que tener en cuenta otros elementos no menos importantes a la hora de construir cualquier automatismo. Entre otros, deberemos pensar en incluir los dispositivos de seguridad necesarios, las conducciones eléctricas de sección adecuada para las líneas de alimentación, el blindaje oportuno de las señales de control y los armarios y cuadros eléctricos para el alojamiento de dispositivos.
Unidad dldactlc
I
Automatización básica
'J "''' Fases de realización de un automatismo Las distintas fases o tareas en las que dividimos la confección o realización de cualquier automatismo eléctrico pasan por el estudio de: El diseño y la funcionalidad. Se corresponde con el estudio meticuloso de las funciones básicas que debe realizar el automatismo. En esta fase deberemos concretar con precisión el comportamiento del automatismo y clarificar con nitidez todas y cada una de las operaciones que éste debe solventar, de modo que deben evitarse las ambigüedades y las sofisticaciones superfluas. El dimensionado de dispositivos. Esta fase debe servirnos para elegir el conjunto de dispositivos apropiado para realizar el automatismo. Con este propósito, deberemos calcular la potencia eléctrica que debe aceptar o proporcionar cada uno de los elementos del automatismo, dimensionar los cables de alimentación y de señal, prever la vida útil de los mecanismos utilizados, analizar cuidadosamente las características de las señales usadas en la interconexión de los diferentes módulos y prever los necesarios elementos de seguridad y mantenimiento.
El esquema eléctrico. El objetivo principal de esta fase es la confección del esquema eléctrico del automatismo. Debe ser completo y hemos de confeccionarlo con una notación clara y comprensible en la que estén representados todos los componentes perfectamente conectados y referenciados. El cuadro eléctrico. En esta fase debemos abordar la mecanización del cuadro eléctrico y la ubicación en su interior de los diferentes elementos que componen el automatismo. Previamente hemos debido realizar el esquema de cableado que contempla, entre otras cosas, la identificación, la trayectoria y las diferentes secciones de los conductores y, también, habremos confeccionado los diferentes planos de ubicación de componentes y de mecanización del cuadro eléctrico. El ensayo y la prueba. Una vez realizada la instalación del automatismo se realizará su ensayo y prueba. En esta fase será conveniente actuar con un plan de trabajo previamente establecido que contemple la entrada en funcionamiento, progresiva y en secuencia, de las diferentes partes del automatismo. Cada parte deberá ser probada de forma aislada, y en las condiciones de trabajo más realistas, antes de interactuar simultáneamente con el resto. Esta fase debe servir, además, para corregir las posibles anomalías o realizar los ajustes pertinentes antes de la entrada en servicio del automatismo. la puesta en servicio. Sólo si el automatismo funciona de forma satisfactoria en la fase de prueba, podremos abordar la fase de puesta en servicio. Resulta una temeridad trabajar con un automatismo que presente deficiencias de funcionamiento o en el que no hayan sido probados todos sus componentes. La puesta en servicio del automatismo debe ir acompañada, siempre, de un manual de operación que recoja de forma explícita todos aquellos aspectos necesarios para la explotación del sistema y, también, de otro manual de intervención para los casos en los que se produzcan averías o debamos realizar el mantenimiento. Del acierto en abordar la primera fase dependerá, en buena medida, la utilidad y el buen servicio del automatismo realizado. Estamos ante una fase en la que interviene fundamentalmente el conocimiento de la técnica, la experiencia y el buen criterio de la persona o personas que proyectan el automatismo. La temática de este libro se aparta del trabajo de diseño de sistemas automáticos; de todos modos, trataremos la resolución de sencillos automatismos combinacionales. La segunda y tercera fases requieren de unos conocimientos básicos que expondremos más adelante en esta misma unidad. Con este objetivo nos centraremos en algunos conceptos electrotécnicos, como el de tensión, intensidad, potencia y energía eléctrica y, también, introduciremos el concepto de señal, proporcionaremos la simbología eléctrica y electrónica utilizada en la representación de automatismos y estudiaremos distintas técnicas utilizadas para el diseño basadas en el álgebra de Boole y el GRAFCET.
Unidad d,dactic . 1 AutomatizaCión basica
Los conocimientos necesarios para abordar la cuarta, quinta y sexta fases se proporcionarán en las unidades siguientes, intentando marcar claramente las pautas em pleadas en la mecanización y el cablead o de los cuadros eléctricos, así como los procedimientos utilizados para el ensayo y la prueba del automatismo.
A(tividades 1.
Describe el funcionamiento de tres automatismos eléctricos que se encuentren en tu entomo más próximo.
2.
Identifica los principales elementos que intervienen en el automatismo del ascensor de una vivienda e ind ica a q ué bloque de los mostrados en la figura 1.2 pertenecerían .
l.
Describe un automatismo hidráulico propio de tu vivienda habitual y cita los principales elementos que intervienen.
4. Busca información sobre cuatro automatismos mecánicos y explica su funcionamiento.
-J "=-, j
Magnitudes eléctri(as tratadas en automatismos En alguna parte del texto precedente han aparecido las palabras tensión, intensidad, potencia, etc. Son conceptos que se estudian en el crédito de Electrotecnia, pero que conviene introd ucirlos ahora, tratándolos con simplicidad y hasta el nivel requerido para comprender la repercusión que tienen cuando se trabaja con automatismos.
'J ~ 'J Intensidad eléctrica La intensidad eléctrica es la canti dad de electrones que circula por un material en un segundo. La un idad q ue utilizamos para medirla es el amperio (A). Realizando un símil hidrá ul ico podríamos comparar la intensidad eléctrica con la cant idad de agua que circula por un punto d e una cañería en un segundo.
La intensidad eléctrica se denomina de forma común corriente eléctrica o, simplemente, corriente. Ten en cuenta que para identificar plenamente una cierta intensidad eléctri ca se debe conocer su magnitud y su sent ido de circu lación, es decir, su valor y su signo.
Voltaje '12 V f-- - - - -
OL-_
_
_
a) Tensión continua Voltaje
-,-
·L~L~~
Tensión eléctrica
Para que circule una corriente eléctrica a través de un material es necesario que exista una d iferencia de potenci al eléctrico entre sus extremos. Esto es semejante al desnivel que se debe producir en una tubería para que por su interior discurra una determinada corriente de agua. La diferencia de potencial eléctrico es conocida habitualmente como tensión eléctrica, voltaje eléctrico o, simplemente, voltaje. La unidad de tensión es el voltio (V).
b) Tensión alterna
Fi9· 1.4. Tipos de tensión eléctri ca.
Cuando el valor y el signo de una tensión eléctrica permanecen invariables en el tiempo hablamos de una tensión continua, mientras que si su magnitud y polaridad cambian con una frecuencia determinada debemos entender que se trata de una t ensión alterna. Un ejemplo de tensión continua lo tenemos en la diferencia de potencial existente entre los bomes de una batería de coche (Fig. 1.4a), y otro de tensión altema, el que se da entre los bomes de una base de enchufe doméstica (Fig. 1.4b).
Unidad dldacll(
I
1 Automatización básica
Resisten(ia eléctri(a La resistencia eléctrica es la mayor o menor oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. La unidad de resistencia es el ohmio (Q). En 1827, el fisico alemán Georg Simon Ohm (1789-1854) definió la resistencia eléctrica y propuso la ley que la relacionaba con la tensión y la corriente. Esta relación, conocida como ley de Ohm, expresa que la corriente eléctrica que fluye por un conductor es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia, es decir: I =~
R
R=~ I
(11)
Donde:
- R es la resistencia eléctrica expresada en ohmios (Q). - I es la intensidad en amperios (A). - U es la tensión en voltios M.
Ejemplo 1.1
Ejemplo 1.2
¿Cuál es la resistencia de una estufa eléctrica que funciona con una tensión de 230 V, si sabemos que por ella circula una corriente de lOA?
¿Cuál es la intensidad eléctrica que circula por una re-
Solución:
Solución:
Aplicando la ley de Ohm dada por la expresión (1.1), resulta:
Despejando la intensidad de la expresión (1.1) obtenemos:
sistencia de 8 Q si entre sus extremos existe una tensión
de 24 V?
I = J:L = ~ = 3 A R 8
R=J:L= 230 =23Q I 10
Ejemplo 1.3 ,]
:..
'l
(1.2)
Energía eléctri(a
¿Qué tensión continua se requiere para hacer circular una
En 1840, el físico británico James Prescott Joule (1818-1889) afimnó que la energía
intensidad de 2 A por una resistencia de 12 Q?
eléctrica (T) que transformaba en calor un conductor por el que circulaba corriente
Solución : Un posible circuito eléctrico es el de la figura adjunta. Despejando la tensión de la expresión (1.1) resulta:
era proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la corriente y por el tiempo durante el cual ésta transitaba.
La expresión que recoge este principio, que se denominó ley de Joule, es la siguiente: T = R • l' • t
(lA)
Donde: T es la energía eléctrica en julios (J), R es la resistencia eléctrica en ohmios, I es la intensidad en amperios y t es el tiempo en segundos. Dado que U = R . I según la expresión (1.3), la igualdad (1.4) también podemos escribirla de la forma siguiente:
u
R ~ 12 n
U = R • I = 12 • 2 = 24 V (1.3)
T =U• I• t
(15)
Aunque en el sistema internacional la unidad de energía se expresa en julios (J), en instalaciones eléctricas la energía se rnide en kilovatios-hora (kWh) porque el julio es una unidad demasiado pequeña. Entre ambas unidades existe la relación siguiente: 1 kWh = 3,6 . 106 J
Unidad didactlCa 1 Automatización básica
'J ~ ?5 Potenda elédri(a La potencia eléctrica es la energía eléctrica consumida en la unidad de tiempo, La unidad de potencia es el vatio 0N). La potencia disipada en un conductor o dispositivo eléctrico, dotado de una cierta resiste ncia R, pod emos deducirla de la expresión (1 .4):
p = 1. = R • l' t
(1.6)
Dond e: P es la potencia eléctrica expresada en vatios 0N), T es la energía en julios (J), t es el tiempo en segundos (s), R es la resistencia en ohmios (Q) e I es la intensidad en amp erios (A). Si utilizamos la notación (1.3) de la tensión, la expresión (1.6) también podemos escribirla de esta forma:
p
= U • I (17)
Donde : P es la p otencia eléctrica expresada en vatios 0N), U la tensión en voltios M e Ila intensidad en amperios (A). La potencia eléctrica da idea del aguante eléctrico q ue debe poseer un elemento sometid o a tensión cuando es recorrido por una corriente. Superar el valor máximo de la p otencia que p uede aguantar un eq uipo o dispositivo es condenarlo a su destrucción.
Ejemplo 1.4 Un calefactor de 230 Vy 2.500 W de potencia máxima se conecta por equivocación a una tensión de 380 V. Calcula la potencia disipada en esta nueva situación. Solución: La corriente eléctrica que circula por el calefactor cuando funciona en condiciones normales a 230 V la obtenemos despejándola de la expresión (1 .7):
1= i. = 2.500 - 109 A U 230 ' A continuación deducimos la resistencia eléctrica del calefactor despejándola de la expresión (1.6):
La nueva corriente que circula por el calefactor cuando se conecta a 380 V viene dada por la expresión (1.2):
U 1=-= R
380 21
- 181A '
Finalmente, la potencia eléctrica que debe aguantar el calefactor al conectarlo a 380 V la podemos obtener aplicando la expresión (1.6) en esta nueva situación:
P = R. l' = 21 • 18, l ' ~ 6.880 W Con toda probabilidad, el calefactor no aguantaría esta nueva situación de trabajo al superar ampliamente sus 2.500 W de potencia máxima.
Unidad d,daWc,"
Automatización básica
Ejemplo 1.5 Por un hilo de cobre de resistencia igual a 0,5 Q circula una intensidad constante de 8 A. ¿Qué potencia aguanta el hilo y qué energía eléctrica se consume en un minuto?
Solución:
La potencia eléctrica que disipa el conductor la obtenemos al aplicar directamente la expresión (1.6): P = R • l'
= 0,5 • 8' = 32 W
Para obtener la energía eléctrica consum ida en un mi nuto debemos pasar el tiempo a segundos y aplicar la expresión (1 .4):
T = R • l' • t = P • t = 32 • 60 = 1.920 J
l.:"
~~
Densidad de (orriente
La densidad de corriente es la relación existente entre la cantidad de corriente eléctrica que atravi esa un cu erpo y su sección geomét rica. Se mide en amperios/ mm'
(Almm' ). Empleando un símil hidráulico, este concepto es comparable al efecto que produce el aumento o la disminución de la sección de paso o interior de una cañería cuando queremos hacer pasar una misma cantidad de agua por segundo. La densidad de corriente viene dada por la expresión siguiente:
J =~ S
(1.8)
Donde: J es la densidad de corriente eléctrica expresada en amperios/mm' (Almm' ), I es la intensidad eléctrica en amperios (A) y S es la sección del cuerpo en mm' .
Ejemplo 1.6 Un conductor de 2,5 mm' de sección ha sido fabricado para aguantar una densidad de corriente máxima de 4 Nmm' . ¿Qué intensidad máxima puede circular por el conductor? Solución: Despejando la intensidad de la expresión (1.8). obtenemos:
1= J • S = 4 • 2,5 = 10 A
A(tividades 5.
Calcula la intensidad que circu la por una estufa eléctrica conectada a 230 V, sabiendo q ue su resistencia es de 23 ohmios.
6.
Calcula la potencia que consume la estufa anterior y qué energía ha gastado después de 10 horas de funciona miento.
7.
Consultando las placas de características que llevan adosadas, confecciona una lista con las tensiones de funcionamiento y las potencias eléctricas que con sumen los p rincipa les electrodomésticos de tu vivienda. Calcula la potencia total consumida y la energía gastada en 10 horas si todos se conectaran simultáneamente a la red.
a.
Busca información sobre las secciones mínimas q ue deben poseer los cond uctores eléctricos capaces de aguantar intensidades de 0, 1 A, 1 A, 3 A, 5 A Y 10 A.
UnIdad didácttca 1 Automatizacion básica
J ~.L
El lenguaje de los automatismos 1 ~'4
..
Las señales
El concepto de señal Con frecuencia aparece la palabra señal para describir la información que se intercambia entre dispositivos eléctricos. Conviene precisar este término para diferenciarlo de otras magnitudes eléctricas que manejamos al trabajar con automatismos y cuadros eléctricos. Por señal se entiende cualquier evento que nos proporcione información útil. Generalmente, en el área de la Electrotecnia el evento se manifiesta en la forma de alguna variable eléctrica (tensión, intensidad, resistencia, etc.) y la información podemos obtenerla al evaluar alguna de las características de esa variable (magnitud, frecuencia, fase, etc.). Así pues, debemos asocia r la idea de señal a la de un evento eléctrico de poca potencia y magnitud reducida que, generalmente, es empleado para 'infonmar' del estado o nivel de una cierta variable física o eléctrica. No hay que confundir la función y la naturaleza de una señal con la de otras magnitudes eléctricas de mayor potencia utilizadas para mover máquinas o alimentar equipos y dispositivos. Por ejemplo, si disponemos de una sonda de temperatura que proporciona 10 mV por cada grado centígrado, diremos que la señal es una variable en tensión, cuya magnitud es utilizada para determinar el nivel de la temperatura que deseamos conocer.
Señales analógicas y señales digitales Podríamos clasificar las señales en dos grupos bien diferenciados: las señales analógicas y las señales digitales. u (mv) 400
40
lOO
la
200
20
100
10
O
Una señal analógica es aquélla cuya magnitud evoluciona de forma continua en el tiempo, es decir, que su valor varía de forma gradual. Este tipo de señal es el que presenta la figura 1.Sa.
oc
O a) Señal analógica
Estado
'"
,,..----,, ,,
b) Señal digital
fig. 1.5. Tipos de señales.
,r--
La señal digital, en cambio, es aquella que puede adquirir únicamente dos estados; el estado alto 0'1' Y el bajo o 'O' (figura 1.Sb). Generalmente, el estado alto sirve para indicar la presencia de cualquier evento, es decir, la existencia de una tensión o corriente (con independencia de su magnitud), la aparición de una señal de alarma, la activación de una determinada maniobra, etc. Recíprocamente, el estado bajo suele ser utilizado para indicar la ausencia de tal evento. En su entorno, el ser humano se encuentra rodeado de un gran número de señales de naturaleza analógica (temperatura, luz, humedad, presión, velocidad, etc.) que debe poder medir y procesar en el desarrollo de su actividad diaria. Sin embargo, frecuentemente se util izan equipos y dispositivos que tratan únicamente señales digitales debido, fundamentalmente, a la versatilidad, flexibilidad y potencia de cálculo que éstos presentan. Consecuentemente, las magnitudes analógicas deben ser convertidas en valores digita les capaces de ser procesados por estos equIpos. Trabajar en el área digital significa, entre otras cosas, disponer de unos sistemas de conversión y representación numéricos válidos para trabajar con magnitudes binarias, es decir, con valores representados por conjuntos de unos y ceros.
UOIdad d,daCllc
1
Automatización biisica
. ;)2~ Códigos de representación numéricos En general, un número N cualquiera podemos representarlo mediante un polinomio de potencias de la base, es decir: N (bl ~ an
Donde:
·
bn + an _, · b n - '
+ ... + a, · b ' + ao · bO + a_, . b-' + ... + a_m· b-m (1.9)
b es la base del sistema de numeración. a, es un coeficiente perteneciente al conjunto de números del sistema
Por ejemplo, si queremos representar el número decimal 132 en forma de polinomio utilizando la notación (1.9), obtenemos lo siguiente: 132"01 ~ 1 • 102 + 3 • 10' + 2 •
10°
El sistema de numeración decimal (base ~ 10) es el más popular entre humanos, mientras que el sistema binario (base = 2) es el más empleado en los sistemas automáticos. Con n cifras se pueden representar 10 n números distintos en decimal y hasta 2n combinaciones de ceros y unos diferentes en binario. El 10 Y el 2 son las bases del sistema decimal y binario respectivamente. Por ejemplo, el número de combinaciones distintas que podemos realizar con 3 cifras en uno y otro sistema son: Sistema numérico
Combinaciones numéricas diferentes
Rango
Decimal
lO' • 1000
Desde 0,,,, hasta 999,,,,
Binario
2' " 8
Desde 000,,) hasta 111 "1
Si deseamos representar en su forma binaria cualquier número entero decimal, dividiremos el número entre 2 y, sucesivamente, volveremos a dividir por 2 los cocien tes resultantes. El último cociente y los restos obtenidos forman el número binario equivalente.
Ejemplo 1.7 ¿Cuál es el número binario correspondiente al número decimal 241? Sol ución : Dividiendo el número y los sucesivos cocientes entre 2 obtenemos su correspondiente valor binario. Qu izás podríamos necesitar obtener el valor decimal de un número binario. Para ello, sólo debe aplicarse el método de represen tación explicado al comienzo.
241 : 2 ~ 120: 2 ~ 60: 2 ~
30: 2 ~ 15: 2
~
7:2 3: 2
~
~
o O Ejemplo 1.8 ¿Cuál es el valor decimal del número binario 10011100? Solución : Utilizando la notación (1.9) para base 2 obtenemos lo siguiente: 1 • 2' + O • 2' + O· 2' + 1 • 2' + 1 • 2' + 1 • 2' + O • 2' + O· 2° ~ 156
O
Unidad didáctica 1 Automatización bás ica
En este ejemplo hemos obtenido un número binario aplicando un criterio de formación de números derivado de la notación (1.9). El conjunto de números binarios que obtenemos de esta forma recibe el nombre de código binari o natural. Sin embargo, éste no es el único código binario de representación. Empleando otras reglas de construcción podemos obtener códigos binarios útiles para representar, por ejemplo, números enteros negativos (código binario de complemento a dos), números binarios codificados en decimal (código BCD), números de transición única (código reflejado de Gray), etc. En la tabla 1.1 se muestran los códigos citados. Tabla 1.1. Códigos binarios de representación numérica Decimal
Binario natural
10000
-)
10001
-6
10010
-5
10011
-4
10100
-3
10101
-2
10110
-1 O
I
Complemento a dos
-8
BCD
Reflejado de Gray
0000 0000
0000
10111 0000
00000
0001
00001
0000 0001
0001
2
0010
00010
00000010
0011
3
0011
00011
0000 0011
0010
4
0100
00100
00000100
0110
5
0101
00101
0000 0101
0111
6
0110
00110
00000110
0101
7
01 11
00111
00000 111
0100
8
1000
01000
0000 1000
1100
9
1001
01001
0000 100 1
1101
10
1010
01010
0001 0000
111 1
11
10 11
01011
0001 0001
1110
12
1100
01100
0001 0010
1010
13
1101
01101
0001 0011
101 1
14
1110
01110
000 1 0100
1001
15
11 11
01111
0001 0101
1000
:J ...:!)..
Álgebra de Boole
La mayor parte de las señales que se intercambian los dispositivos que constituyen un automatismo son de naturaleza digital y, consecuentemente, debemos uti lizar métodos para describir y operar de forma sistemática la información que ellos utilizan. Ya en 1938 se empezó a trabajar con una herramienta matemática, propuesta 84 años antes por George Boole y denominada álgebra de Boole. El álgebra de Boole nos proporciona una metodología de cálculo especialmente concebida para el tratamiento de variables binarias. En este contexto las variables reciben el nombre de variables booleanas o variables lógicas y los estados binarios (' l ' Y 'O') el de estados lógicos. En el álgebra de Boole existen únicamente tres tipos de operaciones lógicas: la negación, la suma y el producto. La combinación de va riables booleanas mediante una o varias de estas operaciones da lugar a expresiones conocidas con el nombre de funciones lógicas.
Unidad didáctica t
Automatización básica
La negación Es una operación que provoca el cambio de estado de una variable lógica. Se representa mediante una barra situada encima de la variable. Por ejemplo, si tenemos una variable lógica A, su negación la expresamos como A. La operación de negación, también llamada NO o NOT, la podemos aplicar a una expresión o, como se muestra en la tabla 1.2, a una única variable.
Tabta 1.2. Negación A
A
O
Tratando de darle un sentido físico a las operaciones que se realizan en álgebra de Boole, resulta muy útil compararlas con las que podemos realizar con un par de dispositivos muy conocidos: el pulsador y la bombilla. El pulsador es un d ispositivo que provoca la conexión, o desconexión, de sus bomes al ser accionado de forma manual, y la bombilla es un elemento que se ilumina al aplicar una tensión entre sus extremos.
O
Para explicar la operación de negación presentamos los dos circuitos de la figura 1.6: En el circuito a) utilizamos un pulsador que al ser accionado establece el contacto entre sus bomes. En el circuito b), en cambio, usamos otro que desconecta sus bornes al pulsarlo.
Tensión
¡
p ..,
Consecuentemente, en el circuito de la izquierda la bombilla B estará apagada (estado 'O') cuando el pulsador P está en reposo (estado 'O') y, en el de la derecha, la bombilla se ilumina (estado '1 ') con el pulsador en reposo (estado 'O').
Q..,
B
B
TenSión
Los estados correspondientes a las maniobras que realizan ambos circuitos se muestran en las tablas correspondientes.
(ircuilo a)
(irlUilo b)
P
B
Q
O
O
O
Recordamos que en el pulsador el estado lógico' l' se produce cuando se "pulsa" y el 'O' cuando se "suelta" y, en la bombilla, el estado '1' se obtiene cuando ésta se ilumina y el 'O' cuando se apaga.
B
O
Fig. 1.6.
Circuitos eléctricos y tablas de estado de sus elementos.
Tabla 1.3. Suma A
B
S=A+B
O
O
O
O O
Si observamos las tablas de estado de ambos accionamientos podemos afirmar que el estado del pulsador Q se corresponde con el estado negado del pulsador, P, es decir: Q = Po, lo que es lo mismo: P = Este razonamiento nos conduce a presentar la igualdad P = P que, en un contexto más general, se corresponde con la regla que afinma que si una variable se somete a negación un número par de veces el estado de la variable no cambia.
a.
La suma Es la operación lógica de adición que puede relacionar dos o más variables booleanas. Aplicada a dos variables se representa como A + B Y adquiere el sentido que recoge la tabla 1.3. El resultado de la suma es '1' siempre que cualquiera de las variables tome el estado '1 '. Habitualmente, la operación suma recibe el nombre de OR. Un circuito eléctri co que puede ayudar a entender el sentido físico de la operación suma es el que mostramos en la figura 1.7. La bombilla 5 tomará el estado '1' siempre que el pulsador A o B se accionen (estado '1').
Fig.1 .7.
Operación suma.
Observando la tabla 1.3 podemos extraer varias conclusiones muy interesantes. La primera es que cuando el estado del pulsador B es 'O', el estado de la suma coincide con el del pulsador A. En cambio, si el estado del pulsador B es '1', el estado de la suma es siempre' l' e independiente del estado de A. Por lo tanto, podemos afirmar que A + O = A y, también, que A + 1 = 1.
Unidad drdaClrc,l 1
Automatización básica
El producto Es la operación lógica de multiplicación que puede relacionar dos o más variables booleanas. Aplicada a dos variables se representa como A . B Y adquiere el significado que se muestra en tabla 1.4. El resultado del producto es 'O' siempre que cualquiera de las variables tome el estado 'O' . Habitualmente, la operación producto recibe el nombre de ANO. El circuito eléctrico de la figura 1.8 representa la operación producto. La bombilla P tomará el estado '1' siempre que los pulsadores A y B estén en estado '1' simultáneamente. De la tabla 1.4 también extraemos dos conclusiones importantes. La primera es que cuando el estado del pulsador B es '1', el estado del producto coincide con el del pulsador A. En cambio, si el estado del pulsador B es 'O', el estado del producto es siempre 'O' e independiente del estado de A. Consecuentemente, podemos afirmar que A . 1 = A Y que A . O = O. Tabla 1.4. Producto A
B
P= A . B
O
O
O
O
O
D
O
¿,----------A ~
B ~
Tensión
Fig.l .8. Operación producto.
El trabajo con funciones lógicas en las que intervienen las tres operaciones del álgebra de Boole requiere del conocimiento de una serie de leyes y teoremas básicos. Además de las reglas que indicábamos al explicar estas operaciones, en la tabla 1.5 proporcionamos algunas otras de sign ificativas. Tabla 1.5. Reglas básicas det álgebra de Boote Regtas
Equivalencias
(omentario
Derivada de la negación A'O=A Derivadas de la suma
A'¡
=1
A'A=A A·A= 1
El 'O' es el elemento neutro en la suma.
A· O= O Derivadas del producto
A· 1 • A
A· A = A A· A = O
Respecto a la suma
ley conmutativa
ley asoCIa tiva
ley distributiva
ley de absorción
El '1' es el elemento neutro en el producto.
Respecto al producto A • (8 • C) = (A + 8) +C• A • 8 • C
Respecto a la suma
A . (8 . C) = (A B) C= A . B. C
Respecto al producto
A·(B.C)=A·B'A·C A·A·B=A
Ya que, A' A . 8 = A . (1 • B) = A . t = A Ya que, A· (A +B) = A . A • A· B= A • A . B = A
Teorema de Morgan
H=A+B
ConverSión de producto en suma
W=AB
ConverSión de suma en producto
Unilat didáWc· 1 Automatització basica
Ejemplo 1.9 Demuestra que es cierta la igual dad : A • (A + B)
~
A
Solución: Haciendo uso de la ley distributiva se tiene que: A • (A + B) Como A • A
~
~
A • A +A • B
A, la expresión anterior la podemos escribir como: A + A • B
Si sacamos factor común a la últ ima expresión, tenemos: A • (1 + B) Como una de las reglas de la suma indica que 1 + B ~ 1, tenemos: A • (1 + B) ~ A • 1 Finalmente, una de las reglas derivadas del producto afirma que A • 1 ~ A
Ejemplo 1.1 0 Demuestra que es correcto escribir: A + B • C ~ ;ti. • B • C Solución: Si aplicamos el teorema de Morgan al factor negado del primer miembro de la igualdad se tiene: A + B ~;ti. •
B
Consecuentemente. completan do la expresión queda finalmente: ;ti. • B • C
oí]
j _•
Sistemas combinacionales
Cuando la respuesta del sistema (salidas) depende exclusivamente de las distintas combinaci ones que se pueden formar con sus variables de entrada, estos sistemas reciben el nombre de sistemas combinacionales (figura . 1.9).
a ENfRADAS
Fig. 1.9.
1
b-
X
SI STE MA COMB I NAC IONA L
( -
y
- z
}
SAL I DAS
Sistema combinacional. La funcional idad de un sistema combinacional puede ser descrita mediante un conjunto de funciones lógicas, a partir de las cuales podemos realizar el esquema eléctrico utilizando la tecnología eléctrica o electrónica más apropiada. Para comprender todos los aspectos que intervienen en el análisis de un sistema combinacional obtendremos a continuación las funciones lógicas que rigen la conducta de un automatismo simple, elegido a modo de ejemplo.
La forma canónica de una función Se d ice q ue una función está en su forma canónica cuando todos los términos de que consta son términos canónicos, es decir, términos en los que aparecen todas las variables de entrada, estén negadas o no. Como hemos constatado, las funciones canónicas las obtenemos directamente al interpretar estrictamente la notación de la tabla de la verdad. Un término canónico en el que todas sus variables están relacionadas por la operación producto recibe el nombre de minterm y, si la operación que las relaciona es la suma, el término es denominado maxterm.
Unidad didáctica 1 Automatización básica
Ejemplo 1.11 Deseamos obt ener las fu nciones lóg icas que permi ten control ar el llenado del depósito q ue muestra la figu ra 1.10. Para ello, d isponemos de las bombas 81 y 82, de los detectores de nivel A, 8 Y e, y de los indicadores luminosos de Alarma, Lleno, M edio y Vacío. El fun cionamiento del automa tismo debe ser el siguiente:
( BA
® ® ® ®
Alarma lleno Medio Vacio
Cuando se llena el depósito, las bombas 81 Y 82 deben funcionar hasta que el agua cubra los detectores A y 8. Desde este punto, y hasta que el agua cubra el detector e, sólo debe fu ncionar la bomba 81. Para poner en marcha las bombas 81 o 82 tenemos que proporcionarles una señal en estado ' 1' y, para para rlas, el estado de la señal debe ser 'O'. Los detectores A, 8 o
Fig. 1.10. Automatismo para el llenado de un depósi to.
e adquieren el estado ' 1' cuando el agua les cubre y 'O' en caso contrario.
Los indicadores luminosos Va (vacío), Me (medio) y LI (lleno) los utilizamos para señalizar los distintos niveles de agua del depósito, y Al (alanma) para indicar cualquier situación anómala. Solución: En primer lugar, confeccionamos la denominada tabla de la verdad que rige el automat ismo (tabla 1.6). La tabla de la verdad es un modo de representación gráfico en el que, formando columnas, se anotan en orden creciente las 2' combinaciones posibles que se pueden formar con las n variables de entrada (en este caso: 23 ~ 8) y, también, los estados q ue adquiere cada una de las sa lidas ante cada una de las combinaciones de entrada.
Tabla 1.6. Tabla de la verdad del automatismo propuesto Salidas para los indicadores y las bombas E"lIadas detectores Situación del depósito ( At LI M. V. Bl Bl B A Depósi to totalmente vacío O O O O O O 1 1 Depósito vacío (sólo cubre el sensor A) 1 1 1 O O O O O Anomalía de funcionamiento O O O O O O O Depósito medio (cubre sensores A y B) O 1 1 1 O O O Anomalía de funcionamiento O O O O O O Anomatía de funcionamiento O O O O O Anomalía de funcionamiento O 1 O O O O O Depósito lleno (cubre sensores A, BYC) O O O O O Después de rellenar la p arte izquierda de la tabl a con las ocho posibles combinaci ones de entra da (desde el número binario 000 all 11). co mpletamos la parte derecha con los estados que deben adquirir las salidas en interpreta ción de las directrices del enunciado. Por ejemplo, fijándonos en la primera fila, escrib iremos un ' 1' en las casillas 81 , 82 y Va para indicar que si el agua no cubre ningún detector (A ~ 'O', B ~ 'O' y C ~ 'O') las dos bombas d eben ponerse en marcha y el indicador de depósito vacío debe activarse. Una peculiaridad al rellenar la tabla se da en los estados que consideraremos como una situación de alarma. Fijémonos, por ejemplo, en la fila tercera de la tabla; la salida de alarma decidimos activarla si el detecto r 8 está cubierto po r el agua y el A no. Sin duda, nos encontramos ante una situación ilógica que sólo tiene sentido si el detector A está averiado o alguno de sus cables de conexión está roto o cruzado. Completada la tabla , centremos nuestra atención, por ejemplo, en la columna correspondiente a la bomba 81. Observamos que esta salida toma el estado '1' en tres ocasiones distintas: la primera es cuando A, 8 y e son 'O' , la segunda cuando e y 8 es 'O' y A es ' 1' y, finalmente, cuando e es 'O' y A y 8 son '1'. Esto lo podemos representar mediante la función siguiente: -
-
-
Bl~C ' B ' A+C ' B ' A+C ' B ' A
(1.10)
La expresión lógica anterior se lee de la siguiente manera: 81 se activa cuando no e y no 8 y no A, o cuando no e y no 8 y A, o cuando no e y 8 y A. Es por ello que la operación de negación también se denomina NO (NOT en inglés). el prodocto recibe el nombre de operación Y (ANO en inglés) y la suma se llama operación O (OR en inglés).
Unidad did.jclic,'
1
Automatización basica
Fíjate en que en la fu nció n canónica (1.1 0) todos sus térm inos canóni cos son minterm y, por el lo, la fun ción se dice que está representada en forma de suma de productos. La func ión (1.10) se puede si mplificar apl icand o las reg las de la tabla 1.5 junto con las del álgebra convencional. Así, a partir d e la ley d istributiva ob tenemos lo sigu iente:
Como A . (B + B) = A . 1 = A, podemos escribir la expresión an terior d e esta forma: Bl = C o ( S oA+A)
(1.11 )
Aunque no resu lte tan evidente, podríamos simpl ificar todavía más la función (1. 11). Más adela nte emplearemos un mét odo de simplificación, como el de Karnaugh, q ue permi t irá minimizar fácilmente las fun ciones lógicas representadas en su forma canón ica. N o obsta nte, ahora , para contin uar con la simpli ficación de la función, seg uiremos empleando algunas variantes d e las reg las del ál geb ra de Boole expuestas anteriorm ente . Sabemos q ue una_de las reglas derivad as de la suma lóg ica indica que B + 1 = 1, consecuentemente, también es cierta la igua ldad A = A . (B + 1) porque A = A . 1. Por lo t anto, la función (1.11) la podemos escribir ahora d e la forma siguiente:
Apl ica ndo la ley distributiva, obt enemos:
Dado que B . A + A . B =
B . (A + Al = B y que A . 1 = Bl =
A, finalment e, podem os escribir lo siguiente:
e o (S + A)
(1.12)
En la t abla 1.7 mostramos todas las fu nciones lógi cas corre spondientes a las salida s del automat ismo propuesto. Presentamos las funciones origi nales en su form a canónica y, tamb ién, las fu nciones final es simp lifica das. Para obtenerl as hem os operado de la misma manera q ue para la salida 81 . Es interesante q ue el lector trate d e ejercitarse en la si mplificación de las func iones originales, sobre todo , porque p ued e obtener un resultado final d e asp ecto d istint o, aunque su efecto sea equivalente al de la función sim plificad a q ue fi gura en la ta b la .
Tabla 1.7. Funcione, lógíca, de la, ,alida, delautomati,mo
N'
Fundón original
- --
--
Función simplificada -
ley distributiva y reglas deriva· das de la suma
B1 = ( . B . A' (. B . A • ( . B . A
- - - - -
Regla, utilizada, en la simplificación
2
B2 =(-B·A·(-B· A
B2 = ( . B
ley dis tributiva
J
Va
- B- . A- + -( . B. A
Va = ( . B
ley distributiva
= ( .
4
Me = ( . B . A
Ninguna
5
LI • ( . B . A
Ninguna
6
Al ::: (". B . A.. C- B· A+ ( . ir· A + ( . B . A
Al • ( . B+ B . A
ley distributiva
Debemos remarcar que el estado de cada una de las funciones obtenidas depende, exclusivamente, de la combinación de las variables de entrada involucradas y de los respectivos estados que éstas adquieren. Por esta razón, 105 circuitos eléctricos o electrónicos que más tarde utilizamos para implementar estas funciones reciben el nombre de circuitos de lógica combinacional.
Unodad didactica 1 Aulomalizatión básica
Método de Karnaugh para la simplificación de funciones lógicas Simplificar O minimizar una función lógica descrita en su forma canónica es obtener una función equivalente que involucre la minima cantidad de operaciones y variables, es decir, conseguir la mínima expresión de la función. En 1953, el ingeniero en telecomunicaciones Maurice Karnaugh ideó un método que permitía minimizar funciones lógicas mediante la confección de tablas o mapas de estados de sus variables. El método de simplificación de Karnaugh que explicaremos resulta cómodo utilizarlo para sistemas con un número de variables comprendido entre 2 y 5. Se aplica una vez construida la tabla de la verdad del automatismo o una vez obtenida la función canónica equivalente escrita en forma de suma de productos (suma de minterm). Para explicar en qué consiste un mapa de Karnaugh y el procedimiento que hay que seguir para minimizar una función, trabajaremos a partir de la función canónica siguiente:
fig . l .l1 . Tabla del mapa de Karnaugh . código reflejado de Gray
BA 00
C
01
11
, 10
O
Para el lo, dibujaremos una tabla (figura 1.11) que contenga tantas casillas como 2", donde n es el número de variables de la función (en el caso que nos ocupa: 23 = 8). El número de casillas de cada lado de la tabla debe ser un múltiplo de 2 y debemos procurar que la tabla sea lo más cuadrada posible.
A continuación colocamos, por ejemplo, las variables B y A encima de
e
la línea del vértice superior izquierdo de la tabla y la variable debajo de la línea. También, identificamos cada una de las filas y columnas de la tabla colocando un número binario en código reflejado de Gray (puede observarse la columna de la derecha de la tabla 1.1).
1
En la parte superior de la tabla, el número se corresponde con cada una de las combinaciones que pueden formarse con los estados de las variables A y B, y en el lateral izquierdo las filas se identifican mediante los dos estados que la variable puede adquirir. De este modo, cualquiera de las casillas de la tabla queda perfectamente definida por una única combinación de estados de las variables A, By C.
Tabla de la verdad Bl Entradas Salida
e
B
A
O.
O
O
O
O
1
O O
e
Bl
O
O
1
1
1
O
O
o
1
O
O
O
O
A continuación rellenaremos el mapa de Karnaugh. Para hacerlo podemos utilizar indistintamente la tabla de la verdad de la salida B 1 o la función canónica de B 1. Si partimos de la tabla de la verdad colocaremos un '1' en la casilla del mapa de Karnaugh dada por las combinaciones de la tabla de la verdad que hacen '1' la salida B 1. Si partimos de la función canónica anotaremos un '1' en la casilla que se corresponde con cada término canónico de la función. En el resto de las casillas del mapa anotamos un 'O'.
O
Bl BA
c O
1
00
01
(1
11
o
o
fi g. 1.12. Mapa de Karnaugh.
11
10
1 )
o
o
o
El paso siguiente consiste en agrupar el mayor número de "unos" contiguos posibles, teniendo en cuenta que en cada agrupación haya 2" "unos", es decir, con n que valga 0, 1,2,3,4... se tendría un número de "unos" igual a l , 2, 4, 8,16 ... , etc. Como mostramos en la figura 1.12, no importa que uno o varios "unos" pertenezcan a varias agrupaciones, siempre y cuando las agrupaciones se realicen en vertical o en horizontal y nunca en oblicuo. La función simplificada tendrá, finalmente, tantos términos como agrupaciones hayamos sido capaces de realizar:
= C o S+C o A Bl = C o (8+A)
Bl
Unidad dida
En el mapa de Karnaugh de la figura 1.12 hemos realizado dos agrupaciones y, consecuentemente, la función final simplificada tendrá dos términos. Además, podemos observar que, en la agrupación de la derecha, la variable siempre es 'O', la variable A siempre es '1' y la variable B adquiere el estado 'O' y '1'. Esto último significa que el estado de la variable B no influye y, por lo tanto, puede ser descartado de este primer término. Así pues, tenemos:
e
Bl (lI =C o A
e
En la agrupación de la izquierda, la variable siempre es 'O', la variable B siempre es 'O' y la variable A adquiere el estado 'O' y '1'. Ahora es la variable A la que descartamos de este segundo término. Así, nos queda:
Bl ~) =C
.S
e.
Finalmente, la función simpl ificada es: Bl = Bl (2) + Bl (1) = C· B + A que, de acuerdo con la ley distributiva, podemos escribirla de la forma siguiente:
B1 =
e
o
(B + A)
(11 3)
Se corresponde exactamente con la función (1.12) que obteníamos aplicando las reglas del álgebra de Boole. Profundizaremos algo más en las agrupaciones de "unos" que se permiten hacer sobre el mapa de Karnaugh. Debemos hacer notar que cuantas menos agrupaciones incluyan la totalidad de los "unos" del mapa, menos términos tendrá la función simplificada. Esto significa que cada agrupación debe incorporar el mayor número posible de "unos", respetando siempre que tal número sea una potencia de dos (2°, 2' ,2',23,2', .. ,2").
Fig. l .13. Agrupación de términos.
El mapa de Karnaugh es contiguo por sus costados, es decir, debemos considerar que su lado superior está literalmente unido a su lado inferior y que su lado izquierdo está unido a su lado derecho. En consecuencia, podemos realizar agrupaciones de "unos" que estén en un lado del mapa con "unos" situados en el lado opuesto.
xv
vz
00
01
11
10
00
1
O
,---, 1
1
01
O
O
1
O
11
O
O
1
O
10
( 1
1
1
1
Un ejemplo de posibles agrupaciones lo observamos en la figura 1.13. La función de simplificada poseerá tres términos, dado que la totalidad de "unos" del mapa son recogidos en tres agrupaciones. El primer término es consecuencia de la agrupación de los cuatro "unos" verticales, el segundo término surge de la agrupación de los cuatro "unos" horizontales y, finalmente, el tercer término es consecuencia de la agrupación que se hace con los cuatro "unos" de las esquinas (contiguos por los lados). La función simplificada será la siguiente:
Ejemplo 1.12 Simplificar la función canónica B2 =
e.B.A+ (. B . A, aplicando el método de Kamaugh.
Solución:
°
Situamos un '1' en la casilla correspondiente a e = 0, B = y A = 0, otro '1' en la casilla identificada con e = 0, B = yA = 1, Y realizamos una agrupación con los dos "unos" . La función simplificada resulta:
°
Bl BA 00
01
1)
)0
O
II
1)
O
O
1
O
O
O
O
(
B2 =
eo B
Unidad dldaCllca 1 Automatización basica
Ejemplo 1.13 )eseamos simplificar, por el método de Kamaugh, la función lógica de la salida Al, 1ue se muestra en la tabla de la verdad adjunta.
Tabla de la verdad Al Entladas Salida
Solución:
e
B
A
Al
Interpretando exactamente la información de la tabla de la verdad, colocamos los '1 ' Y'O' de la salida A1 en las casillas identikadas por las correspondientes combinaciones binarias de entrada.
O
O
O
O
O
O
A continuación realizamos las dos agrupaciones posibles:
O
O
O
La de la izquierda con C = 1, B = O Y eliminando la variable A que cambia de estado.
O O
1
O
O
O
1
O
La de la derecha con B = 1, A = OYeliminando C que toma los estados 1 y O (figura adjunta). La función simplificada resulta:
O
Al BA
e
10
00
01
11
O
o
o
o
r--
1
(1
1)
o
-2..
1
-
-
Al =C . B+ B . A
Ejemplo 1.14 Encontrar la función simplificada de la salida F que muestra la tabla adjunta. Tabla de la ve rdad de F Entradas Salida
Solución: Observando la tabla notamos que existen dos estados de F que, marcados con x, pretenden indicar que es indiferente el estado '1' o 'O' que tome la salida frente a una combinación de entrada en particular. Representando los estados en el mapa de Kamaugh podemos actuar de dos formas distintas.
Z
X
y
F
O
O
O
O
O
O
1
1
O
O
O 1
O
O
O
O O
La primera considera las x como 'O' y, dada la imposibilidad de agrupar "unos" en diagonal, la función presentará los dos términos correspondientes a los '1' aislados del mapa. Así, la función que obtenemos es la siguiente:
X
1
O O
X
La segunda forma considera las x como '1' y posibilita una única agru pación de los cuatro "unos" del mapa. La función así obtenida presenta un único término que, en este caso, es el siguiente:
F XV Z
00
O
1
01
11
10
O
CD
X
O
O
X
CD
O
F=Y
Unidad didac!ica 1 Automatización básica
J.~~
t ")
Sistemas secuenciales
Los sistemas secuenciales son aquéllos en los que, a diferencia de los combinacionales, sus salidas no sólo dependen del estado de las variables de entrada en un determinado instante, sino que, además, dependen de los estados anteriores que haya adqu irido el sistema . Por lo tanto, un sistema secuencial se dice que tiene memoria. Un sistema combinacional no tiene en cuenta la variable tiempo, ya que en todo momento las salidas sólo dependen del estado de las variables de entrada. En un sistema secuencial como el que mostramos en la figura 1.14, en cambio, sus sal idas en un instante (Z¡, Z2,.. ,ZJ dependen del estado de las variables de entrada en ese momento (x ¡,.. .,x") y de los estados internos (Y¡I,-1), ... ,Yml'- ¡~ que, a su vez, son consecuencia de secuencias de entradas anteriores. Para funcionar de esta manera, el sistema secuencial debe ser capaz de memorizar el estado de las entradas y convertirlo en un estado interno del mismo sistema.
SISTEMA SECUENCIAL
x,
Zo
ENTRADAS BLOQUE SAL I DAS
COMBINACIONAL
,.. ~
Z,
Estados internos MEMORIA
Ymit)
Ym(H)
Fig. 1.14. Sistema secuencial
l~
Un sistema secuencia l reacciona ante secuencias de estados de entrada de una forma automática concreta que depende de su arquitectura. Recibe el nombre de autómata finito porque tiene un número limitado de estados internos. Todo sistema secuencial posee : Un conjunto de 2" estados de entrada, donde n es el número d e variables de entrada: X I I x 2, X n. o ••
Un conjunto de 2m estados internos, donde m es el número de va ri ables internas de estado: y¡, Y2' ... Ym' O
Un conjunto de 2P estados posibles de salida, donde p variables de salida : Z ¡, Z2' .. . zp'
= m + n es el número de
Una particularidad que identifica los sistemas secuenciales es la distinta re acción q ue pueden presentar a su salida, frente a combinaciones idénticas aplicadas a su entrada. Las potentes herramientas utilizadas actualmente por los técnicos en el desarrollo de sistemas secuenciales son especificas de la tecnolog ía (eléctrica o electrónica) con la q ue, finalmente, se construye el automatismo. Así, una implementación con tecnología eléctrica requerirá el conocimiento de algún método de descripción func ional de automatismos, como por ejemplo el GRAFCET, y de algún lenguaje de programación de autómatas.
Unidad didáctic.<
Automatización básica
1
A(tividades 9. Monta en el laboratorio el circuito eléctrico de la figura 1.15, comprueba su funcionamiento y determina la función lógica por la que se rige el encendido de la bombilla B. La tensión U puede ser de naturaleza alterna o continua y la tensión nominal de la bombilla debe ser de 12 V. Observa que la denominación de circuito combinacional adquiere sentido, ya que, el estado de la bombilla, depende exclusivamente de la combinación de estados que adquieren los interruptores X, Y Y Z.
x u ~ 12 V
z
10. Monta en el laboratorio el circuito eléctrico de tipo secuencial de la figura 1.16. Utiliza una fuente de alimentación que proporcione una tensión continua de 12 V, una bombilla B de 12 V, un pulsador x con un contacto normalmente abierto, un pulsador con un contacto normalmente cerrado y, finalmente, un relé de tensión continua de 12 V (P) con un contacto normalmente abierto (p).
B
z
u·
Fig.1 .15. Circuito eléctrico de tipo combinacional.
12 V
Fig.1.16. Circuito eléctrico de tipo secuencial.
A continuación verifica el diagrama secuencia-tiempo del automatismo que se muestra en la figura 1.17, comprobando el estado que adquiere la bombilla al abrir y cerrar los contactos 'x y 'z' en la forma que describimos seguidamente: a) Al aplicar por primera vez tensión al circuito, con 'x' abierto 'O' y 'Z' cerrado ' 1', observarás que la bombilla está apagada y el relé desactivado. tste es el estado inicial de reposo b) Pulsa y mantén oprimido el pulsador
'x. Observarás que la bombilla B se ilu mina y el relé P se activa.
c) Suelta el pulsador 'x. Podrás ver que la bombilla B continua encendida y el relé activado.
d) Pulsa y mantén oprimido el pulsador 'z'. Observarás que la bombilla B se apaga y el relé Pse desactiva. e) Suelta el pulsador
'z'. Verás que la bombilla B continua apagada y el relé desactivado.
Si has actuado de manera correcta, el comportamiento del automatismo debe ser el descrito en el diagrama de secuencia adjunto. Observa que en las fases 2 y 4 de este diagrama el estado de los contactos 'x y 'Z' es idéntico y, en cambio, la bombilla está iluminada en la fase 2 y apagada en la fase 4. Este importante efecto es el que diferencia un automatismo secuencial de otro de naturaleza combinacional, en el que el estado de la bombilla sería exclusivamente función del estado de los contactos 'x y 'Z', Fig.1.17. Diagrama de secu encia·ti empo.
,
',. 'o'
'O'
',. z
',.
'o'
'1'
'1'
'o' '1'
B
'o'
',. 'o'
'O'
Reposo
Pulsa ',' : Suelta ','
CD
CD
Pulsa
'z
'o' : Suelta 'Z : 1
0
Secuencia de comprobación
0
Unidad didactica 1 Automatizació n básica
11. Halla el número binario correspondiente al número decimal 427 y calcula el valor decimal del número binario 10101111.
12. Utilizando las reglas del álgebra de Boole, demuestra q ue la expresión F ~
e .(A + B . C) da como resultado
cero.
13. Utilizando las reglas del álgebra de Boole, demuestra que la expresión F ~ F~C(B+A)
e . (B + B . A) da como resultado BA
14. Obtén las funciones lógicas que verifiquen la tabla de Karnaugh que muestra la figura. Considera primero las 'x' como '1 ', Y después como 'O'.
15. Explica con claridad la diferencia entre un sistema combinacional y otro de secuencial, e ilústralo con un ejemplo de cada tipo.
16. Busca información sobre relés, finales de carrera, pulsadores e interruptores eléctricos, y describe brevemente su funcionamiento.
00
01
11
10
00
1
x
1
1
01
O
O
1
O
II
O
x
1
O
10
1
1
1
x
OC
-1 ~L La simbología en los automatismos Hasta el momento hemos explicado los parámetros eléctricos que intervienen en el dimensionado de los distintos dispositivos de que constan los automatismos. Era fundamental introducir conceptos eléctricos como intensidad, tensión, potencia, etc., para entender la naturaleza de las variables eléctricas que interviene en un sistema automático y las expresiones que las relacionan. Más adelante presentábamos el lenguaje binario (álgebra de Boole) que interpretan los automatismos y, también, los métodos clásicos utilizados para obtener las funciones lógicas que rigen el comportamiento de los sistemas combinacionales y secuenciales. De esta manera, hemos podido describir la conducta de un automatismo mediante un conjunto de funciones lógicas que, posteriormente, deberá ser implementado con la tecnología más apropiada. Ahora es el momento de tratar los símbolos normalizados de los diferentes elementos que forman un automatismo.
"J
-.:1 1. Simbología electróni(a
A partir del conjunto de funciones lógicas que determinan la funcionalidad de un automatismo confeccionaremos su esquema eléctrico empleando la simbología apropiada a la tecnología que utilizamos para implementarlo. Dado que buena parte del circuito de control de un automatismo eléctrico se realiza con tecnología electrónica, proporcionaremos a continuación la simbología electrónica más habitual. En este libro utilizaremos, indistintamente, los símbolos tradicionales empleados durante muchos años en el área de la electrónica digital y los más recientes recogidos en la norma ANSI/IEEE 91-1984. Los primeros utilizan un símbolo diferente para representar cada elemento, mientras que los últimos emplean símbolos rectangulares para representar cualquier dispositivo. La tabla 1.8 recoge los símbolos más habituales usados en la representación de esquemas de sistemas combinacionales y secuenciales. Los símbolos electrónicos que mostramos para realizar las operaciones básicas de los sistemas combinacionales reciben el nombre de puertas lógicas, y los que indicamos para sistemas secuenciales son denominados biest ables o básculas.
Unidad dldacllca 1 Automatización básica
En la tabla proporcionamos, también, la función lógica que generan estas puertas lógicas, la tabla de la verdad que verifican y una breve descripción de la operación que realizan. Aunque mayoritariamente los símbolos de lógica combinacional incluyen únicamente dos entradas, el mismo símbolo puede admitir un número superior de entradas. Tabla 1.8. Simbologia de eleclrónica combinacional y secuencial
Sistemas combinacionales Simbo lo ANSI
Símbolo clásico
Función lógica
a{>o-s aDs
:=[)-s:E-s :B-s :=D- s:Ü :D-s:=E} :=jD-s :Ds :~[>O-S :B-s : =[)o- S
Tabla de la verdad
a NOT
OR So a • b
NOR So a • b
ANO
S
S
S 1 O
O
So a b
NANO Sq·b
XOR So ¡J. b .. · b S o a III b NXOR Soa·b .. · b S o a III b
Descripción
Operación negación , La salida adquiere el eSlado opueslo al de la enlrada.
a O O 1 I
b O I O 1
S O I I I
Operación suma, La salida adquiere el eslado '1' siem· pre que cualquiera de las enlradas eSlé en '1'.
a O O I 1
b O 1 O I
S 1 O O O
Operación suma negada, La salida adquiere el eslado 'o' siempre que cualquiera de las enlradas eSlé en '1'.
a O O 1 1
b O 1 O 1
S O O O I
Operación produclo, La salida adquiere el eslado 'O' siempre que cualquiera de las enlradas eslé en 'O'.
a O O I
b O 1 O
S
a O O 1 1
b O 1 O 1
S O 1 1 O
Operación semisuma, La salida adquiere el eslado 'O' siempre que ladas las enlradas eslén en el mismo eslado.
a b O O O 1 O 1
S 1 O O 1
Operación semisuma negada, La salida adqUiere el eslado '1' siempre que ladas las enlradas eSlén en el mismo estado.
1 O
Operación produclo negado, La salida adquiere el eslado '1' siempre que cualquiera de las enlradas eslé en 'O'.
Sistemas secuenciales
Simbo lo dásico
Simbolo ANSI
SD~Q
R
sn
Clk R
Tabla de la verdad
Ü~ R
Q
Q
_ Q
ClkJ = Q_ =E R Q
S O O 1 1 S O O 1 1
R O 1 O 1
R e OJ 1 S OS 1 -
Q.
O.
Qn-l O 1 No
Qn-I 1 O se usa
Q.
O.
Q~- ,
QI)--I O 1 1 O
No se usa
Descripción
Bieslable SR sensible por nive" La salida Q adquiere el eslado '1' cuando S o '1' y el eSlado 'O' cuando R o '1'. La combinación So Ro 'O' no provoca cambio en la salida y la So Ro '1' es la prohibida. Biestable SR sensible por flanco de subida, La salida Q adquiere el eslado '1' cuando So'1' y Clk pasa de 'O' a '1'. La salida Q adquiere el eslado 'O' cuando Ro '1' y Clk pasa de 'O' a '1'. La combinación S o R o 'O' no pro' vaca cambio en la salida y la S o Ro '1' eslá prohibida.
UOIdad dldac!tca 1. Automatización básica
Para mostrar el aspecto que presentan los eSQuemas electrónicos de dos automatismos concretos, proporcionamos a continuación la solución de las funciones lógicas que describíamos en la tabla 1.6 y, también, la del circuito eléctrico de la figura 1. 16.
Ejemplo 1.15 Confecciona el esquema electrónico del automatismo combinacional que cumple con las funciones lógicas siguientes:
81 =
e
(B + Al;
82 =
c· B; Va = c· B; Me = c· 8 YAl
=
AB
e
A; LI = C- 8· A
B·e Me - e·B·A
C- B + 8 . A
B. (' t ;==::::[A: Vao B2 jj . ('
Solución:
0
Bl · ( (8
En primer lugar, hay que indicar que existen varias soluciones posibles para resolver las funciones que recoge el enunciado. Dependiendo del número de entradas y de la naturaleza de las puertas lógicas empleadas, podemos obtener diferentes esquemas, aunque todos ellos válidos. La solución que aportamos con simbología tradicional en la figura 1.18 es un fiel reflejo de la lectura que podemos hacer de las funciones que nos proporcionan.
B
A
Fig.l ,18,
Ejemplo 1.16 Realiza el esquema electrónico del automatismo secuencial, de modo que la función de su variable de estado interno sea p = x + Z . P y la ecuación de su salida 8 = p. Sol ución:
a)
En la figura 1.19a mostramos el esquema solicitado empleando la simbología tradicional y en la figura 1.19b utilizando la simbología ANSI/IEEE. En un sistema secuencial, el estado de alguna puerta de salida es realimentado nuevamente a su entrada en forma directa o a través de alguna otra puerta, como sucede con la puerta OR del esquema, cuya salida P es aplicada, a través de la puerta AND, nuevamente a su entrada. Esto da lugar a la posibilidad de memorizar estados lógicos, tal y como recoge la figura 1.19c. Efectivamente, cuando la salida 8 lo memoriza (8 La salida 8 mantiene este '1', momento en el que la
~I
x~Bo,.(l . P) P
lr;l-; :~ ,--, P
variable x adquiere el estado '1', la ='1 ') aunque x vuelva a estado 'O'. estado hasta que la variable z pasa a salida 8 memoriza el estado 'O'.
La figura 1.19d recoge una realización alternativa utilizando un biestable del tipo S-R, en el que las señales x y z se aplicarían a los terminales S y R respectivamen~e, la señal 8 se obtendría del terminal de salida Q y el terminal Q no se conectaría (n.c.).
J=r Función memoria
I
Esquema ANSI/IEEE
Fig. l.19. a) Esquemas electrónicos del automatismo. b) Efecto de memorización de estados lógicos.
X- - - F Q l - B
z ~ n.c. Realización con biestables
p
: G + B.X'(l.P)
d)
e)
Esquema clásico
b)
Unidad didáctica 1 Automatilación básica
En la Tabla 1.9 mostramos algunos dispositivos utilizados para implementar los esquemas electrónicos de sistemas combinacionales y secuenciales. De forma común reciben el nombre de circuitos integrados. Se montan sobre circuito impreso, de modo que forman parte de los circuitos electrónicos de control. Suelen alimentarse con tensiones continuas de 5 voltios y a su salida entregan señales de corriente muy débil (en torno al mAl que, posteriormente, tienen que ser arnplificadas convenientemente.
Tabla 1.9. Dispositivos electrónicos usados en sistemas combinacionales y secuenciales Patillaje
Encapsulado
Oescripción Circuito integrado SN74lS00, Posee 4 puertas NANO. Alimentación V« " '5 V respecto de Gnd. El estado ',' (tensión entre 3,5 V Y5 V) da 0,4 mA máximo, y el estado 'O' (tensión entre OVY0,8 V) da 8 mA.
14
CirlUito integrado SN74lS01, Posee 4 puertas NOR. Alimentación V« • '5 V respecto de Gnd. El estado '1' (tensión entre 3,5 V Y5 V) da 0,4 mA máximo, y el estado 'O' (tensión entre OVY 0,8 V) da 8 mA.
14 I
2
,
s
•
•
Circuito integrado (040430 Posee 4 biestables SR. Alimentación Vdd de '2 Va' 18 V respec to de Vss. Corrien te de salida 1 mA. Estado '1' a nivel Vdd y estado 'O' a nivel Vss. la tabla de la verdad es, S
16
R
E
Q
X
X
O
OC'
O
O
1
NC"
1
O
1
1
O
1
1
O
1
1
1
.1
Nota, • Salida en circuito abierto, • Salida no cambia y fl entrada no permlllda Cualquier función lógica que describa la funcionalidad de un sistema digital puede ser representada únicamente mediante puertas NANO o NOR. En la tabla 1. 10 mostramos algunas realizaciones básicas a partir del uso exclusivo de puertas NANO o puertas NOR. Tabla 1.10. Realizaciones básicas a partir de puertas NANO y NOR Realización
Función lógica
Función lógica
Realización
a NOT
Función lógica
b-V-"b
ANO
Realización
Biestable
b
Realización R
a OR
><=~
SR
b S
Unidad dldactlca t Automatización básica
'j .!.L~ .
Simbología eléctrica
En la actualidad existen varias normas para representar los símbolos de los dispositivos utilizados en los esquemas de automatismos e instalaciones eléctricas. En esta publicación utilizaremos mayoritariamente la simbología de la norma UNE EN 60617, armonizada con la norma europea EN 60617 de 1997 y basada en la norma internacional lEC 60617. Los principales com ités de normalización implicados en estas normas son los siguientes: CEI o lEC (International Electrotechnical Commission o Comité Internacional Electrotécnico). Se constituyó en 1906 para elaborar las normas intemacionales CEI con el objetivo, entre otros, de promover la compatibi lidad de materiales, productos y sistemas eléctricos y electrónicos.
O CENELEC (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica). Creado en 1959 para el desarrollo de las normas eu ropeas EN en el ámbito electrotécnico europeo. Está compuesto por los organismos de normalización de los Estados miembros de la Unión Europea.
AENOR (Asociación Española de Norm alización y Certificación). Organismo de normalización responsable de adoptar como normas UNE (Normas Españolas) todas las normas europeas que se elaboran en el seno del CENELEC. En las tablas siguientes se agrupan los dispositivos más habituales empleados en la confección de esquemas eléctricos. Comenzaremos presentando en las tablas 1. 11 y 1.12 la simbología normalizada usada para designar las características de las tensiones, las tomas de tierra y los conductores eléctricos. En la tabla 1.13 mostramos los símbolos más habituales utilizados para representar los contactos eléctricos y, en la tabla 1.14, los pulsadores con sus distintos mandos y accionamientos. La simbología de estos dispositivos está basada en la representación combinada de la simbología de los contactos eléctricos con la de los mandos y accionamientos. Asimismo, los simbo los más usuales para la representación de los interruptores, los relés, las máquinas eléctricas y otros componentes de uso común los recogemos, respectivamente, en las tablas 1.15, 1.16, 1.17 Y 1.18. Tabla 1.11. Simbología de tensiones y tomas de tierra Tensiones y tomas de tierra
Simbolo
Comentario
El valor de tensión puede indicarse a la derecha del símbolo,
1enslón continua
- - - 24V
Tensión alterna
El valor de tensión y Irecuenoa pueden indicarse a la derecha del simbolo. El número de lases y la presen· cia de neutro pueden indicarse a la izquierda del símbolo, l/N 220 VSO Hz ~
Tensión rechficada con componente alterna
Marcado de tensión continua no filtrada.
Polaridad pOSItiva
+
Polafldad negahva Neutro Toma de tierra
Marcado de polaridad en continua. Marcado de polaridad en continua.
N
Marcado de línea de neutro.
Marcado de toma de tierra.
Unidad didactica 1 Automatización básica
(Tabla 1.11 . Simbología de tensiones y tomas de tierra)
Tensiones y tomas de tierra
Simbolo
Comentario
Toma de tierra con protección
Marcado de toma de tierra con protección.
Toma de masa o chasis
Marcado de toma de masa o chasis.
lablal.ll. (ondu,tores y tomas de tensión (onductores y tomas de tensión
Símbolo
Comentario
Conductor prinCipal o auxiliar Se representa por un trazo único, con tantos trazos oblicuos como cables contenga el grupo o con un trazo oblicuo y un número de conductores.
Grupo de conductores en lormato implícito
II 3N - 380V 50Hz
"~g§~g no
Grupo de conductores en lormato explícito
Ll
N 3(1 X120) • 1
Se puede indicar la denominación de la linea, la naturaleza de la tensión y la sección de los conduc tores. En el ejemplo se tra ta de una linea trifásica de 380 V, 50 Hz con hilos de 120 mm' y una linea de neutro de seCCIón 70 mm'.
Conexión flexible Conductor apantallado Conductores trenzados
(onexión de conductores
Conexión doble de conductores
Regleta de conexión
7 ;;
1
7
e Tres conductores.
I
~+ IIIIII
(onexión en T y conexión con el símbolo de unión.
Unión doble con y Sin símbolo de unión. Regleta con terminales de conexión. Pueden añadirse marcas para identificar los terminales.
lablal.n. Símbología de ,ontactos elé,tricos
Contactos
Símbolo
Comentario
Contacto normalmente abierto (NA)
Contacto de cierre. Puede ser empleado como interruptor general
Contacto normalmente cerrado (NC)
Con tacto de apertura.
Contacto conmutado
Se produce primero la apertura del contacto NC y después el cierre del contacto NA.
Contacto conmutado con posición de corte
Contactos NA-NA con posición intermedia de corte.
Contacto inversor antes de apertura
Se produce primero el Cierre del contacto NA y después la apertura del contacto NC.
Contacto de cierre adelantado respecto del conjunto
En un conjun to de contactos, éste se cierra antes.
Unidad dld¡j(llcd 1 Automatización básica
(Tabla 1.13. simbología de contactos eléctricos)
(onlactos
Símbolo
Comentario
(onlaclo con cielle retrasado respeclo del conJunio
En un conjunlo de conlaclos, éSle se Clella después.
(onlaclo de apellura reir asada res pecIo del conjunto
En un conJunlo de conlaclos, ésle se abre después.
(onlaclo de apertura adelanlada respeclo del con)unlo
En un conjunlo de con lacIos, ésle se abre anles.
(onlaclo de cielle relardado respeclo del disposi-
El conlaclo se ciella con relraso respeclo a la aclivaClón del disposilivo que lo controla.
tivo accionador
(onlaclo de aperlura relardada respeclo del dis-
El contaclo se abre con reiraso res pecio a la acli· vación del disposilivo que lo conlrola.
positivo accionado
El conlaclo se ciella y abre con retraso respeclo a la aClivación y desaclivación del dispositivo que lo conlrola.
(onlaclo de delle y apertura relardada respeclo del disposilivo accionador
-(
Base de conexión
(onlaclo hembra.
-<
(lavija de conexión
(onlaclo macho.
Base y clavija de conexión
(ontaclo hembra y macho.
-----
Conector a presión
Tabla 1.14. Simbología de pulsadores, mandos y accionamientos eléctricos Pulsadores
(onlaclo de cielle con mando manual
Pulsador de cielle manual y relorno aulomálico.
Tirador con con tacto al cierre y retor·
no aulomálico
Símbolo
f--
I
1
E--
I
1 }--1I
Mandos y accionamientos
Mando de Iransmisión mecanlCa, h" dráulica, magnélica, elc
Símbolo
Mando de acción relardada
€=
Mando de acción adelanlada.
==(
Relorno aulomalico Relorno no aulomalico
----<]-----V-- --
Accionamien to mecánico manual
f . ---
Mando rOlalorio.
J ----
Mando de lirador
}
Mando de puJsador
E----
Mando de emergencia
(j- ---
Mando por acción lérmica
?--_.
-- --
Unidad dldactica 1. Automa tizació n básica
(Tabla 1.14. Simbología de pulsadores, mandos y accionamientos eléctricos)
Pulsadoles
Mandos y accionamientos
Simbolo
Simbo lo
~---
Mando por acción electromagné tica Pulsador ro tativo con contacto al Cierre y retorno automático
Pulsadol de emergencia con enclava, miento no automático
OV
I
1
Mando por electo magnético
9---'
Mando por energia hidráulica o neu' mática
[D---
---
Mando por reloj eléctrico
(9----
Mando por motor eléc trico
@l----
Tabla 1.15. Simbo logia de interruptores eléctricos Interruptores
Simbolo
Símbolo general de interruptor.
Interruptor
Interruptor Ilnal de carrera
Comentario
I
o-~
ACCionado mecánicamente.
Con tactor
Accionado por el campo magnético creado por una bobina.
Interruptor guarda motor
Interruptor de apertura au tomática protegido con· tra lallos de tensión y/o corriente anormalmente elevada.
Interruptor automático
Tamb ién llamado disyuntor, provoca la desco' nexión automática al paso de corrien tes anormalmente elevadas.
Seccionador
Cerrado admite el paso de corriente nominal y abierto garantíza el corte sin la lormación de arcos eléctricos.
Seccionador conmu tado
Deri va la corrien te hacia una línea u otra. Posee una posición de corte intermedia.
Interruptor seccionador
Permite la apertura y cierre de circuitos baJO ten' sión. No admite cortocircuitos.
Interruptor seccionador con apertura automática
Seccionador protegido contra corrientes anormalmente elevadas.
Unidad dldactl(l 1 Automatización básica
(Tabla 1.15. Simbología de interruptores eléctricos)
Interruptores
Símbolo
Comentario
Seccionador con lusible
Seccionador protegido contra corrientes anormal· mente elevadas.
lnierruplor con fusible
Interruptor pro tegido contra corrientes anormal· mente elevadas.
Tabla 1.16. Simbología de relé, eléctrico, Relé,
Símbolo
Comentario
Disposilivo de mando electromagnético
Simbolo general de un dispositivo de mando, por ejemplo, relé térmico.
Relé con dos devanados separados
Se puede emplear indistintamente cualquiera de los símbolos indicados.
Relé de conexión lenta
Dispositivo de mando de un relé de conexión retardada.
Relé de desconexión lenia
Dispositivo de mando de un relé de desconexión retardada.
Relé de acción térmica
Dispositivo de mando de un relé térmiCO.
Relé de acción electromagnética
Dispositivo de mando de un relé aclivado por acción electromagnética.
Relé de intensidad máxima
Relé activado por sobrecornente.
Relé de tensión máxima
Relé activado por sobre tensión.
Relé de intensidad diferencial
Relé activado por diferencia de corriente. Relé de enclavamiento mecánico.
Unidad drdactlca 1 Automa tización básica
(Tabla 1.16. Simbología de relés eléctricostario)
Relés
(omen
Simbolo
Relé de enclavamiento mecánico
Relé con reposición manual o eléctrica.
Electroválvula
Válvula con mando eléctrico de apertura y cierre.
Tabla 1.17. Simbologia de máquinas elóctricas Simbolo
Máquinas eléctricas
Devanado trifásico en triángulo
y
Devanado tri fásico en estrella
Devanado trifásico en estrella con toma de neutro
Máquinas eléctricas
51mbolo
Convertidor continua·continua (OC/ OC).
F7I lLd
Convertidor al tern a·continua (AC/OC). Rectificador.
Convertidor continua· alterna (OC/AC). Ondulador, inversor.
[ZJ
Motor de corriente continua, de ¡man permanente, con dos conductores y excitación serie
l@
Arrancador de motor.
[J
Motor de corriente alterna, con colec tor, con dos conductores y exci tación
l@
Arrancador estrella·trrángulo.
m
Arrancador regulador por tiristores. Convertidor de frecuencia. Variador de velocidad.
~
Transformador de tensión monofásico (representación unifilar).
$
o
serie
Motor de corriente alterna, con colec· tor, trifásico y excrtación serie
Motor de inducción, trifásico de jaula
Motor de inducción, trifásico de ro tor bobinado.
Generador sin(fono trifásico de imán permanente
kbJ ~
~ ® L.....J
Transformador de tensión monofásico (representación multililar).
~ (""""'1
Transformador de tensión trifásico, conexión estrella· triángulo (represen· tación unifilar).
~
Unidad
did~ctlc
I
I
Automatización
b~sica
(Tabla 1.17. Simbología de máquinas elédricas)
Máquinas eléctricas
Simbolo
Máquinas eléctricas
Translormador de tensión trilásico, conexión estrella-triángulo (representación multifilar).
Generador sincrono trilásico con inducido en estrelta y neutro accesible
Simboto
w mm
Tabla 1.18. Simbologia de otros componentes eléctricos de uso común Componentes de uso general
Simbolo
Componentes de uso general
Amperimetro
Diodo rectificador.
Voltímetro
Puen te recti ficador.
Válvula
Tiristor (SCR).
Fusible
Fotodiodo. Diodo sensible a la luz.
EJ
Inductancia . Cualquiera de las dos representaciones es válida.
Dispositivo luminoso. lámpara
Dispositivo luminoso intermitente
Bocina
@ JL
~
*
-[TI-JYY\.......
Resistencia shunt.
~
Potenciómetro.
Timbre
~
Fotorresistencia (LDR).
Zumbador
~
Condensador.
-L T
",,,,
Resistencia.
Sirena
Pila, baterla o acumulador
Simbolo
Transformador de intensidad.
",,,, --c::::J-L ¡-
U'lldad didact'c , Automatización básica
Ejemplo 1.17 Confecciona el esquema eléctrico del automatismo combinacional que desarrollábamos en el ejemplo 1.11, Y que cumple con las funciones lógicas siguientes: MBl
= e (B + A); MB2 = c· B; Va = c· B;
Me
= c· B . A; LI = e
B . Ay Al
= e B + B . A.
Solución: Empleando la simbología eléctrica que hemos visto podemos presentar el esquema que muestra la figura 1.20. En él hemos dispuesto los detectores de nivel A, By C que accionan, respectivamente, los relés RA, RB Y Re. Cada uno de estos relés incluye un conjunto de contactos normalmente abiertos (NA) y normalmente cerrados (NC) que sirven para implementar la correspondiente función lógica. Así, para rea lizar la función lógica MB l = (8 + A), utilizamos los contactos normalmente cerrados Cl y BT accionados respectivamente por los relés RC y RB, Y el contacto normalmente abierto Al accionado por el relé RA.
e.
Podemos ver que, en esta función, los contactos se disponen en paralelo para realizar la operación suma y, en cambio, para implementar la operación producto los contactos se conectan en serie. tosta es la regla básica que nos permite confeccionar el resto del esquema. Dado que las funciones lógicas MB2 y Va son idénticas, hemos utilizado el circuito único formado por los contactos C2 y B2 ~a activar MB2 y Va. Notemos que MB2 y Va se activarán sólo si los detectores C y B están abiertos, es decir, si los contactos C2 y 62 están cerrados.
Fig. 1.20. Esquema eléctrico que cumple con las funciones lógicas proporcionadas.
Actividades 17.
Utilizando sólo puertas N A N D de dos entradas, confecciona un esquema electrónico que verifique la función lógica F = C. B + A.
18.
Utilizando una lámpara L y los internuptores A, By C, confecciona un esquema eléctrico que verifique la función lógica L = C. B + A.
19.
Realiza un esquema eléctrico que sirva para controlar el arranque y la detenció n de un motor a partir de los pulsadores de marcha (M) y paro (P) correspondient es. El motor se deb e p o ner en marcha al pulsar M y pararse al pulsar P.
20.
Confecciona un esquema electrónico que rea lice la fu nción de la actividad anterior e indica si el automatismo es de tipo combinacional o secuencial.
21.
Recopila información sobre algunos de los elementos recogidos en la tabla 1.18 y describe su funcionamiento.
Unidad d,dacll( I 1 Automatización b¡jsica
Descripción de automatismos mediante el 6RAFCET 'J 5.;1, ¿Qué es el GRAFCET? El GRAFCET (gráfico funcional de control de etapas y transiciones) es una herramienta que permite describir de manera gráfica la secuencia de operaciones que realiza un automatismo. Se trata de un lenguaje organizacional que facilita la estructuración y descomposición de un problema de control en partes de menor complejidad fáci lmente abordables. Tuvo su origen en Francia en 1977 y fue el fruto del trabajo de la AFCET (Asociación Francesa de Cibernética Económica y Técnica) en su tarea de diseñar una herramienta útil para la descripción de procedimientos. Inicialmente fue adoptado por la agencia francesa de normalización (AFNOR) y, en 1988, la lEC lo declaró norma intemacional con el número lEC 848.
Elementos del GRAFCET Los elementos gráficos utilizados para representar las funciones de control de un automatismo en el GRAFCET son las siguientes: Las etapas. Describen estados o situaciones particu lares del automatismo en el que se llevan a cabo operaciones concretas. Todas las etapas se representan con cuadrados que contienen en su interior el número de orden de la etapa dentro del GRAFCET, excepto la primera etapa (etapa iniciaO que se indica con dos cuadrados concéntricos y acostumbra a llevar el número Oen su interior. Las acciones. Describen el conjunto de operaciones que se realizan cuando se activa una etapa en particular. Se representan en el interior de un rectángulo colocado a la derecha de cada etapa y se asocia a ésta mediante una linea de unión. Las transiciones. Son condiciones que deben cumplirse para que el control pase de una etapa a la sigu iente. Se representan mediante una línea horizontal situada sobre la linea de unión de dos etapas y el correspondiente conjunto de proposiciones lógicas. En cualquier instante, una etapa puede estar activa o inactiva. La situación de etapa activa se representa con un punto en el interior del cuadrado que la identifica e implica la ejecución de todas sus acciones asociadas. La forma de enlazar las etapas y las condiciones de transición que se dan entre ellas nos servirán para describir la secuencia de las operaciones que determinan la evolución del automatismo.
Reglas del GRAFCET El GRAFCET tiene unas normas sintácticas muy claras y sencil las que le permiten describir secuencias lineales, alternativas, iterativas, concurrentes, saltos, etc. Estas reglas se pueden resumir de la siguiente fonma: Una eta pa se activa cuando la condición lógica correspondiente a la transición que la precede es verdadera y la etapa previa está activada. Cuando una etapa se activa, la primera acción que emprende es desactivar la etapa previa y, con ella, las acciones que tuviera asociadas. Entre dos etapas consecutivas solamente debe haber una transición. Una etapa que no tiene acciones asociadas es denominada" etapa muerta", y nonmalmente se utiliza para evitar errores sintácticos dentro del mismo GRAFCET y para definir claramente algún paso de una secuencia. El GRAFCET siempre debe estar cerrado, es decir, siempre debe haber alguna forma de proseguir con la secuencia por algún sitio.
UnIdad dldactica 1 Automatización básica
En la figura 1.21 mostramos una secuencia de activación de etapas consecutivas. Para pasar de la etapa 6 a la 7 es preciso que la etapa 6 esté activada y que, por ejemplo, se verifique la condición de transición T = 1. Mientras T sea igual a O, la etapa 6 y su correspondiente acción A permanecerán activas (figura 1.21al.
Acción A
Acción B
a)
Fig. 1.21 . Activación de etapas en el GRAFCET.
En el instante en que T adquiere el estado 1, verificándose la condición de transición, la etapa 7 y su acción B se activan (figura 1.21 b) Y se desactivan la etapa 6 y su acción A.
b)
. . 2'),,1..
Estructuras de secuencias del GRAFCET
La forma de enlazar las etapas y las condiciones de transición que se establecen entre ellas nos permiten describir la secuencia de ejecución de las operaciones que determinan la evolución del automatismo. En este sentido, las estructuras que el GRAFCET permite son múltiples y dan lugar a secuencias de ejecución lineal, alternativa, iterativa, concurrente y de saltos.
Estructura lineal La estructura de secuencia lineal es una estructura en la cual una etapa se activa después de la anterior en el instante en el que la cond ición q ue la precede es verdadera. El GRAFCET de la figura 1.22 describe una secuencia que comienza cuando se cumple la condición de transición M. En ese instante la etapa inicial O se activa y se emprenden las acciones A, By C, a la vez que se evalúa la condición de transición lógica 51 · 52. La condición 51 ·52 se cumplirá cuando 51='1' y 52='1', es decir, cuando el producto lógico de 51 y 52 de cómo resultado un '1'. Cuando la condición se cumple, se activa la etapa '1' e, inmediatamente, se desactiva la etapa O y todas sus acciones asociadas, se emprende la acción D y se evalúa la condición 53. De la misma manera, la etapa 2 se activará en el momento en el que se verifique la condición 53, y la etapa 3 en el instante en el que la condición de la suma lógica 54 + SS tome el estado 1. Es importante recordar que la activación de cualquier etapa requiere que la etapa anterior esté activada y que se cumpla la condición de transición que la precede. Con la etapa 3 activa, si se cumple la condición de transición 51 ·52, nuevamente se activa la etapa 1 y la secuencia vuele a repetirse.
Acción A, B, (
Acción O
Acción E
Fig. 1.22. Estructura linea l del GRAFCET.
Acción E Acción F
Unidad dldaclic'
I
Automatizac ión básica
Estructura de divergencia en Y(AND) La estructura de divergencia en y es aquel la que nos permite arrancar simultáneamente dos o más secuencias lineales después de que se verifique una cierta condición. En la figura 1.23 las etapas 4 y 5 se activarán simultáneamente cuando se cumpla la condición de transición 54, estando activada la etapa 3. Al entrar, ambas desactivan la etapa 3.
Acción O
Acción E Acción f
Acción H Acción M
Observa que, para que se produzca la desactivación de la etapa 3, es necesario que tanto la 4 como la 5 se hayan activado. Para representar la bifurcación se usa una doble barra paralela indicando que, a partir de este punto, se desencadenan secuencias de procesos en paralelo. Fig. 1.23. Estructura de divergencia en y del GRAfCET.
Estructura de convergencia en Y La estructura de convergencia en Y nos perm ite reconducir en una única secuencia lineal un conjunto de procesos que se ejecutan en paralelo.
Acción W Acción Z
En la figura 1.24 observamos que la convergencia se representa también con dos barras paralelas para indicar la conjunción de los procesos que se desarrollan en paralelo. En este caso, para que la etapa 9 se active es necesario que se cumpla la condición 5 y que estén activas, a la vez, todas las etapas que confluyen en ella, es decir, las etapas 7 y 8. La activación de la etapa 9 provocará la desactivación de todas las etapas convergentes.
Acción J
Fig. 1.24. Estru ctura de convergencia en Ydel GRAFCET.
Estructura de divergencia en O La estructura de ejecución alternativa, denom inada de divergencia en 0, nos permite reconducir la ejecución del proceso por alguno de los caminos posibles. Dichos caminos deben ser mutuamente excluyentes, es decir, solamente debe verificarse una de las condiciones que encabezan cada uno de los caminos. En la figura 1.25, presentamos una estructura de divergencia en O en la que existen dos alternativas posibles una vez activada la etapa 3: tomar el camino de la etapa 4 si se cumple la condición de transición 54 y no la 55, o ir hacia la etapa 5 si se cumple 55 y no 54. Debemos señalar que las condiciones 54 y 55 deben ser d istintas y, en ningún caso, verificarse al mismo tiempo.
Acción o
Acción f
Fig. 1.25 . Estructura de divergencia en O del GRAFCET.
Unidad didáctlc, 1 Automatización básica
Estructura de convergencia en O La estructura de (onvergencia en O es utilizada habitual mente para cerrar estructuras de ejecución alternativas.
Acción X Acción Y
A[(ión W Acción Z
Acción J
Fig. 1.26. Estructura de convergencia en O del GRAFCET.
En la figura 1.26, después de cumplirse la condición 579 con la etapa 7 activa, o la condición 589 con la etapa 8 activa, se activará la etapa 9 y se ejecutará su correspondiente acción J. Al activarse la etapa 9 se desactivan las posibles etapas activas que la han precedido. Cuando una estructura de convergencia en O cierra totalmente otra de divergencia en O el control solamente puede proceder de uno de los caminos posibles. No obstante, es posible recoger en una estructura de convergencia en O diferentes caminos procedentes de puntos distintos.
En la figura 1.27 observamos una situación de convergencia segmentada, en la que el camino formado por las etapas 3, 4 Y 5, Y los distintos caminos de la divergencia en O, se cierran en diferentes puntos con estructuras de convergencia en O.
Si estando activada la etapa 5, por ejemplo, se activa la etapa 22 y se verifica la condición 5226, la etapa 6 se activará y se desactivarán las etapas 5 y 22. Pero si en lugar de activarse la 22 es la 33 o la 44, la etapa 7 u 8 deben poder desactivar también la etapa 5. Por otra parte, debe tenerse en cuenta que las condiciones 56 y 5226 deben ser excluyentes, así como las 57 y 5337, y las 58 y 5448, porque, de no ser así, se incumplirían las reglas del GRAFCET a la vez que se incurriría en serios riesgos de operación.
Unidad dldac!lca 1 Automatización básica
Estrudura de salto ha(ia delante La estructura del salto hacia delante permite saltarse una o varias etapas siempre q ue se cumpla una d et erm inad a condición de transición. Acción A
La figura 1.28 muestra una estructura de salto hacia delante que perAcción B 5a Acción O
Acción E
Fig. 1.28. Estru ctura de salto hacia delante del GRAFCET.
mite activar la etapa 9, saltándose la 7 y la 8, siempre que, estando activa la etapa 6, se verifique la condición Sa antes que lo haga la 57. Es importante notar que las condiciones 5a y 57 deben ser excluyentes porque, en caso contrario, se activarían al mismo tiempo varias etapas consecutivas dentro de una misma estru ctura lineal, por ejemplo la 7 y la 9: debe evitarse que esto suceda en el GRAFCET. Asimismo, las reglas del GRAFCET impiden que se den dos condiciones de transición seguidas y, por lo tanto, no seria posible entender un camino entre la etapa 8 y la 7 (hacia atrás) porque habría tres transiciones seguidas. Esto obliga, claramente, a una única interpret ación de la secuencia que describe la figura 1.28, aunque, en ocasiones, como es el caso, el sentido del salto se indica con una fl echa situada sobre la linea de flujo.
Estrudura de salto hada atrás La estructura del salto hacia at rás p ermite efectuar un salto condicional hacia etapas anteriores. Acción A
Acción B 5a Acción O
En la figura 1.29 mostramos una estructura que posibilita volver a activar la etapa 7 antes de activar la 9 siempre que, estando activa la etapa 8, la condición de transición 5a se cumpla antes que la 59. Esta estructura permite repetir la activación de algunas etapas antes de que se cumplan unas determinadas condiciones. En el caso del ejemplo, las eta pas 7 y 8 se repiten mientras se cumpla la condición 5a y no la 59. El proceso iterativo acaba con la activación de la etapa 9 en el momento en el que se cumple la condición 59 y no la 5a.
Acción E
Fig. l .29. Estructura de salto hacia atrás del GRAFCET.
Ejemplo 1.18 Confecciona el GRAFCET del automatismo para el control de llenado de un depósito que desarrollábamos en el ejemplo 1.11 y que cumple con las funciones lógicas siguientes: MBl =
c· (B' + A); MB2 = c. B; Va = c. B; Me = c. B • A; LI = C · B • Ay Al = C · B + B • A
Solución: En la figu ra 1.30 siguiente mostramos una de las soluciones GRAFCET posibles. Básicamente se trata de una estructura de divergencia en O con saltos condicionales entre etapas. A partir de la puesta en marcha del sistema (condición Marcha) se inicializa el sistema en la etapa O y se salta a la etapa 1, 2 o 3, en función del estado de los detectores de nivel. Así, la etapa 1 se activa cuando, independientemente del estado del detector A, los detectores B y C están en estado 'O'. En esta situación las motobombas MBl y MB2 se ponen en marcha y se ilumina el piloto de vacío Va. Desde la etapa 1 se saltará a la etapa 2 cuando los estados de los detectores A y B sean ' 1' Y el del detector C sea 'O', o a la etapa 4 cuando se produzca una situación de avena . Puede hacerse un mismo razonamiento para explicar el funcionamiento del resto de las etapas del GRAFCET de la figura.
UnIdad dldactlca 1 Automatización básica
Hacemos notar que la motobomba MBl se pone en marcha al activar la etapa 1 o la etapa 2, es decir, cuando se cumple la condición El o la condición A· B . C. Este hecho responde exactamente a la expresión MBl = El· + A . B . que, como ya habíamos demostrado, es exactamente MBl = (El + A).
e.
e
e.
e
e.
Sí estando activa la etapa 1, 2 o 3 se cumple la condición de alarma Al = El + B . A se activará la etapa de avería 4 y deberemos reparar la anomalía. Una vez arreglada, se verificará la condición de reparación y el sistema volverá a la etapa inicial O.
Martha
-1-
@-[ (
--
-!- A' B· MBl • 1 MBl ' l
l} -
Va
=
1
Me· O LI • O Al · O
IniClallzatlón
0-
(
A· B (
,
A·B·( -
(
- 1-8
I -
MBl • 1 MBl · O Va = O Me = 1
LI · O
l' A·B·( A·B·(
Q-
-
Al · O
Me = O
LI • 1 Al · O
,
\
(
MBl • O MBl· O Va· O
. ¡¡ + B . A
cp-
AI · l MBl - MBl · O Va - Me- Ll ·O
Reparación
f-
Fig.1.30. GRAfCET del automatismo de llenado de un depósito.
Actividades 22.
Describe la est ructura del G RAFCET q ue muestra la figu ra sig uiente y explica en qué condiciones se activará la etapa 5.
$
A- 1
I
~
$
24.
Describe la estructura d el GRAFCET que muestra la figura y explica en qué condiciones se activará la etapa 9.
B· 1
Z- 1 ("
y- 1
Acción J
2]. Confecciona un GRAFCET que describa el funcionamiento del automatismo util izado para controlar el arranque y la d etención de un motor a parti r de los pulsadores de marcha (M) y paro (P) correspondientes. El motor se debe poner en marcha al pulsar M y pararse al pulsar P.
x- 1
25.
Haciendo uso de Intemet, busca información sobre varios d iagramas GRAFCET empleados en automatismos y d escribe su fun cionamient o .
26.
Describe el fu ncio namiento de la cist ern a del lavabo de tu casa mediante un d iagrama GRAFC ET.
Unidad dida
Autoevaluadón 1.
¿Qué es una automatización?
2. Cita cuatro sectores de actividad en los que se localice de forma significativa la automatización. 3. ¿Qué fu nción cumple el cont rolador o autómata dentro del diagrama de bloques de un automatismo?
4.
¿En qué consiste la fase de dimensionado de dispositivos al realizar un automatismo?
5.
Señala la diferencia entre intensidad eléctri ca y tensión eléctrica.
6. ¿Qué potencia eléctrica disipa una resistencia de 10 Q por la que pasa una corriente de 8 A.
7.
Cita la diferencia entre una tensión alterna y ot ra de continua.
8. Cita la diferencia entre una señal analógica y otra de digital.
9. 10.
Representa en binario el número decimal 135. El número binario 10 111 000 es equivalente al número decimal:
a)
148
b) 216 e)
184
d) 162
11.
Obtén la función lógica de F a partir de la tabla de la verdad siguiente:
b
a
o
o o
o
o
12.
f
O
Obtén la fu nción lógica de F por el métod o de Karn augh a partir de la tabla anterior.
13. ¿En un automatismo combinacional interviene la va riable tiempo? ¿Por qué?
e
14.
Confecciona un esquema electrónico que verifique la función lógica F = a . b . + a . b . c.
15.
Simplifica la función anterior y confecciona su correspond iente esquema eléctrico considerando que las variables a, by c son interruptores y q ue Fes una bombilla.
Unidad dlda(tl(.1 1
16.
Indica qué expresión es una solución simplificada de la función F =
Automatización básica
a. b . c + a . b . c + a . b . c.
a) F = c . (b + a)
b) F = c . (5 + a) c) F = c . (b
+ al
d¡F=c·(b+a)
17.
Explica qué es una etapa, una transición y una acción en el GRAFCET.
18.
Para que se active una etapa de una estructura lineal del GRAFCET, debe cumplirse: a)
Que la etapa anterior esté desactivada y se cumpla la condición de transición.
b) Que la etapa anterior esté activada y se cumpla la condición de transición. cl
Que la etapa anterior esté activada y no se cumpla la condición de transición .
d¡ Que la etapa anterior esté desactivada y no se cumpla la condición de transición.
19.
Para que se active la primera etapa de una estructura de convergencia en Y en el GRAFCET, debe cumplirse: al
Que todas las etapas convergentes estén activadas y se cumpla la condición de transición.
bl Que algunas de las etapas convergentes estén activadas y se cumpla la condición de transición . cl
Que ninguna de las etapas convergentes estén activadas y se cumpla la condición de transición .
d¡ Que solamente una de las etapas convergentes esté activada y se cumpla la condición de transición.
20.
Para que se active la primera etapa de una estructura de convergencia en O en el GRAFCET, debe cumplirse: al
Que todas las etapas convergentes estén activadas y se cumplan sus respectivas condiciones de transición.
bl Que algunas de las etapas convergentes estén activadas y se cumplan sus respectivas condiciones de transición. cl
Que ninguna de las etapas convergentes estén activadas y se cumpla alguna de las condiciones de transi-
ción.
d¡ Que solamente una de las etapas convergentes esté activada y se cumpla su correspondiente condición de transición.
21.
Indica qué aspecto de los siguientes incumple alguna de las reg las del GRAFCET: al
Se pueden realizar saltos hacia atrás.
bl Pueden existir varias estructuras lineales en el d iagrama. cl
En cualquiera de los caminos del diagrama puede existir más de una condición de transición seguidas.
d¡ En un diagrama en particular puede haber más de dos etapas activas simultáneamente.
Unidad didáctica 2
Mando, regulación ymaniobras en máquinas eléctricas
¿Qué aprenderemos? o
Qué circuitos forman un automatismo cableado. Cuáles son los principales d ispositivos de mando. Qué es un dispositivo de regulación.
O
Qué es un actuador y cuáles son los pri ncipales actuadores. Qué son los relés y los contactares.
..
Qué son los elementos de señalización . Cómo hay que dibuja r e interpretar esquemas eléctricos de automatismos cableados.
o O
Cuáles son los principales elementos de protección en instalaciones eléctricas. Cuáles son los principales sistemas de arranque, cambio de sentido de giro y frenado para motores de CA.
UOIdad dldacllca 2 Mando, regulación y maniob ras en máquinas eléctricas
Los automatismos (ableados Hemos visto que los automatismos, también llamados circuitos de maniobra, son los que permiten el mando y la regulación de las máquinas eléctricas. En función de la tecnología empleada para la implementación de un sistema de control podemos distinguir entre automatismos cableados, que estudiaremos a continuación, y automatismos programados, que veremos en la unidad didáctica siguiente. Los automatismos cableados son aquellos que se implementan por medio de uniones físicas entre los elementos q ue forman el sistema de control.
2,:J L El circuito de maniobra El circuito de maniobra o automatismo eléctrico está fo rmado por un conjunto de aparatos, componentes y elementos eléctricos que nos permiten la conexión, desconexión o regu lación de la energía eléctrica procedente de la red eléctrica hacia los receptores (motores eléctricos, lámparas, baterías de condensadores, etc.). Las características principales que debe poseer un circuito de maniobra son las siguientes: Efectuar un mando manual o automático a distancia con la ayuda de conductores de pequeña sección, utilizando algún elemento de mando.
O
Permitir el paso o interrumpir corrientes elevadas, tanto en el instante del cierre como en la apertura del receptor eléctrico.
O O
Poder realizar un elevado número de maniobras, idealmente infinito. Poder retardar una acción sobre el receptor.
En el circuito de maniobra podemos distinguir entre circuito de potencia y circuito
de control:
o _A_ d_iv_i_ d_ ad_e_s~~ 1.
Explica las funciones del circuito de mando y del circuito de potencia. ¿Cuáles son los elementos fun damentales de cada uno?
O
El circuito de potencia o actuador. Es el encargado de conectar o desconectar un receptor a partir de la acción realizada por el circuito de mando. El elemento fundamental en cualquier circuito de potencia es el contactar, cuyo funcionamiento veremos más adelante en esta misma unidad didáctica. El circuito de mando o circuito de control. Es el encargado de realizar las acciones de activación y desactivación a distancia del circuito de potencia, además de temporizar o retardar dichas acciones. Los elementos básicos de cualquier circuito de mando son: los relés de mando, los temporizadores, los auxiliares de mando y los autómatas programables (PLC). El funcionamiento de estos últimos lo veremos en la unidad didáctica 3. Energia de la red eléctrica (230/400 V)
... -.------------.------------------------------------------------0 ---Acción de control sobre Órdenes el circurto de usuario Circuito de mando, Circuito de potencia circuito de control de potencra o controlador o actuador
I
"1
Fig.2.1. Diagrama de bloques básico de un circuito de maniobra.
CircUito de maniobra
! I~
Receptor o carga eléc trica ~Il (motores, lámparas, , etc)
I
Unidad d dacllca
1J;¡
Mando, regulación V maniobras en máquinas eléctricas
Dispositivos de mando básicos Los elementos o dispositivos de mando son componentes que permiten al operario ordenar la ejecución de operaciones diversas, tales como el arranque, la parada, el cambio d e velocidad, etc., de d iferentes máquinas eléctricas, como por ejemplo los motores. Aunque los dispositivos de mando son variados y de muy diferente naturaleza, actualmente podemos dividirlos en dos g randes bloques: Elementos de mando manuales. Detectores automáticos y sensores.
:...~~
]. Elementos de mando manuales
Los elementos de mando manuales son aquellos que el operario acciona para conectar, desconectar y, en general, gobernar, las instalaciones eléctricas.
I b) - 51 [--- 51 [---~ a)
fig .2.2. Aspecto de pulsadores y su simbologia. (a) Normalmente abierto (NA), (b) Normalmente cerrado (NC).
Los más importantes son pulsadores, interruptores, conmutadores y selectores. Veamos cada uno de ellos:
Pulsadores Los pulsadores son elementos que conectan y desconectan instalaciones y máquinas eléctricas rnediante una simple pulsación sobre los mismos. Vuelven a su posición in icial med iante un rnuelle o resorte interno. Son los elementos de mando más utilizados en las instalaciones con contactores. Existen multitud de tipos, aunque los dos más importantes son: Pulsadores normalmente abiertos (NA). Cuando los pulsamos se efectúa la conexión interna de sus dos term inales. En reposo los contactos estarán abiertos (es decir, sin conexión eléctrica entre ellos). Se ut ilizan generalmente para la puesta en marcha o el arranque de máquinas e instalaciones eléctricas. Pulsadores normalmente cerrados (Ne). Cuando los pulsamos se efectúa la desconexión de sus dos terminales. En reposo los contactos estarán cerrados (con conexión eléctrica entre ellos). Se utilizan generalmente para el paro de máquinas e instalaciones eléctricas. Un tipo de pulsador muy utilizado en la industria es el llamado pulsador de paro de emergencia, denominado comúnmente seta, debido a su aspecto externo. La cabeza de estos pulsadores es bastante más ancha que en los normales y de color rojo, sobre fondo amarillo. Perrnite la parada inrnediata de la instalación eléctrica cuando ocurre un accidente. Estos pulsadores llevan un dispositivo interno de enclavamiento de manera que, una vez pulsado, no se puede reanudar el funcionarniento de la instalación hasta que se desenclave, por ejernplo, rnediante un giro de la cabeza o una llave auxiliar.
Fig. 2.3. •
Pulsador de paro de emergencia, llamado seta, y su simbolo (NC con enclavamien to).
Unidad didactica 2. Ma ndo, re gu lac ión y maniobras en máq uinas eléctricas
Interruptores y (onmutadores Los interruptores y conmutadores son elementos que conectan o desconectan instalaciones y máquinas eléctricas mediante el posicionado de una palanca. A diferencia de los pulsadores, al ser accionados, se mantienen en la posición seleccionada hasta que se actúa de nuevo sobre ellos. <>-
O Seledores
Fig. 2.4. Aspecto de un interruptor y simbología. a) interruptor, b) conmutador.
VIRS pos 1 AMIR 'l/S1 POS I AMlS
vllR POS 3 ~
Los selectores son similares a los interruptores y conmutadores en cuanto a funcionamiento, aunque para su actuación suelen llevar un botón, palanca o llave giratoria (que puede ser extraíble) Son típicos, por ejemplo, los selectores que llevan la mayoría de polímetros que podemos encontrar en el mercado (figura 2.5). Todos estos elementos de mando manual se alojan, por regla general, en cajas de plástico o metálicas, que pueden contener más de un elemento. Por ejemplo, son típicas aquellas cajas que contienen un pulsador NA para la marcha, y otro pulsador NC para el paro de un motor eléctrico.
Ejemplo 2.1
Fig.2.5. Aspecto de un selector y simbología.
Busca en la tabla de pulsadores, mandos y accionamientos eléctricos de la Unidad 1 cómo debe ser el símbolo de un interruptor que tiene dos posiciones (marcha/paro) con mando giratorio. Solución: Además del contacto de un interruptor, deberemos dibujar el sistema de mando mecánico que actúa sobre éste. Así, necesitamos el símbolo de mando giratorio y el de retomo no automático o enclavamiento.
.2~ ~ ~.
Detectores automáticos y sensores
Los detectores automáticos y sensores perm iten la conexión, desconexión y mando en general de instalaciones eléctri cas sin intervención directa de un operario. Estos elementos de mando deben ser seguros y fiables, pues en general nadie se encarga de supervisar continuamente su funcionamiento. Hoy en día podemos encontrar en el mercado multitud de elementos detectores y sensores para la detección y medida de gran número de variables físicas, pero nos centraremos en los más utilizados. Son los siguientes: finales de carrera, detectores de temperatura, células fotoeléctricas, detectores de presión, detectores de nivel de líquidos y detectores de presencia.
Finales de carrera o interruptores de posición.
Permiten controlar la posición de piezas, brazos u órganos móviles de máquinas, y establecen el límite hasta donde dichas piezas pueden llegar. Internamente están formados por pulsadores que son accionados mecánicamente a través de una palanca por la pieza móvil que hay que controlar. Permiten la puesta en marcha, parada, cambio de velocidad, etc. de máquinas diversas. Pueden ser pulsadores NA o NC.
Unidad dldacllCa.' Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
o
Detectores de temperatura. Son dispositivos que permiten medir la temperatura de un recinto, depósito, etc., o detectar si ésta excede un cierto valor, denominado umbral. Generalmente, se utilizan en sistemas de control que permiten realizar una regulación de dicha temperatura. Detectores fotoeléctricos o células fotoeléctricas. Son elementos que nos permiten detectar la existencia o la ausencia de luz en un determinado recinto. Además, se utilizan también para detectar la presencia o el movimiento de objetos o personas al cortar un haz luminoso. Por ello, hoy en día son muy utilizados en sistemas de seguridad y alarmas, apertura y cierre automáticos de puertas de garajes, comercios, etc. Detectores de presión o preostatos: Se utilizan para detectar las alteraciones de la presión en un depósito, una tubería, etc., por encima o por debajo de un cierto nivel de referencia. Se incluyen en sistemas de control de presión para circuitos hidráulicos y en neumáticos.
O Detectores de nivel de líquidos. Detectan si el nivel de líquidos en depósitos, piscinas, etc., está por debajo de un nivel de referencia mínimo o por encima de un nivel de referencia máximo. De esta forma, se utilizan en el mando automático de estaciones de bombero, para comprobar la altura máxima y mínima dellíquido cuyo nivel se pretende controlar.
O Detectores de presencia . Los sensores de presencia tienen como finalidad determinar la existencia de un objeto en un intervalo de distancia especificado. Se suelen basar en el cambio provocado en alguna característica del sensor debido a la proximidad del objeto. Básicamente son inductivos, de efecto Hall, ultrasónicos u ópticos. Los símbolos utilizados para los detectores corresponden al tipo de contactos que incorporan, más el indicativo del tipo de mando mecánico u órgano de medida que los hace actuar. En la figura 2.6 puedes observar diferentes tipos de detectores y sus símbolos.
Observa que todos los símbolos de mandos mecánicos (intemuptores de mando, finales de carrera, selectores, etc.) que se han introducido hasta ahora van acompañados de una letra de la clase de elemento (-5) y un número de orden (1,2,3 .. .).
Fig. 2.6. Fotos y símbolos de diferentes
Los elementos que incorporan convertidores (convierten magnitudes eléctricas en no eléctricas) o transductores (convierten magnitudes no eléctricas en eléctricas) se indican con la letra -B.
detectores.
Final de caflera
Detector de temperatura
Célula fotoeléctlica
Detector inductivo de proximidad
I
. S1
0\
Final de caflera con 1NA • 1NC
-52
0--
Detector por nivel de fluido con contacto NC
- S1
Detector de presión con con tacto NA
~---
Detector de presencia por proximidad con contacto conmutado
Unidad dldactlca ~
Mando, regulació n V maniobras en máquinas eléctricas
Actividades 2. Busca un par de referencias comercia les de pulsadores, interruptores y selectores. 3. Dibuja el símbolo que corresponde a un pulsador con dos contactos, uno NA y otro NC. 4. Dibuja el símbolo de un contacto que se cierre med iante un tirador y que tenga el retorno automático. 5. Busca tres ejemplos de detectores de posición (fi na les d e carrera) de la marca Telemecanique. Indica las partes de que se componen y el tipo de contacto que incorporan. 6. Busca un ejemplo de presostato, de detector de nivel de líquidos y de detector de proximidad inductivo. Indica el tipo de contacto que incorporan.
Los dispositivos de regulación y los actuadores Reguladores o controladores
..
•
_ _ _ _ A
(. I!!
Los reguladores, también conocid os como controladores, son elementos que permiten que la variable o magnit ud física que se desea controlar (velocidad de una máquina eléctrica , posición del eje de un motor, temperatura de un recinto, etc.) permanezca siempre entre ciertos va lores admisibles. sin intervención directa de un operador humano . Por tanto, un regulador sustituye en muchísimas ocasiones a una persona en tareas complejas de control y regulación de instalaciones y máquinas industriales y domésticas. Hoy en día, prácticamente cualquier aparato electrónico lleva un regulador para alguna de sus funciones (vídeo y DVD, termostatos para el control de temperatura, sistemas de control en vehículos, ascensores, etc.).
Fig. 2.7. Termostato doméstico para el control de temperatura.
Un controlador electrónico es un d ispositivo (analógico o digital) que calcula la acción de control necesaria a partir de una cierta ley de control (o algoritmo de control) determinada previa mente. Para ello, utiliza las señales de entrada (la consigna y el valor de la variable de salida d e la planta) .
Salida deseada
para la planla (consigna)
ft
----+< + _
Acción de control sobre
la planta
de error
Controlador
Planta o proceso de potencia --+ (sistema a o actuador controlar) Circuito
Variable de sa lida
MediCión de la salida
Fig.2.8. Planta (o proceso) controlada median te un sistema en lazo cerrado.
Aunque podemos realizar una clasificación más detallada, los reguladores electrónicos pueden dividirse básicamente en los siguientes tipos:
O
Controladores de temperatura todo / nada_También llamados ON/OFF, permiten el control de variables de variación lenta, como es la temperatura.
u 1.dad d.dact
Cd
Mando, reguladon y maniobras en máquinas eléctricas
Controladores de procesos de propósito general. Permiten el control de forma más precisa que los anteriores. Los controladores de este tipo más conocidos son los llamados controladores PID (Proporcional Integral Derivativo). Controladores de velocidad de máquinas eléctricas. Como su nombre indica, permiten el control de la velocidad de giro y la posición de los ejes para motores eléctricos, tanto de CC como de CA.
Controladores secuenciales. En este grupo se incluyen aquellos reguladores de propósito general, utilizados normalmente en procesos industriales, y que están basados en autómatas programables y sistemas eléctricos diversos como contactores, relés y temporizadores.
fig . 2.9. Modelo comercial de controlador de procesos industriales de propósito general.
1 ~ :... Actuadores Normalmente, las acciones de control que debe suministrar el controlador a la planta o proceso para obtener el valor adecuado de la variable de salida deben ser de una potencia considerable, especialmente en ambientes industriales. Pensemos, por ejemplo, que si la planta es un motor de CC, las tensiones y la corriente con las que trabaja suelen ser de valores considerables. En estos casos, el controlador, que es en esencia un circuito electrónico de baja potencia, no puede proporcionar esos niveles tan grandes de tensión o corriente. Por lo tanto, en la mayoría de aplicaciones, entre el controlador y la planta suele existir lo que conocemos como actuador. En otras ocasiones, el actuador permite transformar una magnitud eléctrica en otra magnitud física, como fuerza, movimiento, etc. toste es el caso de plantas donde la acción de control no debe ser una magnitud eléctrica, sino una magnitud de distinta naturaleza. Por ejemplo, una válvula electroneumática es un dispositivo que permite transformar una tensión eléctrica en un giro (de cierre o de abertura) de la misma. En ocasiones, a los actuadores se los conoce también por el nombre de elementos de control final. Un actuador es, por tanto, un dispositivo que permite transformar una magnitud eléctrica en otra no eléctrica (por ejemplo, mecánica) o bien permite la amplilicación de un mismo tipo de energía . Al igual que sucede con los detectores y dispositivos sensores, el número de actuadores es inmenso y sólo trataremos los más conocidos:
Relés y contactores. Por su importancia, serán estudiados detalladamente en el apartado siguiente.
Unidad didacllca 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
o
Solenoides o electroimanes. Son dispositivos basados en una bobina que, mediante la generación de un campo magnético, permiten transformar energía eléctrica en energía mecánica. Se utilizan para efectuar pequeños movimientos o desplazamientos, giros de piezas, etc. (por ejemplo, en porteros electrónicos para la abertura automática de puertas). Electroválvulas. Una electroválvula es un elemento que incorpora un conjunto de un electroimán y una válvula mecánica. Dicho conjunto, que se acciona mediante un controlador eléctrico o electrónico, permite o impide el paso de un fluido o un árido. Son, en consecuencia, elementos del máximo interés en la automatización industrial. Actuadores electrohidráulicos. Ofrecen en su salida acciones mecánicas (fuerza, par, posición, velocidad, etc.) a partir de una tensión o corriente eléctrica. Emplean un fluido (aceite o agua, generalmente) para proporcionar la acción de control, obteniendo fuerzas y pares de fuerza de gran potencia. Actuadores electroneumáticos. Parecidos a los actuadores electrohidráulicos, utilizan el aire a presión como fluido para proporcionar la acción de control. Tanto los actuadores electroneumáticos como los electrohidráulicos se utilizan ampliamente en la industria como base para válvulas de control de líquidos y gases (válvulas electrohidráulicas y válvulas electroneumáticas) y para cilindros neumáticos.
b)
a)
::(0 ()
( O
O
Fig.2.10. Cilindros neumáticos: a) Estructura interna. b) Aspecto extern o.
Ejemplo 2.2 En una instalación doméstica de aire acondicionado por bomba de calor, indica dónde podemos encontrar el regulador y cuál puede ser el actuador sobre el que realiza la acción de control. Solución: De forma muy simplificada, suele incorporarse un termostato que permite al usuario fijar una temperatura de la estancia (consigna) y que incorpora un circuito electrónico con un sensor de temperatura. Este termostato está conectado con la placa electrónica de la unidad ex· terna (compresor) donde está el regulador electrónico. Las salidas del regulador activan o desactivan los contactores que ponen en marcha el compresor, el ventilador, etc.
A(tividades 7.
En una instalación de calefacción doméstica por radiadores y caldera mixta a gas, indica dónde puede estar el regulador y qué tipos de actuadores incorporan . Para poder realizar esta actividad será necesario que consultes webs de fabricantes de calderas para calefacción, como Junkers, Ferro li , Roca , etc.
Un idad dldaW(a) Mando, regulación y maniobras en máquinas elé(tri(as
----~---l
-' ~t Relés y contadores Tanto los relés como los contactores son elementos básicos que aparecen en cual quier sistema de automatización. Están formados por una bobina (denominada circuito de controlo circuito de mando) y unos contactos metálicos (circuito de potencia) formados por unas lám inas ferromagnéticas. El funcionamiento de estos elementos es muy simple: al aplicar una tensión continua a la bobina de mando, circula a través de ella una corriente que crea un campo magnético en su interior. Este campo atrae una armadura metálica hacia el núcleo de la bobina. Puesto que esta armadura está unida mecánicamente a los contactos de maniobra, cuando se desplaza hacia el núcleo de la bobina se produce la apertura o cierre de los contactos de maniobra.
Los contactares y los relés, aparte de los símbolos gráficos de sus bobinas de mando y de los contactos, se acompañarán de la leyenda -KMx para los contactares principales y -KAx para los contactores auxilia~ res
y demás
relés conven-
cionales. En estas leyendas la x indica el número de orden.
La posición de conexión se mantendrá mientras haya corriente circulando por la bobina. Cuando esta tensión desaparezca, la armadura volverá a su posición inicial a causa de la fuerza antagónica ejercida por un muelle. Por lo tanto, básicamente, tanto en un relé como en un contactor se conectan o desconectan láminas metálicas en función de si la bobina de mando está o no conectada a tensión. Las diferencias fundamentales entre ambos elementos son : Los relés electromagnéticos son elementos que suelen operar con cargas menores a 1 kW, mientras que los contactares se conectan con cargas que pueden sobrepasar en gran medida esta potencia. Mientras que la bobina de mando en los relés se suele alimentar con CC, en los contactares casi siempre se alimenta con CA. Los contactares disponen de dos tipos de contactos: contactos principales y contactos auxiliares. Los primeros están destinados a abrir y cerrar el circuito de potencia; lo segundos se disponen para abrir y cerrar circuitos de mando, de menor corriente eléctrica que los de potencia. Los relés disponen únicamente de contactos de un solo tipo.
~,,~.L ·
" Relés electrome(áni(os
También conocidos como relés de mando, relés de automatismos o simplemente relés, a pesar de ser elementos que aparecieron hace ya muchas décadas, siguen siendo fundamentales hoy en dia. Su evolución tecnológica los ha situado en un plano que los convierte en un elemento simple y económico con muchas posibilidades en el mundo de la automatización. Podemos considerar el relé como un elemento q ue posibilita el gobiemo de potencias superiores a las que necesita para su propio funcionamiento . En la práctica, un relé tiene que satisfacer, entre otros aspectos, diferentes exigencias: Bajo o nulo mantenimiento. Frecuencia de conmutación elevada. Conexión para pequeñas tensiones y para pequeñas corrientes. Elevado número de maniobras sin pérdida de prestaciones. Bajo consumo de la bobina de mando.
Unidad dldactlca 2 Mando, regulación y maniobras en maquinas eléctricas
Los rasgos más relevantes de un relé electromecánico son los siguientes:
Bobina
de mando
Juego
Juego
del IlpO NA
del tipo NC
Aislamiento galvánico (no existe contacto eléctrico) entre la entrada (circuito de mando) y la salida (circuito de maniobra).
de contactos de contactos
Fácil control.
Parte de alta pOlencia (CIrcuito de potencia)
Parle de baja potencia (WCUlto de control)
Bajo coste para la mayoría de aplicaciones.
a)
,.----------------------------~,
b) Bobma de mando
O
Presencia de "rebotes" de sus contactos, sobre todo en la conexión.
En el mercado podemos encontrar un elevado número de tipos de relés con diversas características. A continuación veremos los más importantes.
Relés convencionales
,,
Un relé convencional de aplicación general está constituido por una bobina y uno o dos contactos. Cuando se acciona la bobina con CC el núcleo es de hierro dulce macizo, mientras que si se acciona por CA el núcleo es de chapas magnéticas laminares.
Juego : de contactos :
,,
Fig. 2.1 1.
(a) Simbolo de un relé ele(tromagnéti(o (ompuesto por dos (onta(tos del tipo NA y dos del tipo NC. (b) Aspe(to externo de un relé conven(ional.
Debemos tener en cuenta que un relé construido para operar en CC no puede operar en CA, puesto que, en tal caso, se producirían pérdidas muy elevadas a causa de las corrientes de Foucault (estudiarás estas pérdidas en el módulo de Electrotecnia) y la bobina no suministraría la fuerza magnética suficiente para mover las láminas de los contactos de maniobra. En cambio, un relé construido para poder operar en CA sí puede trabajar perfectamente en CC si se añade una resistencia en serie a la bobina. Dicha resistencia suple la reactancia propia que la bobina presentaría a la frecuencia de trabajo para la cual fue diseñado (recuerda que en Europa la frecuencia de la red eléctrica es de 50 Hz).
Relés polarizados En esencia son relés electromecánicos que incorporan un imán permanente. La presencia de este imán hace que la fuerza de atracción aumente considerablemente, con lo que el tamaño del relé puede ser inferior. Hay dos tipos de relés polarizados: los de un solo estado estable, que mantienen los contactos cerrados únicamente cuando se excita la bobina, y los de enclave (enganche), que mantienen los contactos cerrados cuando se deja de excitar la bobina. En este caso la desconexión d e los contactos se realiza aplicando una tensión inversa a una segunda bobina.
Relés reed Estos relés están formados por una ampol la de vidrio herméticamente cerrada en el interior de la cual se encuentra un conjunto de contactos, o únicamente uno, según la capacidad de alojamiento y tipo de relé.
Fig.2.12. Aspe(to externo de los relés leed.
La ampol la está rodeada por una bobina que, cuando circula corriente por ella, provoca que los contactos ferromagnéticos se cierren (si son NA) o se abran (si son NC). La gran ventaja que presentan es que son de muy pequeño tamaño, aunque pueden conmutar únicamente cargas d e pequeña potencia y bajo amperaje.
Unidad didáctica 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
- - - - - --1
Relés de estado sólido Estos relés se basan en materiales semiconductores y presentan aislamiento óptico entre la entrada (parte de mando) y la salida (parte de maniobra). No tienen bobinas, ni contactos metálicos, ni elementos mecánicos, sino que las funciones respectivas las realizan exclusivamente componentes electrónicos. También se conocen como relés estáticos. En general, los relés de estado sólido presentan las mismas características que los electromecánicos, pero además tienen ventajas importantes: Fig.2.13. Modelo comercial de relé de estado sólido.
O
Al carecer de elementos mecánicos, no producen ningún ruido acústico en el momento de la conmutación .
O
Poseen un número de maniobras prácticamente infinito, ya que no existe desgaste de piezas por movimientos mecánicos.
O
Se controlan con bajas corrientes y tensiones.
:) No presentan "rebotes".
O
Poseen gran resistencia mecánica. Tienen reducidas dimensiones, lo que los hace muy útiles en aplicaciones electrónicas donde el espacio es un aspecto importante.
Existen también relés híbridos, los cuales combinan la tecnología de los semiconductores con la de los relés electromecánicos polarizados. El circuito de entrada del relé híbrido está formado por dispositivos semiconductores que controlan la excitación de la bobina del relé. El acoplamiento con la salida es magnético, igual que en los relés electromecánicos. Al excitar la bobina se produce el cierre o apertura de los contactos de maniobra.
Relés temporizadores También conocidos simplemente como temporizadores, son relés que permiten ajustar los tiempos de conexión y desconexión del mismo. Son, por tanto, elemen· tos retardados en la puesta en marcha. La temporización puede ajustarse entre algunos milisegundos y algunas horas. Existen básicamente dos tipos de relés temo porizadores:
Fig. 2.14. Modelo comercial de temporizador.
Temporizadores electrónicos. Son los modelos más modernos y se ejecutan mediante relés híbridos. Éstos llevan dentro un pequeño circuito electrónico que controla la conexión y desconexión de la bobina y permite la programación, generalmente mediante un botón giratorio (potenciómetro). del tiempo de re· tardo de conexión o desconexión. Temporizadores neumáticos. Son elementos más antiguos que los electrónicos, y constan de un sistema neumático, formado por una cámara de aire y una memo brana que permite la ternporización mediante un sistema mecánico de giro. Los relés temporizadores son de mucho interés en instalaciones automáticas, porque permiten una gran flexibilidad en los automatismos frente a los relés conven· cionales.
Fig. 2.15. Símbolos para relés temporizadores: (a) a la conexión, (b) a la desconexión y (c) a la conexión y desconexión.
a)
b)
c)
Unidad d,dacI ca 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas electricas
Un conlaclor es un d ispositivo si milar a un relé electromagnét ico convencional, utilizado para el control de cargas de elevada potencia. La bobina del contactar conecta o desconecta una serie de contactos formados internamente por láminas que pueden soportar grandes corrientes. Dicha bobina, en la mayoría de modelos comerciales, se alimenta con tensión de red (230 V-50 Hz). a diferencia de los relés electromagnéticos, que suelen funcionar con corriente continua y tensiones inferiores.
-KM1
:-ª-----rt1-tt}-f:i i
--\-~ -\- -\-\-- -
-- -----l- ~ -~ -!_~ --~ Bobina
de marido
aU~I!iaf es
(onlactos de (ontactos potencia
1 NA
~
Circullo de control (ileullo de o de mando polenoa
t
1 N(
~
(ir CUlto de control o de mando
Fig.2.16. (ontactor electromagnético. (a) Aspecto exterior. (b) Estructura compuesta por tres contactos principales del tipo NA, y cuatro contac to s auxiliares, dos NA y dos NC.
Aunque el número de contactos puede variar de un modelo a otro, la estructura de un contactar típico está compuesta por: la bobina de mando o control; una serie de contactos principales (del tipo NA, aunque pueden encontrarse también del tipo NC) y otra serie de contactos auxiliares (ya sean NA o NC), todos ellos controlados por la misma bobina. La figura 2.16 muestra como ejemplo el símbolo de un contactor típico con tres contactos principales del tipo NA, y cuatro contactos auxiliares, dos NAy dos NC. La diferencia esencial entre los contactos principales y los auxiliares de un contactor estriba en que los primeros pueden soportar el paso de una corriente eléctrica mucho mayor que los segundos. Los contactos principales soportan las corrientes del circuito de potencia y los auxiliares las corrientes del circuito de control.
En cuanto a la longevidad, un contactar correctamente seleccionado puede efectuar, según una norma internacional llamada CEI 947-4, un mínimo de un millón de maniobras sin destruirse. Recuerda que se entiende por maniobra la apertura más el cierre de un contacto.
Criterios para la elección de un contactor La elección del calibre adecuado para un contactar depende directamente de las características de su aplicación concreta. Aunque el parámetro característico de un contactar es la potencia o la corriente efectiva de servicio que deben soportar los contactos principales, deberemos considerar otros aspectos: Las características del circuito o carga que se debe controlar: tensión de trabajo, transitorios a la puesta en tensión y tipo de corriente (CC O CA). Las condiciones de trabajo: número de maniobras por hora, cortes en vacío o en carga, temperatura ambiente, etc. Así, las aplicaciones indicadas para un contactar dependen de la denominada cat egoría de operación o categoría de servicio que tenga el mismo. Esta categoría viene indicada en la carcasa del dispositivo y especifica para qué tipo de cargas es adecuado el contactar. Las cuatro categorías existentes son las siguientes:
ACl (condiciones de servicio ligeras) . Contactares indicados para el control de cargas no inductivas o con poco efecto inductivo (excluidos los motores), como lámparas de incandescencia, calefacciones eléctricas, etc.
• I
Unidad dldac!ica 2. Mando, regulación V maniobras en máquinas eléctricas
o Ejemplo 2.3 Indica qué categoría es la más adecuada para un contactar que debe conectar una resistencia eléctrica de refuerzo en la puesta en marcha de un sistema de climatización cuando la temperatura exterior es demasiado baja. La resistencia eléctrica es de 5 kW y se conecta a 230 V. Solución: Esta aplicación necesita muy pocas maniobras ya que sólo se conectará cuando se conecte
el sistema de climatización y, además, la temperatura sea suficientemente baja como para necesitar el refuerzo de calor. Por otro lado, por tratarse de una carga resistiva, su factor de potencia será prácticamente la unidad. Así, necesítaremos un contactor de categoría AC1. Para escoger una referencia
concreta deberemos consultar las tablas de elección de los fabricantes de contactares.
AC2 (condiciones de servicio normales). Indicados para usos en corriente alterna y para el arranque e inversión de marcha de motores de anillos, así como en aplicaciones como centrifugadoras, por ejemplo.
AO (condiciones de servicio difíciles). Indicados para arranques largos o a plena carga de motores asincronos de jaula de ardilla (compresores, grandes ventiladores, aires acondicionados, etc.) y fren ados por contracorriente.
A(4 (condiciones de servicio extremas), Contactares ind icados en motores asíncronos para grúas, ascensores, etc. , y maniobras por impulsos, frenado por contracorriente e inversión de marcha. Por maniob ras por impulsos debemos entender aquellas que consisten en uno O varios cierres cortos y frecuentes del ci rcuito del mot or y mediante los cuales se obtienen pequeños desplazamientos. Los contactares con indicación de categoría DC-1, DC-2, DC-3, DC-4 y DC-S están destinados al accionamiento de cargas en corriente continua. DC-1 corresponde al uso con cargas no inductivas o poco inductivas, DC-2 y DC-3 al accionamiento de motores shunt y DC-4 y DC-S al accionamiento de motores serie.';
Ejemplo 2.4 Para resolver un determinado problema de automatización se necesita un contactar que
realice la conexión de fase y neutro (sólo necesitamos dos polos) a una carga monofásica de tipo resistivo de consumo 32 A. Se han pensado dos posibles soluciones: Utilizar un contactar de categoria AC 1, referencia LC1-D32 (marca Telemecanique) de 3 polos y una corriente efectiva de 44 A (temperatura s 55°C). Utilizar un contactar AC1, de referencia LC1-D12 (marca Telemecanique) de 4 polos y una corriente efectiva de 20 A (temperatura s 55°C). Es evidente que la primera posibilidad es correcta pero, ¿lo es también la segunda? ¿Cómo deberíamos realizar la conexión para esta posible conexión? Solución:
L1
2-S0Hz 230 V
L1
2- S0Hz 230 V
N
N
~, ~--- - - -~
- KA l
~ ___________ _
Receptor
Receptol
mono fásIco
monofásIco
230 y / 32 A
230 y / 32 A
A la izquierda, conexión de una carga monofásica con un contactor tripolar. A la derecha, forma de conectarla con un contactar con cuatro polos de menor calibre. Puedes ver la forma de conectar los contactos principales del contactar. Al ser del calibre adecuado, sólo necesitamos utilizar dos de los tres contactos disponibles.
Unidad didacllca 2 Mando, regulación
V maniobras
en máquinas eléctricas
Cuando tengamos que conectar cargas monofásicas, es posible hacerlo con contactores de cuatro polos, conectando sus contactos principales en paralelo (dos a dos). Lo puedes observar en el esquema de la figura de la derecha. De esta forma podemos disminuir el calibre de los contactores, sin embargo, ten en cuenta lo siguiente: La corriente efectiva que puede aguantar un contactor con contactos en paralelo no es proporcional al número de contactos en paralelo ya que se puede producir un reparto desigual de la corriente total entre los polos. Para decidir qué calibre es el adecuado cuando se conectan contactos en paralelo, se debe multiplicar la corriente efectiva del contactor por un coeficiente que varía en función del número de contactos en paralelo. Por ejemplo, la guía de elección de contactores de la marca Telemecanique nos indica: T.bl.2.1 .
Aumenlo de l. corrienle efecliv. de servicio o empleo por l. conexión en p.r.lelo de los polos de polos en paralelo
2
3
4
Factor de multiplicación
1,6
2,25
2,8
N.'
Por tanto, consultando esta tabla podemos comprobar que la segunda opción propuesta (el contactor de cuatro polos y corriente efectiva de 20 A), al poner en paralelo dos polos, aumenta la corriente de servició en un factor 1,6. Con lo cual, 1_ = 1,6 • 20 A = 32 A (a temp. de 55°C). Por tanto, el hecho de poner los polos en paralelo nos permite disminuir el calibre del contactor utilizado.
Ejemplo 2.5 Una cinta transportadora está funcionando de manera continua en una cadena de producción. Esta cinta la mueve un motor asíncrono trifásico con una potencia de 10 kW. ¿Podemos utilizar un contactor de categoría AC1 para la conexión de este motor? Solución: No. La categoría AC1 es adecuada para cargas no inductivas o poco inductivas. Nunca para motores. Podríamos utilizar, considerando que no tendrá un uso por impulsos ni requerirá maniobras de inversión de giro, un contactor de categoría AC3. El calibre lo deberemos considerar a partir de la intensidad de arranque y la intensidad de corriente de servicio.
Número (ara(terísti(o A los contacto res se les asigna un número característico que nos indica el número de contactos auxiliares de apertura (NC) y d e cierre (N A) de que disponen. Si no tiene contactos conmutados tiene dos cifras: las decenas indican el número de contactos de cierre (cont actos NA) y las unidades indican el número de contactos de apertura (contactos NC). Si tiene contactos conmutados, el número característico tiene tres cifras. Las unidades indican en este caso el número de contactos conmutados. El número característico también sirve para los contactores auxiliares, relés y auxiliares de mando. En est e caso hace referencia a todos sus contactos (no tienen contactos principales de potencia).
Unidad dldactlca 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
-------------------------
Ejemplo 2.6 Indica el número de contactos principales y auxiliares de cada uno de los siguientes contactares: a) un contactar bipolar de número característico 20; b) un contactar tripolar de número característico 22 y e) un contactor tetra polar de número característico 53. Solución a) Al ser bipolar dispone de dos contactos principales. El número característico 20 indica que dispone de dos contactos de cierre (NA) y ninguno de apertura (NC).
b) Al ser tripolar dispone de tres contactos principales. El número característi co 22 indica que dispone de dos contactos de cierre (NA) y dos de apertura (NC), como en la figura 2.16.
e) Al ser tetrapolar dispone de cuatro contactos principales. El número característico 53 indica que dispone de cinco contactos de cierre (NA) y tres de apertura (NC).
Ejemplo 2.7 Indica el número característi co de un pulsador NA, un conmutador y un pulsador marchaparo (tiene dos contactos, 1 NA + 1 NC) Y de un contactar auxiliar con cuatro conta ctos NA Solución: Un pulsador NA tiene un número característico: 10. Un conmutador tiene un número característíco: 001. "
Un pulsador marcha-paro tiene un número característico: 11 . Un contactor auxiliar de 4 contactos NA tiene un número característíco: 40.
Actividades 8.
¿Qué tipo de categoría deberá tener el contactor que actúa sobre un motor asín crono (rotor en cortocircuito) de una grúa?
9.
¿Qué tipo de categoría ha de tener un contactor que debe conectar un calentador eléctrico trifásico d e 3 kW a la red eléctrica (230 V-50 Hz)?
10.
Indica el número de contactos principales y auxiliares de cada uno de los siguientes co nt acto res: a) un contactor tripolar de número característico 41, b) un contactor auxiliar de número característ ico 32 y e) un contactor de cuatro polos de número característico 41.
11.
Indica el número característico de los siguientes elementos: a) un final de carrera con d o s contacto s, 1 NA + 1 NC; b) un contactor auxiliar con seis contactos (4 NA + 2 NC); e) un auxiliar d e mando con un cont acto conm utado.
Unidad dldactica 1 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
....~~ Identifi(ación de los bornes de (onexión Hasta ahora hemos visto d iferentes elementos de mando y hemos indicado en cada caso su símbolo. Mediante este símbolo podremos interpretar, en los esquemas, de qué elemento se trata y la función que realiza. Pero para poder montar correctamente el automatismo debemos, además, conocer la forma en que se hace referencia a sus bornes de conexión. La norma lEC 61082 contempla, entre otros temas, el marcado de los contactos principales de potencia, de los contactos auxiliares y de las bobinas de mando.
~L:'J.;L
Marcado de bobinas de mando
Los bornes de las bobinas de mando se marcan con una letra (A o 8) seguida de un número de bome. Los bornes de aparatos con un único devanado se marcan como A 1 Y A2. Aquellos que incorporan dos devanados, como A 1 Y A2 para el primero y 81 Y 82 para el segundo (tabla 2.2). Tabla 2.2. Identificación de los terminales de mandos electromagnéticos Un devanado
Bobinas de mando electromagnético
,l; ~
Dos devanados
~ ~
A~'
A~2
l:':)..::¿. Marcado de contactos principales Para marcar los bornes de los contactos principales, incluidos los de los re lés térmicos, utilizamos una única cifra de 1 a 4 en equipos bipolares, de 1 a 6 en aparatos tri polares o de 1 a 8 en tetrapolares. El borne de entrada se marca con un número impar y el de salida con el número par inmediatamente superior.
Fig.2.17. Marcado de contactos principales.
a) Bipolar
L:'J.~"
b) Tripolar
e) ¡etrapolar
Marcado de contactos auxiliares
Los contactos auxiliares de los contactores y los contactos de los auxiliares de mando (pulsadores, relés, interruptores, finales de carrera, etc.) se marcan co n dos cifras que indican: la cifra de unidades, llamada cifra de función . Indica la función del contacto: 1 y 2 designan un contacto normalmente cerrado (NC), 3 Y 4, uno normalmente abierto (NA), 5 Y 6 un contacto de apertura temporizada, 7 y 8 un contacto de cierre temporizado. El número 9 y, si es necesario el O, se reservan para los contactos auxiliares de los relés térmi cos.
Unidad didactica 2. Mando, regulación V maniobras en maqui nas eléctricas
o
La cifra de decenas indica el ord en de numeración de los contactos en el contactor. rabia 2.3. Idenlificación del estado V la función de un contacto auxiliar Función
(ifra unidades
Ejemplo (Las decenas indican el orden del contacto en el aparato)
del contacto
~
j"",," (~(
3- 4
14
+
Conmulado
1-2-4
5-6
I
De apertura especial (Iemporizado, dISparo de lérmico. .. )
7-8
De cierre especial (temporizado, disparo de tér· mico ... )
5-6-8
Conmutado especial (tempomada, disparo de térmico. .. )
~ ~42 113 43 1 E1~
~---~ 52 62
E-12
De aperlura (NC)
1-2
f
531 63 1
~--:~
44
¿11 E-;2 114
1
Jll
¿21 12 114 22 124
~16
16
117 118
17 1
~18
7115 (.25 16
118
26
128
Los contactos auxiliares de los relés de protección contra sobrecargas (térmicos y guardamotores) se indican de forma especial: para la cifra de las decenas (en este caso no indica el orden) se utiliza el 9 (y el O si es necesario) seguido de la cifra de función de contactos especiales, 5 y 6 o 7 Y 8.
Fig. 2.18. Identi ficación de bornes de contactos auxiliares de relés térmicos.
- Fl
Actividades 12.
Dibuja el símbolo e indica la clase y la referencia de los polos de todos elementos relacionados en las actividades 10y 11.
Unidad didac!tca 2 Mando, regulación V maniobras en máquinas eléctri cas
Elementos de señalización Los elementos de señalización se utilizan para indicar a los operarios el estado en que se encuentran los elementos de mando y control de una instalación o máquina eléctrica. De esta forma, podemos saber si un contactor, motor, etc. está o no en funcionamiento, si una alarma ha sa ltado, etc. Aunque su aspecto externo admita multitud de formas y tamaños, los elementos de señalización empleados pueden ser clasificados en señalizaciones luminosas, acústicas y ópticas.
~ 0; J Fig. 2.19. Elemento de señalización luminosa empleado en la industria.
Señalizadones luminosas y ópticas
Entenderemos por señalización luminosa el alumbrado suministrado por lámparas de incandescencia o de gas de pequeña potencia. Las más conocidas son las lámparas piloto, colocadas en los paneles frontales de armarios y cuadros eléctricos. Emiten una luz cuyo color cambia en función de la información que deban dar: El color verde nos informa sobre el correcto o "normal" funcionamiento de la máquina . El color rojo o anaranjado indica condiciones anormales en el funcionamiento de máquinas, instalaciones, alarmas, emergencias, paradas de instalaciones, disparo de térmicos por sobreintensidades, etc. El color blanco (o transparente) indica la conexión de la máquina o circuitos a la tensión nominal de selVicio. Los diodos electroluminiscentes o diodos LEO (los verás en el módulo de electrotecnia) son una alternativa a las lámparas de incandescencia. Se trata de pequeños pilotos de color rojo, verde o amarillo, con diferentes posibilidades de señalización. Se utilizan en multitud de instalaciones (tanto eléctricas como electrónicas) debido a su bajo consumo y a sus reducidas dimensiones.
Fig. 2.20. Aspecto de diodos LEO y el simbolo utilizado en los esquemas eléctricos y electrónicos.
A la hora de decidir qué tipo de señalizador debemos utilizar, conviene tener en cuenta los siguientes consejos: Aunque nos ahorremos un contacto, no es conveniente colocar las lámparas señalizadoras en paralelo con las bobinas de mando, ya que, debido a su naturaleza inductiva, pueden producirse sobretensiones transitorias que estropeen dichas lámparas. Si se decide conectarlas en paralelo, es aconsejable emplear un transformador o bien utilizar lámparas de neón. Es recomendable conectar las lámparas señalizadoras utilizando contactos auxiliares de los contactores o relés y, si es posible, con un transformador de mando que reduzca la tensión de alimentación de estas lámparas. Las señalizaciones ópticas son simplemente etiquetas, placas plásticas o metál icas y adhesivos con diferentes colores (generalmente chillones). Suelen colocarse alrededor o encima de elementos de mando (pulsadores de marcha y paro, interruptores, selectores, etc.) para indicar al operario su función.
Unidad d,daCllCa
Mando, regulación y maniobras en maquinas eléctricas
------......J
1..ú. L Señalizaciones acústicas Las señalizaciones acústicas son dispositivos tal es como timbres, sirenas, bocinas, zumbadores, etc., que indican generalmente situaciones de funcionamiento peligrosas, emergencias, alarmas, etc.
Símbolos de los elementos señalizadores y sistema de referencias para bornes Si observas la figura 2.21, verás que todos los elementos de señalización están identificados con un símbolo y con la letra -H , seguida del número de orden. Los bornes de los elementos señalizadores luminosos (bombil las y neones) van acompañados de las referencias X1 y X2, mientras que los acústicos lo hacen de 1 y 2.
Fig.2.21 . Diferentes ejemplos de señalizadores luminosos y acús ticos: a) bombilla o neón, b) avisador acústico y e) timbre.
Actividades 13. Busca información de tres tipos de señalizadores luminosos e indica su tensión de alimentación y su consumo.
'~L1
Realización de esquemas de automatismos Mediante la correcta conexión de los elementos que has visto hasta ahora, podemos real izar algunos automatismos simples. No obstante, antes veremos cómo se representan esquemáticamente los circuitos de los automatismos, así como la utilización de diagramas de secuencia-tiempo y algún gráfico GRAFCET en los ejemplos.
1..1 '1.. Tipos de esquemas de circuitos Un esquema representa, mediante un d ibujo a escala, cómo se relacionan (interconectan) eléctrica y mecánicamente todos los elementos o componentes de una instalación eléctrica o de parte de ella. Clasificamos los esquemas de circuitos de automatismos en función de la forma de representación (teniendo en cuenta dos criterios básicos): El número de elementos representados por un único símbolo: representación unifilar y multifilar. La situación relativa entre los símbolos de un mismo elemento: representación conjunta, parcialmente desarrollada y desarrollada.
Representación unifilar Se representan dos o más conductores con un único trazo. Se segmenta este trazo tantas veces como conductores haya realmente. La segmentación se aplica también a los símbolos de los elementos para indicar que hay más de uno.
Unidad dldá(tI(a! Mando, regulación y maniobras en máquinas elé(tri(as
-----
Representación multifilar L1
L2 ~~-r--
L3
II L2 L3 M
~
En este caso se dibujan o representan tantas líneas como conductores haya y tantos símbolos de aparatos o elementos como aparatos o elementos tenga el circuito.
Representación conjunta
- KMl N
" '" ~
M
- Fl
N"'" N
:::>
"
'"
>
;;:
M
M
3-
3-
Fig.2.22. Representación un ifilar (izq uierda) y representación mu ltifilar (derecha) del mismo circuito.
En la representación conjunta se utiliza un ún ico esquema para representar el circuito de potencia y el circuito de control, los cua les se distinguen solamente por el grueso de las líneas del dibujo. Los elementos que componen un mismo dispositivo o aparato se dibujan juntos en un mismo símbolo. Por ejemplo, en el caso de un contactor, se representará su símbolo indicando todos sus elementos: bobina de mando, contactos principales y auxiliares. Así, se facil ita la lectura de las funciones que desempeñan las d istintas partes de un mismo elemento. Sin embargo, la representación conjunta tiene un gran inconveniente: complica excesivamente el seguimiento del cableado del circuito y dificulta, también, la comprensión del funcionamiento eléctrico de dicho ci rcuito.
Representación parcialmente desarrollada Los símbolos de los diferentes elementos de los aparatos o dispositivos de una misma instalación están separados en función de los circuitos de potencia y control. No obstante, están suficientemente cerca los unos de los otros para poder trazar con una línea discontinua las uniones mecánicas entre los diferentes elementos que trabaja n unidos (figura 2.23, derecha). Fíjate en la traza que une el contacto NC del relé térmico - Fl y el relé térmico en sí, y la traza que une el contactor -KM 1 Y su contacto de autoenclavamiento. La representación parcialmente desarrollada facilita la compresión tanto de las fu nciones que desempeñan las distintas partes de un mismo elemento (un contactar, por ejemplo) como del funcionamiento g lobal del circuito. Sin embargo, este esquema también presenta un gran inconveniente que no hace recomendable su uso: la representación semidesarrollada de automatismos complicados es más difícil de dibujar debido a las trazas de los elementos solidarios mecánicamente. Además, dificulta la interpretación de los circuitos cuando éstos se complican. Este tipo de representación también recibe el nombre de esquema de conexiones o esquema de realización.
Representación desarrollada Consiste en representar por separado dos esquemas en un mismo dibujo. Por un lado, se dibuja el esquema del circuito principal o de potencia y, por el otro, el circuito de mando o control (incluidos los elementos de señalización si los hubiera). Esta forma de representación de los circuitos de los automatismos es la más utilizada y la más recomendable. Permite seguir fácilmente la conexión de los circuitos y facilita, así mismo, la comprensión de su funcionamiento. En la figura 2.24 puedes observar la representación desarrollada del mismo automatismo de la figura 2.23. En el siguiente apartado veremos con detalle cómo se representan esquemas de fomna desarrollada.
Unidad dldawca 2 Mando, regulación V maniobras en máquinas eléctricas
L1 3N-SOHz 400V
L1 3N -
L2 L3
L2
N
N
so Hz
400V
L3
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-F2
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C0 Fig. 2.23. Esquema conjunto V semidesarrollado del arranque y la protección térmica de un motor de inducción.
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2.:J 2c.. Elaboración desarrollada de esquemas En este tipo de representación, los símbolos de los diferentes elementos de un mismo dispositivo o aparato se dibujan por separado. Por ejemplo, en el caso d e un contactor principal, los contactos básicos estarán situados en el circuito principal o de potencia, mientras que los auxiliares y la bobina de mando, en el circuito de mando o control.
L1 L2
3N-SOHz 400V - F3
L3 N
1N-SOHz 230V
L1
- F2
- F1
~
- KM1 N
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- F1
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Fig. 2.24. Esquema desarrollado del arranque y la protección de un motor de inducción.
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N
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Unidad didactica 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Esquema de potencia El esquema principal o de potencia se acostumbra a dibujar de forma multifilar (si es un circuito muy sencillo podemos utilizar el esquema unifilar). En él deberemos detallar todos los elementos del circuito, desde la alimentación hasta el receptor, incluidas las protecciones (fusibles, magnetotérmicos, etc.). En la figura 2.24 se indica lo siguiente: Los conductores de alimentación (L1, L2, etc.) y la tensión de alimentación
(50 Hz, 400 V). La clase de los elementos (el tipo más su número de orden): -Fl o -KM1 , por ejemplo. Las referencias de los polos del circuito. Para el contactor tripolar, por ejemplo, la referencia sería 1-2, 3-4, 5-6 . Para el motor, U, V, W. Aunque este ejemplo no lo contemple, es conveniente indicar también las características de los hilos (sección) y las protecciones (calibre). Esto puede hacerse en el mismo esquema o bien en el documento de infonmación técnica que acompaña el esquema. El trazo de las líneas del dibujo es más grueso que el utilizado en el esquema de mando.
Esquema de mando y de señalimión Suele ubicarse a la derecha del de potencia. En este esquema se representan todos los símbolos de los mandos de control de los contacto res, relés y demás aparatos que componen el circuito, en un orden establecido en función de su alimentación (si es posible). Como en el caso de los circu itos de potencia, debe indicarse la clase (tipo y número de orden) de cada elemento. Observa que ahora, a diferencia de lo que sucedía en los esquemas conjunto y semidesarrolfado, para indicar el contacto auxiliar del contactor -KMl deberemos añadir aliado del contacto la referencia del contactor (figura 2.24).
- 52
, _ _1_4~;"_1_3_ _
Fig. 2.25. Modo de indicar las referencias de los elementos y el marcado de bornes en los esquemas.
Dos líneas horizontales representan los conductores de alimentación. Las bobinas de mando y los diferentes receptores, lámparas, relojes, etc. se conectan directamente a la línea inferior (en la figura 2.24, el conductor del neutro). Los demás elementos de control (contactos auxiliares, auxiliares de mando y bomes de conexión) los representaremos sobre el órgano controlado (bobinas o elementos de señalización). Sea cual sea la función que realicen, terminan por conectar con el otro conductor (en la figura 2.24, el conductor de la fase L1). Para indicar en el esquema de mando los aparatos externos, podemos enmarcarlos con una línea discontinua, de forma que el instalador pueda determinar el número de conductores necesarios para su conexión.
Referencias de los elementos y marcado de bornes en el esquema Deberemos escribir las referencias de los diferentes elementos que aparecen en los esquemas de potencia y de mando a la izquierda del elemento, si está en posición vertical, o bien sobre el elemento, si está en posición horizontal. En el caso del marcado de bornes, también habrá que indicarlos a la izquierda del componente y en lectura ascendente, si el elemento está posicionado verticalmente, y sobre el cornponente, si está en horizontal.
Referencias cruzadas Facil itan el seguimiento de los circuitos de mando y señalización cuando éstos son complicados, ya que ello nos permite localizar rápidamente todos los elementos relacionados entre sí.
UOIdad dld (!ica.
Mando, regulación V maniobras en máquinas electri(as
2
3
-KTl Q
-KA3.,.
.-
Cada línea vertical de contactos tiene un número de orden en la parte superior. En la parte inferior de cada órgano de mando se indican el número de contactos auxiliares sobre los que actúa, especificando si son NC o bien NA, y la línea vertical de contactos donde se encuentran. En el ejemplo de la figura 2.26 se indica que el contactar auxiliar KA3 cuenta con dos contactos NA (indicado bajo la "A") en las columnas 3 y 4 del esquema. En la columna 5, KA3 dispone de un contacto NC (indicado bajo la "(").
5
4
------- ~ -------~N
r-
"'
....
-KT2 -KTl
-Hl
N
X
Fig.2.26.
Referencias cruzadas en un esquema de control.
Aparte de los contactares y los relés, las referencias cruzadas pueden indicarse para todos los elementos que tengan contactos asociados. Nosotros sólo indicaremos referencias cruzadas cuando necesitemos entender bien el esquema de mando. Para circuitos sencillos no resulta necesario.
- H2 N
X
Añadiremos también que hay otra forma de indicar referencias cruzadas: situando bajo las bobinas de mando el dibujo de los diferentes contactos auxiliares de que dispone.
Actividades 14. Realiza el esquema de potencia de dos motores conectados a una red trifásica (400 V) con neutro mediante la protección de fusibles y la protección térmica, con d os contactares que se encarguen de conectarlos a tensión.
15.
En el esquema siguiente, indica la referencia de los contactos y atribuye a cada elemento la clase y el número de orden. Señala las referencias cruzadas de forma gráfica. Para q ue pued as hacerlo correctamente fíjate en la siguiente información: Las bobinas de mando de las columnas 2, 3 Y9 son de contactares auxiliares. El resto de las bobinas corresponden a contactares principales que controlan motores. El contacto térmico de las columnas 4 y 8 corresponden a la misma protección térmica. Lo mismo sucede con los contactos de las columnas 5 y 9 por un lado, y 6 Y 10 por otro. El contacto temporizado de la columna 3 corresponde a la bobina de la columna columna 3 corresponde a la bobina de mando de la columna 6. El contacto temporizado de la columna 5 corresponde a la bobina de mando de la columna 3.
2
3
4
s
6
2. El contacto auxiliar de la
7
8
9
10
¡..
El contacto auxiliar de la columna 7 pertenece a la bobina de mando de la columna 2. Los contactos auxiliares de las columnas 8 y 9 corresponden a la bobina de la columna 9.
~I I·~/·...
11
Unidad didactlca 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Automatismos básicos Vamos a ver diferentes esquemas básicos de mando sobre contactores que, más adelante, nos permitirán realizar diversas operaciones de control sobre motores. Para cada circu ito vamos a representar el GRAFCET o el gráfico secuencia-tiempo, que describen su comportamiento. 1 Paro 2 Marcha
~a
.]
Control manual mediante un (onmutador
El conmutador tiene dos posiciones en las que puede quedar enclavado. La posición 1 (línea continua) corresponde a la posición de reposo o paro del contacto (NA). En esta posición la bobina de mando de KM1 está desexcitada. El contactor KM1 se activa poniendo S1 en posición de "marcha".
- KM1
Fig.2.17.
Control mediante un conmutador.
No es muy aconsejable la utilización de este control, a menos que sea sobre máquinas no peligrosas que puedan funcionar sin vigilancia. Si se produjera un corte de corriente estando S1 en "marcha", al volver la alimentación la bobina de mando de KM1 quedaría excitada y la máquina o motor sobre el que actúa se pondría en marcha .
. Control al impulso de un (ontador ((O n pulsadores) Disponemos ahora de dos pulsadores: uno de paro (S1) y otro de marcha (S2), éste en paralelo con un contacto auxiliar del contactor KM1 (contacto de enclavam iento o de autoalimentación).
-5 1 [ ... ~
-KM 1
- 52 [ ...
:;: - KM1
Al estar S1 normalmente cerrado, cuando pulsamos S2 se activa la bobina del contactor KM1 y se cierra su contacto auxi liar (NA) . Aunque liberemos S2, el contactor sigue al imentado (enclavado) a través de S1 y su propio contacto auxi liar. Para desactivar el contactor KM1 sólo debemos pulsar S1. Un automatismo en el que se uti liza el contacto de enclavamiento para garantizar la alimentación de la bobina de mando cuando se libera el pulsador que excita dicha bobina, recibe el nombre de circuito con realimentación o con memoria.
N
«
Fig.2.28.
Esquema de mando de un control al impulso de un contactar.
Se trata, por tanto, de un circuito secuencial en el que, para la misma entrada, hal lamos diferentes salidas, en función del estado anterior. Para explicar el funcionamiento de los circu itos secuenciales se utiliza, además del GRAFCET, el gráfico
secuencia-tiempo. Un gráfico secuencia-tiempo representa el estado (activado o desactivado) de los diferentes elementos del automatismo a lo largo del tiempo. En la figura 2.29 incluimos el gráfico secuenciatiempo, el GRAFCET y las ecuaciones lógicas de este sencillo automatismo. Este control soluciona el inconveniente del control manual con conmutador. Si se produjera un corte en la corriente, el contactor se desactivaría y su contacto auxiliar se abriría. Al volver la corriente, continuaría desactivado, lo que evitaría que la máqu ina o motor sobre el que se actúa pudiera ponerse en marcha accidentalmente.
Ac!. ------51
Desac!. _ _ _---' Ac!. 52 Desee!. - - - - ' Ac!.
KM
1
Desacl.l------l
la bobina de KM1 continua activada aunque se libere 52 gracias a su contacto de enclavamiento
KMl
~
(52 , KM1)¡51
Fig. 2.29.
Diagramas secuencia-tiempo, GRAFCET y ecuaciones lógicas que explican el funcionamiento de un circuito de marcha-paro al impulso.
Unidad didactlca 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Control al impulso de un contador desde varios puntos En el caso de querer realizar un control a distancia desde varios puntos, podríamos añadir al esquema anterior los pulsadores de marcha (en paralelo) o de paro (en serie) necesarios. En la figura 2.30 se muestra el esquema de mando del contactor.
Fig.2.30. Esquema de un circuito de marchaparo al impulso, con paro y marcha desde diferentes pulsadores.
:: -51
E··· ~
KM1 OFF
(paro)
- 53 [:..'1 ~
::'
- 52
E....
".
::'
::' -ss E···
1 - 54 ti
;':
KM10N
::'
(marcha)
- KMl
;':
:;: - KM1§f
KM1 ~ (52 + 54 + SS + KM1) -¡51 -¡5 3
Circuitos de mando con temporizadores En muchísimos automatismos es necesario introducir retardos entre las diferentes maniobras que se pueden realizar. Vamos a ver algunos circuitos de control que utilizan temporizadores.
Temporizador a la conexión En la figura 2.3 1 puedes ver el esquema de un relé con un contacto de cierre inmediato (23-24) y otro temporizado a la conexión o excitación (17-18). Al accionar el pulsador de marcha 52 se excita la bobina del relé KT1 y se cierra su contacto de enclavamiento. El cierre del contacto garantiza que, tras liberarse 52, KT1 continúe activado. Una vez activado KT1, su contacto temporizado se activa (se cierra, puesto que es NA) pasado un tiempo de retardo t. Tras ello se ilumina la bombilla H1. Ésta permanece así hasta que se desactiva KT1 mediante el pulsador de paro 51.
--
- 51
C:
[ u
Acl.
- KTI
~
~
51
Oesacl. Act.
::' -52
Eu ;':
52
M N
Desac!. Acl.
- KTI
KI1
". N
Desac!. Ac!.
Hl
:;: Fig.2.31 . Ejemplo de temporización a la conexión para una seña lización retardada.
-KTl N
«
X - Hl N
x
Oesac!.
Relardo en el encendido de H1
Unidad didacllca 2 Mando, regulación V maniobras en máquinas eléctricas
Temporizador a la desconexión Cuando se acciona el interruptor 51 , la bobina del relé KT1 queda excitada y su contacto temporizado (17-18) se cierra inmediatamente. Tras ello, se ilumina de nuevo el señalizador H 1. Esta situación se prolonga hasta que desenclavamos 51, hecho que desexcita la bobina de KT1. Pero su contacto no se abre entonces: al ser temporizado a la desconexión, el señalizador H1 permanece iluminado hasta que, pasado un tiempo t, se abre el contacto t emporizado.
Fig.2.32. Ejemplo de tempori zación a la desconexión: señalización instantánea y durante un tiempo t después de la conexión.
~I
- SI [ .......
~I
- KTI
Acl.
51 oesilct. f-_--' Acl.
KT1 Oesac!. I -_--'
r---'---,
Ac!.
H1 - KTI
OeSi!ct.
-Hl N
«
t:===--,-....:.:."..~===_ Retardo en el apagado de H1
N
X
Ejemplo 2.8 En el circuito de la figura adjunta puedes ver un temporizador a la conexión (KT1) que controla la lámpara H1 y la sirena H2. El circuito se activa o desactiva mediante el interruptor 51. Explica el funcionamiento del circuito y realiza el diagrama
M
secuencia-tiempo.
-51
[-
~ " ".
:'
:':
Solución: En el estado inicial (estado 1) los actuadores están en reposo. KA1 está desactivado y sus contactos en posición de reposo. La lámpara H 1 está encendida y la sirena H2, apagada.
:;¡ - KTl
x - H2
-Hl N
«
Cuando conectamos el interruptor 51 (estado 2) activamos la bobina del temporizador. Al ser temporizado a la conexión, sus contactos asociados se mantienen en posición de reposo, lo que deja la lámpara y la sirena igual que en el estado
inicial.
- KTl
N
x
Estat inicial: temporitzador KT1 desactiva!.
Transcurrido el tiempo que hemos programado con el temporizador, y siempre que permanezca alimentada la bobina de mando, los contactos asociados conmutan. El contacto 15-16 se abre y el 15-18 se cierra. La lámpara H 1 se apaga y la sirena H2 se activa (estado 3).
[Q 51
Si no actuamos sobre el circuito, el temporizador mantiene activada la sirena. Para desconectarla debemos abrir el interruptor 51 (estado 4), hecho que desactiva la bobina del temporizador. Entonces los contactos asociados vuelven inmediatamente a la posición de reposo y el circuito a su estado inicial (1).
Acl.
Desac!.
KT1
A(!
Oesilcl. Ac!.
HI
H2
Diagrama secuencia' tiempo.
JD n ..--. '
0
Unrdad dldactl(a _ Mando, reguladón y maniobras en maquina s eléctricas
Control de contadores asociados En muchos de los automatismos q ue controlan procesos es necesario controlar contactares que trabajan de fo rma asociada. Por tanto, es un requisito imprescindible que un contactor esté activad o para q ue funcionen otros, o bien que esté desactivado para q ue puedan activa rse otros. t sta s son las normas básicas de t rabajo: Cuando queramos que un contactar (KM2) se active solamente si ya está activado otro (KM 1), colocaremos contactos NA de KM1 en serie con la bobina de mando de KM2.
o
Cuando queramos que un contactar (KM2) se active solamente si no está activado otro (KM 1), colocaremos contactos NC de KM 1 en seri e con la bobina de mando de KM2.
Fig. 2.33. Control de contactares asociados.
-
::
-5 1 [ ...'1'
~
:
:;(
Solo puede entrar en funCionamiento KM2 si NO lo ha hecho KM 1
~KM2~ . .: • ..
N oC(
- 52 [ ...
.~KM 2§( '" . ·· '" ..:
'"
- KM 1§(
•
•
:
KMl = (S2 , KM1) /SI
KMl
=
·
N
•
,
(S2 , KM I) /SI
Actividades 16. Monta en el taller de automatismos un circuito de control al impulso d e un contactar. Util iza un pulsador NA pa ra la ma rcha y uno NC para el paro. Puedes colocar un bombilla señalizadora del estado del contactar aproo vechando un contacto auxiliar (NA) de éste. Comprueba que se verifica el G RAFCET de funcionam iento de la figura 2.29.
17. Modifica el circuito anterior de forma que sea posible ponerlo en marcha d esde dos sitios diferentes y pa rarlo desde tres puntos diferentes.
18. En el circuito del ejemplo 2.8 sustituimos el temporizador a la conexión KT1 por un temporizador a la desconexión. Dibuja el esquema de mando resultante, teniendo en cuenta que el contacto conmutado de KT1 está temporizado a la desconexión. Dibuja también el diagrama secuencia-tiempo y explica el fun cionamiento del circuito.
19. Monta en el taller el circuito resultante de la actividad anterior y com prueba q ue se verifica su gráfico de secuencia-tiempo.
20.
En el esquema de mando de la figura adjunta puedes observar un circuito con dos relés temporizados (uno a la conexión y el otro a la desconexión) y un contactor auxiliar. Explica el funcionamiento del circuito y realiza el diagrama de secuencia-tiempo donde aparezca el estado de: S1, las bobinas de mando KT1 y KT2, los contactos temporizados, KA3 y el señalizador H 1.
~I
- 51[-... /
" •
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- K T l YA3. K 00
"
~
21. En un detenminado automatismo debemos controlar tres motores. El primero lo controlaremos mediante pulsadores (marchaparo). Los motores segundo y tercero deben controlarse con conmutadores de marcha-paro, de forma que el segundo no se pueda poner en marcha si no lo está el primero y, a su vez, el tercero no pueda entrar en funcionam iento si no lo ha hecho el segundo. Realiza el esquema del circu ito de mando.
- KT2
- KTI
- Hl N
X
Unidad dldactica 2 Mando, reg ulación y maniobras en máquinas el éctricas
Elementos de protección Hasta este apartado no hemos profundizado en los elementos de protección de los automatismos. Sólo se ha citado en cierto esquema de potencia o de control algún fusible de protección. A partir de ahora todos los esquemas que realices deben incluir sus elementos de protección . En general, en el mundo industrial y doméstico, los receptores eléctricos pueden ser el origen de multitud de averías de tipo mecánico o eléctrico. Es necesario protegerlos para evitar que dichas averías deterioren o destruyan los propios receptores y las líneas eléctricas (y los elementos de conexión entre ambos), así como los automatismos eléctricos o los circuitos de maniobra que los gobiernan. Más aún, una avería puede suponer un peligro para las personas que trabajan con dichas cargas. El ejemplo más claro es el de la pérdida de aislamiento en máquinas eléctricas, que puede provocar fuertes descargas a los operarios encargados de manejarlas. Un dispositivo de protección es un elemento encargado de detectar y/o eliminar las posibles averías o incidentes que se puedan producir en las instalaciones eléctricas yen sus automatismos eléctricos o circuitos de maniobra. Los cuatro tipos de incidentes más típicos que pueden causar problemas en una instalación son los siguientes:
Sobreintensidades (sobrecorrientes) o sobrecargas, Son aque-
fig. 2.34. Dispositivos de seguridad y protección de una instalación eléctrica doméstica.
llas corrientes eléctricas excepcionalmente altas que se prolongan durante un tiempo indefinido. Se producen por un consumo excesivo de las cargas conectadas al elemento generador, debido a fallos de aislamiento (corrientes de fuga) en las cargas, o por conexión de un elevado número de las mismas a un generador. Las sobreintensidades de corta duración (arranque de motores, conexión de instalaciones de alumbrado, etc.) se consideran admisibles, por lo que no es necesaria su eliminación.
Cortocircuitos. Es la conexión franca (directa) de los dos polos de un circuito generador. Generalmente se producen por accidentes o descuidos. Sucede cuando dos terminales del generador (por ejemplo, la fase y el neutro de una toma de enchufe de la red de 230 V o dos fases de la red trifásica de 400 V) quedan conectados limpiamente entre sí a través de un conductor sin resistencia. Pueden producir graves daños en los generadores, así como arcos y chispazos que, del mismo modo que las sobreintensidades, pueden provocar incendios.
Defecto de aislam iento. Es la unión entre partes conductoras no activas o masas (carcasas o cajas de aparatos eléctricos, armarios y cuadros eléctricos, etc.) con partes conductoras activas (cables o conexiones) sometidas a tensiones nominales. Es necesario tomar las medidas de protección y de seguridad oportunas en los circuitos para evitar que se produzcan daños importantes en las instalaciones eléctricas, especialmente cuando hay operarios involucrados.
Sobretensiones. Son producidas también por fallos, concretamente en el generador, el cual proporciona un voltaje superior a su valor nominal, lo que puede perjudicar gravemente las cargas conectadas al mismo. Otra causa de sobretensiones en las líneas de distribución eléctrica son las descargas atmosféricas generadas durante las tormentas. Para evitar o minimizar los efectos de estos cuatro problemas, las actuales instalaciones eléctricas están provistas de los elementos de seguridad y protección adecuados. Los más utilizados son los fusibles, los interruptores magnetotérmicos o automáticos, los relés térmicos, los interruptores diferenciales y los varistores.
Untdad didac!lcJ 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
- - - - - - --1
La figura 2.35 muestra los dispositivos de protección en relación con las averías o incidentes que detectan o eliminan. A continuación, estudiaremos detalladamente cada uno de estos dispositivos. fig. 2.35 . Dispositivos de protección relacionados con las averias o incidentes que detectan o eliminan.
Dispositivos de protección Fusibles
Inlerruptores automáticos
Sobrecorrientes
Cortocircuitos
Averias
. J)
Relés térmicos
O incidentes
Interruptores diferenciales
/
Defecto de aislamiento
Varistores /
Sobretensiones
en instalaciones eléctricas
Fusibles
Los fusibles son dispositivos que tienen la función de cortar (detectar y efimrnar) so· breintensidades no admisibles y cortocircuitos.
fusible unipolar
Fusible bipolar
Constan de hilos o láminas de cobre o plomo que suelen ir protegidos en cápsulas aislantes de vidrio, plástico o cerámica . Se funden (abriendo el circuito) por efecto de una sobreintensidad no admisible o un cortocircuito. Los símbolos eléctricos utilizados para los fusibles se muestran en la figura 2.36. En los esquemas eléctricos, suelen identificarse con la letra F seguida de un número de orden .
calibre de un fusible El calibre de un fusible es igual a la corriente nominal que puede circular por el mismo. El fabricante suele grabar el valor del calibre (medido en amperios, Al en el cuerpo del componente. fusible tripolar fig. 2.36. Simbolos eléctricos utilizados para los fu sibles.
Tipos constructivos de fusibles Los tipos de fusibles se distinguen por su forma constructiva. En general (independientemente del tamaño que tengan), podemos hablar de las siguientes formas básicas: Fusibles de miniatura . Utilizados en multitud de equipos electrónicos.
fig.2.37. Aspec to de un fusible.
Fusibles para automóviles. Constan de un hilo de plomo introducido en una cáp· su la de plástico. El color de dicha cápsu la determina el amperaje máximo sopor· tado por el fusible. O Fusibles de rosca. Son aquellos fusibles que, para su co· nexión al circuito, necesitan ser enroscados a una base portafusible. Son los más utilizados en instalaciones eléctricas (su calibre no supera los 100 A). Fusibles de cuchilla o fusibles NH. Es un sistema de fusibles normalizado, compuesto de la base de fusible, un cartu· cho intercambiable y un accesorio para el cambio de di· cho cartucho. Este tipo de fusibles, además, puede llevar indicadores de fusión y dispositivos de seguridad adicionales. El intercambio de cartuchos, al realizarse con tensión, debe efectuarlo personal experto. Su calibre puede ser incluso superior a 1.000 A.
Unidad didáctICa 2. Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Categorías y clases de fusíbles Además de los tipos constructivos, es importante conocer la categoría y la clase del fusible. La categoría hace referencía a las características del propio fusible, mientras que la clase de servicio queda determinada en función del receptor que debe proteger.
Ejemplo 2.9 Indica la categoría de fusible y el calibre necesarios para proteger un motor trifásico que ya está protegido contra sobrecar-
En la práctica, la categoría y la clase de servicio de un fusible se unen en un único código de dos letras. Así pues, las dos categorías de empleo de fusibles más utilizadas son las siguientes:
O
gas por un térmico que tiene un
valor límite de corriente de 18 amperios.
Fusibles aM (de acompañamiento, lentos). Evitan cortocircuitos en circuitos con receptores que producen picos elevados de corriente. Sin embargo, no protegen contra sobrecargas y, por tanto, se complementan con un relé térmico.
Solución: Necesitamos tres fusibles de acompañamiento al térmico del motor. Por lo tanto, de categoría aMo El calibre debe ser el valor inmediatamente superior
al de la corriente del térmico, que en este caso es 20 A.
Fusibles gL o gG (de propósito general, rápidos). Evitan cortocircuitos y sobrecargas y están pensados para receptores que no produzcan picos elevados de corriente (por ejemplo, los de tipo resistivo).
Para la elección de un fusible, debemos seguir básicamente dos pasos: Elegir el tipo
O
y la clase
de fusible más adecuados.
Elegir el calibre o corriente nominal que debe soportar el fusible. El valor debe ser igual a la corriente de servicio para casos de categoría 'g' (propósito general). Si el fusible es de categoría 'a' (de acompañamiento) y está asociado a un relé térmico, su calibre deberá ser el valor inmediatamente superior al de la corriente del térmico elegido.
Los calibres de fusible más usuales son los siguientes (en amperios): 0,5 -1 - 2 - 4 - 6
- 8 - 10 -12 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40 - 50 - 63 - 80 - 100 - 125 ...
2 J ~ J~J
Magnetotérmi(os O interruptores automáticos
Los magnetotérmicos también son d ispositivos de protección que tienen la misión de cortar (detectar y eliminar) sobreintensidades no admisibles y cortocircuitos en la instalación el éctrica. Dos de los parámetros característicos de cualquier magnetotérmico son: Corriente nominal o calibre (IN): es la corriente máxima que circula por el interruptor automático sin producir la apertura del mismo.
Fig.2.38. Simbolo de un magnetotérmico de cuatro polos.
Corriente de magnético (1M): es la corriente mínima que circula por el interruptor automático que produce su apertura inmediata. Esta corriente es siempre superior a la sobreintensidad admisible de la instalación. Nomnalmente, se expresa en x número de veces la corriente nominal. Estos dispositivos constan básicamente de dos circuitos complementarios (figura
2.39a): un circuito térmico y un circuito magnético. El circuito térmico posee una lámina bimetálica (formada por dos metales con diferentes coeficientes de dilatación). Cuando una corriente importante, superior a la corriente nominal del magnetotérmico (IN" circula por el aparato, curva ligeramente la lámina bimetálica y corta la corriente eléctrica al cabo de un tiempo, que depende del valor de la corriente. Por otro lado, el circuito magnético está formado por una inductancia por la que circula la corriente de la instalación. Si en dicha instalación se produce un cortocircuito y la corriente que circula por el magnetotérmico es superior a la corriente de magnético (1M), automáticamente este circuito cortará el suministro de corriente.
Unidad dldactlCa.
Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Estos dos modos de funcionamiento dan lugar a la curva del magnetotérmico conocida como curva de disparo (figura 2.39b), proporcionada por el fabricante. Si llamamos I a la corriente que pasa por la instalación que protege el magnetotérmico, tenemos tres zonas claramente d iferenciadas: Fig. 2.39. a) Estructura intern a básica de un magnetotérmico. b) Curva de disparo de un magnetotérm ico típico.
•
a)
F
b)
Desconexión térmica con sobrecargas
"7 2s
:,,
Desconexión magnética con cortocircuitos
·..····!···
5 ms
Térmico
.- ....
_
.. ,.....,.. .•......
I
Si 1< 'Nestamos en la zona de trabajo normal. No hay disparo. Si ' N < I <1M, pasado un cierto tiempo (que dependerá del valor de la corriente de la instalación) se producirá el disparo del magnetotérmico gracias a su circuito térmico. Es la zona de tiempo inverso: cuanta más sobreintensidad, menor tiempo de apertura. Se produce así el disparo térmico.
Fig. 2.40. Aspecto intern o de un magnetotérmico.
Si 1> 1M , existe una corriente muy elevada (seguramente por un cortocircuito) y, por lo tanto, el interruptor automático se abrirá casi instantáneamente (en pocos
milisegundos) gracias a su circuito electromagnético. Las curvas reales que proporcionan los fabricantes tienen una determinada tolerancia en el tíempo de actuación (figura del ejemplo 2.1 1). Los interruptores se fabrican también en función del número de polos que cortan cuando se produce su apertura, del número de polos sobre los que realiza la protección magnetoténmica y del tipo de curva de disparo. Las curvas más utilizadas en los automatismos se muestran en la tabla 2.4 (normas UNE-EN 60.898 y UNE-EN
609472).
Ejemplo 2.10 Tabla 2.4. Tipos de ,"rvas para interruptores magnetotérmicos
Indica el tipo y el calibre de magnetotérmi co adecuados para proteger una instalación
Curva
Disparo termico
Disparo magnético
Aplicaciones
B
Entre 1,1 " Y1,4 1,
Entre 3 " Y5 "
Indicado para insta laciones de líneas y gene· radoles con distancias de líneas superiores al uso de C.
C
Entre 1,13 " Y1,45 "
Entre 5 " Y10 "
En las instalaciones de lineas· rec eptores, en aplicaciones generales. Cuadros de mando y protección de viviendas, por ejemplo.
D
Entre 1,1 " Y1,4 "
Entre 10 " Y14 "
Instalaciones que alimentan receptores con fuertes puntas de corriente de arranque.
con varios motores, con una
corriente máxima de trabajo permanente de 33 A Solución: Al ser una instalación con me·
tores, pueden producirse puntas de corriente elevadas en el momento en que arrancan. Por lo tanto, escogeremos un magnetotérmico de curva
D. Su calibre deberá ser de 35 A Este magnetotérmico admite una sobrecarga de hasta 38,5 A.
Sólo plotección magnética para motores.
MA
z
Entre 1,1 " Y1,4 "
Entre 2,4 " Y3,6 "
Instalaciones con receptores elect rónicos.
Los calibres más usuales para los interruptores magnetotérmicos son los siguientes:
1,5 - 3 - 3,5 - S - 7,5 - 10- 15- 20 - 25 - 30 - 35 - 40 - 45 - SO Y63 A
Unidad dldactlc 1) Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Ej emplo 2.11 Utilizando los datos del ejemplo anterior y consultando la curva de la figura adjunta, indica el intervalo de tiempo en el que podria disparar el térmico si la corriente que estuviera soportando fuera de 70 A. Solución: Deberemos calcular la sobrecarga en tanto por uno, (lIIN = 701 35 = 2) Ymarcarla sobre la gráfica (línea roja). De donde corte con las curvas D, obtendremos el tiempo mínimo en el que disparará (20 segundos) y el tiempo máximo en el que podrá disparar (aproximadamente 150 segundos).
Curva D. En azul, la zona de tolerancia en el disparo. Por encima, la zona de disparo seguro. Por debajo, la zona de no desconexión.
Reléstérmicos Un relé térmico o térmico es un dispositivo de protección que detecta las sobreintensidades no admisibles en una insta lación eléctrica. N o int erviene cuando ésta es admisib le (por ej emplo, cuando se dan puntas normales de corriente en el arranque de motores). Es importante destacar q ue este elemento, por sí solo, no desconecta la instalación eléctrica, sino que necesita otro elemento (generalment e un contactor) que realice est a función . Su aplicación principa l es la p rotección de motores de CA (en el guar-
damotor) . fig. 2.41. Aspecto de un relé térmico.
Los re lés t érmicos constan básicamente de una serie de bobinas (una por cada fase) enrol ladas alrededor de un b imet al. En caso de sobreintensidad, las bobinas ca lient an las láminas b imetá licas hasta q ue se produce la activación de sus contactos auxil iares. Estos contactos auxiliares son generalmente dos, uno NC y otro NA. El contacto NC interrumpe la corriente de la bobina del contactor asociado al térmico, con lo que desconecta la alimentación de la instalación. El contacto NA suele activar un elemento de seña lización (luminoso o acústico) que indica la incidencia .
,,. -----,,
,: - F2
,,
····~ i
.-----0>'" F =,- - , ,
-51 [ . .
,
fig. 2.42. Deta lle de un térmico y su contactor asociado para abri r el circuito de potencia. Puedes apreciar la referencia de los bornes de un relé térmi co.
,,I-F2 - KM1
Láminas
Contactos
blmetálicas
auxiliares
- KM'
Unidad didaclica 1 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
·,
Los térmicos se clasifican en: Tripolares. Se utilizan para proteger cargas trifásicas, monofásicas o bifásicas. Son los más utilizados en motores eléctricos. Tripolares diferenciales. Se utilizan para proteger receptores trifásicos y para detectar cuándo ha fallado una de las fases de alimentación. Son, por lo tanto, térmicos muy eficaces en la protección de motores trifásicos. O
Tripolares compensados. Además de proteger contra sobreintensidades, son insensibles a posibles variaciones de la temperatura ambiente a la que estén expuestos.
Parámetros de los relés térmicos A la hora de escoger un relé térm ico (tabla 2.5). debemos fijamos en dos de sus parámetros importantes:
fig.2.43. Curva de un térmico.
Corriente del térmico (1,) o calibre. Es el valor de la corriente de la instalación eléctrica donde está el relé térmico, a partir del cual las láminas bimetálicas del relé empiezan a calentarse. Mediante un pequeño potenciómetro giratorio en la parte frontal del aparato, podemos ajustar esta corriente en un intervalo determinado.
2h
10 mm 4 mio
Tabla 2.S. Tiempo de disparo del relé térm ico en fun ció n de la sobreintensidad que soporta
2 min 20 s ID s
clase 30
4s
clase 10
2s 1,5 Ir
7,2 Ir
1,2 Ir
SobrecO/nenle
Cl ase
1,2 1,
10 A
<
2h
<
2 min
2 - 10 s
10
<
2h
<
4 mm
4 - 10 s
20
<
2h
<
8 min
6 - 20 s
30
<
2h
12 min
9 - 30 s
1,5 1,
<
7,2 1,
clase de disparo. Determina el tiempo máximo de intervención del relé térmico en función de la corriente que circula por él (figura 2.43). Existen diferentes cIases de térmicos, como por ejemplo 10 A , 10, 20 Y 30 (estas cifras indican el número de segundos que puede durar como máximo la punta de corriente de arranque). Es decir, la clase 30 es para aplicaciones donde la corriente de arranque no dura más de 30 segundos. En caso contrario, el térmico dispararía. Las dos clases más utilizadas son la 10 A Y la 20. Los térmicos también permiten el reglaje de la corriente límite de disparo entre 1,05 y 1,20 veces la indicada y disponen de modos de rearme que pueden ser manuales o automáticos, en función de la aplicación .
_.. ¡l.. '1 Interruptores diferenciales N
T~''' ~'''~'' EFJ
Los interruptores diferenciales o diferencia les son d ispositivos de protección con capacidad de cortar la corriente de la instalación cuando detectan poSibles corrientes de fuga a tierra en instalaciones eléctricas (denominadas también comentes de defecto). Estas corrientes de fuga pueden ser ocasionadas por:
N
2
Defectos de aislamiento en los elementos (generalmente, carcasas) de aparatos eléctricos, debido al envejecimiento, el calor, etc. Personas que tocan partes metálicas puestas a tensión.
fig.2.44. Simbolo de un interruptor diferencial monofásico.
Contactos fortuitos de piezas móviles puestas a tensión y tierra. Errores de conexión al operar en una instalación eléctrica.
Unid ad didáctica 2. Mando, regu lación y maniobras en máquinas eléctricas
El diferencial para una instalación monofásica consta básicamente de tres bobinas (figura 2.45) enrolladas en un núcleo magnético (denominado toro o toroide). Por dos de ellas circula la corriente entrante y saliente de la instalación. Si no existen corrientes de fuga en la instalación, estas dos bobinas originan en el toro campos magnéticos idénticos pero de signos opuestos, de forma que se contrarrestan entre sí. En estas condiciones sobre la tercera bobina no se genera tensión inducida alguna. Fig.2.45. Estructura interna básica de un interruptor diferencial.
Red de 230 V Interruptor Dílerencial
Contactos NC
1
Toroide
+
I entrante
_1 filtro contra
I saliente
transitOriOS
en la red eléctrICa
I residual
. 'II . ' . ~ . ,
-
,- - - - - - -
Cargas o receptores de la InSlalaClón electflca
J' I
.,
. • l.
,l. 1. '
-' --.. -
fig.2.46. Modelo comercial de diferencial para una instalación trifásica.
Ahora bien, en caso de tener corrientes de fuga, la corriente entrante será algo mayor que la saliente (siendo la diferencia igual a las corrientes de fuga derivadas a tierra). Esto da origen a un campo magnético en el núcleo que, a su vez, origina una fuerza electromotriz (f.e.m.) en la tercera bobina. Dicha fuerza activa el dispositivo de apertura del diferencial y se produce el corte de la corriente eléctrica. El filtro contra transitorios del aparato se coloca para evitar que transitorios o perturbaciones de la línea eléctrica hagan saltar el diferencial sin que haya corriente de defecto alguna. Un pa rámetro importante del diferencial es la sensibilidad , definida como el valor de corriente de defecto a partir del cual el apa rato debe cortar la corriente en la instalación en el menor t iempo posible (medido en m ilisegundos). Los valores típicos de sensibilidades en los diferenciales comerciales son 10 mA, 30 mA, 100 mA, 300 mA, 500 mA, 650 mA y 1 A. En instalaciones domésticas (viviendas, comercios, etc.). el valor de sensibilidad es de 30 mA (diferencial de alta sensibilidad). En instalaciones industriales, se opta por diferenciales de 300 mA (sensibilidad media) o de 500 mA (sensibilidad baja) de tipo "superinmun izado", para que no produzcan disparos debido a los transitorios producidos, por ejemplo, en el arranque de motores. También existen diferentes clases de diferenciales en función de la corriente de fuga, tanto si es alterna (CA) como si es continua (CC) o pulsante.
Unidad dldacllca
Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
----------------~
~ . V. j
La alimentación y protección de los motores
En el circuito de potencia, entre la conexión a la red eléctrica y el motor o receptor de consumo elevado, encontraremos (además de los elementos de conmutación -relés y contactores-) diferentes elementos con las siguientes funciones:
a) Seccionador con fusibles
b) Seccionador
Elseccionamiento permite aislar la instalación del motor de la red de alimentación. Para operar sobre la instalación del motor se debe proceder al seccionamiento de manera que podamos trabajar de forma segura (sus contactos abiertos deben garantizar la distancia de seccionamiento). El seccionamiento de las instalaciones siempre se realiza cuando no están en carga. Esta función se lleva a cabo utilizando los seccionadores, que deben soportar las corrientes de trabajo pero no pueden soportar las conexiones o desconexiones en carga. La conexión o desconexión manual de la instalación, en carga. Esta función la realizan los interruptores: elementos mecánicos de conexión capaces de establecer, soportar e interrumpir las corrientes normales y sobreintensidades admisibles de la instalación.
c) Interruptor
Protección contra cortocircuitos y sobreintensidades. En el apartado anterior ya hemos estudiado estas protecciones. Los elementos utilizados son fusibles e interruptores automáticos, magnéticos y térmicos. Protección contra fugas de corriente. La proporcionan, como ya hemos visto, los interruptores diferenciales.
d) Interruptor'seccionador
Fig. 2.47. Símbolos de diferentes elementos de protección: (a) seccionamiento, más protección de cortocircuitos; (b) sólo seccionamiento; (c) sólo interrupción (no garantiza distancia de secciona miento); (d) combina interrupción y seccionamiento.
Actualmente, la mayoría de los fabricantes ofrecen múltiples soluciones (desde la utilización de un elemento para cada función --<:ada vez menos frecuente- hasta elementos que integran todas las funciones, como los arrancadores de motores). A continuación, veremos algunos casos.
El disyuntor magnetotérmico El disyuntor magnetotérmico es el resultado de la combinación de un relé magnetotérmico con un interruptor en un mismo dispositivo. Proporciona protección contra cortocircuitos y sobrecargas. También puede ofrecer protección diferencial, en función del tipo de distribución de la red. Además, nos permite conectar y desconectar en carga. Cuando el disyuntor abre o cierra, sea cual sea la causa, el corte o la conexión es omnipo/ar (es decir, corta todos los polos simultáneamente). Funciona principalmente como guardamotor en la protección de motores de poca potencia. Dos de las características principales de un disyuntor son:
- Ql
_1 '"1"'1 Ff8" . . .. 1>1> 1>
El pode r de corte: valor máximo de corriente de cortocircuito que puede interrumpir el disyuntor a una determinada tensión y en unas determinadas condiciones de trabajo. Se expresa en kA. El poder de cierre : valor máximo de corriente de cortocircu ito que puede establecer el d isyuntor a una detemninada tensión y en unas determinadas condiciones de trabajo. El poder de cierre es k veces superior al poder de corte, siendo el valor de k entre 1,5 Y 2,2 veces el poder de corte. Evidentemente, también se expresa en kA.
Fig.2.48. Símbolo de un disyuntor magnetotérmico.
Unidad didactica 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Actividades 22.
Observa el cuadro general de mando y protección de tu vivienda. Ident ifica los diferentes tipos de protecciones con que cuentas en tu instalación, e indica: a) Para la protección magnetotérmica, el tipo de curva y el calibre. Fíjate también en el símbo lo para saber si la detección se produce en todas las fases y si la desconexión es omn ipolar.
b) Para la protección diferencial, fíjate en algún símbolo que ind ique si el d iferencial es para corriente alterna; su sensibilidad y la corriente máxima que puede cortar en caso d e d isparo.
23.
Busca tres ejemplos de fusibles cilíndricos de rosca y tres d e cuchilla. Indica la referencia del fa bricante, sus calibres y su categoría.
24.
Un relé térmico debe proteger un motor de arranque lento, de manera q ue el pico de corriente de arra nque se alargue poco más de 20 segundos. ¿Qué clases de térmico pondrías?
25.
Busca un ejemplo de disyuntor magnetotérmico e indica su referencia y princi pales características.
26.
Realiza una tabla que indique, para un seccionador, un interruptor y un interruptor-seccionador, la posibilidad de apertura o conexión en carga y si garantiza o no la d istancia de seccionamiento.
27.
Busca un modelo comercial de térmico para motores y explica sus principales ca racterísticas.
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Automatismos para máquinas eléctricas de CA En este apartado estudiaremos los circuitos de los automatismos que permiten el arranque, cambio de sentido de giro y frenado d e máquinas eléctrica en CA. En las actividades, más adel ante, te propondremos montar cada uno de estos automatismos y comp robar su funcionamiento en el laboratorio o taller de automatismos. Pero antes de entrar en materia vamos a ver de forma resumida las reglas básicas de seguridad que deberás seguir en el laboratorio pa ra trabajar en circuitos sin tensión . Te avanzamos que en este libro aprenderás mucho más sobre la seguridad en el trabajo en la UNIDAD DIDÁCTICA 4 (Mecánica básica), sobre los riesgos de utilización de las herramientas y máquinas herramientas; y en la UNIDAD DIDÁCTICA S (Cuadros eléctricos) sobre los riesgos eléctricos y los equipos de protección contra éstos que pueden utilizar los operarios.
2-,.'J11 L Las tres reglas bási(as de la seguridad
elédri(a para trabajar en (irtuitos sin tensión (en baja tensión) Antes de enunciar estas tres reglas, cabe destacar que, para cada puesto de trabajo o tablero de t rabajo, el taller o laboratorio debe contar con protección magnetotérmica y diferencial adecuada . La instalación debe cumplir con todas las exigencias que detal la el REBT (Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión).
El montaje de los circuitos lo debes hacer sin tensión. Sólo las comprobaciones de funcionamiento y medidas tomadas con el multímet ro las debes realizar en tensión.
Unidad didactica 2 Mando, regu lación y maniobras en máquinas eléctricas
¡Import ante! Cuando tengas que tomar medidas en tensión, procura coger las puntas de prueba del multímetro por la zona aislante destinada a tal efec-
to, evitando cualquier contacto con la punta metálica. Exceptuando los bornes o puntos de los circuitos donde sea necesario realizar las comprobaciones, el resto de partes activas (a tensión normalmente) deben estar con-
venientemente aisladas.
Para minimizar el riesgo, también puedes tomar las medidas con el circuito funcionando a tensión, utilizando el Equipo de Protección Individual (EPI) adecuado. En este caso bastaría con unos guantes aislantes, (tendrás toda la información sobre los EPI para riesgos eléctricos en la UNIDAD DIDÁcnCA 5).
Las tres reglas básicas que describen el procedimiento de trabajo son:
Primera. Abrir con corte visible todas las fuentes de tensión (interruptores y seccionadores). En el caso del laboratorio, deberás abrir el interruptor automático correspondiente, de forma que dejes sin tensión tanto el circuito de mando como el de potencia. El corte será visible pues podrás ver la posición de la palanca del interruptor y la leyenda (O FF o O)
Segunda. Enclavar o bloquear (cerraduras, candados, bloqueos eléctricos o neumáticos) los aparatos de corte para evitar errores humanos. Imagina que trabajáis en grupo y que tu compañero se distrae y cierra el interruptor mientras tú manipulas el circuito. En el caso de un laboratorio, no se suele disponer de candados ni cerraduras, pero puedes colocar algún adhesivo o cartulina de aviso sobre los interruptores magnetotérmicos.
Tercera. Reconocimiento de la ausencia de tensión. Utiliza el multímetro, en modo voltímetro, para comprobar que no hay tensión. El reconocimiento lo debes efectuar con el mismo cuidado que tendrías si la instalación estuviera en tensión.
~L'J D .1~
Arranque de motores de CA
Podemos d efinir el arranque de un motor eléctrico como el proceso por el que, al ser conectado al generador que lo al imenta, comienza a girar hasta llegar a una velocidad fina l, partiendo de una situación inicial de reposo. La velocidad de giro del eje de un motor aumenta progresivamente durante el arranque hasta estabilizarse en un determinado valor. En este momento, el par motor que genera la máqu ina se iguala al par resistente que ofrece la carga accionada por el mismo, de modo que se alcanza un punto de funcionamiento estable del motor (denominado régimen en estado estacionario). Recuerda el concepto de par: es el producto de la fuerza que puede realizar (par motor) o que debe vencer (par resistente) por la distancia al eje de giro. El tiempo que pasa desde que el motor es conectado al generador hasta que todos sus parámetros (velocidad, par motor y corri ente) llegan a un régimen estacionario se llama período de arranque del motor o régimen transitorio de la máquina . Existen dos magnitudes importantes en el proceso de arranque de un motor:
Par de arranque (M,). Es el valor del par en el eje del motor en el instante de la conexión a la corriente, cuando todavía no ha empezado a girar. Par de aceleración (M). Es el valor del par que incrementa progresivamente la velocidad de la máquina. Su valor viene dado por la diferencia entre el par motor (MJ y el par resistente (M.l en cada instante del período de arranque: Si el par motor (Mm) es mayor que el par ofrecido por la carga (M,), tenemos que M,,>O, y el motor podrá arrancar sin problemas arrastrando la carga que acciona. Por el contrario, si el par resistente es mayor que el par motor (Mm
Umdad dIdáctica 1 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Así pues, podemos afirmar que para que un motor eléctrico pueda arrancar, es con· dición necesaria que el pa r de aceleración (M,) sea positivo hasta que alcance sus valores nominales (n,om y M,om)'
Pares M
Pares M
M.
Fig. 1.49. Curvas típi cas de arranque de dos motores, donde se mues tra el par motor (Mm) y el par resistente (Mr) en función de la velocidad n de la máqui na. a) Curvas para un motor que pu ede arrancar sin problemas, Mac > O b) Curvas para una máq uina que no podría arrancar, Mac < O.
M~
Velocidad
-+______.....---'L-.. de giro n a)
II ~
+ _______
Velocidad ~~+ de
giro n
b)
J3 Arranque diredo
Los únicos motores que admiten, de forma sencilla, conectarlos directamente a la red son los motores asíncronos de inducción con el rotor en cortocircuito (como los de jaula de ardi lla). En el los únicamente deben conectarse a la red los extremos de las bobinas del estator. Estos motores se ca racterizan por un par de arranque que varía entre 0,8 y 2 veces el nominal y por un consumo en el arranq ue que puede estar entre 4 y 8 veces la corriente nomina l d el motor. Por lo tanto, podemos afirmar lo siguiente: El arranq ue directo de motores de jaula sólo es recomendable para motores de poca potencia (menos de 1 CV), siempre q ue sea necesario un par importante en el arranq ue y cuando la línea q ue alimenta e l motor no se vea afectada por el elevado pico de corriente de arranque. Si todas las condiciones anteriores se confirman, el arranque directo resu lta la manera más simple y económica de arrancar un motor de jaula. En caso contrario, deberemos utilizar otras técnicas para reducir el pico de corriente en el arranque (también se reducirá notablemente el par motor). Estas técnicas consistirán de una u otra forma en reducir la tensión de alimentación del motor en el arranque . Hablaremos de ello en los sigu ientes apartados.
Automatismo para el arranque directo de motores de indu((ión En la figu ra 2.50 puedes apreciar e l automatismo básico de puesta en marcha y paro de un motor de CA de inducción. Puedes observar tanto el circuito de potencia para un motor trifásico como para el monofásico. Circuito de potencia. Se ha utilizado un contactor (KM 1) Y la respectiva protección mediante un relé térmico (F1) Y un seccionador con fusibles. Circuito de mando. En el circuito de mando se ha intercalado en serie el contacto 95-96 del relé térmico que abre el circuito en caso de sobrecarga prolongada. El funcionamiento del circuito de mando es el siguiente: Si el circuito no sufre sobrecarga, al pulsar S2 se activa la bobina de KM1 y cierra sus contactos principales, con lo que se alimenta el motor. La bobina queda autoalimentada por el contacto auxil iar NA de KM1, el paro del motor se produce al activar el pulsador de paro S1.
Unidad dldachc.l 1 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Si hay sobrecarga, el relé térmico abre el contacto 95-96, de modo que corta la alimentación a la bobina de KM1 y los contactos se abren. Esto hace que el motor se pare.
11
-1 ~I ~I
l2 l3 N
11
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- KM1
- KMl
- F2 11
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-F 1
- F1 N
; M 3-
Fig. 2.50. Automatismo básico de puesta en marcha y paro de un motor de inducción al impulso. A la izquierda, circuitos de potencia si el motor es tri lásico o si el motor es monofásico. A la derecha, circuito de mando.
:; M 1-
KM1 • (52 + KM1) /51 / F1
El gráfico de secuencia-tiempo y el G RAFCET de funcionamiento corresponden al de la figura 2.29. Sólo se añade al esquema de control el contacto auxiliar del térmico (F1).
Inversor de giro para motores de CA Los motores de CA pueden proporcionar potencia mecánica en ambos sentidos de giro. Para modificar el sentido de giro de un motor trifásico de inducción es necesario invertir dos de las tres fases de la tensión aplicada al estator (figura 2.51 .b). Observa que si intercambiáramos las tres fases, el motor giraría en el mismo sentido en el que lo hacía inicialmente (figura 2.51.c).
11 U1
l2
V1
a)
L3
L1
l2
l3
L1
l2
L3
W1
c)
Fig. 2.51 . Inversión de giro de motores trifásicos: a) giro a derechas o directo; b) giro a izquierdas o inverso; c) giro a derechas.
Unidad did¡jc!ica 2 Mando, regulació n y maniobras en máquinas eléct ricas
Automatismo inversor de giro En aplicaciones industriales, este intercambio de dos de las tres fases del motor trifásico se realiza mediante un par de contactares, tal como muestra la figura 2.52.
L1 L2
3N -50 Hz 4QOV
LJ N - Ql
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- F2
2
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- KMl
- KM2
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- KM2
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N
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N _______L_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _L -__________
¡Ii 11 12 13
o o o
Paro motor Marcha derecha Marcha IZquierda
Fig.2.52. Automatismo para inversión de giro de un motor trifásico de inducción pasando por paro.
X
~
_____L___
~ I¡ H1 o KM 1 H2 o KM2
KM1 0(12' KM1) /KM2 /11 /f1 KM2 o (53 , KM2) ¡KM1 /11/F1
Circuito de potencia. 5e ha utilizado un contactor (KM 1) para el giro a derechas y un contactar (KM2) para el giro a izquierdas. El motor, independientemente del sentido de giro, está protegido contra sobrecargas y cortocircuitos por el relé térmico (F1) y los fusibles (seccionador con fusibles Q1). Los contactos cruzados, normalmente cerrados, de KM 1 Y KM2 se encargan de evitar que puedan estar conectados los dos contactares a la vez. En la tabla 2.6 se indican las fases que se conectan a los bornes del motor en función de KM1 o de KM2. Fíjate bien en que cuando entra KM2 se permutan las fases L2 y L3. Tabla 2.6. (onexión tases·bornes del motor KM1 (derecha)
KM2 (izquierda)
U1 o II
U1
o
11
V1
o
l2
V1
o
l3
W1
o
l3
W1 o l2
Circui to de mando. 5i pulsamos 52, entra KM1, que queda realimentado a través de su contacto NA, y se produce el giro del motor a derechas. Al entrar KM 1 abre su contacto auxiliar Ne, que está en serie con la bobina de mando de KM2. Impide así que pueda entrar KM2 aunque se accione su pulsador de marcha. Para poder cambiar el sentido de giro necesitamos parar el motor. El pulsador de paro 51 es común a los dos sentidos de giro. De esta manera, podemos imponer las mismas condiciones de paro a los dos sentidos de giro a la vez y eliminamos el peligro de tener un pulsador de paro para cada sentido de giro: en caso de emergencia no hay tiempo de comprobar en qué sentido está girando el motor.
UnIdad dldactlca 1 Mando, regulación y maniobras en
m~quinas
eléctricas
---------------------
También se producirá el paro por disparo del térmico F1. Partiendo del motor parado, si pulsamos 53, entra KM2, que queda realimentado a través de su contacto NA, y se produce el giro del motor a izquierdas. Al entrar KM2 abre su contacto auxiliar NC que está en serie con la bobina de mando de KM1. Impide así que pueda entrar KM1 aunque se accione su pulsador de marcha. Hemos añadido las lámparas de señalización H1 y H2 para saber en todo momento en qué sentido está girando el motor. Recuerda que debes señalizar las maniobras importantes de tu automatismo para evitar que el operario tenga que adivinar qué está pasando en el circuito. Así se obtiene una mayor seguridad en su diseño.
Mejoras de circuito Con objeto de impedir que pueda producirse un cortocircuito entre fases, el bloqueo eléctrico entre contactores (mediante contactos NC de un contactor en serie con la bobina del otro) puede mejorarse de distintas maneras: Podemos utilizar pulsadores marcha-paro con dos contactos 1 NC + 1 NA (figura 2.53). Cada pulsador (52 o 53), antes de cerrar su contacto de marcha en un sentido, desactiva, abriendo su contacto NC, la marcha en el sentido contrario. Con este mando no es necesario pasar por el paro para efectuar el cambio de sentido, pero lo realiza bruscamente. Por esta razón, este circuito de mando sólo será válido para motores de poca potencia y con poca inercia. Así mismo, cuantas menos maniobras se realicen más durará el motor. También pueden usarse enclavamientos mecánicos entre contactores (figura 2.54). 5e venden como contactores inversores de giro. Vienen montados de forma que mecánicamente se impide la entrada conjunta de los dos contactores. 5u símbolo se expone en la figura 2.54 marcado en rojo.
- F2 L1
2
3
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4
6
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-F1
·~ M
M
M
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Fig.2.S3. Mando para el cambio de giro con pulsador de doble contacto (1 NA + NC).
- Hl
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6
Fig. 2.54. Mando para el cambio de giro con contactares con enclavamiento mecánico.
Recuerda: en cuestión de seguridad, y por mucho que nos cueste admitirlo, la mecánica es siempre más segura que la electricidad y que la electrónica .
Unidad dldaCllca 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
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Arranque estrella-triángulo
Es, sin duda, el procedimiento más conocido entre los técnicos relacionados con el mundo de la automatización y el control de motores. Puede aplicarse en motores asíncronos de inducción cuyas bobinas del estator puedan ser conectadas en estrella o en triángulo mediante conexiones externas. A partir de una cierta potencia, los motores trifásicos de inducción permiten conectar las bobinas de su estator, ya sea en estrella o en triángulo, externamente (figura 2.55). Para ello, la carcasa de la máqu ina posee unos bornes de conexión (en concreto, seis) que permiten una de las dos configuraciones (figura 2.56). Estos motores que permiten el acceso a los bornes de sus bobinas estatóricas desde el exterior también son denominados motores de 6 bornes.
a) Ul
VI
b)
Wl
Ul
111 U2
V2
VI
Wl
O O O O O O W2
U2
V2
W2
Fig.2.55 . a) Bobinas del circuito estatórico de un motor trifásico de inducción. b) Bornes de conexión respectivos en la carcasa de la máquina. Los terminales de las tres bobinas se designan por uno de sus extremos con U1 , V1 y W1 (antiguamente: U, V y W), y por el otro lado con U2, V2 y W2 (antiguamente:
X, YyZj. La misma carcasa tiene la /Jamada placa de características del motor, que proporciona los datos nominales de corriente cuando el motor se conecta en estrella yen triángulo. Además, en dicha placa el fabricante facilita otros datos de interés para el personal de montaje y mantenimiento, como el modelo de la máquina, la potencia nominal, su frecuencia de trabajo, cos j, etc. a)
Ll
L2
L3
Ll
L2
UI
VI
Wl
W2
U2
V2
L3
b)
L1
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L3
Ul
~ U2
V2
C·.,
~
W2
Fig.1.56. Bobinas del circuito estatóri co de un motor tri fásico de inducción: a) conectadas en estrella; b) conectadas en triángulo.
Ventajas del arranque estrella-triángulo Las ventajas de comenzar el arranque con los bobinados en estrella se debe al menor consumo que tiene el motor conectado de esta forma: Con la conexión en estrella, la corriente de línea que absorbe el motor es un tercio de la que absorbe conectando sus bobinados en triángulo. Así, pa ra cualquiera de los3 conductores de línea se cumpleque l. m • lI •
Itnangulo 3
•I
UnIdad didactica 2 Mando, regulación V maniobras en máquinas eléct ricas
Fíjate en la gráfica de corriente de la figura 2.57. Suponiendo que la corriente de arranque en conexión en triángulo es 6 veces la nominal, al conectar el motor en estrella baja a 2 veces la corriente nominal. Eso sí, el par que desarrolla el motor en estrella también se ve reducido en un tercio, aunque este hecho no importará mientras sea capaz de vencer el par resistente (observa las curvas de par de la figura 2.57). Una vez el motor ha comenzado a girar y se aproxima al 80% de su velocidad nominal debe cambiarse a la conexión definitiva de sus bobinados: conexión en triángulo.
IlI n
M(Par)
71n 61n Sin
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corril nte
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abso~bida
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en triángulo
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1,5 Mn
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31n
Fig. 2.57. Corriente y par motor en función de la velocidad de giro según esté conectado en estrella o en tri ángulo. Evolución de un arranque estrellatriángulo.
21n
Corriente absorbida
en estrella 1-
-......
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0,25
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n/ ns
El arranque estrella-triángulo es económico, sencillo y tiene una buena relación parl corriente. De todos modos, también presenta inconvenientes: requiere un motor de seis bornes, aplicaciones con poco par de arranque (ventiladores, por ejemplo) y muestra fenómenos transitorios importantes en el arranque, Al interrumpir de golpe la corriente por los bobinados en el cambio del tipo de conexión, se produce un pico de corriente de muy corta duración pero de valor elevado. Esto puede reducirse con resistencias limitadoras e incrementando las etapas en el arranque, pero en la actualidad, pudiendo disponer de arrancadores estáticos muy económicos, no tiene sentido complicar la maniobra de esta forma,
Automatismo para realizar un arranque estrella-triángulo El arranque debe realizarse de fonma automática, iniciándose en estrella y pasando luego a triángulo, Para ello, se necesitarán tres contactores y un temporizador, tal como puedes observar en los esquemas de potencia y mando en las figuras 2.58 y 2.59.
(ircuito de potencia, El motor está protegido contra sobrecargas y cortocircuitos por el relé térmico (F1) y los fusibles (seccionador con fusibles Q1), El contactorde línea KM1 se encarga de la conexión de los bobinados a la red, Concretamente, conecta U1 con L1, V1 con L2 y V2 con L3, Está siempre activado para que funcione el motor, El contactor KM2 realiza completamente la conexión en estrella conectando los tres extremos libres de los bobinados del motor: U2 con V2 y W2, El contactor KM3 efectúa la conexión en triángulo conectando U1 con W2, V1 con U2 y W1 con V2, Como puedes ver, KM2 y KM3 no pueden entrar en funcionamiento a la vez porque se produciría un cortocircuito entre fases, Para evitarlo, además del enclavamiento eléctrico real izado en el circuito de mando, es recomendable utilizar el enclavamiento mecánico (indicado en rojo en la figura 2.58),
Unidad d,daW(a 7 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléClricas
KM2 11'1
-KM3
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Fig. 2.58. Esquema de potencia para un arrancador estrella·tri ángul o.
Circuito de mando. Partiendo del circuito en reposo activamos el pulsador de marcha 52. Éste conecta el contactar de línea (KM1). que quedará enclavado a través de su contacto de enclavamiento. Por estar en paralelo, también se activa el circuito de temporización (bobina de KT1). Puesto que los contactos de KT1 están temporizados a la conexión entrará también el contactar KM2, y así se completará la conexión en estrella. El contactar KM3 no podrá funcionar por tener el contacto cruzado en serie de KM2 (21-22).
Unidad didáctica 2. Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Al transcurrir el intervalo de temporización, los contactos de KT1 conmutarán. En consecuencia, se desactiva KM2 y se activa KM3 (y tiene lugar la conexión en triángulo). Los contactos asociados a KM3 desactivan, a su vez, el temporizador e impiden que pueda entrar KM2. Esta conexión será la que quedará de forma permanente pasado el arranque. Al pulsar Sl el circuito vuelve a su estado de reposo. También se producirá el paro si dispara el térmico F1 del motor gracias a su contacto auxiliar (95-96).
Mejoras del circuito Existen diferentes variantes para la realización del circuito de control, pero lo realmente importante es garantizar que haya un retardo entre la desactivación del contactor de estrella y la activación del contactor de triángulo. Los fabricantes construyen relés temporizados especiales para este tipo de arranque. ¡Recuerd a! Entre la conexión en estrella y la nueva conexión en triángulo es necesario
esperar algunos milisegundos (de 40 ms a 100 ms) para asegurarnos de la completa apertura del contactar de conexión en estrella antes del cierre del contactar de conexión en triángulo. Con ello se evitan posibles cortocircuitos entre fases.
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Circuitos alternativos de arranque
Existen diversos métodos eléctricos alternativos para el arranque y el control de motores de CA asíncronos. Los citamos a continuación:
Arranque de motores con devanados partidos. Es un arranque muy poco uti lizado en Europa. Requiere un motor especial con doble devanado. En el arranque se conecta directamente a la red un juego de devanados (medio motor). Una vez está acabando el arranque, se conecta en paralelo el otro juego de devanados. El par de arranque no se reduce tanto como en el arrancador estrella-triángulo y tampoco tiene problemas de puntas de corriente elevadas.
Arranque por resisto res estatóricos y rotó ricos. Quizá sea el método más antiguo para minimizar las corrientes de arranque en motores de CA. Consiste en añadir en el circuito estatórico, o bien en el circuito rotórico, resistores externos al motor para aumentar así la resistencia eléctrica del motor cuando se conecta a la línea eléctrica.
Arranque mediante autotransformador. Consiste en al imentar el motor a una tensión reducida utilizando un autotransformador. La alimentación del motor se va incrementando progresivamente hasta la desconexión del autotransformador del circuito del motor una vez finalizado el arranque. La necesidad de inco rporar el autotransformador hace que este sistema sea caro y voluminoso.
Arrancadores eledrónicos (estáticos) Estos arrancadores permiten la subida progresiva de la tensión de alimentaci ón del motor, lo que evita puntas de corriente elevadas y brusquedad en el arranque. Cada día se utilizan más, sobre todo en el arranque de motores de CA de jaula, pues presentan muchas ventajas: O
Fig.2.60. Devanados de un motor con bobinados partidos.
Coste y espacio requerido reducidos. Los avances en la electrónica permiten una reducción de costes y una miniaturización muy importante (reducción en más del 50%). El mismo conjunto (a veces, de forma modular) incorpora el circuito de potencia y el de control.
Unidad didactica 2 Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Reducción muy importante del cableado y del tiempo de montaje. Permiten acopiar módulos que se interconectan sin necesidad de cableado externo (por ejemplo, el módulo para inversión de giro). Algunos modelos incorporan las funciones de protección del motor. Seccionamiento, interruptor, protección t érmica y magnética. Permiten diferentes niveles de regulación térmica y ajustes del proceso de arranque. En los mod elos más avanzados algunos ajustes pueden ser parametrizados y memorizados. Los más avanzados incorporan módulos de comunicación. Un ejemplo de este tipo son los que se conectan a autómatas programables.
Convertidores de frecuencia l ig. 2.61. Modelo comercial de arrancador.
Aunq ue la principal aplicación de los convertidores de frecuencia consiste en la regu lación d e la velocidad de los mot ores asíncronos, también se utilizan en el arranque p rogresivo de dichos motores. Además, los convertidores de frecuencia incorporan las protecciones contra cortocircuitos y sobrecargas del motor.
La regulación de la velocidad del motor La velocidad de giro del campo electromag nético en un motor trifásico de CA (velocidad de sincronismo) es proporcional a la frecuencia de la red que lo al imenta e inversamente proporcional al número de pares de polos (p) que tiene el motor:
m
n =60
,
0 -
f P
(2. 1)
Como estudiarás con detalle en el módulo de Electrotecnia, la velocidad de giro del motor es ligeramente inferior a la velocidad del campo o de sincronismo. Así pues, se nos plantean básicamente dos estrategias a la hora de regular la velocidad de un motor trifásico de CA: La realización del motor, en su construcción, de forma específica para poder variar la velocidad mediante la posibilidad de combinar diferentes juegos de bobinados en el estator que permita considerar diferente número de polos. La construcción de un motor de jaula" estándar" con un número fijo de pares de polos y la uti lización de un sist ema externo que permita variar la frecuencia de la alimentación del motor. Lo más habitual actualmente, debido al gran avance de la electrónica de potencia, es utilizar la segunda estrategia, es decir, los converti dores de frecuencia .
L1 L2
L3 N
Recli!icadof trifásico
ce
Ondulador o inversor
lig.2.62. Diagrama de bloques de un convertidor de frecuencia.
Ul
U' l2'
Vl
M
l3'
Wl
3-
Unidad didáctica ¡ Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Funcionamiento de un (onvertidor o variador de frewencia Un convertidor o variador de frecuencia se basa en dos b loq ues convertidores: Un rectificador trifásico más condensadores de filtro. Realizan la conversión de la corriente alterna de la red a corriente continua. Un inversor u ondulador. Efectúa la función inversa, de modo que pasa la corriente continua a corriente altema, aunque, eso sí, con una frecuencia y valor eficaz variables. Si bien estas magnitudes pueden variar, la relación tensión/frecuencia debe ser constante . Los conversores de frecuencia permiten el fácil ajuste de los parámetros de control por el operador y su visualización mediante pantallas o visualizadores de LED. También pueden incorporar la electrónica que permite la comunicación con ordenadores o autómatas.
Ventajas de los (onvertidores de fre(uencia Los converti dores de frecuencia han representado en los últimos años la solución "ideal" para la regulación de velocidad, arranque, frenado y cambio de sentido de giro de los motores asíncronos (de jaula). Su utilización es muy simple y funcionan bien incluso con pares resistentes elevados. En cuanto a la regulación de la velocidad, permiten obtener velocidades de giro desde motor parado hasta velocidades por encima de la nominal (si la mecánica del motor lo admite).
Ejemplo 2.12
Ejemplo 2.13
Un motor asín crono trifásico de 2
Necesitamos regular la velocidad del motor del ejemplo anterior utilizando un variador de frecuencia. Indica qué frecuencia nos tendrá que proporcionar el variador a la salida para que la velocidad de sincronismo sea de 750 r.p.m. ¿Qué valor deberá tener la tensión de alimentación del motor?
pares de polos gira a 1.490 r.p.m. cuando conecta a una red trifásica de 400 V-50 Hz. Determina su velocidad de sincronismo.
Despejando de la expresión 2.1 la frecuencia, resulta que el motor deberá estar alimentado ahora a una frecuencia de 25 Hz:
Solución: Substituyendo los datos del motor en la expresión 2.1, tenemos que: n ~60 ,
Solución:
f
. _ ~
p
60
50
. _~
2
1.500 rpm
f ~ n, · p ~ 750 · 2 60 60
25 Hz
Para que la relación tensión-frecuencia se mantenga constante la nueva tensión
de alimentación deberá ser de 200 V entre fases.
2)-JU)}, frenado de motores de CA Los motores de CA pueden ser frenados tanto de forma mecánica como eléctrica. En este apartado, nos centramos en el frenado eléctrico, por ser éste el que se está imponiendo en los últimos años.
Frenado por (ontra(orriente El frenado por contracorriente consiste en efectuar la desconexión del motor para conectarlo de nuevo de forma inversa. Se han de introducir los detectores adecuados para reali zar la desconexión del motor cuando éste está parado. Si no, el motor inicia rá la marcha en sentido contrario. Este sistema, aunq ue muy efectivo, supone un frenado muy brusco, con problemas de fuertes puntas de corriente y elevada disipación térmica. No todos los motores están preparados para estos esfuerzos mecánicos, por lo que este sistema sólo se utiliza para motores de pequeña potencia.
Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
Unidad didacl!ca
Frenado por inyección de (orriente (ontinua o frenado dinámico Este tipo de frenado consiste en desconectar el motor asíncrono de la red eléctrica y aplicar en su lugar una fuente de CC conectada en dos de sus fases. La corriente continua necesaria se obtiene, generalmente, por rectificación de la CA trifásica de la red, mediante diodos o tiristores. Al aplicar esta tensión de CC en las bobinas del estator, el flujo magnético de dicho estator deja de girar, y permanece constante. En consecuencia, el rotor, que en todo momento sigue el flujo magnético variable giratorio cuando el motor está conectado a la CA, es frenado rápidamente. Estudiarás los fundamentos del funcionamiento de los motores de CC y de CA en el módulo de Electrotecnia, lo que te permitirá entender el principio de funcionamiento del frenado dinámico. Este método de frenado proporciona una detención especialmente rápida de la máquina, aunque adolece de dos problemas importantes: La enérgica acción de frenado da lugar a esfuerzos mecán icos excesivamente perjudiciales para la máquina, que puede acabar deteriorándose si no es suficientemente robusta. El motor soporta efectos térmicos importantes. Este sistema es bastante utilizado en los motores de jaula y los motores de anillos.
Automatismo de puesta en marcha y frenado de un motor asíncrono trifásico En la figura 2.63 tienes un ejemplo de automatismo que realiza el arranque directo e incorpora el frenado dinámico del motor.
Fig.2.63 . Esquema de potencia y mando para el frenado de un motor por inyección de corriente continua.
11 3N - 50 Hz 400 V
1 ít ~
[§
~
N
f - F2
M
11 ~
o-
- Q1 - F1
.... ~
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- KM1 ro
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N
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N
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~-~
;!
::' - KM1
N - KMl N N
;!
:;(
:;( - KM1
M
- KM2
N
3-
Circuito de potencia. Para poder realizar el frenado por inyección de CC, el circuito de potencia ha de incorporar un circuito rectificador que a partir de la señal de alimentación (después del seccionador) proporcione una tensión continua. Además, se necesitará un contactar para el frenado (KM2l, de forma que sólo pueda entrar en servicio si está desactivado el contactar de línea del motor (KM 1). Este segundo contactar es el encargado de aplicar la CC entre dos de las fases del motor durante el frenado. El circuito de rectificación para el frenado incorpora sus propias protecciones.
Unidad didáctica 2. Mando, regulación y maniobras en máquinas eléctricas
o
Circuito de control.
El pulsador S2 activa la bobina del contactor KM 1, así com o su enclavamiento, lo que da corriente al motor para su funcionamiento normal. Mientras, el contactor KM2 no está activado porque se mantiene abierto el contacto normalmente cerrado 21-22 . Cuando se p ulsa S1, el pulsador de paro, entonces KM1 se desactiva y el motor deja de recibir corriente; en consecuencia, KM2 se activa gracias al contacto temporizado al reposo 57-58 de KM 1. Entonces se al imenta el devanado del estator con corriente continua y se da luga r al frenado del motor, que se mantiene d urante toda la temporización del contacto 57-58 de KM 1. Pasado este tiempo, se desactiva KM2 y se llega al estado de reposo.
Actividades 28. Monta, en el t aller d e automatismos, el automatismo de arranque directo de un motor de alterna (figura 2.501. Puedes hacerlo con un motor monofásico o trifásico. Rea liza la correcta selección del cableado y las protecciones en función de la potencia del motor.
29. Verifica el GRAFCET de funcionamiento y el diagrama secuencia-tiempo de la figu ra 2.29 con los resultados experimentales de la actividad anterior: Explica detalladamente qué sucede en la puesta en m archa del sistema . Explica detalladamente qué sucede en el paro del sistema. Explica detalladamente qué sucede cuando se produce una sobrecarga del motor. Explica detalladamente qué sucede si se produce un cortocircuito accidental en los bornes del motor.
30.
Monta, en el taller de automatismos, el automatismo de cambio del sentido de giro de un motor asíncrono trifásico de la figura 2.52.
31.
Realiza el GRAFCET de funcionamiento y el diagrama secuencia-tiempo del automatismo de la actividad anterior. Verifícalos con los resultados experimentales de la misma.
32. Monta y comprueba el funcionamiento de la mejora d el automatismo anterior correspondiente a la figura 2.53.
33.
Monta, en el taller de automatismos, el automatismo de arranque estrella-triángulo correspondiente a las figuras 2.58 y 2.59.
34.
Realiza el GRAFCET de funcionamiento y el d iagrama secuencia-tiempo del automatismo de la actividad anterior. Verifícalos con los resultados experimentales de la misma. ¿Por q ué es necesario el temporizador? ¿De qué depende el tiempo que debe ajustarse en el temporizador?
35. Realiza el esquema eléctrico, tanto de la parte de potencia como del circuito de mando que lo gobierna, del arranque temporizado de una máquina de CA trifásica. El sistema se activa con un pulsador de marcha (MI de tipo NA, y el motor se pone en funcionamiento 20 segundos después de haberlo pulsado. El sistema debe pararse al pulsar un pulsador de paro (PI. de tipo NC. Enumera adecuadamente todos los term inales de los relés temporizadores y contactores que utilices.
36.
A continuación realiza el esquema eléctrico, tanto de la parte de potencia como del circuito de mando que lo gobierna, del paro temporizado de una máquina de CA trifásica. El sistema se activa con un pulsador de marcha (MI de tipo NA. El motor debe pararse 20 segundos después de haber pulsado un pulsador de paro (PI. de tipo NC. Enumera adecuadamente todos los terminales de los relés temporizadores y contacto res que util ices.
37. Realiza el esquema eléctrico, tanto de la parte de potencia como del ci rcuito de mando que lo gobierna, del arranque y paro temporizados de una máquina de CA trifásica. El sistema se activa con un pulsador de marcha (MI de tipo NA, y el motor se pone en funcionamiento 20 segundos después de haberlo pulsado. Por otro lado, el motor debe pararse 20 segundos después de haber pulsado un p ulsador de paro (PI. en este caso de tipo NC. Enumera adecuadamente todos los terminales de los relés temporizadores y contactores que utilices.
38. Busca tres modelos comerciales diferentes de arrancadores p ara motores de alterna trifásicos. Indica sus principales características y los esquemas de conexión para el arranque de un motor.
39.
Busca tres modelos comerciales de variadores de frecuencia y relaciona las principales funciones que pueden efectuar.
Unidad dida(ti(a 2. Mando, regula(ión y maniobras en máquinas elé(tri(as
Autoevaluadón 1.
Dibuja el símbolo para un pulsador, un pulsador con dos contactos (1 NC + 1 NA) Y un final de carrera con contacto NA.
2.
Indica 4 tipos diferentes de sensores o detectores y dibuja su símbolo eléctrico.
3.
Explica las diferencias entre un relé y un contactar.
4.
¿Cómo se señalan los contactos principales y auxiliares en un contactar?
5.
¿Qué indica el número característico de un contactar?
6. ¿Cuáles son las categorías de contactares que realizan los fabricantes? ¿Las categorías son las mismas para contactares de CC y CA?
7.
¿Un relé fabricado para trabajar en CC puede funcionar en CA? ¿Por qué?
B.
¿Un relé fabricado para trabajar en CA puede funcionar en CC? Si la respuesta es afirmativa, indica qué precaución debemos tener en cuenta al efectuar la conexión.
9.
Indica algunos tipos de relés que podemos encontrar en el mercado,
10.
¿Qué es un fusible? Cita las clases más importantes,
11.
¿Qué es un magnetotérmico? ¿Para qué se utiliza?
12.
¿Qué es un relé térmico? ¿Para qué se utiliza?
13.
¿Qué es un diferencial? ¿Para qué se utiliza?
14.
¿Qué es un disyuntor magnetotérmico? ¿Qué funciones integra?
15.
Indica qué tipos de esquemas eléctricos se emplean en función del número de hilos que se dibujan y del número de elementos que se representan para cada dispositivo.
16.
Indica qué tipos de esquemas eléctricos se utilizan para describir los circuitos de los automatismos en función de cómo se dibujan los circuitos de mando y potencia, ¿Qué tipo es el recomendable? ¿Por qué?
17.
¿Qué estrategia se sigue para evitar de forma eléctrica que un contactar pueda activarse mientras funciona otro?
18.
¿Qué estrategia se sigue para permitir de forma eléctrica que un contactar sólo pueda activarse cuando esté activado otro?
19.
¿Cómo se garantiza mecánicamente el enclavamiento para evitar que dos contactares puedan activarse a la vez? ¿Cómo se indica en un esquema eléctrico?
20.
¿Cuál es el motivo de realizar el arranque estrella-triángulo? ¿Qué precauciones deben seguirse?
21.
¿Cómo se realiza la inversión de giro en un motor de inducción trifásico?
22.
¿Por qué la corriente de arranque siempre es mayor que la corriente nominal de un motor eléctrico?
2). ¿Cómo puede invertirse el sentido de g iro de un motor de CC?
24.
¿Qué diferencia existe entre los arrancadores y los variadores de velocidad electrónicos para motores de CA?
25.
¿Qué tipos de protecciones deben incluir siempre las instalaciones con motores?
Unidad didáctica 3
Apli(a(iones (on autómatas programables
¿Qué aprenderemos? o
Qué es un autómata programable y cuál es su constitución intema . Qué tipo de elementos se pueden conectar a él y qué tipo de procesos puede controlar. Cuáles son los lenguajes de programación más habituales. Cómo se ejecuta un programa en un autómata. Cómo deben escribirse los programas para controlar aplicaciones sencillas. Cuáles son los aspectos básicos de su instalación y mantenimiento.
Un idad didáctica 3. Aplicaciones con autómatas programables
La aparidón de los autómatas programables ¿Cómo se automatizaba antes? Antes de la aparición del primer autómata, todos los automatismos estaban construidos con relés electromagnéticos y con cableados fijos entre ellos que definían la acción de control que realizaban. Esta forma de realizar los automatismos se sigue utilizando para aplicaciones sencillas que no precisan modificaciones. Cuando había que automatizar procesos industriales de media y alta complejidad, esta forma de resolver los automatismos resultaba costosa en tiempo y dinero tanto en el momento del diseño y la puesta en marcha como en los costes de reparación o modificación. Concretando, estos inconvenientes eran los siguientes:
O
Poca flexibilidad: cualquier cambio suponía una variación importante en el cableado.
O
Coste de mantenimiento elevado: al estar limitada la vida útil de los relés a un determinado número de maniobras, debía tenerse un detal lado plan de mantenimiento preventivo. Además, el coste de reparación también era elevado porque se necesitaba mucho tiempo para determinar las averías, con las correspondientes pérdidas de horas de funcionamiento de las máquinas y, por tanto, de producción .
• :.:.10
El primer autómata programable
En 1968, el fabricante de automóviles norteamericano General Motors consideró que sería muy interesante disponer de un equipo electrónico programable o configurable con la misma robustez que los relés, pero más fiable y versátil que éstos. Este equipo debería permitir establecer cualquier automatismo y tener, así, una alternativa a los sistemas de relés cableados. Como respuesta a este reto de General Motors, la empresa Bedford Associates propuso un controlador digital modular (el MODICON, de "MOdular Digital CONtroler"). El MODICON084 es el primer autómata digital programable que se comercializó a escala mundial. Con un procesador muy básico, era capaz de controlar procesos secuenciales con unas buenas características de robustez, coste, maniobrabil idad, etc. La forma de establecer (programar) las "conexiones intemas" era muy intuitiva para el personal, que estaba acostumbrado a trabajar con relés y con esquemas eléctricos, y dio lugar a lo que hoy se conoce como diagramas de contactos. Como en el interior de los autómatas no había relés físicos (aunque se comportaban como tales), los cambios en las conexiones internas eran muy sencillos y rápidos.
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La aparición de los autómatas o controladores programables (más conocidos por su nombre inglés: PLC, programmable 10gic controllerj supuso una verdadera revolución tecnológica e industrial que permitió redefinir el sector de la automatización.
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............
--
3.1. _ _ __ _• • • • • • • Fig. El OEC POP-8, uno de los primeros autómatas comercia les.
II
Unidad d,daCl,ca 3 Aplicaciones con autómatas programables
La evolución de los autómatas programables En la tabla 3.1 puedes observar, resumidos por décadas, los hechos más relevantes que marcan la evolución de los autómatas programables: . -_____ Ta_bla 3.1. Evolución de los autómatas programables Década de los 70
~
o Los microprocesadores que van apareciendo en esta década se van uti lizando también en los autó,~~~~~,_,
I
Cada fabrican te dota a sus autómatas de posibilidad de comunicación entre au tómatas o con ordenadores. Modicon estableció el sistema Modbus; Allen'Bradley, su sistema Data Highway; Omron, su sistema Sysway, etc. Estos sistemas de comunicación eran incompatibles entre sí. Son capaces de procesar senales analógicas (ya sean de tensión o corriente) además de las digitales. Década de los 80
Los autómatas reducen sus dimensiones con forme au menta la capacidad de integración de los circuitos elec' trónicos . o Aparece la programación simbólica a través del ordenador. Hasta ese momento la programación sólo se realizaba mediante consolas especificas de programación para cada modelo y fabricante. La programación simbólica supone un gran avance hacia la estandarización en la programación de los autómatas.
Década de los 90
Los fabricantes incorporan a los autómatas los estándares de programación, de modo que prácticamente to· 1 dos uti lizan el estándar lEC 6113 1. o También se les comienzan a incorporar, de forma progresiva, estándares de co mu nicación que posibil itan sistemas industriales abiertos en los que es posible la comun icación con autómatas de otras marcas. Se producen numerosas fusiones y absorciones entre empresas fabricantes de PLe que, en muchos casos, pasan a formar parte de grupos internacionales de empresas. Esto mejora los precios, las prestaciones y la transportabilidad de las aplicaciones de unos au tómatas a otros.
En la actualidad
Los PLCde los diferentes fa bricantes se pa recen mucho los unos a los otros y es dificil hallar diferencias no· tables dentro de una misma gama de ca lidad y prestaciones. Cada dia se avanza más en el camino de la conectividad mediante Internet, de modo que desde cualquier punto se pueda acceder al autómata y disponer de toda la información que contenga. Actualmente es común encontrar en las empresas redes de autóma tas controladas por uno o más ordenadores.
l
El avance hasta la fecha ha sido tan importante que se ha producido un cambio importante en la forma de organizar la producción. Si pocos años atrás los procesos de producción estaban condicionados por las prestaciones de los autómatas o controladores, hoy en día las formas de producción imponen cómo deben ser los controladores. Cada vez quedan menos barreras tecnológicas por vencer y la tecnología actual permite dar cumplimiento a cualquier estrategia de fábrica, de organ ización de la producción o de la producción misma de cada máquina.
Actividades 1. Busca información sobre el primer autómata, el MODICON-084.
2. Busca en Internet fabricantes de autómatas. Confecciona una lista con 15 de ellos intentando ordenarlos en función de su importancia.
l.
Busca una definición de protocolo de comunicaciones. Apúntala y, a continuación, explica con tus propias palabras qué es.
Unidad didactica 3. Aplicaciones con autómatas programables
La estructura de los autómatas Los autómatas programables poseen una estructura interna muy similar entre ellos y, aunque su aspecto externo pueda ser diferente, podemos decir que son bastante parecidos. Los podemos agrupar en dos grandes grupos: PLC compactos y PLC
modulares. Existen, así mismo, algunos modelos compactos muy pequeños y con unas cuantas funciones básicas que se conocen como microautómatas, microPLC o, a veces, también como relés programables.
La estrudura interna Aunque el autómata puede verse como una "caja negra" con entradas y salidas para interaccionar con el mundo exterior, conviene acercarnos a su estructura interna, lo que nos permitirá entender mejor sus prestaciones para controlar procesos y máquinas. Todos los autómatas llevan en su interior los siguientes bloques funcionales que están interconectados a través del microprocesador (figura 3.2): O
Fig. 3.2. Elementos que forman la estructura interna de un autómata.
Un microprocesador (o más). Constituye el cerebro del autómata. t.ste lee y ejecuta las secuencias del programa que reside en la memoria, de forma que, en función de los valores de las entradas, calcula los valores de salida. Además, permite operaciones adicionales, como la actualización continua de temporizadores y contadores intemos, el autodiagnóstico de todo el sistema para detectar posibles fallos de funcionamiento, etc. O
i
{}---i}Fuente de alimentación
Entrada/Salida
Memoria
J I
Microprocesador
I
PLC
I I
.1
I
Comunicaciones
~
~
Desde el punto de vista de retención de los datos grabados, la memoria puede ser volátil o no volátil. La primera pierde la información en ausencia de tensión de alimentación, mientras que la segunda, no.
J
I
,
Control de expansión
~
~
O
La memoria. Está formada por distintos componentes que constituyen un único bloque; nos permite almacenar el programa de usuario mediante algún sistema de programación (por ejemplo, mediante una consola de programación o un ordenador personal).
,
O
El bloque de comunicaciones. Permite comunicar al autómata con el mundo exterior para programarlo, para acceder a sus datos internos (valores en memoria, valores de contadores y temporizadores, etc.) o bien para intercomunicar diferentes autómatas entre sí.
La entrada-salida. La forman el conjunto de elementos que permiten al autómata conectarse con el proceso que hay que controlar. Existen diferentes tipos de entradas-salidas, como verás más adelante, pero siempre con aislamiento óptico. Este tipo de aislamiento es necesario porque nos permite proteger la electrónica interior del autómata del proceso al que debe conectarse. El control de expansión. Permite la conexión del autómata con otros módulos para ampliar sus prestaciones. Es el interlocutor entre el autómata y el módulo o módulos añadidos. Los microautómatas y algunos autómatas compactos pequeños no disponen de control de expansión.
Aparte de estos bloques, todo autómata necesitará una f uente de alimentación que suministre la energía para su funcionamiento, adecuando la tensión de red a las condiciones de tensión (normalmente 24 voltios de CC) y corriente necesarias.
Unidad drdac!tcd l
Aplicaciones con autómatas programables
----------------------~
La estructura externa Como hemos dicho, los autómatas se pueden clasificar en dos grupos: los compactos y los modulares. Para los modulares se utilizan dos formas constructivas diferentes: la europea y la americana.
Autómatas compactos Los autómatas compactos son aquéllos en que todos los elementos de su estructura interna está n alojados en único habitáculo o caja.
fi9 · 3.3. Autómata compacto CPM1A de Omron.
Los autómatas compactos corresponden a las gamas bajas de los distintos fabricantes y se caracterizan por:
O
Un coste relativamente económico.
O
La mayoría de los modelos compactos disponen únicamente de entradas y salidas digitales en un número no superior a 16 entradas y 16 salidas. Excepcionalmente, algunos modelos pueden tener una o dos entradas analógicas.
O
Disponen de la fuente de alimentación integrada, lo que permite conectarlos directamente a la red eléctrica .
O
Así mismo, disponen de un conjunto suficiente de instrucciones, temporizadores y contadores intemos, que permiten la programación del autómata para el control de instalaciones y/o máquinas de poca complejidad.
Los autómatas compactos a veces se pueden expandir aumentando sus prestaciones.
Autómatas modulares Los autómatas modulares son aquéllos en que todos los elementos de su estructura interna están distribuidos en diferentes habitáculos o cajas, llamados módulos.
fig . 3.4. Autómata modular CQMl de Omron, con estructura europea.
Los autómatas modulares corresponden a las gamas medias y altas de los distintos fabricantes y aportan una mayor flexibi lidad en el control de procesos, máquinas e instalaciones, ya que son configurables tanto en tamaño como en prestaciones. Se caracterizan por los siguientes aspectos: Son más caros y voluminosos que los compactos. Permiten adaptarse al tamaño de la instalación o al proceso que controlan mediante el acoplamiento de más módulos de entradas y salidas. Esto facilita posibles ampliaciones o modificaciones de las instalaciones. Nos permiten disponer de un gran número de entradas y salidas digitales y analógicas, si son necesarias.
fi9·3.5 . Autómata modular TSX Premium de Modicon-Telemecanique de estructura europea.
Los módulos se interconectan unos con otros y forman un sistema conjunto que se sustenta sobre un carril DIN normalizado . La conexión entre módulos puede ser módulo a módulo o sobre un bastidor común (denominado rack). En función de la forma constructiva los podernos clasificar así:
O
De estructura europea . La fuente de alimentación constituye un módulo independiente. El procesador, la memoria y los controles básicos para la programación (comunicaciones con consolas o PC) constituyen otro módulo, que se acostumbra a llamar CPU (siglas, en inglés, de "Unidad de Control de Procesos"). Las entradas y salidas digitales y analógicas constituyen módulos independientes, de forma que podemos disponer sólo de entradas digitales o de salidas digitales, o de entradas analógicas, etc. Son de estructura europea los autómatas de las figu ras
3.4 y 3.5.
Unidad dldatllc 3 Aplicaciones con autómatas programables
o
De estructura americana. Esta forma constructiva es la que emplean también algunos fabricantes japoneses, y se caracteriza por separar las entradas y las salidas (en módulos independientes) del módulo principal que contiene la fuente de alimentación y la CPU (procesador, memoria y comunicaciones). Puedes observar un autómata con esta estructura en la figura 3.6.
-
- -----
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Unidad didáctica 3. Aplicaciones con autómatas programables
Tipos de memoria para almacenar el programa de usuario Debe ser una memoria que permita la reescritura de forma que podamos borrarla y volverla a grabar en función de modificaciones del proceso que haya que controlar o para solucionar posibles errores. Las soluciones más habituales en los PLC comerciales son las siguientes:
O Circuitos integrados de tipo RAM. Permiten la escritura, la lectura y el borrado sin problema tantas veces como se desee. No obstante, en ausencia de la alimentación se pierde toda la información. Por este motivo siempre se acompaña de una batería tampón que permite salvaguardar la información cuando se produce una desconexión o fallo de la alimentación. Es una solución cada día menos utilizada.
O Circuitos integrados de tipo FLASH. Es la solución que cada vez se implementa con más frecuencia, puesto que permite un elevado número de ciclos de reescritura y se trata de una tecnología muy modema y madura. No se pierde la información en ausencia de la alimentación.
Compartimentación de la memoria para datos del proceso La memoria interna queda dividida en distintas áreas o zonas (figura 3.8), donde se almacenan datos de diferentes tipos. Las zonas de memoria destinadas a almacenar datos del proceso son las siguientes:
O Zonas de almacenamiento de variables internas o señales de un solo bit. tstas son, principalmente:
o Los relés internos comunes . Por ejemplo, disponibles para marcas de programa (variables internas de un solo bit).
Los relés internos especiales y auxiliares. Disponibles para, entre otras funciones, marcas intemas que conservan su valor incluso con falta de alimentación del PLC, enclavamientos, básculas, etc. o Los indicadores (denominados en inglés flags). Señalizan situaciones internas, bases de tiempo, bits de acarreo, etc., o algún posible error o alarma en el funcionamiento del autómata.
¡Importa nt e! Aunque realmente en memoria se trata con bits, en el argot se sigue hablando de relé o de contacto. Así pues, puedes asociar que un bit a "1 " indica un relé excitado o un contacto cerrado, o que un bit a "0" indica un relé desactivado o un contacto abierto, en lógica positiva. En lógica negativa, un "1" señala relé desactivado o un contacto abierto, mientras que un "0" se refiere a un relé activado o un contacto cerrado.
O Zonas de almacenamiento de datos de varios bits (8 o más bits). Esta información corresponde principalmente a:
o Temporizadores y/ o contadores. ~ Registros de uso general. Por ejemplo, para almacenar en ellos operandos y resultados en operaciones aritméticas y lógicas de varios bits, así como para almacenar señales de entrada analógicas que han sido digitalizadas por los convertidores analógico-digitales (Al O), etc.
O Memoria con las tablas de imagen de las entradas y las salidas. Las señales que provienen del proceso se introducen al autómata por las entradas físicas (bornes de conexión) y se guardan en una zona de la memoria imagen de entrada-salida; la CPU puede acceder a los valores lógicos de las entradas y salidas mediante estas tablas. De la misma forma, las acciones de control que la CPU genera también se almacenan en la memoria imagen antes de que sean aplicadas a los bomes de salida. Este proceso de lectura y escritura de la memoria imagen por parte de la CPU para acceder a las entradas y salidas se efectúa cada vez que el programa de usuario se ejecuta.
Unidad dldactica 3. Aplicaciones con autómatas programables
La ejecución de programas y el ciclo de exploración El programa d e usuario se ejecuta d entro de lo que se denomina cido de exploración o cido de sean . El tiempo de ejecución del p rograma de usuario no puede exceder del ti empo del ci cl o de scan. El ciclo de exploración del autómata consiste en:
O
La ejecución de procesos comunes: el autómata comprueba que las tensiones internas sean correctas, verifica que no se exceda del tiempo máximo de ejecución, comprueba la integridad de las memorias y de su contenido, etc.
O
La lectura de las variables físícas de entrada : se leen las variables físicas presentes en los bornes de entrada del autómata y se guarda su estado en la memoria imagen de entrada.
O
La ejecución del programa de usuario: se atiende al valor de contadores, marcas internas, temporizadores, registros, etc., así como a las instrucciones almacenadas correspondientes al programa de usuario. La ejecución es secuencial.
O
La escrítura de las varía bies del programa de usuarío en las salídas: se escriben las variables de salida en la tabla imagen de salida que se reflejan en los bornes de salida del autómata.
Procesos comunes
Copia en los bomes
lectura de los bomes de entrada
de salida de los valores de la
tabla de salida
Escritura en la tabla imagen de salida
Escritura en la tabla imagen
de entrada
Ejecución del programa
El tiempo que un autómata tarda en realizar dicho ciclo completo es variable y depende, en gran parte, de las dimensiones del programa de usuario, del número de entradas y salidas que se utilicen y de su naturaleza. En cualquier caso, existen autómatas relativamente lentos que tienen un tiempo máximo de ciclo de 100 milisegundos. Otros autómatas, sin embargo, resuelven este ciclo en tiempos del orden de microsegundos.
de usuario
Fig. 3.9. Elementos que intervienen en el ciclo de sean o de exploración.
Actividades 4. Busca en Internet fabricantes de microautómatas. Puede que los encuent res t ambién con la denominación de relés programables. Elabora una lista con 10 de el los y compara su cantidad d e ent radas y sal idas.
5.
Investiga qué son las memorias de tipo ROM y de tipo RAM. Para las diferentes varia ntes de cada tipo, prepara una tabla en la que se comparen las características siguientes: posibilidad de escritura y lectura, posibilidad de borrado, permanencia de los datos.
6.
Busca en Internet información sobre la famil ia de autómatas de 5iemens 57-200 y resp ond e a las siguientes preguntas: ¿es un autómata compacto o modular?, ¿se puede expa ndir? Indica las d iferentes CPU disponibles y, para cada una de ellas, la capacidad de memoria y el t iempo del cicl o de exploración.
7.
Busca en Internet información sobre la familia de autómatas de 5iemens 57-300. ¿Es un autómata compacto o modular?
8.
Indica las principales características del autómata que tengas d isponible en tu instituto.
l.
Unidad
dldatllc~
l Aplicaciones con autómatas programables
----------------------~
Las entradas y salidas Autómata Entradas
Salidas
Maquina o proceso controlado
Fig.3.10. l as entradas y las salidas permiten la conexión del autómata con el mundo exterior.
Aspectos generales de las entradas y salidas El autómata se comunica con el mundo exterior mediante las entradas y las salidas. Estas entradas y salidas tienen unos bornes para la conexión de los cables que transportan la información procedente del sistema controlado y para el transporte de la infonmación hacia el mismo. Tanto las entradas como las salidas se consideran interfaces del autómata (enlaces entre el interior y el exterior) encargadas de varias funciones: Adaptan los niveles de tensión o corriente de la señal de entrada, procedente de los captadores, a los niveles internos de trabajo del autómata. Esta adaptación incluye el filtrado del posible ruido eléctrico que puedan contener las señales. O Codifican esta señal para que la CPU la pueda procesar correctamente. De fonma similar, las interfaces de salida se encargan de: Decodificar la información que proviene de la memoria imagen de salida. O Adaptar los niveles de tensión o corriente de dicha señal.
Número de entradas y salidas La cantidad de entradas y salidas que tiene un autómata es relativamente pequeña en el caso de los modelos compactos y puede llegar a ser muy elevada en los modulares. Para que te hagas una idea, en función de si el autómata es de garna: Baja, hasta 128 entradas y salidas. O Media, entre 128 y 512 entradas y salidas. O Alta, a partir de 512 entradas y salidas.
Tipos de señales o de información en las entradas o las salidas La información presente en las entradas y salidas del autómata puede ser: Fig. 3.11 . l os módulos de entradas y salidas son similares y consisten en una regleta de bornes Que permite conectar el autómata con el mundo exterior.
Digital. Solamente puede tomar dos valores, que corresponden a presencia o ausencia: no hay tensión o sí que la hay, no corriente o corriente, está cerrado o abierto, etc. Normalmente, se presenta al autómata o sale de él en fonma de una tensión de O V o de 24 V que puede representar, respectivamente, presencia o ausencia, o viceversa, según si se opera con lógica positiva o negativa. O Analógica. Está comprendida entre un valor mínimo y uno máximo; representa la cantidad de una determinada magnitud, como puede ser la temperatura, la humedad, lo cerca o lo lejos que se tiene un elemento, la posición de algo, etc. Normalmente, se presenta a las entradas del autómata o sale por sus salidas en forma de una tensión comprendida entre OV Y5 V de CC, o una corriente de O a 20 mA o de 4 a 20 mA (en este último caso se puede diferenciar si se ha roto el cable o si realmente la magnitud es nula). O Especial. Se trata de señales pulsantes de elevada frecuencia que el autómata no podría procesar por sus entradas convencionales porque el ciclo de scan es demasiado largo, o bien información procedente de codificadores y que es entregada al autómata o que éste genera en forma de códigos de varios bits en formatos, velocidades o códigos especiales.
UOlda~
didactica 3 Aplicaciones con autómatas programables
Entradas digitales Fig.3.12. los módulos de entradas son todos parecidos, con un filtro y una separación óptica de protección.
Las entradas digitales son aquéllas por las que el autómata se conecta al mundo exterior para recoger información digital. Su estado se refleja, a cada ciclo de sean, en la tabla de imagen de las entradas. En la figura 3. 12 puede observarse la estructura intema de una entrada digital. Todas disponen habitualmente de los siguientes bloques (los componentes electrónicos que aparecen los estudiarás en el crédito de electrotecnia):
o
Filtros: eliminan el ruido eléctrico que la señal conectada a la entrada pueda contener.
-t!;=J-O
Filtro pasa-bajar' _ _ O:, pto~ac::o:!:pt~ad~o~r
Indicador de estado de la entrada: un LED nos permite visualizar el estado de la entrada.
~I Bomes del
I I
Señal lógica
autómata
interna
-----...... I
t-l::±:J-i:==±:!i~~~ I
Protecciones: un diodo, por ejemplo.
Protecciones
LEO indicador
del estado
1 ______ - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
O
Optoacopladores: se traspasa la información o señal de forma óptica mediante el conjunto emisor (LED) y receptor (fototransistor). Al otro lado del optoacoplador, el fototransistor entrega la señal lógica a la parte intema del autómata para que sea almacenada en la tabla de imagen de las entradas.
Existen diferentes tipos de entrada digitales en función de si la señal de entrada es alterna o bien continua. En cualquier caso, si se trata de entradas digitales, siempre son entradas de tensión. Comercialmente, los modelos modulares tienen módulos con 8, 16 Y hasta 32 entradas. En el caso de 8 y 16 entradas se conectan directamente con terminales de tipo Faston. Este tipo de conexión es el que acostumbran a utilizar todos los módulos de los autómatas, ya sean analógicos, digitales o especiales. Cuando se trata de módulos de 32 entradas, no es posible utilizar este tipo de conexiones y se usan conectores multiterminales planos y dobles, tal como se puede ver en la figura 3.14.
MODE
Fig.3.13. la conexión con los módulos de los autómatas se suele efectuar mediante terminales de tipo faston.
Fig. 3.14. l a conexión con los módulos de mas de 16 entradas se realiza mediante conectores multiterminal.
,:
Unidad dldactica 3 Aplicaciones con autómatas programables
Entradas analógicas Se denominan entradas analógicas aquéllas por las que el autómata se conecta al mundo exterior para recoger información analógica. Su valor debe convertirse en una palab ra binaria para que el autómata lo pueda procesar. Un convertidor analógico-digital sirve para expresar en código binario (normalmente de 12 bits) un valor de tensión analógica en un tiempo de conversión relativamente rápido. Las entradas analógicas son más propias de los autómatas modulares que de los compactos, de modo que existen módulos dedicados a dichas magnitudes que incorporan, normalmente, dos o cuatro entradas analógicas en forma de tensión o corriente con diferentes rangos: en tensión continua es habitual poder operar en los rangos de O V a 5 V, de O Va l O V o de -5 V a +5 V, mientras que en corriente se acostumbra a operar entre O y 20 mA o 4 y 20 mA. En la figura 3.15 puede observarse la constitución interna de un módulo de entradas analógicas. Las entradas analógicas disponen habitualmente de los siguientes bloques:
O
Un multiplexor, que es un componente que conmuta las diferentes entradas a este único convertidor analógico-digital. Esta conmutación es muy rápida, de manera que en un ciclo de sean todas pueden pasar al convertidor.
O
Un amplificador que permite adecuar los niveles analógicos de entrada al fondo de escala del convertidor. Un convertidor analógico-digital.
O
Optoacopladores . Observa que existe una separación óptica entre todos los elementos internos del autómata y los que hacen referencia al exterior del mismo.
O
Una CPU propia que gestiona todo el proceso de adquisición de las señales para entregar a la CPU del autómata los códigos binarios de las conversiones.
Finalmente, la alimentación de estos módulos puede ser externa o estar incorporada en el módulo.
Rack-Bus
El
E2
E3
E4
{ { { {
Interface al bus
+Entrada de tensión
+Entrada de coriente -Entrada
[>
+Entrada de tensión +Entrada de coriente
-Entrada +Entrada de tensión
Optoacopladores
Multi-
C--C:::r--I plexor
Selección de rango
+Entrada de coriente -Entrada +Entrada de tensión
Alimentación analógica
+Entrada de coriente -Entrada
Fig. 3.15. Diagrama de bloques del interior de un módulo de 4 entradas analógicas, el CQM 1-AD041 de Omron.
Unidad didáctica 3. Aplicac iones con autómatas programables
l'
Salidas digitales Las salidas digitales son aquéllas por las que el autómata se conecta al mu ndo exterior para entregar información digital. Su estado se refleja en los terminales de salida en ca da ciclo de sean y es una copia de la tabla imagen de las salidas. En los modelos compactos acostumbran a ser las que están conectadas a los bornes externos del autómata y las que permiten conectarlo al mundo exterior. Las salidas digitales pueden estar construidas mediante:
Fig. 3.16. Módulo de salida con salidas a relé con contactos libres de tensión, que pueden conectarse a cualquier carga polari zando por fuera del autómata.
O
Relés electromagnéticos.
O
Transistores.
O
Relés de estado sólido (tiristores o triacs).
Salidas a relé electromagnéti(o
Bornes de conexión de salidas
Salidas con
Salidas
Si se trata de salidas a relé, acostumbran a ser contactos libres de tensión con una corriente nominal máxima de 1 A Y 250 V de tensión alterna. Las cargas que se pueden conectar a estas salidas son de cualquier tipo (con el límite de potencia que corresponda) y su alimentación es externa al autómata en cualquier caso. Es posible que va rios contactos compartan un punto común o que sean completamente independientes (figura 3.16). En los modelos compactos se pueden tener desde 6 salidas, en el caso de los microautómatas, hasta 16 o 24, en el caso de los mayores. Si se trata de autómatas modulares, se dispone de módulos de 8, 12 o 16 salidas. En muchos modelos los bornes o terminales de salida son de tipo Faston. La figura 3.17 muestra los bloques de una salida a relé .
.--f==:;--¡
Circuito driver
para relé
Indicador óptico de la salida
I
señalló:g~iCa~~=t-~!f:~~h-1! interna
:::
Relé de salida
I I
........DI~-+h
~ Bomes conexión
Optoacopla-
Fig.3.17.
______ salida
do,
Electrónica habitual asociada a una salida a relé.
Salidas analógicas Las salidas analógicas son aqué llas por las que el autómata se conecta al mundo exterior p ara entregar información ana lógica. En cada ciclo de sean, esta información, que está almacenada en la memoria de la tabla de imagen de las salidas en forma de número binario, se convierte en analógica y se aplica a los bornes o terminales correspondientes. De esta conversión se encarga un convertidor digital-analógico. tste, para cada código binario de salida (acostumbra a ser de 12 bits), nos proporciona un nivel equivalente de tensión o corriente, empleando para ello muy poco tiempo (es casi inmediato). Así pues, es habitual poder operar en rangos de tensión continua de O Va 5 V, de OV a 10 Vade -5 V a +5 V, mientras que en corriente se acostumbra a operar entre Oy 20 mA o bien 4 y 20 mA.
Unidad didactlCa 3. Aplicaciones con autómatas programables
Los valores analógicos que los autómatas presentan a sus salidas suelen ser consignas para reguladores externos, tensiones o corrientes para controlar válvulas motorizadas, etc. Las salidas analógicas son más propias de los autómatas modulares que de los compactos; de hecho, existen módulos dedicados a estas magnitudes que incorporan, normalmente, dos o cuatro salidas digitales en forma de tensión, de corriente o de ambas, según se configure el módulo en cuestión. Fig. 3.18. Diagrama de bloques del interior de un módulo de 2 salidas analógicas, el CQM 1DA021 de Omron.
La figura 3.18 presenta el diagrama de bloques de un módulo de dos salidas analógicas. Observa que tiene un convertidor digital-analógico para cada salida y, también, que hay una separación óptica entre el interior del autómata y las salidas físicas que se conectan al mundo exterior.
Rack-Bus
Interface al bus
Selectores
Optoacopladores
Optoacopladores
Memoria
1[9+
Salida 1
f[>b:
Salida 2
~ diferencial
Selección de rango
Optoacopladores
DClDC
Memoria
~ diferencial
Alimentación analógica
Módulos especiales Son módulos que gestionan entradas y/o salidas especiales que no se pueden considerar digitales por ser de más de un bit o por ser códigos, o para dar o recibir, en general, información especial. Hay muchos tipos diferentes, pero a modo de ejemplo tenemos los siguientes:
O
Módulos de visualización.
O
Generadores o salidas de pulsos.
O
Controladores especiales de temperatura.
O
Reguladores PID.
O
Detectores/comparadores de umbral analógico.
O
Interfaces adaptadoras de señales.
O
Entradas de frecuencímetros. Entradas para teclados.
O
Entradas para módulos de operador (interfaces humano-máquina, HMI).
Unidad didac!icJ 3. Aplicaciones con autómatas programables
Ejemplo 3.1. ¿Qué tipo de módulo de entrada utilizarías pa ra conectar un final de carrera?, ¿puedes hacer un esquema eléctrico representando cómo lo conectarlas?
0.0
Solución:
00
Un final de carrera es un simple contacto libre de tensión y, por tanto, puede utilizarse con cualquier tipo de módulo de entrada, ya sea de continua o de altema. No obstante, es un elemento que permite el paso de la corriente o lo impide según esté accionado (cerrado) o no (abierto) y, en consecuencia, dicho módulo de entrada debería ser digital.
.. --0.1
PLC
... ---;' .'--
0.2
0.3
24 V
Com
+
Final de carrera
Fig, 3.19, Conexión de un fi nal de carrera a las entradas de un PLC
Con respecto a cómo hay que conectar un final de carrera a un módulo de entrada digital, fijate en el esquema de la figura 3.19. Se ha utilizado, para el ejemplo, un módulo con 4 entradas digitales de corriente continua a 24 V. Estos autómatas acostumbran a incorporar una pequeña fuente auxiliar para alimentar a este tipo de sensores pasivos.
Actividades 9.
Elabora una lista con elementos de tu casa que podrías conectar como entradas de un autómata, como por ejemplo el interruptor de la luz del comedor o el term ostato de la ca lefacción. Indica, en cada caso, si se trata de una magnitud analógica o digital.
10.
Repite la actividad anterior, pero ahora con elementos que p od rías conectar como salidas d e un autómata, como por ejemplo un secador de pelo o el televisor. Se trata de que identifiques entradas y salidas, no de que pienses en conectar o desconectar nada físi camente, aunque tengas un autómata.
11.
Indica el número y el tipo de entradas y salidas del autómata q ue tengas en tu centro. Así mismo, di si es posible ampliarlas con módulos de expansión.
12.
En cuanto al autómata de Siemens 57-200 con CPU 214, ind ica el número y el t ipo de entradas y salidas de que dispone.
Instalación del autómata ¡I mporta nte ! Aparte de estas normas generales, los fabricantes especifican toda una serie de valores máximos para el autómata que deben respetarse. Por ejemplo, el nivel máximo de vibraciones, su acel era ci ón máxima, la resisten cia mecánica a golpes, etc., todo ello para el correcto funcionamiento
del autómata. El técnico que lo instala en el cuadro debe considerar esta información por si pudiera condicionar la ubicación en el armario eléctrico.
Los autómatas, tanto los modu lares como los compactos, se instalan en el interior de armarios o en cuadros eléctricos, ya sea sobre carriles DIN o bien directamente sobre los armarios mediante soportes atornillados.
Disposición en un cuadro eléctrico No hay una situación preferente del autómata dentro del cuadro eléctrico y ello depende, entre otras cosas, de los demás automatismos y elementos que compartan con él dicho cuadro. Como normas generales podemos indicar lo siguiente:
O
Si hay elementos que disipan calor, es interesante tenerlos por encima del autómata para que la temperatura que generan (el aire caliente asciende) no lo caliente por encima de su temperatura de trabajo (normalmente comprendida entre los OOC y los 55 OC).
O
El cuadro donde se ubica el autómata no debe condensar la humedad y ésta debe estar comprendida entre el 30 y el 95%.
O
Es interesante que el autómata, puesto que de él salen una notable cantidad de conexiones, esté cerca de las reg letas de bornes que le van a comunicar con el exterior del armario y tenga próxima la fuente de alimentación para que los cables no deban ser innecesariamente largos.
Unidad didactlca 3. Aplicaciones con autómatas programables
Montaje y desmontaje de módulos Los módulos del autómata pueden montarse en carriles de tipo DfN estándar de 35 x 7,5 mm conforme a la norma EN 50022 (véase la figura 3.20) o sobre bastidores específicos del mismo fabricante del autómata. Tanto los carriles DIN como los bastidores deben fijarse (normalmente mediante tomillos) a los paneles de los cuadros eléctricos. En cualquier caso, siempre se instalarán de forma horizontal.
Montaje sobre (arril DIN Los autómatas que vienen preparados para su montaje en carri les DIN llevan una pestaña en su pa rte superior o inferior pa ra poder abrir el elemento que lo va a sujetar sobre el carril. Esta pestaña puede ser con muelle o a presión y, en cualquier caso, se debe asegurar que la sujeción sea firme. Con la ayuda de un destomillador, debe accionarse la pestaña por la ranura que acostumbra a incorporar. En la figura 3.21 pueden observarse los distintos pasos de esta operación.
Fig. 3.20. Carril DIN.
Fig. 3.21 . Pasos en el montaje sobre carril DIN: a) l ocalizar la pestaña de sujeción. b) Accionar la pestaña con la ayuda de un destornillador para abrirla y liberar la zona posterior de fijación. c) Fijar la parte superior del módulo al carril DIN. d) Fijar la parte inferior del módulo y soltar el destornillador o ajustar la pestaña para asegurar la fijación.
b)
a)
e)
d)
Destomillador
-
'-
,
Pestaña
' - panel
Para evitar que el autómata se desplace lateralmente sobre el carril DIN deben colocarse topes laterales.
Módulo 1
Módulo 2
En el caso de autómatas modulares, cada módulo se monta encima del carril DIN al lado del módulo anterior hasta completar todos los módulos. Las conexiones entre módulo y módulo, dependiendo del fabricante, pueden ser mediante un cable que los enlaza unos con otros o mediante un conector lateral, tal como muestra la figura 3.22.
Montaje sobre bastidor o rack
Fig.3.22.
Interconexión lateral de módulos.
Otros autómatas vienen preparados pa ra su instalación en un bastidor de fondo, q ue se acostumbra a denominar rack y que contiene el bus que comparten los diferentes módulos. En este caso, los módulos utilizan un conector posterior que permite su fijación al bastidor. Para ampliar el número de módulos se emplean varios bastidores, q ue se conectan unos a otros mediante cables de conexión . Observa en la figu ra 3.23 el aspecto de dos autómatas modulares, uno fijado sobre carril DI N y con conexiones entre módulos uti lizando conectores laterales, y otro fijado sobre bastidores y con conexiones sobre este mismo bastidor.
Precauciones en el montaje Cuando los autómatas se montan en cuadros eléctricos, deben seguirse las normas básicas y distancias mínimas de montaje que cada fabricante recomienda en su manual.
Unidad didactica 3. Aplicaciones con autómatas programables
En los modelos compactos es habitual dejar entre 2 y 4 cm alrededor de los laterales del autómata y entre 4 y 10 cm en la parte superior e inferior, puesto que es donde normalmente están los bornes de conexión de la alimentación, de las entradas y de las salidas. CarrilD1N
Bastidor o rack bus
Conexión entre
bastidores
Posición (slot) libre
Es importante dejar esta distancia en relación con las canaletas de cableado para garantizar la cómoda conexión de los terrninales. La distancia con respecto a la tapa del armario que aloje al autómata acostumbra a ser de entre 5 y 10 cm como mínimo. En los autómatas modulares, dado que las regletas de bornes acostumbran a ser verticales, las distancias de seguridad son parecidas a las de los compactos, pero teniendo en cuenta que necesitan muchos más conductores para las señales de entrada y de salida. Finalmente, debemos señalar la importancia de disponer de un espacio suficiente alrededor de todo el autómata que permita una circulación natural de aire y, por lo tanto, su ventilación, ya sea natural o forzada.
fig. 3.23.
Conexión del autómata
En la parte superi or, un autómata modular fijado a un carril OIN, En la parte inferior, un autómata modular fijado a un bastidor, Puede apreciarse cómo se utiliza la ampliación con vari os bastidores.
En este apartado vamos ver cómo debe conectarse el autómata a los elementos del exterior del mismo, concretamente, cómo se conecta a la alimentación, a las entradas y a las salidas, Para poderse conectar al exterior, los autómatas disponen de regletas de bornes con tornillos que permiten operar tanto con destornilladores planos como con destornilladores de estrella del calibre adecuado, Los cables finalizan con un terminal de tipo Faston para encajarse en los bornes del autómata y, si bien es posible hacer las conexiones sin estos terminales, no es aconsejable, Es importante, en cualquier caso, que los cables que accedan a los módulos del autómata no le creen esfuerzos mecánicos que puedan deteriorarlo. Además, los bornes de los módulos de entradas y salidas son extraíbles del propio módulo a efectos de poder sustituir este último en caso de mal funcionamiento sin tener que reconectar por entero el cableado. Por ello, la disposición de los cables de acceso debe permitir separar la bornera del módulo con comodidad, dejando cierta holgura en el cableado,
Conexión a la alimentación La conexión de la alimentación del autómata depende de si es un modelo que se conecta directamente a 230 V de corriente alterna o si se alimenta a 24 V de corriente directa. Tierra
,
Fase
23QV
Neutro
: -
I
- AC- DC
+ ~
~
-
+ ----.J PLC
-
24V
Fig. 3.24. (anexión de un autómata alimentado en continua.
La figura 3.24 muestra cómo se conecta a la alimentación un autómata que se alimenta a 24 V. En ese caso, debe disponerse de una fuente de alimentación externa que permita obtener la tensión de continua necesaria para poder alimentar al autómata, La normativa especifica que la fuente de alimentación externa ha de proporcionar una tensión de continua comprendida entre 24 V menos un 15% y 24 V más el 20%, Así mismo, es interesante poner a tierra la fuente de alimentación y el autómata mediante un cable de sección no inferior a 1 mm' . Es recomendable que dicha tierra sea única para el autómata o autómatas que intervienen en la instalación y que no sea la misma, en la medida de lo posible, que la que utilicen motores y otros sistemas de potencia controlados por el autómata. En cualquier caso, es necesario asegurarse de que la toma de tierra sea de buena calidad.
UOIdad dldattl(' l Apli(aciones con autómatas programables
----------------~ En el supuesto de que se tenga que conectar un autómata que se alimente a la tensión de red (véase la figura 3.25), es muy recomendable hacerlo mediante un transformador separador con relación de transformación 1: 1 (esto es, 230 V en primario y 230 V en secundario) que sea de una potencia algo superior a la que consume el autómata y que tenga un blindaje (una cubierta metálica que cubre los bobinados) que permita ponerlo a tierra para que no genere interferencias electromagnéticas (debidas al fiujo de dispersión, como podrás ver en el crédito de electrotecnia).
Tierra
Neutro
230 V /230 V :
L PLC N f------'
Fig_3.25. (onexión de un autómata alimentado a la red.
Normalmente, la tensión de red nominal que admiten los autómatas a su entrada oscila entre los 100 y los 260 V de altema, de modo que son relativamente insensibles a las variaciones de tensión, puesto que en su interior incorporan una fuente que admite dichas variaciones de entrada sin afectar al rango de tensiones que internamente genera para el autómata. El cable que se uti lice para estas conexiones no debe ser inferior a 1 mm' de sección tanto en los autómatas alimentados en continua como en los alimentados en altema. Debe prestarse especial atención en que dichos cables sean lo más cortos posible.
Ejemplo 3.2 ¿Qué márgenes de alimentación en alterna admite el autómata de la figura 3.25 (el Modicon de la izquierda)? Solución: Si te fijas bien en el dibujo, debajo de los terminales L (linea) y N (neutro) puedes ver la leyenda 100/240 YAC. Es decir, podemos alimentar en alterna entre los 100 YAC Ylos 240 YAC.
(onexión de las entradas La mayoría de los módulos de entrada de los autómatas modulares, y también de algunos compactos, disponen de regletas de conexión enchufa bies. En estos supuestos, en caso de estropearse el módulo se desconecta la regleta de bornes del módulo, se sustituye éste y se vuelve a conectar la regleta al nuevo módulo. En relación con los cables, se recomienda que no superen los 3 metros entre la toma de la señal y el autómata para no tener problemas con caídas de tensión.
La sección de los cables para las entradas digitales no debería ser inferior a 0,5 mm' . Para las entradas analógicas debería operarse con cable apantallado siempre que fuera posible para evitar interferencias electromagnéticas (señales eléctricas generadas por otros circuitos ajenos y que pueden afectar a las de interés).
Unidad didactlca 3 Aplicaciones con autómatas programables
Conexión de entradas en continua Normalmente, las entradas de los autómatas están preparadas para recibir señales de 24 V de continua. Los elementos sensores deberán polarizarse, en algunos casos porque necesiten estar alimentados y en otros porque deban suministrar tensión o asegurar ausencia de tensión a las entradas. Así, es imprescindible tomar la tensión continua de la única fuente disponible, que es la de alimentación. En tal caso, se deberá dimensionar la potencia de esta fuente para poder alimentar no solamente al autómata, sino también a estos elementos conectados a las entradas. Tierra
Neutro
Neutro
AC/DC
--
+ PLC
AC/DC
+ L I-+-I----'CJ--- -230 V /230 V
N
Entradas
+ Fig. 3.26. (onexión de las entradas de un autómata alimentado en continua.
Fig.3.27. (onexión en continua de las entradas de un autómata alimentado en alterna.
Por otra parte, todas las entradas del autómata comparten, normalmente, un punto común, que deberá conectarse al borne negativo de la fuente y será, por lo tanto, la referencia de tensión que cornpartan todas las entradas (en los esquernas indicados con la letra C). En la figura 3.27 puede observarse un autórnata alirnentado en alterna que tiene sus entradas preparadas para continua. En ese caso, necesitaremos una fuente adicional para alimentarlas, que tenga la potencia que los elementos conectados a las entradas precisen. No debe conectarse nunca ningún elemento (y menos esta fuente) al secundario del transformador separador.
Conexión de entradas en alterna La figura 3.28 muestra un autómata alimentado con alterna que tiene sus entradas preparadas también para 230 V de corriente alterna. En ese caso, se conectará el común de las entradas del autómata a una fase de la red y el común de los elementos sensores que se conecten a las entradas lo hará al neutro. Con ello se consigue que, si un operario desemborna la regleta de bornes de la entrada del autómata o bien ésta se desconecta, disminuya notablemente el riesgo de electrocución. No debe conectarse nunca ningún elemento al secundario del transformador separador.
Fig.3.28. (onexión en alterna de las entrad as de un autómata alimentado en alterna.
Unidad didáctica 3. Aplicaciones con autómatas programables
----------------~
Conexión de las salidas Tierra
Fase
1
Neutro
-AC/DC-
C
+
Salidas
i i.1 i
-
(¡)
C
PLC
ce
Para las salidas de continua de un autómata que se alimenta en la conexión debe ser en la misma fuente de alimentación (u otra distinta, pero q ue comparta el borne negativo), por lo que debe di mensionarse adecuadamente considerando no solamente la carga del autómata, sino la suma de cargas q ue se deban alimentar a las salidas. En la figura 3.29 puede verse esta situación.
+r-~
La conexión de las salidas sigue unas pautas similares a la conexión de las entradas, con alg unas salvedades mínimas: si las entradas son todas iguales en cuanto a alimentarse en continua o en alterna, las salidas pueden alimenta rse a tensiones diferentes, sobre todo en el caso de q ue sean salidas a relé.
-
Las sa lidas que se deban conectar a alterna toman como punto común d e la red la fase, mientras que el punto común de los actuadores toma el neutro para ayudar a la seguridad de los operarios que eventualmente trabajen en las salidas o los elementos a ellas conectados, puesto que el neutro no está sometido a tensión. Las sa lidas que se deseen al imentar en continua se conectarán igual, pero tomando la ten sión de una fue nte de al imentación de
Fig. 3.29. Conexión en continua V/ o en alterna de las salidas de un autómata alimentado en continua.
ce.
La figura 3.30 muestra la conexión de las salidas de un autómata alimentado en altema. Debe tenerse especial precaución en no conectar los elementos de salida al secundario del transformador separador, puesto que su función es aislar al autómata y no dar tensión a los actuadores. Además, ello revertiría negativamente en la potencia del mismo.
Tierra
L PLC
Fig. 3.30. Conexión en continua V/o en alterna de las salidas de un autómata alimentado en altern a.
N ~--------------~
Ejemplo 3.3 Dibuja el esquema de conexionado de un detector óptico a un autómata con entradas digitales a 24 V de continua. Solución: Un detector óptico es un dispositivo electrónico que requ iere una alimentación (normalmente de 24 V de continua) y que posee una salida en relación con la alimentación o con la masa en función de si se trata d e una salida a colector abierto de un transistor PN P o NPN . En la figura 3.31 puedes observar la conexión de un detector de este tipo, simbolizado como una simple cajita con tres conductores .
::-
. . .... PLC 0 __ "
24 V 0.0
0.1
0.2
0.3
Com
+
00 Fig. 3.31. Conexión de un detector óptico a una entrada de un PlC.
Unidad didáctica 3. Aplicaciones con autómatas programables
Ejemplo 3.4 Dibuja el esquema de conexionado de un zumbador a un autómata con salidas a relé. Solución: Puesto que se trata de salidas a relé, se tiene libertad de elección de la tensión y la corriente que circule por los contactos de dichos relés mientras no se superen los limites de tensión y corriente máxima, que acostumbran a tener un valor de unos 250 V de alterna y 1 A. Podemos suponer que el zumbador es el típico avisador acústico que opera a 230 V Y que tiene un consumo relativamente bajo. La figura 3.32 muestra la conexión de este zumbador a una salida de un PLC. Se ha considerado un PLC con cuatro salidas que comparten un punto común, como puede verse en la parte de la conexión interior del autómata, a la que no tenemos acceso pero que debemos conocer para poder hacer la conexión. Saber cómo están dispuestos internamente los contactos de las salidas es imprescindible para poder realizar el conexionado exterior de forma correcta.
Fig. 3.32. (onexión de un zumbador a una sa lida de un PLC.
Attividades 13.
Considera que tienes un autómata y que debes conectar a sus entradas un final de carrera conmutado, un pulsador normalmente abierto, un pulsador normalmente cerrado y un detector inductivo. Dibuja el esquema de estas conexiones para un autómata que se alimente con continua d e 24 V Y en el que sus entradas sean, también, de esta tensión.
14.
Supón que debes conectar a las salidas (todas a relé libre de tensión y d isponib les los dos extremos del contacto de cada salida) del mismo autómata de la actividad anterior la bobina de un contactor de 230 V de alterna que acciona un motor trifásico conectado a 400 V. Conéctale, también, la bobina de una electroválvula que opera a 24 V de continua.
Mantenimiento de autómatas Los autómatas que instale una empresa pueden ser, lógicamente, de cualquier fabricante, pero es interesante que sean todos de la misma marca (aunque posiblemente de distintos modelos). ya que ello ofrece las ventajas de un mejor conocimiento del tipo de equipo por parte del personal técnico y una mejor capacidad de mantenimiento. Si tenemos, por ejemplo, módulos de salida a relé de dos marcas distintas, deberemos disponer de dos tipos de repuestos de dos proveedores diferentes, mientras que si son de la misma marca, esto no sucede. Esta otra ventaja es clara: la reducción en piezas distintas de recambio almacenadas en stock. Los autómatas no requieren especiales ni grandes mantenimientos y solamente deben efectuarse unas cuantas operaciones básicas que, en muchos casos, pasan por una inspección visual para verificar que no haya· ningún elemento que, de forma evidente, esté en malas condiciones.
Unidad didacllcd J. Aplicaciones con autómatas programables
Deberemos prestar, no obstante, atención a algunos elementos que describimos a continuación:
Fig.3.33 . Aspecto de una batería de autómata.
O
Limpieza exterior e interior. Es importante mantener limpio el cuadro eléctrico y su armario, aunque ésta es una función de mantenimiento global de la instalación más que de mantenimiento específico del autómata. Para limpiarlo lo mejor es utilizar aire comprimido sin demasiada presión en lugar de líquídos o trapos húmedos.
O
Programa . Algunas máquinas incorporan una posibilidad de test, de modo que pueden hacerse varias secuencias de prueba fuera de lo que se considera la producción normal del autómata. El resultado de estas pruebas debe quedar documentado.
O
Baterías. Normalmente, es la salvaguarda del programa de usuario y las variables internas, los parámetros específicos y las tablas de la imagen del estado de las entradas y salidas ante la pérdida de alimentación del autómata. El consumo es muy bajo y la vida de las baterías muy larga, aunque los sucesivos ciclos de carga y descarga, así como el envejecimiento progresivo, hacen que, al cabo de un tiempo, deban sustituirse para poder garantizar la integridad del programa . En este caso, buscaremos el modelo que especifique el fabricante y realizaremos el cambio con el autómata conectado para evitar la pérdida de información. Los autómatas nos pueden avisar del estado de la batería mediante un bit interno que cambia de estado cuando la batería está baja, o en otros casos mediante algún indicador visual o sonoro. Una vez substituida la batería, debe destinarse la vieja al reciclaje oportuno y debe pasar a formar parte del programa que la empresa tenga de reutilización, reciclaje, etc., dentro de su plan medioambiental. Elementos internos. En el interior del PLC no acostumbra a haber elementos con partes móviles a excepción de que incluyan relés electromecánicos. En este caso, en función del número de maniobras útiles que el fabricante del autómata especifique y de las maniobras que cada relé deberá realizar según el proceso que controle, podremos determinar cuándo hay que acceder a los relés internos y sustituirlos por otros nuevos. Antes de abrir el autómata, deben tenerse los repuestos originales a punto o aquellos que el fabricante indique como los más adecuados. También hay que tener en cuenta que ésta es una operación a máquina parada y que, por lo tanto, debe formar parte de un plan de orden superior de paro en la empresa (durante el cambio de turno, vacaciones, fines de semana, etc.). Conexiones. Debemos asegurarnos de que las conexiones no se aflojan con el tiempo, por lo que es interesante, aproximadamente cada seis meses, volver a apretar todos los bomes de conexión. También podemos aprovechar la ocasión para comprobar el estado de los cables (rigidez, flexibilidad, temperatura, color, tensión mecánica, ajuste a los terminales, posibles fallos de aislamiento, etc.) y, en su caso, realizar una posible sustitución de alguno o parte de ellos.
/
Sustitución . Llegado el caso de una avería o el fin del ciclo de vida de un autómata, tenemos la posibilidad de retirarlo definitivamente. La documentación debe indicar en qué casos el autómata debe darse de baja, cuál será el procedimiento para desmontarlo y, opcionalmente, sustituirlo y, si es preciso, cómo y dónde debe reciclarse o depositarse.
• Fig. 3.34. Aspecto de un autómata fijado con bastidor.
Unidad didacti(' J Aplicaciones con autómatas programables
o
Documentación. Debe disponerse de una carpeta de mantenimiento del armario que aloja al autómata o autómatas que contenga las hojas que detallen la periodicidad y el tipo de mantenimiento que debe llevarse a cabo para cada autómata. También deberán indicar las inspecciones realizadas. Dicha documentación viene a ser el historial del equipo, algo imprescindible para poder tomar decisiones de empresa cuando sea necesario, así como una evidencia de las tareas realizadas sobre el mismo.
O Personal. Es evidente que las tareas de mantenimiento deben ir a cargo de personal especializado que la empresa haya formado o que tenga los conocimientos necesarios para poder llevar a cabo las tareas que la documentación de cada equipo indique. Así pues, no es razonable esperar, por ejemplo, que alguien cambie los relés del autómata si no lo ha hecho con anterioridad alguna vez, al menos en su período de aprendizaje, aunque es perfectamente posible que cualquier persona pueda reajustar la presión de los tomillos de los bornes de conexión habiendo recibido unas indicaciones mínimas. El personal que se destine a mantenimiento ha de tener, además de la documentación, un período de adiestramiento en las tareas que la documentación indique que se deban realizar. La formación del personal es responsabilidad tanto de la empresa, que debe poner los medios, como del operario, que tiene que poner todo su interés y empeño.
Actividades 15.
Busca información en las páginas web de los fabricantes de autómatas (Omron, Siemens, Modicon-Telemecanique, etc.) sobre el mantenimiento aconsejado por el fab ri cante.
La programación de los autómatas Un mismo autómata puede realizar diferentes funciones según se le programe. La programación del autómata no es algo que se realice de manera frecuente, salvo en la fase de diseño del control que deba realizar. Una vez está ajustado el control de un proceso, el programa que ejecuta el autómata no se modifica si no es estrictamente necesario (modificaciones en el proceso, detección de algún tipo de problema, etc.). Por lo tanto, el autómata es un elemento que no posee pantallas ni teclados integrados porque para operar no le hacen ninguna falta. Quien utiliza el autómata es una máquina o proceso, y la forma de dialogar con él es mediante sus entradas y salidas. Dotarlo de estos elementos encarecería el autómata sin justificación. En los autómatas es bastante común disponer de dos o tres formas diferentes de trabajo, como por ejemplo las siguientes:
O Modo "RUN"
o de ejecución del programa . Es el modo normal de trabajo, que permite acceder a la memoria de la CPU, pero sólo para lectura.
Fig. 3.35. Aspecto de un terminal de programación de un autómata.
O Modo "STOP" o "PROG" . Es el modo de programación del autómata.
No ejecuta
el programa de usuario y tiene las salidas desconectadas. Además de estas dos formas de trabajo, los autómatas tienen, en función de los diferentes modelos y fabricantes, modos de trabajo que representan variantes de los anteriores: modo de paro ("STOP") pero limpiando la memoria, modos de trabajo ("RUN") que permiten modificar el programa o algún tipo de monitorización especial, etc. Los nombres de estos modos de trabajo varían según el fabricante.
Unidad d,d3lti(a J Apliu(iones (on autómatas programables
~------------------~
Instrumentos para la programa(ión de autómatas Básicamente necesitamos dos tipos de instrumentos: un lenguaje de programación (en inglés, software) y un equipo para la programación (en inglés, hardware). Para que el técnico programador pueda dialogar con el autómata en el período de programación, reparación, depuración de programas, cambio de programas, etc., se requiere una consola o un terminal que permita al usuario introducir órdenes (generalmente mediante un teclado), acceder a la memoria del autómata y/o comprobar el efecto del programa que escribe o de los parámetros que introduce. Al principio, estos terminales de programación, como el de la figura 3.35, eran especiales, complejos de operar, y cada autómata o familia de autómatas tenía una consola de programación propia y específica de cada fabricante y su precio podía superar con mucho el del propio autómata. En la actualidad, cada día se utiliza más un ordenador de tipo pe al que se ha cargado un programa que proporciona el fabricante del autómata a un precio asequible, y que nos pemnite programar a uno O más autómatas de la misma familia y del mismo fabricante. La conexión más habitual entre el autómata y el pe es mediante el puerto RS-232 serie del pe. En el futuro, es de suponer que los autómatas incorporarán puertos USB y una entrada para red Ethernet que pemnita acceder a él mediante Internet. Los programas que proporcionan los fabricantes de autómatas tienen más utilidades que la simple descarga y grabación del programa de usuario en la memoria del autómata . Permiten, además, leer el programa del autómata y grabarlo en el pe, monitorizar la ejecución del programa en el autómata, configurarlo, establecer parámetros internos, cambiar el modo de trabajo del autómata , etc.
Los lenguajes de programatión y la norma lEC 61131-3 Al principio, cada fabricante de autómatas estableció sus propios lenguajes de programación. Esto representaba una dificultad para el usuario al tener que familiarizarse con distintas marcas, diferentes equipos de programación, diferentes lenguajes, y, como consecuencia, tenía un coste muy elevado. En la actualidad ha habido una fuerte estandarización, de modo que el usuario puede conectar a un mismo pe diferentes autómatas y programarlos, cada uno con su software, pero de una forma muy similar entre sí.
¡Import a nte! A pesar de toda esta normalización, el programador de PLC necesita una seria familiarización con la forma de escribir programas para modelos de diferentes fab ricantes, puesto que cada uno acaba utilizando dialectos del lenguaje de raíz común, que es el que especifica la norma.
Este esfuerzo normalizador que han realizado los fabricantes ha sido consecuencia de la presión de los usuarios y se ha formalizado mediante la organización intemacional Plcopen, cuya página web puedes consultar en http://www.plcopen.org.Su resultado es la norma lEC 6113 1.
La norma UN E-EN 61131 (es la norma española equivalente a la lEC 61131) en su apartado 3 define cuatro lenguajes de prog ramación: Dos textuales: Lista de instrucciones Programación estructurada Dos gráficos: Diagramas de contactos Diagramas de bloques funcionales
Unidad dldactlC,l 3 Aplicacione! con autómata! programable!
Forma de hacer referencia a las entradas y las salidas Según la norma UNE-EN 6 11 31 las entradas físicas (en bornes de entrada) se indican con el siguiente formato:
Indica que es / una entrada
fig. 3.36. forma de hacer referencia a entradas y salidas.
I 0.1 ~ t
Número de entrada del canal
Indica el canal, grupo o módulo De forma análoga, las salidas físicas (en bornes) se indican con la letra Q.
Ejemplo 3.5
-'---'------Indica cómo deberemos referirnos a las siguientes entradas, salidas y marcas, a la hora de programar un autómata: Salida número 4 del canal 8 de salidas Salida número Odel canal 3 de salidas Entrada número 1 del canal
También podemos utilizar variables internas como si fuesen salidas o entradas intermedias (no corresponden a salidas o entradas físicas, es decir, no están disponibles en los bornes o terminales de entrada o salida). Estas variables, denominadas marcas, están ubicadas en la memoria interna de la CPU del autómata. En realidad, cada fabricante tiene su forma específica de direccionar (referirse o indicar) las entradas y las salidas. Por ejemplo, los modelos SS de Siemens siguen el mismo formato, pero en lugar de llamar I y Q a las entradas y salidas, respectivamente, las denomina E y A. En el caso de algunos modelos de Omron, las entradas y las salidas se indican mediante un código numérico para referirse tanto al módulo o canal como al número de entrada o salida. Los programas de muchos fabricantes de autómatas permiten decidir al programador si utilizarán el estándar 6 1131 o bien si programarán usando su propia variante.
Los diagramas de contactos o ladder diagram
Ode entradas
Solución:
Consisten en la representación gráfica de la lógica de relés y de los diseños de automatismos por relevo de relés. Este lenguaje (también llamado, en escalera) es el más extendido, ya que facilitó el paso a los autómatas de los técnicos en automatización cableada con relés.
Las salidas se indicarán como Q 8.4 Y Q 3.0. Las entradas se designarán como I 0.1 e I 1.2.
El/adder utiliza un conjunto de símbolos estandarizados (según la normativa americana N EMA) que permiten la representación de ecuaciones lógicas y de acciones. En la tabla 3.2 se representan algunos de los símbolos más utilizados.
Entrada número 2 del canal 1 de entradas
Tabla 3.2. Alguno! de lo!!ímbolo! má! utilizado! para programar en lenguaje de contacto! o ladder Símbolos
Demipción
Símbolo!
Demipción
--1 ~
Contacto normalmente abierto (NA)
-0
Salida de bobina inver' sa
----fr-
Contacto normalmente cerrado (NC)
---( S)
80bina de enclavamiento (con memoria)
-(R)
Bobina de desenclavamiento (con memoria)
-(
)
Salida directa (también llamada bobina de sao lida)
Los diagramas de contactos se d ibujan de izquierda a derecha, en secuencias de contactos. tostas representan condiciones o ecuaciones que acaban a la derecha en salidas, variables intern as o b loques funcionales, y las deberemos dibujar entre líneas verticales, aunque en muchas ocasiones se omite la linea vertical de la derecha.
UnIdad dldactJe,l 3 Aplicaciones con autómatas programables
Ejemplo 3.6 Mediante los símbolos de la tabla 3.2 realiza un diagrama de contactos para programar un sistema con tres entradas (marcha, paro y rearme) y dos salidas (lámpara 1 y lámpara 2) que debe realizar lo siguiente: o
Si están activadas las entradas marcha y paro debe iluminarse la lámpara 1.
o
Si está activada la entrada marcha y no activada la entrada rearme debe iluminarse la lámpara 2.
1 1.0
I 1. 1
Q 1.5
I 1.2
Q
Solución: Lo primero que debemos realizar es asignar cuáles son las entradas y las salidas del autómata que vamos a utilizar. Hemos escogido como entradas la 11 .0, la 11. 1 y la 11.2 para la marcha, el paro y el rearme, respectivamente; como salidas, la 01.5 para la lámpara 1 y la 0 1.6 para la lámpara 2.
1.6
)
A continuación dibujamos la línea vertical de la izquierda y comenzamos a
Fig. 3.37.
dibujar la secuencia de contactos que verifica las condiciones.
Lenguaje gráfico de programación normalizado de diagrama de contactos.
1 0.7
T 32
jL~N-,-T_l'_O_N---,
1
T 32
Q 0.0
I--IH)
Otras funciones más complejas, como la temporización, el contar/descontar, etc., vienen representadas por bloques que tienen como símbolo un rectángulo en cuyo interior se ind ica la func ión. En la figura 3.38 puedes observar un ejemplo de temporizador en lenguaje KOP (es el nombre que recibe el lenguaje de contactos en los autómatas de Siemens). Si te fijas en la figura, este temporizador estará habilitado siempre que su entrada de habi litación (IN) esté a 1. De esto se encarga el contacto de entrada 10.7.
Fig. 3.38. Temporizador con retardo a la conexión, en lenguaje KOP para autómatas 57 de 5iemens.
Una vez habilitada la entrada, comienza a contar hasta que iguala el valor preseleccionado de retardo (PT), que en este caso es 120; cuando esto sucede, su salida se activa (contacto T32), lo que activa, a su vez, la bobina de salida 00.0.
Ejemplo 3.7 En un depósito, como el de la figura 3.39, con dos sondas en su interior, una indica el nivel mínimo (Sm) y la otra el nivel máximo (SM). Cuando el nivel de líquido alcance un valor mínimo dado por la profundidad de la sonda Sm, debe abrirse una electroválvula EV, y cuando el nivel aumente hasta un valor máximo dado por la posición de la sonda SM, debe cerrarse la válvula. Escribe en lenguaje de diagrama de contactos el programa que debería contener la memoria de usuario del autómata que controla el sistema. Solución: El cableado de las entradas (sondas sensoras de nivel) se ha conectado a las entradas O y 1 del primer grupo de entradas: SM conectada a 11.0 y Sm conectada a 11.1. La única salida va a la electroválvula desde la salida O del grupo 1 de salidas del autómata: EV conectada a 0 1.0. El diagrama de contactos que soluciona el problema implementa un sistema secuencial. Observa que la salida también la tenemos como entrada:
J 1. 1
1 1.0
1,1'
1.1'
"'
"'
,,)QIO
---
Si no hay señal de máximo y no hay señal de mínimo indica que el tanque está vacío y, por tanto, se activa la electroválvula (deja pasar agua).
,---
~~
Si está activada la electroválvula (está entrando agua) y no hay señal de máximo sigue activada la electroválvula.
Q 1.0
PLC
11 .0 11 .1
..
EV
Sm
Fig. 3.39. Automatización del llenado de un depósito.
Unidad didactica J Aplicaciones (on autómatas programables
La lista de instru((iones La list a de instrucciones (en inglés, instruction list o IL) también la podemos encontrar como lenguaje AWL en los autómatas de Siemens (del alemán Anweisungliste). Es un lenguaje textual de bajo nivel (próximo al ensamblador de los microprocesadores) utilizado desde los primeros controladores programables, ya que éstos no disponían de posibilidades gráficas. Es útil para aplicaciones relativamente sencillas o para optimizar pequeños tramos de un programa. Únicamente se permite una sola operación o instrucción por linea de texto. Cada instrucción está formada por un mnemónico. Un mnemónico es una cadena de texto que ayuda a recordar el ti po de instrucción. Por ejemplo (tabla 3.3). LO se refiere a la instrucción de carga (en inglés, LOAD). Después del mnemónico la mayoría de las instrucciones presentan una variable (por ejemplo, un contacto de entrada, una bobina de salida, una marca, etc.).
Tabla 3.3 Lista de instrucciones booleanas para los autómatas Sysma( de Omron lD
l ee o carga una variable inicial no negada.
lD-NOT
lee o carga una variable inicial negada.
AND
Realiza el producto lógico.
AND-NOT
Realiza el producto lógico entre una primera variable y una segunda variable negada.
OR
Realiza la suma lógica.
OR-NOT
Realiza la función de suma lógica entre una primera variable y una segunda variable negada.
OUT
Envia el resultado a una salida.
OUT-NOT
Envía el resultado a una salida negada (una bobina, por ejemplo).
AND-lD
Conecta dos bloques en serie.
OR-lD
Conecta dos bloques en paralelo.
END
Indica el lin de la lista de instrucciones (programa).
Ejemplo 3.8 Comenta el programa de la figura 3.40. Ten en cuenta que para los autómatas Sysmac de Omron las entradas se indican así: xxyy, donde xx es el número del canal o grupo de entradas e yy es el número de entrada. De fomna análoga, las salidas las indicamos del siguiente modo: zztt, donde zz es el número del canal o módulo de salidas y tt es el número de salida. Solución: Identificación de las entradas y las salidas: Entradas físicas (bomes): Salidas físicas (bornes): 0004 ~ entrada 4 del canal O 01 01 ~ salida 1 del canal 1 0011 ~ entrada 11 del canal O 01 00 ~ salida Odel canal 1 001O ~ entrada 10 del canal O
LO AND OR AND NOT OUT
0010 001 1 0100 0004 0101
Fig. 3.40. Programación con lista de instrucciones.
Entradas lógicas: la 4, la 10 y la 11 del canal Oy el estado de la salida Odel canal 1 (0004,0010,0011 Y0100). Salida lógica: la salida 1 del canal 1. Este programa define que la salida 0101 se activará cuando las entradas 0010 Y0011 estén activadas y no lo esté la 0004, o bien cuando lo esté la 0100 y no lo esté la 0004 (utilizamos como entrada el estado de la salida 0100). Ll ecuación que verifica el programa es la siguiente: 0101
= ((0010·0011 ) + 0100) - / 0004, donde la barra (1) significa "negado" _
Unidad d,dact,ca 3. Aplicaciones con autómatas programables
Los diagramas de bloques fun(ionales (FBD) +
bl -
c--
>=
b2 -----<
bS
b3
-
<
r--
& f - - b6
b4
Fig. 3.41. Lenguaje grálico de programación normalizado de diagrama de bloques funcionales.
Los diagramas de bloques f unci onales constituyen un lenguaje de tipo gráfico muy común en aplicaciones que implican flujo de información o datos entre diferentes componentes de un mismo control, como pueden ser autómatas, reguladores, secuenciadores u ordenadores. Cada uno de estos elementos se considera un bloque que recibe y entrega información al resto de componentes del sistema. Se acostumbra a emplear con sistemas de control complejos y es bastante utilizado, sobre todo en Europa. Su uso queda fuera de los objetivos de este módulo.
El texto estructurado El lenguaje de t ext o estructurado es un lenguaje de alto nivel con orígenes en los lenguajes Ada, Pascal y C. Puede utilizarse para codificar expresiones complejas e instrucciones anidadas y, en general, aquellas estructuras que sean difíciles de expresar con los lenguajes gráficos. Esta forma de programar autómatas acostumbran a utilizarla programadores experimentados y formados como programadores más que como automatistas clásicos. Su estudio queda fuera de los objetivos de este módulo formativo.
¿Qué lenguaje debemos escoger? Escoger un lenguaje de programación depende de varios factores, entre otros:
O
El nivel de conocimientos del programador. Los lenguajes que nos proporcione el fabricante del autómata.
O O
La complejidad de los problemas de automatización que haya que resolver.
O O O O
La estructura del sistema de control.
El detalle en la descripción del proceso.
La coordinación con otras personas o departamentos. Lo que demanda el cliente. Etc.
Los cuatro lenguajes de programación que hemos visto están interrelacionados y posibilitan resolver conjuntamente un problema común en función de la experiencia del programador.
Fig. 3.42. Un mismo programa escrito en los cua tro lenguajes de la norma lEC 1131 -3.
Diagrama de contactos
En la figura 3.42 se describen cuatro programas muy sencillos que realizan la misma acción: la salida que tiene asignada la variable se activa (pasa a 1 lógico) cuando esté activada (es decir, a 1 lógico) la entrad a que tiene asignada la variable A y esté desactivada (O lógico) la entrada que tiene asignada la variable B.
e
Li sta de instrucciones LD
A
AN D NOT OUT
e
B
Texto estructurado
C~AANDNOTB
Diagrama de bloques funcionales
1:=0-,
Unidad dldacllca 3. Aplicaciones con autómatas programables
¡jemplo 3.9
on la figura 3.43 puedes ver el esquema de cableado del circuito de control para 'ealiza r una operación marcha-paro. Permite efectuar el paro desde dos pulsadores ; 1 y 52 Y pone rl o e n marcha desde 3 puntos d iferentes, 53, 54 Y 55. En pa ra lelo con é stos, se ha dispuesto el contacto de automantenimiento para que el contactar 1uede enclavado.
SI [ .. .1 @ParoSI,S2 S2[ .. Marcha S3, 54, SS
CD
~ea l iza
e l programa para un autómata en diagrama de contactos y en lista de instru cciones que realice lo mismo que el esquema de la figura. Utiliza, para ello, las tablas de lista de instrucciones y de diagramas de contactos.
KMI\
Solución: KMli
Puedes observar las variables que hemos escogido en la tabla 3.4. La solución pueJes consultarla en la figura 3.44. 0002
0000 0001
I I
Fig_ 3.43 _
0100
)
0?03 I
0?04 I
0100
0002 OR 0003 OR 0004 0100 OR AND NOT 0000 AND NOT 0001 OUT 0100 lO
Esquema marcha-paro. Tabla 3.4. Asignación de variables
I
fig.3_44, Resolución del problema mediante diagrama de contactos (izquierda) y mediante lista de nstrucciones (para Sysmac de Omron).
Pulsador 51 Pulsador 52 Pulsador 53 Pulsador 54 Pulsador SS Salida
0000 0001 0002 0003 0004 0100
Ejemplo 3.10
. a figura 3.45 muestra el esquema de cableado del circuito de control )ara abri r una puerta corredera de un parking. Disponemos de los si~uientes e leme ntos: > Un pulsador accionado por llave, 51 (contacto NA).
> Un final de carrera activado cuando la puerta está cerrada (FCC), que d ispone de dos contactos: 1NA + 1NC. > Un final de carrera activado cuando la puerta está abierta (FCA), que dispone de tres contactos: 2NA + 1NC. ) Dos contactares: uno para la apertura y otro para el cierre (KM 1 Y KM2). ¡ Un temporizador con retardo a la conexión (Tl).
'1h S1
KM1
FCA
FCC
FCA
KM2 KMI
FCC
T1
KM2
:1 funcionamiento es el siguiente: 3) Situación inicial: La puerta está cerrada (por lo tanto, el contacto NA del final de carrera de FCC estará cerrado). El final de carrera FCA no está activado, de modo que su contacto NC permanece cerrado, lo que permite la activación con llave. Por otro lado, sus dos contactos NA impiden que entren Tl y KM2.
Fig. 3_45.
Esquema de control para abrir/cerrar la puerta de un parking.
)) Al accionar la llave se alimenta KMl (queda enclavado por su contacto de automantenimiento) y la puerta se abre hasta que FCA actúa; entonces, su contacto NC abre y desconecta KM 1. Los otros dos contactos NA de FCA cierran y permiten la activación de Tl. e) Cuando el temporizador Tl acaba su retardo activa su contacto NA, lo que excita KM2 para cerrar la puerta. tsta seguirá cerrándose gracias al contacto de automantenimiento de KM2 hasta que active el FCC. La puerta queda cerrada y la maniobra preparada de nuevo para reiniciar el ciclo. naliza con detenimiento el funcionamiento del esquema cableado de la figura 3.45 y realiza el programa para un autómata en ~iagrama de contactos y en lista de instrucciones que efectúe lo mismo que el esquema de la figura . Utiliza, para ello, las tablas Se lista de instrucciones y de d iagramas de contactos.
UOIdad d.dácr.ca J. Aplicaciones con autómatas programables
Solución: El programa para un PLC pod ría ser el siguiente, escogiendo, por ejemplo, las variables de la tabla 3.5:
Tabla 3.5. Asignación de entradas y salidas (onexión de elementos al autómata Pulsador llave S1
0000
fCC final de carrera (NA)
0001
fCA final de carrera (NA)
0002
Abrir puerta (salida) KM1
0100
Cerrar puerta (salida) KM2
0101
LO ANO OR ANO NOT ANO NOT OUT LO TIM
0000 0001 0100 0002 0101 0100 0002 1 #0150 LO 0002 ANO TIMl OR 0101 ANO NOT 0001 ANO NOT 0100 OUT 0101 ENO
0000
0001
f--------11 I
0002
0101
0100
;Ir ;lr--()
0100
0002
TIMl
I 0002
#0150 TlM 1
0001
f------1 1 I ;Ir I
0100
;Ir
0101
e)
0101
Fig. 3.46. Resolución del problema mediante diagrama de contactos (izquierda) y mediante lista de instrucciones (para un PLC de la serie Sysmac de Omron).
Considera que el #0150 que aparece en el temporizador TIM 1 corresponde a 15 segundos, puesto que estos elementos trabajan con una base de tiempo de 100 ms.
Actividades 16. Entra a Intemet y accede a la página http://www.plcopen.org. En ella encontrarás información detallada sobre los diferentes modos de programar un autómata. Elabora una lista con estas distintas formas de programación y apunta al lado de cada una si son gráficas o de texto.
17. Indica cómo debemos referimos o direccionar las entradas y salidas de un autómata según la norma lEC 61 131, los lenguajes de Siemens y los de Omron. Considera que las entradas utilizadas son la 1,2, 3, 4 del canal Oy las salidas son la O, 4 Y 7 del canal 1.
18. Explica qué es una marca interna y para qué puede util izarse. 19. Resuelve el ejemplo 3.7 de control del llenado de un depósito mediante el lenguaje de contactos. Puedes indicar las entradas y salidas según el lenguaje de Omron, por ejemplo.
20.
Resuelve el ejemplo 3.7 de control del llenado de un depósito mediante lista de instrucciones. Puedes indicar las entradas y salidas según el lenguaje de Omron, por ejemplo.
21 . Modifica el esquema de control del marcha-paro de la fi gura 3.43 para que pueda ponerse en marcha y pararse desde dos puntos más y además incluya un señalizador de marcha y otro de paro. Dibuja cómo conectarías estos elementos a un autómata y realiza el programa en lista de instrucciones o en diagrama de contactos.
22. Modifica el esquema de control del marcha-paro de la fi gura 3.43 introduciendo en serie con los pulsadores de paro un contacto auxiliar del guardamotor (abertura automática por sobrecarga y rearme manual). Dibuja cómo conectarías estos elementos a un autómata y realiza el programa en lista de instrucciones o en diagrama de contactos.
23.
Realiza el programa para poner en marcha un motor de forma que la puesta en marcha esté retrasada un determinado tiempo (establece el retardo que quieras). Fíjate en el ejemplo 3. 10 y uti liza el mismo símbolo y forma de activar el temporizador.
24.
Con respecto al ejemplo 3.10, ¿cómo instalarías un control de apertura para poder abrir la puerta del parking desde dentro? Observa que ahora sólo se puede abrir desde fuera. Supón que mientras se cierra la puerta, una persona (u otro vehículo) pasa por la zona de dicha puerta, con lo q ue hay peligro de sufrir un accidente. ¿Cómo protegerías a la persona (o vehículo) de esta situación?
UOIdad dldactlca J Aplicaciones con autómatas programables
7 Para saber más ... ejemplos de automatización avanzados ¡Im p orta nte ! El GRAFCET, en real idad, no es un lenguaje de programación (la norma UNE· EN 611 31 no lo admite como tal), aunque existen compiladores para algunos autómatas que son capaces de traducir un GRAFCET que esté lo suficientemente detallado en un programa para un autómata en concreto.
En este apartado vamos a plantear diferentes ejemplos de automatización para los que presentaremos su solución utilizando como herramienta el GRAFCET, que desarrollaremos después en diagrama de contactos. El objetivo de estos ejemplos es que seas capaz de entender, con la ayuda del profesor, los GRAFCET y los programas que los desarrollan. Si eres capaz de interpretar cada etapa, sus acciones asociadas y las transiciones entre etapas, podrás realizar la comprobación de los automatismos e incluso sugerir algún cambio o modificación. El GRAFCET es una herramienta para la descripción gráfica de la secuencia que debe seguir un programa de control. En la unidad 1 se han definido sus elementos gráficos, sus normas sintácticas y los diferentes tipos d e secuencias (lineales, alternativas, iterativas, concurrentes, saltos, etc.). El GRAFCET define en forma de bloques las acciones que deben realizarse y las condiciones de transición entre estos bloques. Los otros cuatro lenguajes se utilizan para escribir el programa que hay dentro de cada uno de estos bloques y que el autómata debe seguir para realizar las acciones asociadas, a la vista de las condiciones que se den y del punto de la secuencia de que se trate. Solamente cuando los bloques del GRAFCET están suficientemente detallados, podemos asimilarlos a una forma de programar en sí mismo. El GRAFeET estnuctura la organización interna de un programa y ayuda a descomponer un p roblema de control en partes más manejables, con lo que se mantiene una visión d e conju nto.
Ejemplo 3.11
e
Un carro móvil accionado por un motor de corriente continua, M, circula por un carril de una determinada máquina. El carro se pone en marcha al accionar un pulsador 5. Cuando el carro llegue al extremo de este carril se debe detener.
Fig. 3.47.
Realiza: a)
Las etapas de un GRAFCET que solucione este sistema.
b) El esquema de conexión eléctrica entre los distintos elementos que forman el sistema descrito con un autómata alimentado a continua. e)
El programa en lenguaje de diagrama de contactos.
Solución: a) El GRAFCET que soluciona este sistema lo puedes ver en la figura 3.48. Consiste en una estructura lineal que define 3 etapas. Comenzamos por una etapa diferente de 0, pues estamos realizando el programa de una parte del automatismo de la máquina. La etapa 5 define el estado de reposo (OFF) del motor del móvil M. Cuando se pulse 5 (5 = 1 lógico) se pasará a activar la etapa 6, con lo que la 5 y sus acciones asociadas se desactivarán y el motor del móvil se pondrá en marcha (ON).
Fig. 3.48. El motor del móvil se pone en marcha al pulsar Sy se detiene al Quedar accionado el final de carrera Tpor el propio móvil.
Como consecuencia de dicha marcha, el móvil alcanzará el extremo del carril en el que se encuentra T, un final de carrera que, al accionarse (paso a 1), accionará la etapa 7, de modo que se desactivará la 6 y sus acciones asociadas y detendrá el motor, lo que impedirá que el móvil salga del carril.
Unidad didáctICa 3 Aplicaciones con autómatas programables
b)
Deben formar parte de la conexión los elementos declarados, esto es, el autómata, el pulsador $, el final de carrera T y el motor del móvil M, asi como los elementos no declarados, como por ejemplo una fuente de alimentación para alimentar al autómata y al motor y poder polarizar los elementos de entrada $ y T.
La figura 3.49 muestra la conexión de los diferentes elementos. Observa que en las entradas del autómata se conectan lo que van a ser las transiciones del GRAFCET, mientras que en las salidas se conectan los elementos que posibilitan las acciones asociadas a las etapas. Ten en cuenta que las etapas en sí no tienen conexión física y son elementos virtuales que representan un estado posible del sistema. Fíjate en que es posible representar un mismo estado con más de una etapa . Al realizar las conexiones, debe garantizarse que la corriente que va a circular por el motor es soportada por e l contacto intemo del autómata, y que la fuente de alimentación está dimensionada correctamente para poder dar servicio a todas las cargas. e)
En la figura 3.50 puedes ver la solución a este ejemplo escrita en lenguaje de d iagrama de contactos, según el GRAFCET de la figura 3.48. La asignación de variables realizada la tienes en la tabla 3.6. A continuación explicaremos con detalle el diagrama de contactos.
Primera secuencia de contactos. La etapa 5 está activada y, por tanto, para activar la etapa 6 solamente debe pulsarse el pulsador $. Desde el punto de vista de la memoria del autómata, la etapa 5 está representada por un bit intemo, lo que se denomina una marca; concretamente, se ha tomado la marca 5 de la palabra O, que se representa mediante MO.S. El bit de salida que representará que la etapa 6 se ha activado corresponderá al de la marca MO.6 y quedará enclavado (memorizado), de ahí que la salida contenga la palabra Set, que, al igual que en las básculas de los circuitos digitales, corresponde al enclavamiento.
Segunda secuencia de contactos. La primera consecuencia de haberse
TIerra
:
Fase Neutro
:
,6'
QO.o -
.:r
actuado (por el motivo que fuera) mientras la etapa 6 estaba desactivada, no habría tenido ninguna consecuencia. Cuando T actúe con la etapa 6 activada, se activará la etapa 7 (que equivale a poner a 1 el bit interno MO.7), con lo que, inmediatamente, se desactiva la etapa 6 (MO.6 pasa a O).
Cuarta secuencia de contactos. Como consecuencia de haber activado la etapa 7, se realizan las acciones de control asociadas: el motor se detiene poniendo a O la salida 00.0. ¿Lo ves? Observa la segunda secuencia, en la que habíamos escrito que la salida 00.0 sólo podía estar activada si lo estaba la marca MO.6 (etapa 6). En este punto, es importante que recuerdes que el programa se ejecuta cíclicamente como se describió en la figura 3.9, y que, por lo tanto, se puede considera r que se ejecuta muchas veces (se producen muchos ciclos de sean) antes de que se pase de una etapa a otra. Precisamente en este hecho se basa el control en tiempo real: e l controlador debe ser mucho más rápido que el elemento más rá pido de entre los controlados.
+ ---<
PLC
kf>
-
C
i~),SI)OI O·· l·· I
-
+
COM
I
.l.
Fig. 3.49. (onexión eléctrica de los elementos del ejemplo 3.11 .
Elafa 5
f--- -I . '_0f1. M 5 Etapa 6
S
10.1
Etapa 6
---fe
-l1 f-I
Set )
M 0.6
Etapa 5
1----1:f---..---lReset) M 0.6 M 0.5
enclavado la marca MO.6 (activada etapa 6) es desenclavar la marca MO.5 (desactivada etapa 5) mediante una salida de tipo Reset. Al activarse la etapa 6, también debe realizarse la otra acción asociada a esta etapa: conectar el motor, que se ha decidido que se haga mediante la activación de 00.0. Después de esta acción, el móvil se va a poner en marcha.
, Tercera secuencia de contactos. Con el motor en ma rcha (etapa 6), el móvil se desplazará hasta topar con el final de carrera T. Si T hubiera
-AC- DC-
Motor
) Q 0.0
Etapa 7
I-----i( Set ) M 0.7
Etapa 6
f----II-----I(Rese0 M 0.6
Fig. 3.50. Programa en lenguaje de diagrama de contactos del GRAFCET de la figura 3.48. Tabla 3.6. Asignación de variables del ejemplo 3.11 Pulsador marcha S Final de carrera T Salida al motor Motor Marca de etapa S Marca de etapa 6 Marca de etapa 7
I 0.1 10.0 Q 0.0 M 0.5 M 0.6 M 0.7
UnIdad didatllca 3. Aplicaciones con autómatas programables
Ejemplo 3.12 Un autómata debe controlar una taladradora como la de la figura 3.51 . Esta taladradora se pone en marcha cuando el autómata recibe una señal T. La taladradora consta de un motor de giro'Ml, y otro M2 que acciona una leva excéntrica que da una vuelta entera y lleva consigo la taladradora. Con ello, se consigue el movimiento de vaivén necesario para hacer un taladro. Cuando el taladro fina liza, la leva acciona un microrruptor que genera la señal necesaria para esperar 2 segundos y reiniciar la maniobra indefinidamente hasta que se desconecte el autómata. La taladradora dispone de un pulsador de paro que, además de seccionar el circuito de los motores, está conectado al autómata. a)
Realiza el GRAFCET del programa.
Fig. 3.51 . Taladradora.
b) Elabora el d iagrama de contactos de este automatismo.
T
Solución: a)
o
Un GRAFCET solución del automatismo lo puedes ver en la figura 3.52. Observa que el mismo microrruptor sirve para poner en marcha y parar los motores.
MotorM20N
MotorM10N MotorM20N
Cuando el autómata reciba la señal T entrará en la etapa cero de posicionamiento inicial; para conseguir el correcto posicionamiento, debe poner en marcha el motor M2, que es el que va a mover la leva que acciona el microrruptor Fe. Si FC no estaba accionado, la leva girará hasta accionarlo, y si ya estaba accionado lo pondrá en marcha para proceder al taladrado junto a
Motor Ml OFF Motor M20FF
Temporizador ON
Ml.
e . tiempo - 2 segundos
La operación de taladrado finaliza con la detección del flanco de subida de la señal FC (representado por un contacto con una P de flanco positivo en su interior). Esta cond ición da paso a la etapa 2, que desactiva la etapa 1 y sus acciones asociadas: se paran los dos motores. Además, en esta etapa se activa el temporizador 1. Cuando éste finalice con el retardo programado (2 segundos), se pasará de nuevo a la etapa 1, Y se iniciará una nueva operación de taladrado. b)
La asignación de variables realizada la puedes ver en la tabla 3.7 y el diagrama de con tactos puedes consultarlo en la figura 3.53. Incluye las novedades
Fig.3.52. GRAFCET de la taladradora. T
P
I AY
Etapa O
e
Se. )
':Et 'c-), 10.1
10.0
M 0.0
OO.,
Etapa 1
siguientes: M 0.1
o
Incluye un contacto de flanco positivo para el microrruptor Fe, de forma que detecta el flanco positivo, es decir, el paso de abierto a cerrado (de no activado a activado). Fíjate en su símbolo, está dentro de la línea de color verde, es el de un contacto pero dentro con la letra P. iCuidado!, no lo confundas con el pulsador de paro, también llamado P.
Etapa
O
Fe
Etapa 1 Se! )
M 0.\
Etapa O
Rese0 M 0.0 Etapa 2
Rese0 M 0.2
También es interesante destacar la utilización en este programa del temporizador 1 (en inglés, timer 1). Tanto el timer 1 como el contacto asociado a su salida (valdrá O mientras temporiza y 1 cuando ha acabado la temporización) están indicados dentro de las líneas continuas de color rojo.
Tabla 3.7. Asignación de variables del ejemplo 3.12 Pulsador de paro P
10.0
Pulsador de inicialización T
I 0.1
Microrruptor FC
10.2
Marca de etapa O
M 0.0
Marca de etapa 1
M 0.1
Marca de etapa 2
M 0.2
Salida motor Ml
Q 0.0
Salida motor M2
Q 0.1
Etapa 1
P
I AY
M 0.1
Motor MI
e)
Q 00
10.0
Fig.3.53. Diagrama de contac tos para la taladradora.
Unidad dldactlca 3.
Apli[iciones con autómatas programables
Ejemplo 3.13 Una máquina de cortar tubos, como la que puede verse en la figura 3.54, se acciona con un pulsador T. Una bobina de tubo va avanzando, accionada por un motor M, hasta alcanzar la posición de corte al tocar un final de carrera FC, momento en el que el motor M debe pararse. En ese instante, un cilindro neumático de doble efecto, CA, avanza para presionar el tubo con una mordaza que tiene en el extremo del vástago y también se acciona otro cilindro, CS, para cortar el tubo con un útil de corte. a)
~e ~ ADA
~¡ ,
b)
BDR
ADR
BDA
ADA
CA
~
CB
BDR BDA
FC M
Fig. 3.54. Automatización de una máquina de cor tar tubos. Se representan en rojo los elementos accionados y en verde los elementos que no están accionados en cada caso.
Una vez cortado el tubo, ambos cilindros retroceden a la vez y el motor M se acciona de nuevo para reiniciar el ciclo. Cada ci· lindro tiene dos electroválvulas, EVAvance y EVRetroceso, y dos detectores inductivos de posición, DAvanzado y DRetrocedido encima de la camisa. Realiza el GRAFCET del programa y el diagrama de contactos de este automatismo.
Solución: En la tabla 3.8 puede consultarse la asignación de entradas y salidas de este ejemplo y en la figura 3.55, un GRAFCET solución de la automatización de la máquina. Este GRAFCET es un ejemplo de divergencia y convergencia en Y. Observa que, estando en la etapa 1, si se cumple la condición de transición de que el tubo llega al final de carrera (Fq y los cilindros A y S están retrocedidos, estos se activan a la vez bajando los dos cilindros (divergencia en Y, hacia las etapas 2 y 4). El hecho de que se accionen los dos cilindros a la vez no implica que los dos lleguen a su final al mismo tiempo. Tabla 3.8. Asignación de entradas, salidas y marcas del autómata a las señales del ejemplo 3.13.
Fig. 3.5S. GRAFCET de automatización de la máquina corta tubos.
---
Señales Señal de arranque, T Señal de paro, P Final de carrera, FC Detector CA retrocedido (ADR) Detector CA avanzado (ADA) Detector CB retrocedido (BDR) Detector CB avanzado (BOA) Motor, M Electroválvula A avance (A-EV Avance) Electroválvula A retrocedido (A·EV Retr.) Electroválvula 8 avance (S·EV Avance) Electroválvula 8 retrocedido (S·EV Retr.) Etapa Etapa Etapa Etapa Etapa
1
Entrada
Salida
Marca
I 0.1 10.0 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6
Q00 Q 0.1 Q 0.2 Q 0.3 Q 0.4
2
M 0.1 M 0.2
3 4 5
M 0.3 M 0.4 M 0.5
Primero llega el que aguanta el tubo y después el que lo corta. Así mismo, al desactivarse la etapa 1, lo hacen las acciones asociadas a ésta (recuer· da las reglas del GRAFCET explicadas en la uni· dad 1). Por lo tanto, se parará el motor M. Una vez el tubo ha sido cortado, la condición de retorno para cada cilindro consiste en comprobar que esté en posición de avanzado. La verificación de estas dos condiciones pemniten la transición en paralelo a las etapas 3 y 5 (desactivación de 2 y 4). En estas etapas se realizan los retrocesos de los cilindros. En cuanto los cilindros llegan a la posición de retrocedidos (ADR·SDR) se produce de nuevo la activación de la etapa 1 (desactiva· ción de 3 y 5 Y sus acciones asociadas), y vuelve a realizarse otro ciclo. Tenemos aquí la convergen· cia en Y(de las etapas 3 y 5 a la etapa 1).
Unidad didactlca 3. Aplicaciones con autómatas programables
En la figura 3.56 p uedes observar la implementación d el GRAFCET anteri o r en leng uaje d e cont actos.
T
P
Etapa 1 Se! )
10.1 10.0 Etapa 3 Etapa 5
MO.l
ADR
HHH
M03 MO.5 Etapa ¡ P
e
MO.l
Etapa
10,0 1
~
M
10.0
M 0.2
)QOO
MOA
Fe
ADR
Etapa 2
o~oHoHorrcE~:: ? Etapa 1
~. ,,~ Sel
Hf-{,eset) MO.I
M 0.2
M DA
Etapa 2
P
M 0.2
10.0
A-EV Avan.
Hr-{
Etapa 5
)QO!
)M05
10.6
Etapa 2
H
BOR
)M03
10.4
Etapa 3
Reset) M0.5
) Q 0.3
Etilpa 3
HH
M 0.3
EtapaS
Etapa 2 Etapa 4
Fig.3.56. Diagrama de contactos que desarrolla el GRAFCET de la figura 3.55.
M DA
Etapa 4 BOA
'''et )
Etapa 1
B-EV Ayan.
HH
Etapa 3
MO.l
P
Etapa 2 ADA
I 0.3 I 0.5 Motor M
I AY
Etapa 4
f--*--{
SOR
ResetJ MQ.2
M 0.3
Etapa 5 M 0.2
) M DA
Etapa 4
H
Re5et) MOA
M 0.5
Etapa 3
P
M 0.3
10.0
Etapil 5
P
M 0.5
10.0
A·EV Retr.
HH
)QO.2
B-EV Reir.
HH
)QOA
Ejemplo 3.14 En la máquina expendedora automática de la fig ura 3.57, cua ndo el importe de las monedas introducidas es correcto (variable K = 1), se da paso a q ue el usuario seleccione un p roducto d e ent re varios. Podrá escoger sólo entre 3 productos y se le ofrecerán 3 pulsadores (P1, P2 Y P3) para dicha elección. Si pulsa más d e uno, sol amente le o bed ecerá el primero q ue ha pulsado, y si hay simultaneidad no hará nad a hasta que únicamente se pulse uno. La expedición del p roducto consisti rá en hacer girar una esp ira l accionada por un motor d urante una vuel ta (un motor por espiral). Un fin al d e carrera FCx en cada espiral ind icará cuándo se ha dado la vuelta entera y el producto ya ha sido expedido.
MI
~((!!m!!!!mml)rMonedasOK M2
Fe I
Pie
~((!II!!!!!!mml)rM3
~(( 1I!II!!I!lII!III),-
FC3D P3e
Fig.3.57. Esquema de la máquina expendedora y GRAFCET del automatismo (ejemplo de divergencia y convergencia en O). Solución: En las figuras 3.57 y 3.58 puedes observar el esquema, el GRAFCET y el diagrama de contactos que soluciona el problema. La secuencia del GRAFCET para este ejemplo corresponde a una divergencia y convergencia en O. Veámoslo. Observa que las condiciones para abandonar la etapa 1 pueden ser tres y corresponden a una divergencia en O: en función del pulsador se produce la transición a la etapa 2 o la 3, o bien la 4, de forma excluyente entre ellas; es decir, si pasamos a la etapa 2 no es posible que se pase a la 3 o a la 4. En la figura 3.58 tienes resuelto el diagrama de contactos.
Unidad dldá(ti(a J. Aplicaciones con autómatas programables
Monedas
10t-rC::? MOl ,v
Etapa 3
Etapa!
K
PI
P2
P3
MQ.1
10.4
10.1
10.2
10.3
Etapa 1
K
PI
P2
P3
MO. 1
lOA
10.1
10.2
10.3
Etapa 1
K
PI
P2
P3
Etap.i2
H H f-------:;jf-+-
Set ) M 0.2
Etapa 3
H I Jr If-----,If---{
Set ) M 03
Etapa 4
H~HSet)MOA MQ.\
IDA
10.1
10.2
10.3
Etapa 1 Reset) MO.\
fig. J.58. Resolución del ejemplo 3.14 con diagramas de contactos. Después de las etapas 2, 3 o 4 (la que esté activada), el final de carrera correspondiente, que indica que el producto se ha expedido, da paso a la etapa 5. Aquí puedes ver la convergencia en O.
Etapa 4
H
Motor M3
Reset
J
Q 0.3
M 0.4
Etapa 2 Fe 1
H
M 0.2
Etapa 5 Se! ) M 0.5
10.5
Etapa 3 Fe 2
H
M 0.3
H
M DA M 0.3
Etapa 5
Etapa 4
H
)Q02
M 0.3
10.6
Etapa 4 Fe 3
MO.2 Etapa 3
M 0.4 Eta 2
Motor M2
HR""
L(Reset) M0.5
10.7
Etapa 2 Reset) M 0.2
Etapa 3 Motor MI
Reset) M03
)QO.I
MO.2
Etapa 4 Reset
J
M 0.4
Actividades 25.
Realiza el GRAFCET del ejemplo 3.7.
26.
Con la ayuda de tu profesor realiza el GRAFCET y la programación en lenguaje de contactos para el sig uiente automatismo. En un determinado paso de la secuencia de montaje automatizado de unas piezas, debe introducirse una pieza dentro de otra. Estas piezas encajan siempre que la orientación lo permita, tal como puede verse en la figura 3.59. La maniobra se inicia con la marcha del motor M 1 que permite subir y bajar la insertadora. Si las piezas encajan al primer intento, se obtiene la señal procedente del detector inductivo DI, y la insertadora subirá mediante el motor M 1. Si no encajan, entonces no llega la señal DI y un temporizador que se ha puesto en marcha al bajar la insertadora, pasado 1 segundo, se activa. Si el temporizador se activa, debe hacerse un movimiento de vaivén de la insertadora mediante un giro a la derecha con un motor M2 hasta que actúe un final fig.3 .59. de carrera FCD y otro a la izquierda con el mismo motor hasta que actúe FCI, Ejemplo de insertadora automática. a fin de forzar el encaje de las dos piezas. Necesariamente, con estos giros, las dos piezas se encajarán. Cuando la señal DI llegue, se accionará de nuevo la insertadora mediante M 1, pero en sentido ascendente.
27.
Dibuja la conexión eléctrica del ejemplo 3.12 (taladradora) utilizando un autómata con alimentación en alterna.
28. Dibuja la conexión eléctrica del ejemplo 3. 13 (rnáquina cortatubos) utilizando un autómata con alimentación en continua.
29.
Dibuja la conexión eléctrica del ejemplo 3.14 (expendedora) utilizando un autómata con alimentación en alterna.
30.
Dibuja la conexión eléctrica del ejemplo 3.7 utilizando un autómata con alirnentación en alterna.
Unidad didáctica 3 Aplicaciones con autómatas programables
Aplicaciones y ventajas e inconvenientes de los autómatas Actualmente es casi imposible encontrar un equipo industrial con una sofisticación mínima que no incor-
pore un autómata.
Los autómatas programables tienen su campo de aplicación más inmediato en los procesos de tipo industrial de cualquier clase. Al disponerse de tanta cantidad de modelos y prestaciones, es posible asegurar, sin temor a equivocarse, que existe un autómata a la medida de cada aplicación. En los últimos años se han instalado muchos ordenadores industriales de tipo PC, que son ordenadores reforzados para ser inmunes a interferencias electromagnéticas, despojados de todos aquel los elementos que no sean imprescindibles y con toda la capacidad de un PC, y, así mismo, con sistemas operativos enfocados más a procesos de control que a la interfaz con personas. Son una posibilidad interesante, pero su discusión queda fuera del alcance de este módulo.
Campos de aplicación preferente de autómatas programables: Control de movimientos de máquinas (avanzar, retroceder, girar, subir, bajar, etc.). o Máquinas de prensar, estampar, trefilar, em butir, etc.
Equipos neumáticos, hidráulicos y oleohidraulicos. Control de cultivos en invernaderos, abonos en la tierra, dosificación de piensos, control de destilerías, refinerías, etc.
Procesos de fabricación en lineas continuas, como embotellado, o tndustrias de maderas, muebles, áridos, plásticos, alimentarias, embalaje, etiquetado, pesaje, dosificación, etc. automocíón, etc. Procesos en los que se requiera control lógico, como ascensores, hornos, bombas hidráulicas, semáforos, manejo de materiales, calderas, puentes grúa, centrales eléctricas, lavadoras, control de motores, etc.
tnstalaciones de procesos complejos. Domótica y control de sistemas domésticos (calefacción, luminosidad, etc.).
ventajas de los autómatas: Usan lógica programada en vez de cableada.
Si el autómata queda pequeiio para el proceso industrial, puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.
Menor tiempo de elaboración de proyectos. o posibilidad de hacer cambios fácilmente con un minimo coste.
Mínima ocupación de espacio, poco peso y tamaiio. Menor coste de instalación, actualización y de mantenimiento. o Recalificación de la mano de obra hacia tareas más gratifican-
tes. POSibilidad de gobernar varías máquinas con el mismo autómata. Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
facilita la implementación de sistemas de control distribuido y el control jerarquizado. ., Es un sistema muy fiable. Es pOSible instalarlo donde existan condiciones severas de temperatura, ambiente, inlluencias eléctricas y químicas, humedad, vibración, ruidos, polvo, contaminantes, cortes de energía, etc., dentro de márgenes generosos. Permi te la simulación de procesos, alarmas y fallos sin influir directamente en la máquina o proceso.
Inconvenientes de los autómatas: Requieren personal formado específicamente, tanto operativo o La tecnología está aún un tanto "cerrada", puesto que no se han como para las tareas de mantenimiento. alcanzado suficien tes estándares de compatibilidad entre autómatas de diferentes fabricantes. El coste inicial de los componentes de desarrollo es considerable.
Untdad dldactlcJ 3 Aplicaciones con autómatas programables
___A _ u_ t_o_e_v a_ l_u_a _ci_ó_n ____~r¡----------------1.
Un autómata programable es un:
8.
a) Ordenador.
a) Aquellas cosas que pasan en un momento determinado.
b) Controlador lógico programable. e) Terminal especial para operarios.
2.
b) Operar a mayor velocidad que los elementos más rápidos de un proceso.
Se considera que el primer autómata programable fue un: a) PDP-S.
e) Aquello que sucede en menos de 1 segundo.
9. El programa de usuario, en un autómata, se ejecuta:
b) MODICON.
a) En cada ciclo de exploración.
e) CPU.
3.
b) Al principio, al poner en marcha el autómata.
En la estructura interna de un autómata programable hay: a) Terminales.
En temas relacionados con el control, se entiende por "tiempo real":
e) Cada vez que hay un cambio en el proceso controlado.
10. Las entradas, en un autómata, son:
b) Periféricos. a) Los bornes a los que se conectan los sensores. e) CPU.
4.
b) Los bits que representan la tabla de imagen de las entradas.
Las formas europeas y americanas se encuentran en los autómatas:
e) Fijas, las marca el fabricante y no pueden ampliarse.
a) Modulares. b) Compactos.
11. Las entradas, en un autómata:
e) Tanto en los compactos como en los modulares.
5.
a) Pueden ser tanto analógicas como digitales a la
vez.
La diferencia entre la memoria de programa y la de la imagen de las tablas de entrada y salida es:
b) O son analógicas o son digitales, pero no pueden coexistir.
a) Que una es volátil y la otra no.
e) Son en tensión, en corriente o pulsantes, pero no todas a la vez.
b) No hay diferencia, es el mismo tipo de memona. e) Que una se puede rescribir y la otra no.
6.
12.
a) Solamente si es modular.
Las tareas comunes en el ciclo de exploración:
b) Solamente si es compacto.
a) Se realizan una sola vez al arrancar durante el primer ciclo de exploración. b) Se realizan dentro de cada ciclo de exploración. e) Se realizan solamente algunas veces.
7.
La memoria con las tablas de imagen de las entradas y salidas: a) Se actualiza una sola vez al arrancar durante el primer ciclo de exploración. b) Se actualiza dentro de cada ciclo de explora-
ción. e) Se actualiza solamente algunas veces.
Un autómata tiene entradas digitales:
e) Pueden incorporarlas tanto los modulares como los compactos.
13.
Un autómata tiene entradas analógicas: a) Únicamente si es modular. b) Solamente si es compacto. e) Pueden incorporarlas tanto los modulares como los compactos.
14. Un autómata tiene salidas digitales: a) Solamente si es modular. b) Únicamente si es compacto.
Unidad didactlca 3. Aplicaciones con autómatas programables
e) Pueden incorpora rlas tanto los modulares como los compactos.
15.
Un autómata tiene salidas analógicas:
e) Se conecta a la red a través de una fuente con mutada.
22.
a) Solamente si es modular.
a) Es necesario polarizar dichas entradas con una fuente externa.
b) Solamente si es compacto.
b) Las entradas están internamente polarizadas.
e) Pueden incorporarlas tanto los modulares como los compactos.
16.
Las salidas digitales, en un autómata:
e) Las entradas no deben polarizarse.
23.
a) Es necesario polarizar dichas entradas con una referencia externa.
b) Pueden ser a relé o a triac.
b) Las entradas no tienen polarización.
Las salidas analógicas, en un autómata:
e) Las entradas no deben polarizarse.
24.
a) Pueden ser en forma de tensión o en forrna de corriente.
b) Las salidas no tienen polarización. e) Las salidas no deben polarizarse.
e) Usan un tipo de relé analógico.
19.
Para desmontar un módulo de un autómata modular se requiere:
En un autómata con salidas digitales a 230 V: a) Es necesario polarizar dichas salidas con una referencia externa.
b) Pueden controlar directamente cargas a 230 V de alterna.
18.
En un autómata con entradas digitales a 230 V:
a) Pueden ser en fo rma de tensión o en forma de corriente.
e) Normalmente no incorporan transistores.
17.
En un autómata con entradas digitales a 24 V:
25.
En un autómata con salidas a relé:
a) Un destomillador plano.
a) Es necesario polarizar dichas salidas con una referencia externa.
b) Un destomillador de estrella.
b) Las salidas no tienen polarización.
e) Una llave Allen.
e) Las salidas no deben conectarse.
Normalmente, un autómata, se monta:
26.
La norma lEC 61131-3: a) Es obligatoria para los fabricantes de autómataso
a) En un carril DIN vertical. b) En un carril DIN horizontal.
b) Favorece los intereses del programador.
c) Atornillado sobre el armario.
c) Define 6 lenguajes de programación.
20.
Un autómata cuya alimentación es de 230 V: a) Se conecta a la red mediante un transformador separador para aislarlo.
21.
27.
La norma lEC 61131-3: a) Define 4 lenguajes de programación .
b) Se conecta directamente a la red.
b) Define 5 lenguajes de programación.
e) Se conecta a la red a través de una fuente conmutada.
c) No la cumple casi nadie.
Un autómata cuya alimentación es de 24 V: a) Se conecta a la red mediante un transformador separador para aislarlo. b) Se conecta directamente a la red.
28.
Dentro de un cuadro eléctrico, el autómata: a) Se monta en la parte superior. b) Se monta en la parte inferior. e) Ocupa cualquier posición.
Unidad didáctica 4
Mecánica básica
¿Qué aprenderemos? o Cuáles son los materiales más utilizados en las operaciones de mecanizado y qué características tienen.
O
Cuáles son las operaciones de mecanizado más habituales para la realización de cuadros eléctri cos y qué herramientas necesitaremos para realizarl as.
O
Qué tipos de uniones se utilizan para la constru cción y el montaje de cuadros eléctricos.
O
Cómo hay que representar, interpretar y med ir las piezas que deben mecanizarse con el nivel de precisión exigido.
Unidad didáctica 4 Mecánica básica
¡
Operaciones de mecanizado Cuando hablamos de automatismos y cuadros eléctricos y, en general, de cualquier tema relacionado con la electricidad y la electrotecnia, pensamos rápidamente en conductores eléctricos, conectores, elementos de mando y regulación, etc., pero rara vez nos planteamos donde están colocados físicamente. Obviamente no están colocados al azar ni de forma arbitraria a lo largo y ancho de una instalación, sino que están colocados, protegidos y confinados en armarios o cuadros eléctricos seguros. Todo esto es necesario, entre otras cosas, para evitar peligrosos accidentes de trabajo por parte de los operarios de las instalaciones. Según el material utilizado en su construcción, se pueden distinguir dos tipos de armarios o cuadros:
o O
Los armarios metálicos. Están construidos con aleaciones o combinaciones de metales, básicamente con chapa de acero soldada. Se instalan en forma de cofre estanco o con armarios de fijación mural o apoyados en el suelo. Los armarios aislantes. Están construidos con material de plástico. Suelen ser tipo cofre o armarios de fijación mural bien empotrada o en superficie.
Como puedes ver, el primer problema que hay que afrontar es el de elegir los materiales más adecuados según la función que tengan que realizar, el lugar donde se emplacen y las propias características de la instalación. Así pues, la primera parte de la unidad la dedicaremos a estudiar los materiales y sus propiedades. fig. 4.1. El montaje e instalación de cuadros eléctricos requiere el conocimiento de algunas operaciones de mecán ica básica.
Elegidos los materiales, el paso siguiente será el diseño y la representación gráfica de las piezas, de modo que su interpretación no dé lugar a dudas. Veremos brevemente algunas pautas sobre cómo hay que dibujar e interpretar dichas representaCiones. En el montaje, el mantenimiento o la reparación de instalaciones eléctricas, estos armarios o cuadr.os deben ser mecanizados con multitud de operaciones que nos hace falta conocer: trazado, cortado, serrado, doblado, roscado, taladrado, trepanado, roblonado, entre otras muchas. Por esta razón, en esta unidad nos centraremos en las operaciones mecánicas básicas, así como en las herramientas o las máquinas empleadas para su ejecución. Para llevar a cabo estos procesos correctamente serán necesarias otras operaciones, como la medición de los objetos y las piezas con los instrumentos adecuados. A el las nos referiremos en la última parte de la unidad.
Materiales para mecanizado y sus propiedades Los materiales utilizados en la construcción de automatismos y cuadros eléctricos son diversos y de diferente naturaleza. Sin embargo, en general, la mayoría de ellos son elementos metálicos y combinaciones o aleaciones entre ellos. De todos los metales, sin duda, el más recurrente es el hierro. Tanto es así que acostumbramos a clasificar los metales en dos grandes grupos: metales férricos y metales no férricos en función de si es éste o no el principal elemento. Además, tenemos el grupo de los plásticos que, en los últimos años, está teniendo una presencia cada vez mayor, no solamente en innumerable cantidad de objetos utilizados en nuestra vida diaria, sino también en los que se usan para la fabricación de elementos y componentes eléctricos y electrotécnicos. A continuación, estudiaremos las propiedades básicas de los materiales más utilizados para la construcción de cuadros eléctricos.
UnIdad dIdáctica 4. Mecánica básica
Los metales férricos En la naturaleza el hierro no se encuentra como elemento solo y aislado, sino que aparece mezclado en diferentes minerales, por lo que el hierro puro o dulce es costoso de conseguir. Además, en estas condiciones, el hierro posee una baja resistencia mecánica y una alta tendencia a la corrosión, razones que lo convierten en un material con pocas aplicaciones industriales en estado puro. Sin embargo el hierro se convierte en un material fundamental una vez sometido a tratamientos especiales como el acero y la fundición. En general, los metales férricos presentan excelentes y variadas propiedades mecánicas, además de un relativo bajo precio.
Los aceros El acero es una aleación férrica que contiene cantidades pequeñísimas de carbono, manganeso, fósforo, azufre y silicio. Actualmente, disponemos en el mercado de una elevada gama de aceros especiales, que incorporan, además de los elementos citados, otros como el alum inio, el níquel, el cromo, el molibdeno, el vanadio, el tungsteno, el cobalto, el selenio, el titanio y el zirconio. El acero en sus diversas formas presenta dos ventajas respecto al hierro dulce que lo hace mucho más útil: alta resistencia mecánica y baja corrosión.
Fi9· 4.2. los derivados del hierro presentan excelentes y vari adas propiedades mecánicas.
Según su composición, podemos diferenciar entre diferentes tipos de aceros: O
Aceros bajos en carbono. Estos aceros contienen menos del 0,25 % en peso de carbono. Son aceros blandos y poco resistentes, pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad. Además, son de fácil soldado, mecanizables y baratos.
O
Aceros medios en carbono. Tienen porcentajes en carbono comprendidos entre el 0,25 % Y 0,60 %. Estos aceros tratados ténmicamente son más resistentes que los aceros de bajo carbono, pero menos dúctiles.
O
Aceros altos en carbono. Normalmente contienen entre un 0,60 % Y un 1,9 % en carbono. Son más duros y resistentes y aún menos dúctiles que los otros carbonos vistos. Son especialmente resistentes al desgaste.
O
Aceros inoxidables. Son aceros basados en la adición considerable de cromo y níquel como elementos de aleación, además de otros elementos como el molibdeno.
O
Aceros para herramientas. Son aceros de alta aleación utilizados en la fabricación de herramientas que contienen cantidades importantes de cromo, níquel, vanadio y wolframio. Van acompañados de tratamientos térmicos que les dan características muy particulares de dureza y resistencia al desgaste y a la deformación por el calor.
Las fundiciones Podemos definir las fundiciones como aleaciones férricas con un porcentaje de carbono superior al 1,76 % e inferior al 6,67 %. Las principales propiedades que presentan son las siguientes: Tienen un amplio intervalo de resistencias mecánicas y durezas. Aunque tienen una resistencia al desgaste, a la abrasión y a la corrosión relativamente elevada, presentan una débil resistencia al impacto. O
No admiten laminaciones ni deformaciones por forja. Son frágiles y quebradizas.
Unidad didáctica 4 Mecánica básica
Los metales no férricos Los metales industriales no férricos y sus aleaciones son, en general, resistentes a la oxidación y la corrosión atmosférica, y son recomendables para muchas aplicaciones porque se caracterizan por su facilidad de moldeo y mecanizado, la elevada resistencia mecánica de algunas aleaciones, su gran conductividad térmica y eléctrica o incluso un bello acabado. Norma lmente estos metales son más caros de obtener. Algunos de los metales no férreos más utilizados en la industria eléctrica y electrotécnica son los siguientes:
Fig. 4.3. El aluminio es uno de los elementos más empleados hoy en dia para la fabricación de cajas, carcasas y armari os para las instalaciones eléctricas, debido a su ligereza y su resistencia a la corrosión.
O
El cobre. Es, sin duda, el material más utilizado en la industria eléctrica para la fabricación de dispositivos y componentes, especialmente cables e hilos. Es muy dúctil y maleable, de modo que se le puede dar forma tanto en frío como en caliente. Además es resistente al aire, al agua y a la agresión de los ácidos. También es un buen conductor del calor.
O
Los latones. Son aleaciones del cobre. Actualmente existen diferentes tipos de latón: los llamados latones ordinarios, que contienen cobre y cinc, y los latones especiales, que además incorporan otros metales como aluminio, hierro, plomo o estaño. El latón es buen conductor eléctrico, ya que es más duro y fáci l de trabajar que el cobre.
O
Los bronces. También son aleaciones del cobre. Tradicionalmente se ha llamado bronce a las aleaciones de cobre y estaño, aunque actualmente se llaman bronces a las aleaciones binarias (es decir, que contiene solamente dos elementos) del cobre con todos los metales excepto el cinc (que, tal como hemos visto, forma el latón). Los bronces tienen, en general, una elevada resistencia mecánica y una buena resistencia a la corrosión, ambas mayores que en los latones.
O
El aluminio. Debido a su ligereza, resistencia a la corrosión y abundancia en la naturaleza, el aluminio es uno de los elementos más empleados hoy en día para la fabricación de cajas, carcasas, armarios, contenedores, etc., de aparatos e instalaciones eléctricas, automáticas y electrónicas. Además, en líneas eléctricas de distribución de energía, se util iza en forma de cables e hilos eléctricos.
O
El estaño. Es un material muy blando y maleable. Posee un punto de fusión bastante bajo (232 OC). Por eso, en electricidad y electrónica, se utiliza como metal base para rea lizar soldadura blanda y en la fabricación de fusibles eléctricos. Debido a su resistencia a la corrosión se emplea como recubrimiento electrolítico de otros metales.
O
El plomo. En estado puro es muy blando y poco resistente. Su punto de fusión es relativamente bajo, de 327,5 Además, presenta una baja conductividad térmica y eléctrica. Otras características del plomo son: su gran densidad (muy pesado) y la elevada resistencia que tiene a la corrosión de los ácidos fuertes, como el clorhídrico, el sulfúrico o el nítrico.
O
El cinc. Es un metal frágil y relativamente blando, que posee una resistencia mecánica baja. El acero recubierto de cinc se denomina acero galvanizado, y se utiliza para la obtención de chapas, alambres, etc., altamente resistentes a la oxidación.
O
El cromo. Es un metal muy duro y muy resistente a la oxidación y a la corrosión. Debido a su gran resistencia a la corrosión frente a los agentes atmosféricos y a otros agentes químicos, se emplea para el recubrimiento electrolítico de otros metales (lo que se conoce como cromado).
O
El níquel. Rara vez se utiliza en estado puro, sino que se util iza normalmente para aleaciones con otros metales a los que confiere el carácter inoxidable, aumenta la resistencia a la corrosión y mejora las propiedades magnéticas y mecánicas. De hecho, los materiales que se obtienen resultan muy resistentes a la acción de los agentes atmosféricos y de los agresivos químicos.
oc.
Unidad dldacllcJ 1 Mecánica básica
o
El tungsteno o volframio. Dispone de un buena conductividad eléctrica y una temo peratura de fusión muy alta: 3.380 oC, por lo que su principal aplicación es la de la fabricación de filamentos de lámparas de incandescencia y de resistencias de homos eléctricos. Con el carbono, forma el carburo de volframio, que es muy duro y por ello se emplea en la fabricación de herramientas de corte (widia).
Plásticos Los plásticos son polímeros de compuestos químicos orgánicos constituidos, principalmente, por carbono, hidrógeno y oxígeno. Normalmente se añaden detenminadas sustancias (aditivos) que les proporcionan propiedades características que los hacen más útiles para detenminados usos. Las sustancias que fonman los plásticos son derivados del petróleo y se obtienen en indust rias petroquímicas. Podemos decir que, en líneas generales, los plásticos se dividen en tres grandes grupos, con características y propiedades muy diferenciadas: termoplásticos, termoestables y elastómeros.
fig . 4.4. Muchos de los componen les eléclricos aclualmenle se labrican con pláslicos.
O
Termoplásticos. Estos plásticos se funden fácilmente a temperaturas relativamente bajas (entre 100 oC y 130 oC) y, cuando desciende la temperatura, vuelven a solidificarse y endurecerse. Esta característica permite que sean conformados, es decir, que puedan moldearse para darles la forma deseada. Son los plásticos más utilizados comercialmente, entre ellos se encuentran el polic!oruro de vinilo (PVC), el poliestireno (PS), el po/ietileno (PET), etc.
O
Termoestables. Estos plásticos no pueden ser conformados una vez fabricados, ya que la adición de calor produce cambios irreversibles en su estructura y, por lo tanto, en sus propiedades fisico-químicas, por lo cual no se funden al calentarlas nuevamente. Una vez concluido el proceso de fraguado, sólo pueden mecanizarse (cortar, hacer orificios, unir a otras piezas, etc.). Algunos de los plásticos termoestables más conocidos son las mela minas, la baque/ita, las si/iconas, etc.
O
Elastómeros. Más conocidos como cauchos, t ienen un aspecto de goma. Se caracterizan por su gran capacidad elástica.
En particular, en la industria eléctrica, el consumo de plástico es enonme, ya que se fabrican conductores con aislamiento plástico capaces de soportar grandes tensiones y malas condiciones ambientales. Por estas razones, también se emplean para fabricar cajas y carcasas para la protección de aparatos de mando, y en la construcción de cuadros y automatismos eléctricos, tubos aislantes, soportes para mecanismos, carcasas para motores y un larguísimo etcétera.
Actividades 1.
Indica qué significan las diferentes propiedades de los materiales. Para cada propiedad, indica un material que sirva de ejemplo para explicarla. ~
Resistencia mecánica .
Fragilidad .
Resistencia a la corrosión.
Ductilidad.
Dureza.
Co nductividad eléctrica.
Tenacidad.
Elasticidad.
Cond uctivi dad ténmica.
2. Haz una lista de diferentes elementos y herramientas eléctricas del taller de prácticas que utilicen algún tipo de plástico. Indica de qué tipo de plástico se trata.
3.
Entre el cobre y el latón, di qué metal crees que es más adecuado para real izar los contactos de un interruptor.
Unidad didacllca 4 Mecánica básica
Métodos de representadón gráfica Planos y croquis En el taller de montaje, el trabajo suele efectuarse a partir de unos esquemas, croquis y planos desarrollados por técnicos especialistas. En ellos se representan con sus formas y dimensiones los trabajos y las piezas que hay que hacer. En general, podemos hablar de dos tipos de documentos para estas representaciones graficas de las piezas con que se va a trabajar:
O
Los planos representan gráficamente, de manera exacta y en una determinada proporción, un objeto real. Se realiza con utensilios clásicos de dibujo: reglas, cartabones, escuadras, plumas estilográficas, etc., o mediante programas de ordenador especiales para estos usos.
O
El croquis es una representación hecha a mano alzada y, por lo tanto, menos exacta que los planos.
-
.:J
-)
.
~
Escalas
Generalmente, las figuras y piezas dibujadas en planos y croquis no se representan a tamaño natural, a no ser que sean objetos de reducido tamaño, sino que se suelen dibujar sobre el papel en un tamaño menor, pero conservando en todo momento las formas y sus proporciones. Incluso, si las piezas son de tamaño muy pequeño, se dibujarán sobre el papel en un tamaño mayor. En estos casos, decimos que los dibujos están realizados a escala. La escala es la relación matemática que existe entre las dimensiones reales y las del dibujo que representa la realidad sobre un plano o un mapa. Las escalas se escriben en forma de fracción, donde:
O
El numerador indica el valor de un segmento lineal cualquiera de la pieza sobre el plano.
O
El denominador representa el valor real del mismo segmento de la pieza.
Por ejemplo la escala 1:500, significa que 1 cm del plano equivale a 500 cm (es decir, 5 m) en la realidad. Otros ejemplos de escalas son 1:1 (escala real o natural), 1:10, 1:50,5:1,50:1, etc.
1.
:; Vistas y proyecciones de una pieza
Normalmente, las piezas no se representan en tres dimensiones tal y como las vemos a simple vista, como si fueran fotografías. En efecto, en los dibujos industriales se emplea generalmente un sistema de representación denominado sistema de pro-
yecciones ortogonales. En ocasiones, para piezas de difícil mecanizado, se añade alguna perspectiva de las mismas. Además, en los planos y croquis se indicarán todas las aclaraciones pertinentes para la completa y fácil interpretación, así como para la correcta ejecución del trabajo. Lo más importante es que viendo el plano (dibujo en dos dimensiones), la persona que tenga que hacer el trabajo se haga una idea exacta de la pieza representada, tal y como si la estuviese viendo realmente en tres dimensiones.
O
Mirando la pieza desde arriba, obtenemos sobre el plano horizontal la planta.
Unidad d,dacI,ca
~
Mecánica básica
o
Mirando la pieza de frente, obtenemos sobre el plano vertical el alzado o la eleva'
ción.
O
Mirando la pieza desde un lado obtenemos sobre el plano de perfil la vista correspondiente, llamada vista lateral o perfil (figura 4.5).
Estas tres vistas, llamadas diédricas (alzado, planta y perfil). son las que debidamente relacionadas (y eliminando el cuerpo del espacio), ofrecen la adecuada representación en dos dimensiones de dicha pieza sobre la lámina de dibujo (figura 4.6).
Fig.4.6. Proyecciones de las caras de un sólido sobre los tres planos de proyección: alzado, planta y perfil.
Fig. 4.5. Proyecciones de las caras de una pieza de madera sobre los tres planos de proyección: alzado, planta y perfil.
e o o
Q db I I II A fin de mostrar todas las características físicas de una pieza, en el sistema de proyecciones ortogonales se dibujan todas o sólo algunas de sus caras. El número de vistas dibujadas depende de la complejidad de la pieza, aunque casi siempre se escogen las tres que hemos comentado (alzado, planta y perfil). Sin embargo, en ocasiones es necesario que haya más de tres. Observa que si introducimos la pieza en el interior de un cubo, y utilizamos todos los planos de proyección posibles, obtendremos las seis vistas totales (figura 4.7).
d
1----..
O ..--1
Fig.4.8. Representación en tres dimensiones de una pieza y representación de dos de sus vistas.
e
f
nOD Fig.4.7. Número total de vistas posibles de una pieza.
En casos de piezas muy simples o con ejes de simetría, como por ejemplo el caso mostrado en la figura 4.8, es suficiente con solamente una o dos caras para representar sobre el papel dicha pieza.
Unidad dldiic!ica 4. Mecánica básica
¡Importante! Nunca tomes medidas sobre el dibujo con la regla, puesto que si está realizado a escala, el valor será erróneo.
El d ibujo de una pieza no es suficiente para que ésta pueda fabricarse si no va acompañado de la indicación de sus medidas reales sobre el dibujo o plano. La acotación es la operación de indicar numéricamente las dimensiones reales de una pieza en el dibujo, de acuerdo con una serie de reglas normalizadas, con independencia de que el dibujo esté o no a escala. Para que una acotación se pueda considerar buena es imprescindible que sea fácilmente interpretable y que ofrezca la máxima claridad . La figura 4.9 muestra un ejemplo sencillo de acotación. Algunas reglas básicas de acotado son:
O O O O
Fig.4.9. Dos ejemplos sencillos de acotación.
O O
Las cotas se colocarán de forma clara y perfectamente visible. Se colocarán flechas de cota que limitan el alcance de las medidas. No se omitirán medidas, pero tampoco se repetirán innecesariamente. Las cotas se reparti rán por las diferentes vistas de las caras de la pieza, teniendo en cuenta la claridad del dibujo, y no amontonando cotas en una sola vista. Las cotas se colocarán preferentemente por el exterior de las piezas. En dibujos técnicos, las medidas se expresan siempre en milímetros.
Observa que las puntas de las flechas deben dibujarse dentro de los límites de la línea de cota, pero si el espacio no lo permite, se pueden añadir fuera.
A(tividades 4. Dibuja un croquis de una herramienta del taller (unos alicates o unas tijeras por ejemplo) o una pieza del taller que te entregue el profesor. Una vez realizado, añade al croquis sus correspondientes acotaciones.
5.
Dibuja un croquis de un mueble del aula o tal ler (una silla, archivador, mesa, etc.). Una vez realizado, añade al croquis sus correspondientes acotaciones.
6.
Dibuja las tres vistas diédricas necesarias para representar las siguientes piezas.
7. Dibuja las tres vistas necesarias para representar las siguientes piezas.
8. Dadas las siguientes vistas de una pieza, intenta levantar un croquis a mano alzada que la represente en tres dimensiones.
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Unidad dldacllca 4 Mecánica básica
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Operaciones de mecanizado Las operaciones de mecanizado son todos aquellos procesos mecánicos destinados a transformar ciertos materiales en una pieza funcional (es decir, que sea útil); en nues· tro caso, se concreta en la creación de amnarios o cuadros. Además, el mecanizado permite conseguir una terminación óptima del objeto o la pieza, sin producir ninguna deformación que pudiera dar lugar a su deterioro o mal acabado. Todos los materiales que hemos visto pueden ser mecanizados, aunque lógicamen· te no con todos ellos se trabaja con la misma facilidad. Por ejemplo, es mucho más fácil mecanizar una caja de aluminio o de cobre que una de titanio o acero. Para mecanizar un objeto o una pieza usaremos unas herramientas manuales o unas máquinas herramientas. Para que el mecanizado sea correcto, la herramienta que se utilice debe ser más dura que el material que hay que mecanizar. A continuación, estudiaremos las operaciones de mecanizado usadas comúnmente en la industria y en la elaboración de cuadros eléctricos.
Operaciones de marcar y trazar La tarea de trazado ha pa· sado hoy en día a un se· gundo plano, puesto que las modernas máquinas de mecanizado, la incorpora· ción de ordenadores indus· triales y las últimas técnicas de trabajo, muchas veces basadas en la informática,
Las operaciones de trazado y marcado consisten en la señalización del contorno, las Ií· neas, los ejes de simetría de los agujeros o las ranuras que hay que realizar sobre la superficie exterior de una pieza. Generalmente, el marcado y el trazado es una operación previa al ajuste y mecani· zado de la pieza. Piensa que, de la correcta realización de este trabajo, depende la exactitud de las operaciones restantes. Las herramientas y los útiles más empleados para el trazado son los siguientes: La punta de señalar otrazar. Es una varilla de acero terminada en punta cónica temo piada y muy afilada. La punta de trazar debe conservarse afilada y no emplearse para otros usos.
hacen casi innecesario el trazado a mano.
O
El granete. Es un cilindro de acero temninado en punta. Se emplea para señalar o marcar puntos de apoyo o guía, para el compás o la punta de la broca.
O
El compásde trazar. Se uti liza para el trazado de arcos de círculo, determinar pero pendicularidades, transportar distancias y marcar divisiones equidistantes. El más empleado es el compás de puntas, sencillo o con un muelle. Las escuadras. Las llamadas escuadras lisas son instrumentos que tienen un ángulo fijo (900 o diferente) entre dos superficies planas. También existen otros tipos como las escuadras de solapa, las falsas escuadras (o transportadores de ángulos) y la escuadra universal (también conocida como goniómetro).
O Reglas. Utilizadas para la medida de distancias de forma directa, aunque con escasa precisión .
Fig.4.10. Procedimiento de trazado.
Unrdad dldacl!ca 4. Mecánica básica
Operaciones de sujeción Otra de las operaciones previas que se realizan antes de mecanizar es la de sujetar la pieza. Así pues, una vez el material esté sujeto y no se mueva podremos cortarlo, limarlo, agujerearlo, etc., con las herramientas correspondientes y con la máxima precisión. Las operaciones de sujeción sirven p ara mantener un material en una determinada posición para que se pueda trabajar con él con otras herramientas. Las principales herramientas de sujeción son: los alicates, el sargentos y las pinzas y agarradores.
tornillo de banco, los
Los alicates
......
Como ya sabes, son herramientas muy versátiles. Además de sujetar sirven para doblar piezas y cables, cortar hilos, etc. Están formados por un mango, recubierto de material aislante y una mandíbula. Los hay de diferentes tipos, los más importantes son los siguientes: O
Alicantes universales. Son los más extendidos, ya que se utilizan para múltiples usos. Tienen una constitución bastante robusta. Alicates cortaalambres. Se utilizan para cortar conductores eléctricos y alambres. Para conservar siempre su zona cortante en buenas condiciones, deberán mantenerse bien engrasados.
Fig. 4.11.
O
Alicates de punta redonda. Empleados para curvar hilos y chapas y hacer terminales de conexión.
O
Alicates de puntas planas, De aspecto parecido a los universales, son más finos y menos robustos que éstos. Se emplean para doblar conductores y alambres rígidos y pequeños trozos de chapa.
O
Alicates de puntas dobladas. Se utilizan en casos semejantes a los anteriores, pero, por la forma de sus puntas, curvadas unos 90°, son apropiados para trabajar en sitios inaccesibles.
Diferentes tipos de alicates.
El tornillo de banco El tornillo de banco es una herramienta de sujeción acoplada al banco de trabajo. Su función es la de inmovilizar piezas sobre el banco. Está formado por dos bocas o mordazas, una fija y otra desplazable a través de un eje roscado, que se acciona mediante el giro de una manivela. Se caracterizan por la medida de las mordazas, la forma de las guías, la longitud de las bocas y el tipo de base, fija o móvil. Al utilizar el tomillo hay que tener en cuenta las propiedades de los materiales, pues si son frágiles podrán deformarse o romperse si se aprietan demasiado. Por otra parte, la pieza debe estar lo suficientemente apretada para evitar que se mueva o se caiga durante las operaciones que se realicen.
Los sargentos o gatos Los sa rgent os son instrument os de sujeción o presión. Están fo rmados por dos brazos, uno fijo en un extremo y el otro móvil que se desliza sobre una guía. Este último lleva aparejado un tornillo que se acciona al g irar el mango al que va unido y es el que ejerce la presión sobre la pieza.
Fig.4.12.
Las pinzas y agarradores
Tornillo de banco. Las pinzas son herramientas muy útiles para la sujeción y la colocación de placas de circuito impreso, tomillería fina y piezas muy pequeñas. Los agarradores son útiles porque se cierran fimnemente para sujetar cables cuando se desea soldar o pemniten llegar a piezas pequeñas de d ifícil acceso.
Unidad dlda!tlca
l
Mecánica básica
Opera(iones de (orle Las operaciones de corte son las destinadas a dividir un material en dos o más tro-
zos. Estas operaciones se realizan a través de diferentes procedimientos, según la herramienta utilizada: cizallado, aserrado y cincelado y burilado. Veremos también las operaciones de cortado y manipulación de cables.
Cizallado El cizallado incluye las opera cione s que cortan el material sin desprender rutas.
VI-
Estas operaciones se realizan con máquinas de corte manuales o accionadas con motores.
o O
Las máquinas de corte manuales son las tijeras de sobremesa y las cizallasde pie. Entre las impulsadas a motor tenemos las cizallas-guillotinas, y las tijeras
y cizallas
mecánicas o a motor. Fig. 4.13. Tijeras de sobremesa y procedimiento de corte de plancha.
Aserrado El aserrado es el corte de un material con desprendimiento de viruta. Tiene la ventaja sobre el cizallado que se puede aplicar a espesores mucho mayores. El aserrado se realiza con la sierra de mano o con sierras mecánicas. Esta última la estudiaremos en el apartado de máquinas herramientas. La sierra de mano consta del arco de la sierra, que sirve para sujetar y tensar la hoja de sierra, y de la hoja, que es la parte activa de la operación. La forma correcta de manejo de la sierra se muestra en la figura 4.14. La sierra tiene que formar un ángulo entre 20 y 30° con la superficie de la pieza.
Fig. 4.14. Sierra de mano y detalle del procedimiento de serrado.
Unidad didactica 4. Mecánica básica
Cincelado y burilado El cincelado y burilado tienen como objetivos: O
Trocear o cortar chapas o perfiles delgados sin desprendimiento de viruta.
O
Rebajar material sobrante en una parte determinada de la pieza a trabajar por desprendimiento de virutas (cincelado exterior).
O
Ranurar en desbastes superficies interiores (cincelado interior).
El tincel O cortafrío El cincel es un útil cortante en forma de barra rectangular terminada en cuña y fabricada en acero duro templado en la punta. Se suele fabricar en diferentes tamaños según el trabajo al que se destine. Consta de tres partes: la cabeza, sobre la que se golpea el cincel; el cuerpo, de sección rectangular u oval para agarrarlo, y el filo o cortante. Fig.4.15.
Cincel y proceso de cincelado. Material sobrante
Plela para Cincelar
El buril y las gubias Ambos tipos de herramientas son formas especiales de cinceles y se emplean para trabajos más especificos, como abrir canales rectos o curvos.
O Buril. Tiene la arista cortante en sentido transversal a la sección de cuerpo. Tiene, por consiguiente, la longitud del filo mucho menor, por cuyo motivo se emplea para abrir canales o ranuras. O
Gubias. Son útiles muy semejante al burilo al cincel plano, pero su boca o filo suele ser redondeado o curvado. Pueden ser de formas muy variadas, según el trabajo al cual sean destinadas.
Cortado y manipulación de cables Ya hemos hablado del carácter versátil de los alicates para los trabajos de electricista y concretamente para la manipulación y cortado de cables. Pero, como ya sabes, existen otras herramientas especificas para realizar estas funciones: las tijeras y navajas de electricista y el pe/acables. Fig.4.16.
Pelacables y cortado de cables con las tijeras de electricista.
Unidad didactlCa·1 Mecánica básica
Opera(iones de desbastado y limado Las operaciones de desbastado y limado consisten en rebajar o pulir la superficie de una pieza, arrancándole o erosionando pequeños trozos de la misma, con el empleo de una lima adecuada. El limado se realiza por frotación, deslizando suave y acompasadamente la lima sobre la superficie que hay que rebajar.
Fig. 4.17. Dos tipos diferentes de limas.
Fig. 4.18. Detalle de la operación de limado. En el limado se pueden distinguir estas tres operaciones básicas siguientes:
O
El desbastado. Se realiza empleando una lima de picado basto, que arranca material en grandes limaduras. Este limado deja profundas rayas en la superficie de la pieza.
O
El afinado o aplanado. Se hace empleando, primeramente, limas de picado entrefino y, a continuación, limas finas, lo que hace que la superficie de la pieza que se está trabajando quede libre de huellas apreciables a simple vista.
O
El pulido o acabado de las piezas. Se logra con una lima fina sobre la que se deposita tiza. La tiza se hace pasar entre los dientes de la lima, hasta que queden rellenados. El pulido debe realizarse ejerciendo poca presión sobre la lima y guardando especial atención en que ésta se mantenga sin limaduras adheridas al picado, ya que, de lo contrario, éstas podrían rayar la superficie que se tiene que pulir.
Cuando se desea limar materiales muy duros como el hierro o el acero, deben emplearse limas de picado fino, y para materiales blandos como el cobre, el aluminio, etc., limas de picado basto. Para el plomo y la madera se emplean limas especiales llamadas escofinas. Fig. 4.19. Fijate en la postura correcta para limar, especialmente en la posición de los pies.
Unidad didáctlc" 4. Mecánica básica
Operaciones de doblado y curvado El doblado o plegado es una operación mecánica que modela una chapa, un perfil, un tubo o una pieza mecánica en varias caras o secciones con un cierto ángulo entre ellas.
Por su parte, el curvado de chapas es una operación mecánica que consiste en dominar la chapa sobre un soporte cilíndrico de modo que ésta adquiera la misma curvatura. El ejemplo más claro de curvado es el de la obtención de tubos cilíndricos a partir de una plancha completamente plana. El doblado y el curvado pueden realizarse manualmente y en frío si los materiales son de poco espesor. Para realizar estas operaciones necesitaremos, además de las herramientas de sujeción que ya hemos visto, las herramientas de percusión. Para chapas o perfiles gruesos se necesitará el empleo de máquinas de prensado y, además, en muchas ocasiones, convendrá realizar un calentamiento previo del material para poder llevar a cabo el trabajo con mayor facilidad.
Fig.4.20. Procedimiento de doblado de una chapa.
Herramientas de per(usión Son aquellas herramientas que sirven para golpear un material o una herramienta. Esta acción es muy habitual en las operaciones de corte con el cincel (que ya hemos visto), de doblado, de aplastamiento, de clavado, etc. Las herramientas de percusión más importantes son el martil lo y la maza. Ambas están fo rmadas por dos piezas: el mango y la cabeza. En el mercado existen muchos tipos según el uso al que irán destinados. La diferencia fundamental está en el tamaño y, sobre todo, en la forma y el material de la cabeza.
Actividades 9. Elabora un esquema o mapa conceptual con todas las operaciones de mecanizado y las herramientas implicadas que hemos visto en este apartado.
10.
El "pico de loro" es un tipo de al icates que no hemos visto. Busca inform ación sobre esta herramienta, dibújala e indica que tiene de especial respecto de unos alicates universales.
11.
Explica las diferencias que hay entre los procesos de cizallado, serrado o cincelado para cortar un material. Indica para qué materiales y situaciones está recomendado cad a uno de ellos.
12. Busca información sobre los diferentes tipos d e limas que existen para t rabajar con el hierro y clasifícalas adecuadamente según: la forma de la lima, el tam año y las características d el picado. Ind ica para qué trabajos está recomendada cada una.
13.
Explica las técnicas, las herramientas y el proceso q ue seguirías para hacer un pliegue de 90° en una plancha de hierro de 2 mm de espesor.
Unidad dldactlCa 4 Mecánica básica
Uniones Forma parte de las operaciones de mecanizado la unión de diferentes piezas o elementos para formar un conjunto. Las uniones se pueden dividir en dos grandes grupos: las desmontables y las fijas.
O
Las uniones desmontables. Son aquellas que se pueden montar y desmontar varias veces sin modificar el tipo de unión y sin que sus piezas resulten dañadas. Las uniones roscadas son las más importantes y las trataremos a continuación. Sin embargo, es conveniente saber que hay otros tipos no roscados como los pasadores (o clavijas). las chavetas, las lengüetas, los ejes estriados y las guías.
O
Las uniones fijas. Son aquellas que una vez realizadas no se pueden desmontar sin riesgo de romper las piezas que componen el conjunto. Hay de varios tipos: re· bladas, soldadas, pegadas o clavadas. Por su importancia en los procesos de mecanización en este libro veremos las dos primeras.
Uniones roscadas Ros(as, tornillos y tuertas El elemento fundamental de este tipo de uniones es la rosca. Una rosca es una hélice construida sobre un cilindro, con un perfil determinado y de una manera continua y uniforme. Si la hélice es exterior, tenemos el conocido tornillo, si, por el contrario, la hél ice es interior, tenemos una tuerca.
Fig. 4.11 . Tornillos y tuercas de diferentes tipos y tamaños.
La parte saliente de la hélice recibe el nombre de filete o hilo, mientras que el canal que queda entre ellos se llama entrada. Para permitir la estandarización universal de tornillos y tuercas, independientemente de su fabricante, las roscas se normalizan según diferentes sistemas internacionales, en la actualidad los sistemas más empleados son los siguientes:
O O
El sistema de roscado ISO métrico (adoptado en España por UNE). El sistema Whitworth (BSW).
Herramientas para atornillar y destornillar Los destornilladores Se usan principalmente para sujetar, apretar y aflojar tornillos con ranura en su cabeza. Tienen tres partes: el mango, el vástago y la boca o punta. Los destornilladores deberán estar siempre provistos de mango aislante, generalmente de plástico. El tamaño del destomillador debe ser apropiado al tamaño y al tipo del tornillo que hay que apretar o aflojar. La punta pue· de adoptar en su extremo diversas formas: plana, Phil/ips o estrella, Posidrivo de 6 ranuras, Al/en o hexagonales, Torx, etc. Los destornilladores deben mantenerse siempre afilados y no tienen que utilizarse para otros usos que los mencionados aquí. Además, cuando se trabaja en circuitos bajo tensión no deberemos tocar nunca el vástago ni la boca.
Fig. 4.21. Dilerentes tipos de destornilladores y detalle de sus puntas.
Unidad dldac1lc
, Mecánica básica
Las llaves Son herramientas de acero o acero al cromo-vanadio (material muy resistente) que sirven para apretar y aflojar tuercas y tornillos. En el montaje de automatismos y cuadros eléctricos son imprescindibles. Las más conocidas son las siguientes: e)
O
Llaves fijas planas. Son las más empleadas y pueden ser de una o dos bocas. Sirven para tornillos y tuercas de cabeza hexagonal o cuadrada.
O
llave inglesa o ajustable. Llave extensible y muy utilizada, cuya cabeza se ajusta a la medida de la tuerca o tornillo mediante un tornillo sinfín.
O
Llaves de estrella. Empleadas sólo cuando es posible un pequeño desplazamiento de la llave.
O
Llaves de tubo. Son llaves fijas para tuercas hexagonales. Se emplean en lugares inaccesibles para otras llaves.
O
Oestornillador-llave. Es un destornillador especial con la boca hexagonal y hueca que permite colocar tuercas y tornillos con este tipo de cabeza.
O
Llaves Allen. Sirven para tornillos con cabeza hexagonal interior.
d)
e) ~=:..
I
fig. 4.23.
Llaves fijas de diferentes tamaños: a) Llave acodada de estrella; b) Llave fija plana; e) Llave inglesa; d) Destornilladores·llave o de
vaso; e) Llaves Allen.
Uniones roblonadas o remachadas El roblonado es un procedimiento de ensamblaje por el cual se realiza una unión fija de dos o más piezas mediante roblones, más conocidos como remaches. Los remaches deben colocarse en materiales resistentes al martilleado, que no sean frágiles. Los remaches son varillas cilíndricas, generalmente de acero dulce, cobre, aluminio o algunas de sus aleaciones, con cabeza en uno de sus dos extremos. Están compuestos del cuerpo cilíndrico, llamado vástago o espiga, y de la cabeza. El procedimiento de remachado se puede realizar de estas dos formas:
O
Introducimos el cuerpo del remache en los agujeros de las chapas que se tienen que unir y martilleamos la parte sobrante de modo que quede una nueva cabeza que garantice la unión. Para diámetros superiores a los 10 mm esta operación suele realizarse en caliente. Mediante remachadoras automáticas. Introducimos la cabeza del remache en los agujeros de las chapas que deben unirse y mediante la remachadora se extrae la espiga de la cabeza. Así pues, la cabeza del remache se deforma y se hace más ancha y corta, consolidando la unión.
fig . 4.24.
Remachadora y remaches.
Unidad didác!ic I 1 Mecánica básica
Uniones soldadas El soldado o la soldadura es la unión física de dos o más piezas metálicas para formar una so la pieza por medio de la aplicación de calor. Generalmente, se incorpora algún metal que, fusionado con las piezas, da resisten cia mecánica a la unión. Podemos diferenciar entre diferentes tipos de soldadura, los más importantes son: la soldadura blanda, la soldadura fuerte y la soldadura oxiacetilénica.
Soldadura blanda Es muy utilizada para soldar hilos, cables y componentes eléctricos, pero también se utiliza para la unión de chapas, piezas de latón, hojalata, cobre o bronce y en soldadura de tubos, por ejemplo en instalaciones de fontanería y gas. Se basa en el aprovechamiento del efecto Joule junto con la aportación de otro material de fácil fusión, normalmente estaño, plomo o aleaciones de ambos metales. Este tipo de soldadura se emplea generalmente para soldar piezas empleando temperaturas inferiores a unos 200
oc.
Las herramientas típicas para fundir el estaño o el plomo son la normalmente de butano, y el soldador eléctrico.
lamparilla (lámpara),
lámpara de butano. Es de bajo peso, económica, y fácil de emplear. Está formada por una pequeña bombona de gas y un mechero. El mechero lleva incorporada una llave de paso para regular la salida del gas y de la llama. Para encenderla, se aplica la llama de una cerilla a la boca del mechero y se abre lentamente la llave hasta que el gas se inflame. Soldador eléctrico. Aunque tenemos de diferentes tipos y formas, todos ellos se basan en una resistencia eléctrica alojada en una pieza tubular refractaria. Una punta de cobre, insertada en el extremo de la pieza refractaria , se calienta al conectar el soldador a la red eléctrica. Así se consigue en la punta la temperatura necesaria para la fusión del estaño. La pieza refractaria que contiene la resistencia va recubierta con un mango aislante térmico y eléctrico para poder coger el soldador sin problemas. Existe un tipo de soldador eléctrico, llamado soldador rápido, que va provisto de un transformador con el secundario conexionado a una punta especial que, al ser recorrida por la corriente eléctrica, se calienta rápidamente produciendo la fusión del estaño. La forma del soldador es de pistola, con un gatillo que permite encenderlo. El tamaño y la potencia del soldador deben ser adecuados a la pieza que se tiene que soldar.
fig . 4.2S. Soldador eléctrico y rollo de estaño.
Soldadura fuerte También se basa en la producción de calor por efecto Joule. En este caso, el material que se aporta suele estar en forma de varillas metálicas de composición parecida a los metales que hay que unir. Básicamente son dos los tipos de soldadura eléctrica fuerte: por arco y por puntos.
Unidad dldac!lca 4. Mecanica basica
Soldadura por arco Se utiliza un transformador que proporcione una gran cantidad de corriente en su secundario (reduciendo la tensión). En la salida del transformador se conectan dos cables flexibles. Un cable se une con la pieza metálica que hay que soldar gracias a una pinza con mango aislante. El otro se une a otra pinza, a la cual se fija un electrodo o varilla con revestimiento especial.
Fig. 4.26.
Soldadura por arco voltaico.
Al separar ligeramente este electrodo, se forma un arco luminoso que engendra calor suficiente para fundir el material de las piezas en el punto de unión y de la propia varilla, de modo que se soldan las piezas. De esta forma, la varilla se va gastando progresivamente.
Soldadura por puntos Es un método similar al anterior y muy utilizado en la industria automovilístíca. El principio de funcionamiento está basado en el calor producido por la corriente eléctrica en los puntos de contacto. Se emplea una máquina con unos brazos metálicos, rematados en unas puntas de cobre aleado con cadmio, cromo, tungsteno, etc. Los brazos son articulados manualmente por el operario o automáticamente mediante ordenador o autómata programable, de forma que abren o cierran las puntas, oprimiendo entre éstas las piezas que se sueldan. Las corrientes oscilan entre los 1.000 A y los 100 kA.
Soldadura autógena u oxia(etiléni(a Emplea como fuente de calor para fundir los metales que hay que soldar la llama de un soplete alimentado por una mezcla de oxígeno con un combustible, generalmente acetileno, que se quema con él. El acetileno se inflama a los 350 oC y produce una llama muy luminosa al arder en el ambiente. Tanto el oxígeno como el acetileno se suministran independientemente en bombonas o botellas, equipadas con válvulas de abertura y manómetros indicadores de presión. El dispositivo que utiliza el operario para realizar la soldadura, y por donde sale la llama, es conocido como soplete. Los gases en combustión son capaces de alcanzar temperaturas del orden de 3.160
oc.
Actividades 14.
Pon el nombre que corresponde a cada tipo de boca para los siguientes destomilladores.
15.
Haz un listado exhaustivo de la tomillería habitual en trabajos de mecanizado para electricistas: tipos de tomillo, tuercas, arandelas, etc.
16.
a o Explica el principio de funcionamiento de los diferentes tipos de soldadura que has estudiado en este apartado. Amplia un poco tu información e indica algunas aplicaciones de cada uno de ellos.
17.
En la construcción y en el montaje de un cuadro eléctrico, indica las diferentes uniones que realizarás. Señala para cada una de ellas el tipo de unión de que se trata y cómo se ejecuta.
18.
Si como futuro técnico en electricidad debes montar tu caja de herram ientas, indica aquellos utensilios que deberías tener en tu caja. Haz una lista con las herramientas que serían imprescindibles y otra con aquéllas de las que podrías prescindir, aunque es aconsejable tenerlas.
8 e
d
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Unidad didactica 4. Mecánica básica
Operaciones (on máquinas herramientas Hoy en día, muchas de las operaciones de mecanizado expuestas en los apartados anteriores pueden realizarse utilizando unas máquinas herramientas. Las máquinas herramientas son las que llevan incorporada una herramienta que es movida por acción de un motor. Estas máquinas tienen como objetivo sustituir el trabajo manua l por el trabajo automático en la fabricación de piezas, o llevar a cabo operaciones que son prác· ticamente imposibles o muy difíciles de realizar a mano (trabajos peligrosos, de mucha precisión, etc.). En nuestro trabajo como montadores de cuadros eléctricos, la operación más habi· tual que realizaremos con una máquina herramienta es el taladrado. Sin embargo, existen otras operaciones, más propias del entomo industrial, que debemos cono· cer: el torneado, el fresado, la rectificación y el aserrado.
Operaciones de taladrado El taladrado tiene como objetivo la realiza ción de agujeros por corte de virutas sobre un determinado material.
Brocas La herramienta con la que se realizan los taladros es la broca. Consiste en una barra de acero templado con una hélice a lo largo de su superficie, afilada de tal manera por un extremo de la hél ice que, al girar, penetra en el cuerpo que hay que taladrar, de modo que va cortando pequeñas porciones (virutas) . Hoy en día, las brocas más generalizadas son las llamadas brocas helicoidales. Las demás pueden considerarse brocas especia les (brocas helicoidales de más de dos ranuras, de pezón, fresas, brocas para avellanar, brocas con ranuras, brocas de aguo jeros para lubricación, etc).
La taladradora
Fig.4.27. Broca helicoidal típica .
Para realizar la operación de taladrado, hay que dar a la broca dos movimientos básicos: un movimiento principal de rotación, pa ra obtener la velocidad de corte adecuada, y otro de avance o penetración, en la d irección de su eje. Estos dos movimientos los obtenemos por medio de una máquina herramienta llamada taladra· dora o simplemente taladro. Las taladradoras se dividen en diferentes tipos, en función de su constitución y complejidad. Las más comunes son las siguientes: O
Taladradoras de columna. El armazón principal está constituido por una columna redonda, en la cual se apoya el brazo, capaz de deslizarse verticalmente y girar sobre ella.
O Taladradoras de sobremesa. Parecidas a las anteriores, tienen menor tamaño, y permiten colocarlas encima de un banco o mesa. O
Taladradora portátil. La más estandarizada, ya que por su bajo precio es una herra· mienta imprescindible, no solamente en el taller mecánico o eléctrico, sino también en casa.
Las brocas suelen sujetarse a las taladradoras por medio de unas pinzas llamadas porta brocas.
UOIdad dldactlca
Mecánica básica
La colocación de la broca debe hacerse de forma que no oscile ni resbale o patine durante el taladrado. tosta debe quedar bien fijada y centrada, y el portabrocas debe estar siempre limpio para evitar que una posible acumulación de suciedad o virutas haga que la broca quede mal posicionada. Jamás deberá golpearse ni forzarse el porta brocas.
Fig. 4.28.
Proceso de taladrado con taladradora de sobremesa.
Es muy importante en el proceso de taladrado seleccionar la broca adecuada según el material que hay que taladrar, elegir la velocidad de taladrado correcta y refrigerar la broca, si fuera necesario.
~1 (~
. Otras operaciones
Las operaciones anteriores, como el uso del taladro o de una sierra automática, son muy comunes y realizadas a menudo por aficionados al bricolaje. A parte de las operaciones presentadas, existen otras que necesitan una gran destreza por parte del operario: el torneado, el fresado y la rectificación. También veremos la operación de aserrado con sierra automática. Aunque algunas de estas opera ciones se pueden realizar con máquinas herramientas portátiles, hoy en día, existen máquinas controladas por ordenador, denominadas máquinas herramienta con control numérico o máquinas herramienta con CNC (computer numerical control/el") para realizar estas operaciones. El control numérico es un sistema de gobiemo automático de máquinas que, básicamente, consiste en transmitirl es una serie de órdenes de trabajo (secuencia de operaciones) por medio de un programa de ordenador.
El torneado Es la operación mecánica que consiste en trabajar o mecanizar una amplia variedad de cuerpos de revolución (cilindros, conos, esferas, etc.) y practicarles roscas de diferentes tipos y formas utilizando una máquina-herramienta llamada torno. Las operaciones principales del torneado son las siguientes:
Cilindrado. Obtención de superficies cilíndricas de revolución. Roscado. Obtención de roscas, torni llos y espárragos en el caso de roscado externo, y de tuercas en el caso de roscado interno.
Taladrado.
Unidad didactica 4. Mecánica básica
El fresado Es la operación mecánica que consiste en trabajar o mecanizar cuerpos prismáticos mediante el arranque de viruta, como por ejemplo el mecanizado de superficies planas, la realización de ranuras, los dientes en piezas y engranajes e, incluso, el trabajo en superficies curvas y alabeadas. Estas operaciones se efectúan mediante herramientas de corte especiales llamadas fresas, montadas sobre una máqu ina herramienta conocida como fresadora.
La rectificación Es una operación de conformación de piezas en la cual el material sobrante que se encuentra sobre la superficie de una pieza es eliminado por granos abrasivos de una herramienta denominada mola. Las máquinas herramientas sobre las cuales se monta la mola reciben el nombre de rectificadoras. Fig. 4.29. La rectificación permite un mejor acabado de las piezas.
El aserrado Al hablar de las operaciones de serrado hemos hecho referencia a la utilización de sierras mecánicas. Las hay de varios tipos: O
(irculares. La herramienta de corte es un disco metálico.
O
De vaivén. Consiste en una hoja dispuesta en una máquina que realiza unos movim ientos similares a la serrada manual. De cinta. El corte lo realiza una cinta cerrada que se mueve siempre en el mismo sentido.
De todos modos, como hemos comentado, su utilización se concentra en el entorno industrial, por lo que para el montaje de cuadros emplearemos habitualmente la sierra manual.
Actividades 19. Con la taladradora se realiza a menudo una operación denominada achaflanado. Indica qué es, cómo se realiza y para qué sirve.
20. Infórmate en una tienda especializada en material mecánico o en Internet sobre los tipos de broca existentes: tamaños, materiales de fabricación y aplicaciones.
21. Imagínate que debes realizar un agujero de 8 milímetros de diámetro en una plancha de hierro de 10 centímetros de grosor. Indica lo siguiente: El tipo de taladradora y de broca (material, diámetro y forma) que necesitarías. Si te haría falta alguna pieza de sujeción. El proceso de realización de la operación. El equipo de protección necesario .
22. Como futuro técnico en electricidad, realiza una lista con aquellas operaciones de mecanizado estudiadas en esta unidad d idáctica que creas que son necesarias para el montaje de automatismos y cuadros eléctricos.
23.
Los términos sig uientes se refieren a diferentes tipos operaciones de mecanizado hechos con máquinas herramientas. Indica en qué consisten: el cilindrado, el refrentado, el roscado, el cajeado o ranurado, el taladrado, el moleteado, el mandrinado, el afinado.
24.
¿Qué mejoras aporta la aplicación del control numérico en las operaciones de mecanizado hechas con máquinas-herramienta?
Unidad d,dacl,ca 4. Mecánica básica
La seguridad en las operaciones de mecanizado Normativa mano de seguridad laboral A nivel nacional, la política de seguridad y salud laboral viene descrita en la Ley de Prevención de Riesgos Laborales (LPRL), de 8 de noviembre de 1995. Esta ley se sustenta sobre el artículo 40.2 de la Constitución y en la Directiva marco europea 89/391 ICEE y, también, en los compromisos adquiridos con la Organización Internacional del Trabajo sobre la seguridad y salud de los trabajadores. La Constitución en su artículo 40.2 dice: «Asimismo, los poderes públicos fomentarán una política que garantice la formación y readaptación profesionales; velaran por la seguridad e higiene en el trabajo y garantizarán el descanso necesario, mediante la limitación de la jornada laboral, las vacaciones periódicas retribuidas y la promoción de centros adecuados». Por otro lado, la Directiva marco europea 89/391/CEE establece las medidas que deben aplicar los países miembros para la mejora de la seguridad y salud de los trabajadores Los objetivos que pretende conseguir esta ley son:
Prevenir los riesgos profesionales para la proteger la seguridad y la salud. Eliminar o reducir los riesgos derivados del trabajo. Informar y fomentar la participación de los trabajadores en la prevención de accidentes y enfermedades profesionales. Además de esta normativa básica, hay que añadir la gran cantidad de legislación en función del sector empresarial o industrial. También existe normativa de ámbito de aplicación autonómico y local, y una gran variedad de normas que detallan las características que deben cumplir y la forma de ensayo de una gran variedad de equipos y elementos de protección (individuales o no). El Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo publica unas guías orientativas, de interpretación y aplicación de los diferentes reglamentos que aplican y desarrollan la LPRL. Por ejemplo, es importante para este ciclo formativo conocer la publicación de la Guía técnica para la evaluación y prevención de los riesgos relacionados con la protección frente al riesgo eléctrico, donde podrás encontrar mucha más información sobre seguridad en trabajos eléctricos. En esta unidad vamos a centrarnos en relacionar los riesgos laborales a los que como trabajador puedes estar expuesto en las operaciones de mecanización, en la siguiente unidad nos referiremos a los riesgos en los trabajos eléctricos. Después, vamos a estudiar los diferentes equipos de protección que puedes encontrar en el mercado para protegerte de aquellos riesgos que no puedan ser eliminados o reducidos, por otros medios.
Unidad d,dactica 4. Mecánica básica
La responsabilidad de empresas y trabajadores En su artículo 14, la Ley de Prevención de Riesgos Laborales exige que la empresa garantice la seguridad y la salud de los trabajadores a su servicio en todos los aspectos relacionados con el trabajo. Así, en el marco de sus responsabilidades, la empresa promoverá la prevención de los riesgos laborales y adoptará las medidas que sean necesarias para la protección de la seguridad y la salud de los trabajadores. El artículo 17 establece la obligación de las empresas de proporcionar Equipos de Protección Individual (EPI) adecuados a los trabajadores, para la realización de sus funciones y, además, de velar por su uso correcto según el tipo de tareas. El artículo 29 especifica que los trabajadores deben velar, mediante sus posibilidades y el cumplimiento de las medidas de prevención que se adopten en cada caso, por su propia seguridad y salud en el trabajo y también por el de las personas o trabajadores a los cuales afecta la actividad profesional. Los trabajadores están obligados a: O
Utilizar y cuidar correctamente los equipos de protección individual.
O
Colocar, después de usarlo, el equipo de protección individual en el lugar indicado para el lo.
O
Informar de inmediato a su superior jerá rquico directo de cualquier defecto, anomalía o daño apreciado en el equipo de protección individual util izado que, a su juicio, pueda entrañar una pérdida de su eficacia protectora.
O
Contribuir al cumplimiento de las obligaciones establecidas por la autoridad competente con el fin de proteger la seguridad y la salud en el trabajo. Cooperar con el empresario para que éste pueda garantizar unas condiciones de trabajo que sean seguras y no entrañen ri esgos para la seguridad y la salud de los trabajadores.
1
Origen de los accidentes con herramientas y máquinas-herramienta portátiles
En la mayoría de las operaciones de mecanizado que vayas a ejecutar en tu vida profesional como técnico para el montaje de instalaciones de automatización y de cuadros eléctricos usarás herramientas manuales y con máquinas-herramienta portátiles eléctricas (taladros, fresas, destornilladores, radiales, sierras de calar y circulares, etc.) como has estudiado en el apartado anterior.
La mayoría de los accidentes en el uso de las herramientas manuales, y también de las máquinas-herramienta, tienen su origen en tres factores:
utilización no adecuada de la herramienta. Se usa para una función para la cual no fue diseñada o bien, aunque corresponde la función, la herramienta no tiene las dimensiones adecuadas a la tarea. Podríamos encontrar una gran variedad de ejemplos de uso inadecuado: Utilización de destorn illadores o limas para hacer palanca o como cincel. Utilización de destornilladores con la punta no adecuada o bien de tamaño no adecuado a la tarea.
Unidad dida(ti(a 4.
Mec~nica
básica
o Utilización de destornilladores sin aislamiento en trabajos eléctricos. o Utilización de llaves fijas o bien alicates para golpear, en lugar de un martillo. Util ización de llaves fijas de dimensiones no acordes con el esfuerzo, y de tubos sobre llaves para incrementar el par. Golpear con el mango de la herramienta, por ejemplo, de un martillo. Utilización de cinceles demasiado largos o demasiado cortos, o bien con un temple no adecuado al material sobre el que se trabaja . Utilizar cinceles para hacer palanca o como destornilladores. o Escoger una hoja de sierra no adecuada, en material y tipo de dientes, al material que se debe cortar.
o
Herramienta en mal estado omal mantenida: Por ejemplo: Destornilladores con la punta en mal estado, mellada o sin filo o bien con mango rajado . o Martillos u otras herramientas con el mango flojo, rajado, desportillado o con astillas. Cinceles con rebabas o con filos mel lados, o bien faltos de afilado. Alicates o tenazas con las puntas degastadas, holguras en el eje, filos de la boca mellados o deformados, cuadriculado o estrías desgastados (en alicates de agarre). Llaves fijas con las mordazas desgastadas, deformadas o melladas, husillo con exceso de holgura o desgastado. Limas sin mango, con mango rajado o sin la correcta sujeción a la lima, dientes muy gastados o embotados, o bien engrasados.
o
Desconocimiento de la técnica de trabajo. Por ejemplo: En el uso de martillos: Coger el mango demasiado cerca de la maza, golpear con exceso de violencia o sobre una pieza o herramienta templada no preparada para ello. En el uso de destornilladores: Atornillar o desatornillar oblicuamente, sostener la pieza sobre la que se trabaja con la mano o utilizar una llave para aumentar el esfuerzo. En el uso de alicates y tenazas: Sujetar de forma incorrecta la pieza, golpear sobre las mordazas con un martillo para cortar, apretar poco o en exceso. En el uso de llaves fijas: uti lizar tubos prolongadores para aumentar el par, usar la llave al revés, empuja r en lugar de tirar. En el uso de limas: sostener la pieza sobre la que se trabaja con la mano, limpiarla golpeando con otros objetos. En el uso de sierras: rozar con objetos metálicos si las hojas son para madera, utilizar demasiada fuerza, no sujetar adecuadamente la pieza y no utilizar un ángulo de serrado adecuado. En el uso de cincel y el buril: golpear de forma oblicua sobre él, utilizarlo en distancias cortas, hacia las personas.
• I
Unidad didactica 4. Mecánica básica
Cuando las herramientas no se estén utilizando se deberán ordenar y guardar en sitio adecuado, caja o carro de herramientas, por ejemplo, evitando el riesgo de lesiones por dejarlas en sitios peligrosos (pueden ocasionar ca idas si se tropieza con ellas, o caer sobre alguien, etc.). Los accidentes con máquinas-herram ienta eléctricas, tienen los mismos tres factores, que acabamos de ver, como origen de accidentes. Piensa que éstas consisten en un motor eléctrico cuya fuerza motriz del eje acaba manejando una herramienta: hoja de sierra, broca, fresa, cincel, tija y punta de destornillador, etc.
Ejemplo 4.1 Indica para las siguientes máquinas-herramienta un ejemplo de utilización no adecuada, he-
Máquinaherramienta
rramienta en mal estado o con
un mantenimiento inadecuado y de desconocimiento de la técnica de trabajo.
Taladro
Sierra de calar
¡
Utilización no adecuada
Herramienta en mal estado
"'paraO;,acero "" ""<ó cuando
Utilizar un taladro con el cable en mal estado, perdida de aislamiento.
No tener en cuenta el diámetro de la broca y el material para fijar el número de revoluciones de la broca.
Sierra sin resguardo de protección o con el resguardo roto.
No mantener vertical la sierra de calar e imprimir un esfuerzo en el sentido del corte excesivo.
queremos agujerear una pared de ladrillo.
Elegir una hoja no adecuada al tipo de material y al grosor de la pieza que se va a cortar.
Desconocimiento de la técnica de trabajo
i1iJ !h Riesgos que generan las herramientas
y las máquinas-herramienta portátiles Algunos de los riesgos que generan el empleo de las herramientas y máquinas-herramienta son los siguientes:
O
Proyección de fragmentos, que pueden provocar lesiones oculares y quemaduras (partículas incandescentes), entre otras.
O
Sobreesfuerzos que pueden ocasionar lesiones musculares y óseas.
O
Golpes, erosiones y cortes, sobre todo en extremidades superiores.
O
Ruidos y vibraciones.
O Generación de polvo.
O
Quemaduras.
Además, las máquinas-herramienta portáti les, casi todas eléctricas, presentarán riesgos de tipo eléctrico como los contactos directos e indirectos. En el uso de soldadores, existe el riesgo de lesiones oculares y de quemaduras, por las partículas incandescentes y por contacto con el soldador.
¡Importante! Cuando el diseño de la herramienta -o bien de la máquina-herramienta-, los sistemas de protección colectiva y los procedimientos y métodos de trabajo no sean suficientes para eliminar los riesgos, los trabajadores deberán utilizar los Equipos de Protección Individual que sean necesarios. Los EPI deben ser el último recurso en la eliminación de los riesgos y siempre se deben utilizar como medida de protección complementaria a las anteriores.
Unidad dldactlca 4. Mecánica básica
Ij ')
Medidas para evitar riesgos en las operaciones de me(anizado
Las medidas necesarias para reducir o suprim ir riesgos se pueden deducir al analizar el origen de los accidentes (apartado 4.4.3) y se pueden resumir en las siguientes:
O
Se deberá uti lizar la herramienta o máqui na adecuada al trabajo.
O
El operario realizará siempre una inspección visual para comprobar el estado de mantenimiento de la máquina o herramienta.
O Se deberá utilizar la herramienta o máquina según las instrucciones o procedimientos de trabajo establecidos.
O
En ningún caso debe eliminar ni inutil izar ningún de sistema de protección que incorpore la máquina: por ejemplo, quitar la protección de una amoladora o radia l, manipu lar interruptores de las máquinas, utilizar fijaciones no proporcionadas por el fabricante para máquinas portátiles, etc.
Equipos de Prote((ión individual Se define un Equipo de Protección Individual (EPI) como cualquier equipo destinado a ser llevado o sujetado por el trabajador para que le proteja de uno O varios riesgos que puedan amenazar su seguridad en el trabajo, así como cualquier complemento o accesorio destinado a tal fin (RD 773/ 1997).
Clasificación y tipos de EPI Los EPI deben responder a las condiciones existentes en el lugar de trabajo, ser adecuados a los riesgos a proteger y adecuarse a la parte del cuerpo del trabajador, mediante los ajustes adecuados. Los podemos clasificar en función de la parte del cuerpo que protegen.
Ejemplos de EPI
Parte del cuerpo que protegen Protección de la cabeza (en su total idad o sólo el cráneo, cara, ojos, oídos y vias respiratorias).
Cascos, gafas, pantal las, cascos audi tivos, tapones, mascaras, etc.
Tronco (en su totalidad o sólo pecho, espalda, hombros, abdomen o cintura).
Ropa de seguridad, fajas, mandiles, etc.
Extremidades superiores: dedos, manos, muñecas, brazos y codos.
Guantes, manoplas, manguitos, dedales, etc.
Extremidades inferiores: pies, tobillos, rodillas y piernas.
Zapatos y botas de seguridad, etc.
Piel
Ropa y guantes de seguridad.
También se pueden clasifi car, en función del riesgo del cual protegen, en tres categorías:
O EPI de categoría I o de riesgo mínimo. Son aquellos cuya eficacia la puede el usuario juzgar directamente, así como percibir sin peligro para su integridad los efectos de los riesgos cuando éstos son graduales. Son EPI de categoría 1, los que protegen al su usuario de: o Agresiones mecánicas de efectos superficiales.
Unidad didac!ica 4.
Mecánica básica
Productos de mantenimiento poco agresivos o nocivos que provoquen efectos fácilmente reversibles (guantes de protección contra soluciones detergentes diluidas, etc.). Riesgos derivados de la manipulación de piezas calientes con temperaturas de exposición para el operario que no superen los 50° (guantes, delantales de uso profesional, etc.).
e
" Agentes atmosféricos que no tengan la consideración de excepcionales ni extremos (gorros, ropas de temporada, zapatos y botas, etc.). Pequeños golpes y vibraciones que no afecten a las partes vitales del cuerpo y que no puedan provocar lesiones irreversibles (cascos ligeros de protección del cuero cabelludo, guantes, calzado ligero, etc.). La radiación solar (gafas de sol). EPI de categoría 11 o de riegos medío o grave. Son aquellos que no pertenecen a la categoría I ni a la 111, que a continuación se detalla.
O
ilmportante!
EPI de categoría 111 o de ríesgo alto, muy grave o de muerte. Son aquellos que deben proteger de accidentes muy graves con posibles consecuencias de muerte o de lesiones importantes y que no se pueden descubrir a tiempo. Son EPI de categoría 111 , los siguientes: Mascarillas con filtros, que protegen contra aerosoles sólidos y líquidos o contra los gases irritantes, peligrosos, tóxicos o radiotóxicos.
Para asegurarte de que un EPI cumple con las exigencias esenciales de seguridad y salud, deberás comprobar que lleva el marcado CE. Además, le deberá acompañar un folleto informativo en el que figurarán las instrucciones de uso, mantenimiento, revisión, resultados de los ensayos real izados, refe-
Equipos de protección respiratoria, completamente aislantes de la atmósfera, incluidos los destinados a la inmersión. Equipos de protección temporal limitada contra las agresiones de tipo químico o contra radiaciones ionizantes. Equipos de intervención en ambientes cálidos, equiparables a una temperatura ambiente igualo superior a los 100 oc, independientemente de la existencia de llama o de emisión de infrarrojos. Equipos de intervención en ambientes fríos, equiparables a una temperatura ambiente igualo inferior a -50
rencias a normativas que
oc.
cumple, etc.
Equipos destinados a la protección de las caídas desde altura. " Equipos destinados a proteger contra los riesgos eléctricos (los veremos en la siguiente unidad).
EPI más comunes para la protección
en operaciones de mecanizado Los equipos de protección individuales que más vas a utilizar, como técnico de instalaciones electrotécnicas e industriales, son los siguientes: O
(asco de seguridad (categoría 11). Se utilizará siempre que exista, en realización con el trabajo, riesgo de impactos en la cabeza . Ya sea porque caigan materiales u objetos sobre el operario, o bien porque él mismo se caiga. En estos casos su uso es personal y obligatorio. Gafas o pantallas faciales (categoría 11). Se utilizan cuando exista el riesgo de choque o impacto con partículas o cuerpos sólidos, proyección o salpicadura de líquidos, productos cáusticos o metales fundidos, polvo y humos, sustancias gaseosas irritantes, y radiaciones o deslumbramientos.
Unidad dldiÍcllca 4. Mecánica básica
o
y
Guantes, manoplas manguitos (categoría 11). Se utilizarán en la manipulación de materiales y herramientas para reducir el riesgo de los golpes, erosiones, cortes, etc. También para protegernos de los efectos corrosivos de productos químicos.
o
y
Zapatos botas de seguridad (categoría 11). Ya sea con plantil la o puntera reforzada nos protege de golpes, cortes y pinchazos en los pies. El calzado de seguridad debe adecuarse al medio de trabajo existente (por ejemp lo, si debe ser aislante, conductor, no debe dejar penetrar el agua, etc.).
Estos EPI pueden pasar a ser de categoría III si incorporan propiedades que protegen de los riesgos eléctricos.
Fig. 4.30. Pantalla facial, gafas, guan tes, tapones y casco
Señalización indicativa de la obligación de usar EPI En los lugares de trabajo en que sea necesario el uso de EPI existirán las señales correspondientes pa ra indicarlo. En la figura 4 .31 se indican los pictogramas o señales que indican la obligatoriedad de EPI más habituales para la protección contra riesgos eléctricos.
Fig. 4.31 . Seña les que indican la obl igación de utilizar EPI.
Actividades 25.
Haz una tabla de 3 columnas, en la primera debe figurar cada una d e las máquinas- herram ienta presentadas al apartado 4.6.; en la segunda, los riesgos derivados del uso d e cada máquina y, en la tercera, los EPI más adecuados para protegerse de ellos.
Unidad dldac!ica 4. Mecánica básica
Metrología y operaciones de medida La metrología es la ciencia que estudia la medida de las diferentes magnitudes, los sistemas de unidades y establece los requisitos para la fabricación de los instrumentos de medida.
Durante el proceso de fabricación de una pieza o cualquier otro objeto es necesario controlar aspectos como las dimensiones que tiene, el estado de su superficie, etc. La metrología realiza el estudio de estas mediciones. Medir es la operación mediante la cual establecemos cuántas veces una magnitud es mayor o menor que otra tomada como unidad o referencia . Podemos efectuar multitud de mediciones: longitud, superficie, volumen, ángulos, peso y masa, fuerza, tiempo, temperatura, diferentes magnitudes eléctricas, etc.
La medición y los errores Al efectuar mediciones es inevitable cometer errores. A nivel general, los podemos clasificar en dos tipos:
O O
Errores accidentales. Se deben a la manera en cómo efectuamos la medida. Errores sistemáticos. Se producen a causa de las características del instrumento empleado,
Errores aleatorios o accidentales
al
TT v
~
lectura correcta
lectura errónea
bl ~
o I
_ _ _ _----.. 10
20
30
40
I
I
I
I
Se cometen por la forma de efectuar la medida y pueden ser, principalmente, de paralaje y de apreciación, Ambos vienen dados en instrumentos analógicos que tienen agujas indicadoras,
O
Error de paralaje. Se comete en instrumentos de aguja cuando, al observar la aguja indicadora del aparato, la visual no es perpendicular a la escala y se lee una desviación mayor o menor que la real.
O
Error de apreciación. Depende de la dificultad con la que se aprecie la lectura cada vez que la aguja indicadora se detiene entre dos divisiones de la escala,
Errores sistemáticos Se cometen al realizar una medición como consecuencia de las cualidades intrínsecas de los instrumentos uti lizados para la medida y el método empleado, Sólo pueden ser corregidos empleando aparatos más precisos o modificando las condiciones o los métodos de medida, Básicamente, podemos hablar de dos tipos de errores:
Fig. 4.32. Error de paralaje (a) y error de apreciación (b).
O
Error absoluto (E,l. Se define como la diferencia entre el valor obtenido en la medida (Xml y el valor verdadero o convencional ()("l de la magnitud, E, ~X m -
X,
Si no se conoce el verdadero valor, debemos tomar varias medidas y aceptar como valor la media aritmética de los valores medidos. Observa que este error puede ser positivo o negativo dependiendo de si Xm es mayor o menor que X"
O
Error relativo (E,l, Se define como el cociente entre el error absoluto y el valor convencional de la magnitud ()(,,). E r
= ~ = Xm-Xo
Xo
Xo
Observa que este error es un valor adimensional. También suele expresarse en tanto por ciento (error relativo porcentual); es decir:
,~ ~ X, · 1 00~
E
UnIdad dldactIC3 4 Mecánica básica
Ejemplo 4.2 Al medir la longitud de una pieza se obtienen los valores siguientes: 23, 1; 23,6; 22,8; 23,5 cm. Indica qué valor debemos escoger como valor real de la longitud de la pieza. Solución: Como desconocemos la longitud exacta de la pieza, el valor más probable de la medida será la media aritmética de los valores, y éste será considerado el valor real de la medida. Valor medio =
23, 1 + 23,6 + 22,8 + 23,5
= 23,25 cm
4 El error en cada medición es la diferencia entre cada medida y la media:
23, 1 -23,25 =-0, 15 23,6 - 23,25 = 0,35 22,8 - 23,25 = - 0,45 23,5 - 23,25 = 0,25 El valor absoluto de los errores de cada medición es el siguiente: 0,15; 0,35; 0,45; 0,25. El valor medio de todos los va lores absolutos es el error absoluto:
0, 15 + 0,35 + 0,45 + 0,25 4
= 0,3 cm
En el ejemplo anterior, se ha calculado también la media de los errores absolutos de las med idas efectuadas respecto d e la media calculada. Los errores absolutos nos da n una idea d e la calidad de la med ida. Por ejemplo, en una superficie de 3 metros de largo y 60 centímet ros de ancho no es lo mismo cometer un error de 6 centímetros en la medida de la anchura que de la longitud. El error relativo es el cociente del error absoluto y el valor q ue se asigna a la medida. En el caso anterior, en 60 cm el error relativo es de :0
= 0, 1
Y en 3 m ,
3~0 = 0,02. Los errores re lativos se expresan en tanto por ciento, que en este caso son los siguientes:
0,1 x 100 = 10 % de error en anchura 0,02 x 100 = 2 % de error en longitud A continuación estudiaremos aquellos instrumentos de medida para magnitudes lineales y angulares. Algunos son sobradamente conocidos, como la cinta métrica; otros, por lo contrario, no tanto, y conviene conocerlos.
Metros y reglas graduadas Fig.4.33. Metro, cinta métrica y regla graduada.
Los metros y las reglas g raduadas son instrumentos que permiten medir magn itudes lineales (longitudes, espesores, etc.).
O
Los metros son cintas o varillas graduadas en centímetros o milímet ros, construidos en madera , acero, latón o aleaciones d e alum inio. Por comodidad, el más uti lizado es el metro arrollable, de hasta unos 5 m, y cuya cinta va introducida en el interior de una cajita.
O
La cinta métrica, de más longitud que el metro arrollable, generalmente de 20 m o 50 m, suele estar realizada de fibras text iles reforzadas o plástico.
O
La regla graduada es una barra rígida de p lástico, de madera, de aluminio, de acero, etc., de sección rectangular. La longitud oscila entre los 10 cm y los 2 m. Conviene indicar que en todos estos instrumentos, la precisión obtenida nunca podrá ser mayor que la menor división de ellos.
Unidad dldactica 4 Me(ánica básica
El pie de rey o calibrador Estructura del pie de rey El pie de reyes un instrumento muy útil para la medida de magnitudes lineales como pequeñas longitudes, profundidades, espesores, diámetros, etc. Consta bási· camente de dos partes: O Una regla de acero graduada en sus bordes en milímetros y pulgadas, y doblada en escuadra por un extremo, de modo que constituye la boca fija. O Una regla menor, también doblada a escuadra, llamada (ursor o corredera, que se desliza porfrotamiento suave sobre la primera y constituye la boca móvil. El desplazamiento de la corredera se logra presionando sobre un pulsador, que lleva unido de forma solidaria. En la figura siguiente se observan estas tres zonas: O (on las bocas de exteriores podemos medir espesores y diámetros exteriores. O (on las bocas de interiores podemos medir diámetros interiores. O (on la varilla podemos medir profundidades. Fig. 4.34.
Tipos de medidas con el pie de rey: 1) medidas de espesores y diámetros exteriores; 2) medidas de diámetros interiores; 3) med idas de profundidades.
J
I El pie de rey lleva los bordes biselados, en uno de los cuales tiene una graduación auxil iar especial llamada nonio, nonius o vernier que, al desplazarse, lo hace solida· riamente al cursor o la corredera. La lectura se realiza en la regla fija, pero el nonio nos permite apreciar una fracción de la unidad impresa en la regla fija. El nonio generalmente está dividido en 10 unidades (aunque, para aumentar la precisión, existen también de 20 y 50 divisiones). El valor de una de sus unidades se calcula viendo la longitud que abarcan sobre la regla superior las diez unidades de la reglilla y dividiendo ese valor en 10 partes. Bocas interiores
1
Boca móvil
Fig. 4.35.
Partes del pie de rey.
Unidad didactlca 1. Mecánica básica
Pro(edimiento de medida Para conocer el valor de una med ida escribiremos el número tomando las primeras cifras de la reg la fija y la última cifra (generalmente el primer decimal), y la calcularemos por medio de la regl illa auxiliar (el nonio). Fíjate en la medida de la figura 4.36. Lee en la regla fija (la superior) la distancia que va entre su cero y el cero del nonio. En este caso será de 12 mm.
o O
A continuación, la siguiente cifra de la medida (las décimas) búscala en la escala del nonio (la inferior) y será la del número de ésta cuya posición coincida justamente con una división de la reg la . Como la cifra que coincide con una división de la escala superior es 65, la medida será de 12,65 mm. El resultado se expresa con una incertidumbre, igual a una división del non io; en este caso 0,05 mm. Por lo tanto, la medida se dará como 12,65 ± 0,05 mm .
Fi9. 4.36. ---~--~~---~--,,-~--------....... Medida realizada (on el pie de rey: 12,65 mm.
Ejemplo 4.3 Determina la lectura de los pies de rey de las figuras adjuntas:
2
:3
4
~ I!lfl~1 Y'¡14 ',Ll,J'~l Vfft'i't'ftL¡.u.uu;~ 0123
•
456 '"
. "
7
8
9
°
O,06mm
--
.
Solución: 20,00 mm y 20,45 mm.
Tipos de pie de rey Actualmente, en el mercado existen multitud de pies de rey, como el pie de rey con indicador comparador, el digital, el de tipo Torner, para la medida de regatas, para trazar, etc.
Unidad dldaCllca 1 Mecánica básica
Micrómetro y pálmer En medidas de longitudes o espesores de mucha precisión y pequeño valor se emplea el tornill o micrométrico o, simplemente, micrómetro. Es un instrumento de precisión que toma medidas con más exactitud que el pie de rey (del orden de micras). Los usados para medir exteriores se llaman pálmer. Estos instrumentos constan de:
O
Un cuerpo principal, en forma de herradura que lleva una tuerca graduada en sentido longitudinal. Está graduado con divisiones cortas (0,5 mm) y largas (1 mm).
O
Un tornillo micrométrico graduado en centésimas de milimetro, con un mango que se ajusta en la tuerca y que representa un tambor graduado con 50 divisiones. El valor de cada vuelta del tornillo es de 0,50 mm.
Cerrado el micrómetro, el cero de la tuerca y del tambor coinciden. Por cada vuelta del tambor, el tornillo micrométrico avanza 0,5 mm. Para utilizar el micrómetro, se coloca entre las dos bocas o puntas la pieza cuya longitud o espesor desea medirse, de modo que se cierran las puntas hasta que se vea que la pieza queda ajustada. Nunca debe forzarse. Fig. 4.37. Micfómelro.
La lectura se obtiene al añadir a las divisiones de la parte fija las centésimas indicadas en el tambor. Cuando la vuelta no es completa (menos de 0,5 mm) la medida se aprecia observando las divisiones del tambor.
Ejemplo 4.4 Observando la lectura del micrómetro de la figura, indica las medidas en cada caso.
___
--.......,~--'"
g
-
=
0 ----'
25
Solución: En el primero queda al descubierto en la escala longitudinal la marca situada entre el milímetro 4 y el 4,50. Así pues, indica que la longitud buscada es 4,00 mm y algo más. Sobre el tambor circular del tomillo queda señalada la marca correspondiente al número 49, entonces las centésimas buscadas que hay que añadir a la cifra serían de 0,49 mm. De esta forma, la medida de longitud completa queda de la forma siguiente: 4,00 mm + 0,49 mm = 4,49 mm. En la lectura del segundo, podemos leer que la indicación en la escala horizontal es de 8,50 mm y algo más. Ese algo más lo concretamos a partir de la escala circular del tornillo, y es de 0,22 mm. La lectura, por lo tanto, será de 8,50 mm + 0,22 mm = 8,72 mm.
Unidad didactica
I
Mecánica básica
Actividades 26.
Al medir el espesor de una pieza se han tomado las medidas siguientes: 4,32; 4,31; 4,35; 4,29; 4,33; 4,35 mm. Calcula el valor real del espesor, el error absoluto y el valor relativo.
27.
Determina la lectura que indica cada uno de los pies de rey siguientes.
28.
Determina la lectura que indica cada uno de los micrómetros siguientes.
29.
Actividad práctica. Una plancha de chapa de 1,5 a 2 mm de espesor, 250 mm de ancho y 300 mm de alto simulará la puerta de un pequeño armario eléctrico. Esta puerta debe mecanizarse de modo que en ella se ubiquen tres pulsadores, un voltímetro y un amperímetro analógico. Para los pulsadores se deberá realizar unos agujeros de diámetro de 26 mm y para el voltímetro y el amperímetro mecanizar la plancha hasta conseguir dejar unos agujeros de forma cuadrada de 60 x 60 mm. La ubicación en la puerta del cuadro se indica en el croquis.
Unidad dldawca 4 Mecánica básica
____ Au_ t_o_a_v a_ l_u_a _d _ó ____~r¡----------------b) Alicates universales.
1. Las aleaciones del cobre son denominadas: a) Latones.
e) Alicates de puntas dobladas.
b) Galvanizados.
d) Alicates cortaalambres.
e) Niquelados.
2.
d) Bronces.
a) Las tijeras de sobremesa.
Llamamos acero galvanizado al:
b) La sierra de mano.
a) Acero aleado con grandes porcentajes de cromoy níquel.
e) El cincel.
b) Acero con tratamientos térmicos que le dan características muy particulares de dureza.
3.
7. El cizallado es una operación que se ejecuta con:
d) El burilo la gubia.
8.
Las escofinas realizan funciones de:
c) Acero recubierto de cinc.
a) Sujeción.
d) Acero recubierto de estaño.
b) Corte. e) Limado.
Los cauchos son:
d) Taladrado.
a) Termoplásticos. b) Termoestables.
9.
e) Elastómeros.
¿Cuál de los siguientes tipos de uniones se clasifica como desmontable y no roscada? a) Las realizadas con tomillo-tuerca.
d) No son plásticos.
b) Las realizadas con pasadores (clavijas).
4.
Respecto a las formas de representación podemos decir que: a) En un plano que representa una pieza las cotas indican las medidas del dibujo.
c) Las soldadas. d) Las clavadas.
10. Para atornillar tomillos con cabeza hexagonal inte-
b) Un croquis se deberá realizar a escala.
rior utilizaremos:
e) En un plano, independientemente de la escala, las cotas indican las medidas reales de la pieza u objeto que se representa .
a) Un destornillador.
d) Un fabricante proporcionará la información técnica sobre sus aparatos, piezas, etc., mediante croquis de éstos.
c) Unos alicates.
S. El granete es:
b) Llaves fijas o de tubo.
d) Llaves Allen.
11. El soplete es un dispositivo que se utiliza para: a) La soldadura blanda.
a) Una herramienta para marcar y trazar.
b) La soldadura por arco.
b) Una herramienta para perforar.
c) La soldadura por puntos.
c) Una herramienta para cortar.
d) La soldadura oxiacetilénica.
d) Una herramienta para desbastar.
6.
Para doblar conductores y alambres rígidos y pequeños trozos de chapa, es conveniente utilizar: a) Alicates de puntas planas.
12.
La mola es la herramienta que se acopla: a) Al tomo. b) A la fresadora.
Unidad didáctica 4 Mecánica básica
d) El empresario debe realizar una evaluación de los riesgos y poner medios materiales y formación para reducirlos al máximo. No es suficiente con comprar EPI.
e) A la rectificadora. d) A la taladradora.
n.
Un error de apreciación en la medida es: a) Un error sistemático.
17. Indica los motivos principales que originan los accidentes en la utilización de herramientas:
b) Un error accidental.
a) El precio de las herramientas: cuanto más caras más seguras.
e) Un error de paralaje.
b) Desconocimiento de la técnica de trabajo.
d) Un error absoluto.
c) Uso no adecuado al trabajo.
14.
Con el pie de rey podremos medir profundidades:
d) Mal estado o deficiente mantenimiento.
a) Con las bocas interiores.
17. Indica cuáles de las siguientes situaciones pueden
b) Con las bocas exteriores.
ser origen de un accidente por usar una herramienta no adecuada.
e) Con la varilla.
a) Utilizar un tubo extensor para reducir el esfuerzo que hay que hacer al aflojar una tuerca.
d) Con el pie de rey no se pueden medir profundidades.
15.
b) Utilizar un destornillador sin aislamiento en trabajos eléctricos.
Para medir el diámetro interior de un tubo utilizaremos:
e) Colocar un disco de corte en una amoladora para desbastar una pieza.
a) El micrómetro. b) Las bocas exteriores del pie de rey.
16.
d) Eliminar la protección en una radial.
18.
e) Las bocas interiores del pie de rey.
De los siguientes equipos de protección indica cual de ellos no es un EPI
d) La varilla del pie de rey.
a) Un casco.
En el trabajo, necesitas disponer de EPI para complementar la protección contra los riesgos mecánicos existentes. Indica la respuesta adecuada: a) El empresario sólo tiene la obligación de comprar los EPI y comunicar al trabajador que los tiene a su disposición. b) El trabajador decidirá si le va bien utilizarlos o no. Algunos a veces le pueden resultar incómodos y puede decidir no utilizarlos. e) El trabajador no tiene ninguna responsabilidad si no utiliza los EPI que el empresario ha puesto a su disposición, después de haber realizado formación en seguridad e higiene en el trabajo y de encargar inspecciones periódicas para comprobar que los operarios siguen las medidas de seguridad .
b) Unos guantes. e) Una señal de uso de EPI. d) Una pantalla para soldadura.
19. Indica cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas: a) Unas gafas de sol, para un vigilante de la playa, no constituye ningún EPI. b) Unas gafas de sol, para un vigilante de la playa, constituye un EPI de categoría 1. c) Una máscara de protección para un pintor que trabaja con aerosoles tóxicos, constituye un EPI de categoria 11. d) Unas botas de seguridad que proporcionan aislamiento eléctrico, son de categoría 111.
Unidad didáctica 5
Cuadros elé(tri(os
¿Qué aprenderemos? Qué es un cuadro eléctrico.
O O O
Qué tipos de cuadros eléctricos hay y para qué se emplean.
O
De qué medidas de seguridad debemos dotar a un cuadro eléctrico.
O
Qué operaciones eléctricas de verificación debemos realizar a un cuadro.
O
Qué pruebas funcionales debemos efectuar a un cuadro eléctrico.
Cómo realizamos el cableado de un cuadro eléctrico. Cómo ubicamos e identificamos los aparatos que incorpora el cuadro eléctrico.
Unidad dldaCllca 5 Cuadros e!t!ctricos
Ele((ión y (olo(ación de (uadros eléctri(os ¿Qué son y para que sirven los cuadros eléctricos? La envolvente utilizada para alojar y fijar los d iferentes elementos constitutivos de un circuito eléctrico recibe el nombre de cuadro eléctrico. Habitualmente suele ser un armario o caja de protección, en cuyo interior se montan los equipos y dispositivos bajo tensión, los materiales asociados de mando, medida, seña lización, regulación, etc. y la apara menta de control, seccionamiento y protección.
Fig. 5.1. Aspecto de un cuadro eléctrico. Además de albergar los elementos eléctricos, el cuadro eléctrico debe servir tanto para proteger a éstos de los rigores ambientales (temperatura, humedad, polvo, etc) o mecánicos (vibraciones, desplazamientos, etc.), como para proteger el entorno inmed iato del cuadro de las anomalías que pudieran producirse en su interior (descargas eléctricas, derivaciones, fallos de tierra, sobretensiones, explosiones, etc). La forma y el tamaño de un cuadro eléctrico pueden variar notablemente dependiendo de su funcionalidad, del número de dispositivos que incorpora, de su lugar de emplazamiento y de su accesibilidad. En este sentido, la norma UNE EN 60439- 1 de 2001 establece los requisitos en baja tensión para los conjuntos de aparamenta de serie (CS) y derivados de serie (CDS). Consecuentemente, se hace indispensable su consulta cuando deseamos construir o modificar un cuadro eléctrico acorde con la normativa . Los principales factores que determinan la elección del tipo de cuadro eléctrico a emplear vienen dados por: O
El número, volumen o peso de los dispositivos eléctricos que incluye el cuadro.
O
El grado de estanqueidad que el cuadro presenta frente a agentes ambientales externos y la protección que ofrece respecto de malfuncionamientos intemos. El grado de protección mecánica que el cuadro presenta frente a golpes o caídas. El aislamiento eléctrico y accesibilidad que el cuadro presenta al ser manipulado.
UnIdad didaCl1cd 5. Cuadrol eléctricol
Aspectos relacionados con la protección de los cuadros eléctricos Prote((ión contra el acceso a las partes peligrosas, la penetración de cuerpos sólidos extraños y la penetración de agua La norma UNE 20324, equiva lente a la norma europea EN 60529, establece un sistema de codificación para indicar los grados de protección proporcionados por la envolvente contra el acceso a las partes peligrosas, contra la penetración de cuerpos sólidos extraños y contra la penetración de agua (tabla 5.1 l. Este código está formado por dos números de una cifra cada uno, situados inmediatamente después de las letras IP, e independientes uno del otro. O La primera cifra característíca índica la protección de las personas contra el acceso a partes peligrosas, limitando o impidiendo la penetración de una parte del cuerpo humano o de un objeto cogido por la persona. Esta cifra está en el rango de Oa 6 y, a medida que aumenta, indica que el cuerpo sólido que la envolvente deja pasar es menor. O La segunda cifra indica la protección contra los efectos perjudiciales debidos a la penetración de agua. Esta cifra está en el rango de O a 8 y, a medida que aumenta, indica una mayor estanqueidad de la envolvente. Tabla S.l. Descripción de lo! grado! de protección IP dela envolvente Valor
o
Segunda cifra
Primera cifra
NO protegida
NO protegida
Protegida contra los cuerpos sólidos Protegida contra la calda vertical de gotas de agua de más de 50 mm 2
Protegida contra los cuerpos sólidos Protegida contra la calda de gotas de agua con una de más de 12 mm inclinación máxima de 15'
3
Protegida con tra los cuerpos sólidos Protegida contra lluvia Ilna (pulverizada) de más de 2,5 mm
4
Protegida contra los cuerpos sólidos de mas de 1 mm Protegida contra las proyecciones de agua
5
Protegida contra la penetración de polvo Protegida contra los chorros de agua
6
Totalmente estanco al polvo
Protegida contra fuertes chorros de agua o contra la mar gruesa
7
Protegida contra los efectos de la inmersión durante un tiempo limitada
8
Protegida contra la inmersión prolongada
Por ejemplo una envolvente con una protección IP 55 significa: 5. Protegida contra la penetración de polvo. 5. Protegida contra los chorros de agua. Hay códigos IP en los que cualquiera de sus cifras son X. Esto significa que la envolvente no ha sido ensayada en ese aspecto o que no es necesaria para una aplicación en particular. Por ejemplo, IP3X, que indica que la envolvente proporciona una determinada protección contra la penetración de cuerpos sólidos, pero que no ha sido ensayada en lo referente a la protección contra la penetración del agua. En algunas ocasiones, las cifras características pueden sustituirse por símbolos, tal como se muestra en la tabla 5.2.
Unidad d,dá¡h¡a 5 Cuadros eléctricos
Tabla 5.2. Simbologia de derlos grados de prole¡dón IP Valor
Equivalenda Primera dfra
Equivalenda Segunda dfra
• 3
4
s
6
7
U -- m
8
m • profundidad maxima
Protección contra los impactos mecánicos La norma UNE-EN 50102 establece un sistema de codificación para indicar el grado de protección proporcionado por la envolvente contra los impactos mecán icos. Este código, llamado IK, se designa mediante un número comprendido entre 00 y 10, Y siempre se representa con dos cifras. Cuanto mayor es el número, mayor es el aguante de la envolvente a la energía del impacto mecánico. En la tabla 5.3 se indican los diferentes grados de protección IK con la energía del impacto asociada a cada uno y, también, la equivalencia en peso y altura de caída de la pieza de golpeo sobre la envolvente. Tabla 5.3. Oesuipdón de los grados de proleceión IK Grado IK
IK00
IK 01
IK 02
IK 03
IK 04
IK OS
Energla U)
0,15
0,20
0,35
0,50
0,70
Masa (kg)
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
Aflura (mm)
70
100
175
250
350
IK 06
IK 07
IK 08
IK 09
IK 10
2
S
10
20
0,5
0,5
1,7
S
200
400
295
200
S 400
Ejemplo 5.1 ¿Qué grado de protección presenta una envolvente identificada con la referencia: IP 65 - IK 06? Solución:
La primera cifra IP es 6 y la segunda, 5. Consecuentemente, de la primera columna de la tabla 5.1 deducimos que es totalmente estanca al polvo y, de la segunda, que protege su interior contra chorros de agua. Asimismo, la tabla 5.3 nos indica que podrá aguantar energias de impacto de 1 J (caídas de masas de 0,5 kg desde 20 cm de altura).
~
Tipos de cuadros eléctricos
Dependiendo de su aspecto, la envolvente utilizada para construir un cuadro eléctrico recibe el nombre de armario, pupitre o caja.
Armarios Los armarios son envolventes de protección pensados para alojar en su interior un gran número de elementos eléctricos, cableados de cierta complej idad y equipos eléctricos pesados o voluminosos.
Fabricatión y variedad de armarios Habitualmente se fabrican con chapa de acero y disponen de todos los accesorios necesarios para garantizar la estanqueidad, robustez y accesibilidad que la industria exige. En el mercado podemos encontrar una gran variedad de armarios con formas, dimensiones y características mecánicas diferentes. Atendiendo a sus medidas, se comercializan tanto los que han sido diseñados para ser colgados en la pared como aquellos otros más voluminosos y pesados. Los primeros se sujetan a ella mediante espárragos, y los segundos están situados en el suelo y, en determinadas aplicaciones, pueden llegar a permitir el acceso de personas a su interior. Habitualmente, las envolventes tipo armario se montan para alojar los diferentes equipos y dispositivos empleados para alimentación y distribución eléctrica, automatismos, protección y medida, control y mando, climatización, etc. y, por lo general, disponen de una puerta con llave para impedir que el personal no autorizado los manipule. Los materiales utilizados en su fabricación son el hierro fundido pintado al horno, el acero inoxidable, la chapa de acero pintada por pulverización, el poliéster y, en menor medida, el poli-cloruro de vinilo (PVC). Fig. 5.2. Aspec to de envolvente tipo armario.
Nivel de prote((ión de los armarios Se recomienda que el grado de protección de un armario para automatismos no sea inferior al de un IP 54-IK 07. Sin embargo, en ambientes con riesgo de explosión debemos instalar envolventes antideflagrantes que cumplan unos requisitos más exigentes y acordes con la normativa. En este sentido, la norma UNE-EN 50018 describe los requisitos que debe cumplir la envolvente antideflagrante en función de su ubicación y de las características especiales de su entorno. Una envolvente antideflagrante debe ser capaz de soportar la explosión interna de una mezcla inflamable que haya penetrado en su interior, sin sufrir avería en su estructura. Tampoco puede transmitir la inflamación interna por sus juntas de unión u otras comunicaciones con la atmósfera explosiva exterior para la que está prevista. Consecuentemente, debe cumplir los requisitos siguientes: O
Contener una explosión interna sin deformación permanente. Garantizar que la explosión no pueda transmitirse a la atmósfera circundante.
O
Presentar en cualquier punto exterior una temperatura inferior a la temperatura de auto ignición de los gases o vapores circundantes.
Una envolvente que cumpla los requisitos anteriores vendrá identificada en lugar visible con el símbolo:
Unidad didactica
s.
Cuadros
el~ctricos
Pupitres Los pupitres son armarios eléctricos con una forma que los hace especialmente aptos para manipular los aparatos que, usualmente, se disponen en su panel frontal. Suelen incorporar los dispositivos de mando y/o visualización de los automatismos que frecuentemente acciona el personal encargado del proceso de producción. Por lo general disponen en lugar accesible los instrumentos de maniobra utilizados para interactuar con el proceso (controladores, reguladores, registradores, etc.). los sistemas de visualización (pantallas de ordenador, displays, indicadores luminosos, etc.) y los elementos de actuación (pulsadores, interruptores, conmutadores, etc.).
Fig. S.3. Aspecto de un pupitre de maniobra.
En un lugar más resguardado, además, suelen incorporar aquellos otros aparatos y elementos que no requieren ser tocados habitualmente, como son los sistemas de alimentación, los autómatas, los dispositivos de seguridad, el sistema de cableado y conexión, etc. Cuando, entre otras, el pupitre cumple la función de alojar el material eléctrico propio de un armario, la envolvente debe cumplir el grado de protección de éste. Ésta es la razón por la que determinados tipos de pupitres incluyen partes guarnecidas con acceso mediante llave.
Cajas Las cajas son envolventes de menor tamaño que los armarios. Generalmente están colgadas en la pared y pensadas para alojar un número mínimo de elementos eléctrícos. Se utilizan para realizar derivaciones de conexión eléctrica.
Fig. S.4. Aspecto de cajas para uso eléctrico.
Dependiendo del lugar de emplazamiento y de las características del ambiente donde se sitúan, las cajas deben cumplir con el mismo grado de protección que los armarios y los pupitres. Aunque generalmente suelen estar fabricadas con materiales plásticos (poliéster, PVC, etc.). también encontramos cajas estancas, realizadas en fundición y aptas para su ubicación en ambientes con riesgo de explosión.
Accesorios auxiliares El montaje de cualquier cuadro eléctrico conlleva la elección, además de la envolvente, de los accesorios auxiliares para la fijación de los equipos y dispositivos incluidos en el esquema eléctrico y, también, de aquellos otros rnateriales necesarios para realizar la conexión y canalización del cableado. Debemos tener presente que cualquiera de las operaciones de mecanizado a las que sometemos la envolvente en el proceso de montaje puede provocar la pérdida de sus cualidades de protección y estanqueidad. Consecuentemente, siempre elegiremos los accesorios de montaje más apropiados, cuidando de mantener la integridad del cuadro eléctrico frente a los requisitos que exige la aplicación.
Untdad didáctica \ Cuadros eléctricos
Plan(has de montaje Las planchas de montaje son las p lacas que sirven de base para fijar los diferentes elementos constitutivos del cuadro eléctrico. Se ubican en el interior de los armarios y pupitres, atornillándolas a éstos en orificios de rosca ciega d ispuestos en el interior de la envolvente. De esta rnanera, las planchas soportan el rnecanizado requerido para fijarlos dispositivos, sin el riesgo de perforar las paredes de la envolvente. En el mercado podemos encontrar una gran variedad de planchas de montaje que, habitualmente, suministran los fabricantes de las envolventes y que se adaptan perfectamente a las medidas de éstas. Dependiendo de la aplicación, podemos utilizar las metálicas de acero o chapa ga lvani zada o las aislantes, fab ricadas en baquelita o algún tipo de material plástico.
Fig. 5.5. Diferentes tipos de planchas de montaje.
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Carriles de fijadón Fig. 5.6. Anclaje de elementos mediante un carril de fij ación.
Una alternativa, y en ocasiones complemento, al uso de la plancha de montaje lo constituye el carril de fijación . Se trata en un perfil de acero calibrado que se sujeta mediante tornillos al bastidor del cuadro eléctrico. Sirve para el soporte y fijación de dispositivos eléctricos, tales como: interruptores, magnetotérmicos, diferenciales, portafusibles, instrumentos de control, regletas de conexión, etc. Uno de los carriles más utilizado es el denominado carril DIN. Es una pletina que, mediante dos aletas laterales dispuestas a lo largo, perm ite asegurar fácilmente el anclaje de los elementos al ejercer una pequeña presión sobre la pestaña que éstos Incorporan. En el merca do existe una gran variedad de formas y medidas de carri les de fijación DIN. Sus dimensiones, las recoge la normativa, tal como describimos a continuación: DIN EN 50035 NS/P: Carril de 32 mm de anchura, 15 mrn de altura y 1,5 o 2 m de longitud (figura 5.7a). O DIN EN 50022 NS-35-15/P: Carril de 35 mm de anchura, 15 mm de altura y 2 m de longitud (figura 5.7b). DIN EN 50022 NS-35/ P: Carril de 35 mm de anchura, 7,5 mm de altura y 1 o 2 m de longitud (figura 5.7c). DIN EN 50045 NS-MB: Carri l de 15 mm de anchura , 5,5 mm de altura y 1,25 m de longitud (figura 5.7d).
Fig. 5.7. Diferentes tipos de carril es de fijación DIN.
Unidad didáctica 5 Cuadros eléctricos
Canaletas La conducción y ramificación del cableado interno de un cuadro eléctrico la podemos realizar ayudándonos de la denominada canaleta. Se trata de una moldura alargada cuadrangular, ranurada o lisa, generalmente de PVC, formada por una base y una tapa. La base se asegura al bastidor del cuadro o a los carriles de fijación mediante clips estriados, remaches o tornillos. La tapa cierra fácilmente el conjunto una vez dispuestos los conductores eléctricos que discurren sobre la base. Colocaremos canaleta ranurada cuando a lo largo del cableado debamos realizar ramificaciones o derivaciones que modifiquen el número de conductores que discurren por el interior de la canaleta. Por el contrario, instalaremos la canaleta lisa cuando debamos salvar distancias de cableado en las que no se produzcan entradas o salidas de conductores a la canal.
Pasa(ables y a((esorios de fijadón Fig.5.8.
Con frecuencia será necesario prever en el cuadro eléctrico la salida o entrada de cables desde el exterior, distribuir o disponer en su interior los elementos a una cierta profundidad o con una determinada separación y, también, anclarlos o fijarlos de manera adecuada. Para realizar cualquiera de las operaciones anteriores existe en el mercado una gran variedad de accesorios. Entre los de uso más común podemos citar los pasacables, los tapones y juntas, las columnas separadoras y la tornillería específica.
Diferentes tipos de canaleta.
Pasacables, tapones y juntas Los pasacables, también llamados prensa estopas son elementos de latón o nylon que se utilizan para evitar daños en las fundas de los cables que atraviesan las paredes de los cuadros eléctricos. También se utilizan para mantener la estanqueidad y el grado de protección de éstos. Generalmente disponen de una rosca que les permite ser sujetados a la pared de la envolvente mediante una arandela y una tuerca y, en su interior, incorporan una junta de goma, en forma de arandela, que garantiza el cierre al comprimirse por la acción de una tuerca exterior de ajuste.
Fig.5.9. Pasacables, tapones y juntas.
¡-
Fig. 5.10. Columnas separadoras.
)
El pasacables puede utilizarse, también, para tapar orificios inútiles en las paredes de la envolvente. En estos casos se sustituye la arandela de goma interna por otra completamente cerrada, o por un tapón que se rosca a la base del prensaestopas. Sin embargo, para este propósito, cuando el grado de protección lo admita podemos emplear tapones o juntas.
Columnas separadoras En ocasiones surge la necesidad de fijar elementos de dimensiones distintas a la plancha de montaje. Este hecho puede provocar una disposición irregular en la altura de los dispositivos y la conveniencia de calzar estos equipos con las columnas o separadores. Estas columnas las podemos elegir en latón, nylon o una combinación de ambos materiales, dependiendo del grado de aislamiento eléctrico que requiera nuestra aplicación.
Unidad dldáctl(d S Cuadros eléctricos
lornillería Finalmente, habla remos brevemente de la tomillería empleada para fijar los accesorios y dispositivos que incluye el cuadro eléctrico. Debemos pensar que existe un t ipo de tomillo apropiado para cada uno de los materiales que empleamos como soporte de sujeción (chapa, madera, hierro, etc.) y que éste suele ser fabri cado con materiales de diferente naturaleza (nylon, acero inoxidable, latón, hierro, etc.). La forma de su cabeza puede hacerlo apto para disimularlo en un chaflán (cónica, avellanada, gota de sebo, etc) o para incorporar arandelas (cilíndrica, alomada, etc) y, también, para decidir su forma de apriete (estrel la, Allen, hexagonal, etc.). Por último, dependiendo de la fortaleza y aguante de la fijación, deberemos elegirlo atendiendo a su tipo de rosca (métrica, Whitworth, etc.) y a su diámetro.
Fig. 5.11. l ornilleria.
En la medida de lo posible, cuando montamos un cuadro eléctrico debemos procurar utilizar la menor variedad de tomillos posibles. Debemos unificar el tipo, tamaño y rosca de éstos. Asimismo debemos emplear arandelas de presión para la fijación de equipos y dispositivos somet idos a vibración . También debemos emplear las herramientas adecuadas en el apriete y suprimir las rebabas y los bordes cortantes cuando realizamos cualquier operación de mecanizado.
Actividades 1.
Busca información sobre el grado de protección q ue debería tener una envolvente, con cinco interruptores para alumbrado, ubicada: a) en un jardín y b) en un parking. Describe sus características más importantes en ambos casos.
2.
Busca en Intemet tres empresas fabricantes de envolventes e indica el g rado de protección máximo que presentan sus armarios, pupitres y cajas.
3.
Describe el uso de d iez elementos que pued an mo ntarse sobre carriles de fijación DIN.
4.
Explica por qué puede ser necesario el empleo de tomi llería d e nylon y columnas aislantes y describe una aplicación.
Cableado de (uadros La operación de cablea do persigue la fina lidad de conectar entre si los diferentes elementos de un cuadro eléctrico e implementar el circuito eléctrico de un automatismo de acuerdo con el esquema previamente confeccionado.
Los conductores eléctricos Para realizar el cableado de dispositivos empleamos los denominados conductores eléctricos o cables, esto es, hilos de cobre o aluminio, generalmente aislados por una cubierta, q ue permiten el transporte y la distribución de la alimentación y de las señales de control y maniobra.
Fig. 5.12, Tipos de conductores eléctricos.
En el mercado podemos encontrar una g ran variedad d e conductores eléctricos con características eléctricas y mecánicas diferentes. Atendiendo al material conductor tenemos los de uso más común, fabricados en cobre recocido, o los menos habituales, en aluminio, para aplicaciones específicas. A su vez, el material conductor puede estar formado por un único hilo macizo (rígido) o por varias hebras trenzadas (flexible). Finalmente, como material aislante se emplea el PVC, la goma de silicona, el poliuretano, la fibra de vidrio, etc.
Unidad dida(ti(a 5 Cuadros eléctricos
Requisitos para el cableado de cuadros eléctricos Básicamente, los requisitos que debe cumplir un conductor eléctrico utilizado para
el cableado de cuadros eléctricos son:
O La intensidad admisible en régimen permanente. Es la corriente eléctrica que soporLa norma UNE 20434 especifica las referencias con las
que los fabricantes deben identificar los conductores eléctricos aislados de tensión hasta 450/750 V. Estas especificaciones corresponden a un sistema armoniza-
do (documento HD 361 de CENELEC) y, por lo tanto, son de aplicación en todos los países de la Unión Europea.
ta de forma continua el conductor sin superar su temperatura de trabajo. Está en estrecha relación con la sección del conductor, esto es, cuanto mayor es la sección del conductor, mayor será la intensidad que éste podrá conducir sin sufrir calentamiento.
O La temperatura máxima de operación.
Es la temperatura máxima que puede soportar el conductor sin perder sus cualidades de aislamiento. Este parámetro está relacionado con la intensidad admisible en régimen permanente y con el propio valor de la temperatura ambiente que rodea el conductor.
O La naturaleza del aislante. El material aislante que cubre el conductor debe estar en consonancia con las características ambientales de su entorno. Aspectos tales como el exceso de humedad o de temperatura, la presencia de productos corrosivos, las vibraciones o tensiones mecánicas, etc. condicionan enormemente el empleo de un tipo de aislante u otro y hacen que, de su correcta elección, dependa en gran medida la seguridad de la propia instalación. El sistema utilizado para identificar los conductores consiste en una secuencia de siglas en la que cada una de ellas, según su posición, tiene un significado previamente establecido en la norma. En la tabla 5.4 mostramos algunas de las especificaciones de la norma que afectan directamente a los conductores empleados en el cableado de cuadros eléctricos.
En la referencia de un cable no deben constar necesariamente siglas en las diez
Tabla 5.4. Designación de condudores eh'!ctricos Posición
Sigla H
Cable según normas armonizadas
2
01 03 05 07
Tensrón Tensión Tensión TenSión
R
S V V2 V3 V4
Ais lamiento de Ais lamiento de Aislamiento de AISlamiento de Aislamien to de Aislamien to de
C4
Pantalla de cobre en forma de trenza.
I
Cubierta exterior de trenza de fibra de vidllo Cubierta exterior de goma natural Cubierta exterior de goma de silicona Cubierta exterior de PVC Cubierta exterior de mezcla de PVC (serVICio de 90"C) Cubierta ex terior de PVC re ti culada Cubierta ex tellor de mezcla de PVC (resistente al aceite)
posiciones posibles, sino que sólo se utilizan las estrictamente necesarias para
reflejar las características esenciales del conductor.
3
4
5
6
R S V V2 V4 V5
Ninguno H
---
Significado 100/100 300/300 300/500 450/750
V V V V
goma natural goma de silicona policloruro de vinilo (PVC) mezcla de PVC (serviCio de 90"C) mezcla de PVC (serviCio baja temperatura) PVC re tlculado
Cable cilíndllco Cable plano, con o sin cubierta, cuyos conductores pueden separarse
7
-K -R -U
Cable flexible para servicios móviles (clase 5 de UNE 21022). Cable extra-flexible (clase 6 de UNE 21022) Cable flexible para instalaciones fijas (clase 5 de UNE 21022). Cable rigido, de sección errcular, de varios hilos Cable rígido, de sección errcular, de un único hilo
8
N
Número de conductores
x
Signo X en ausenCia de conductor amarillo/verde EXistencia de un conductor amarillo/verde
·F ·H
9
10
G
mm'
Sección nominal
Unidad d,dalt,(a s. Cuadros elé(tri(os
Ejemplo 5.2 ¿Qué características presenta un conductor eléctrico, cuyo código de identificación es H07 RR-F 3G6? Solución: Si consultamos la tabla 5.4, obtenemos: H: Cable según normas armonizadas. 07: Tensión 450/750 V. R: Aislamiento de goma natural. R: Cubierta exterior de goma natural. Cap: Cable cilíndrico -F: Cable flexible para usos móviles (clase 5). 3: Tres conductores. G: Existencia de un conductor amarillo/verde. 6: 6 mm' de sección cada conductor.
Relación entre la intensidad y la sección en un conductor eléctrico Según sea monofásica o trifásica la tensión alterna de suministro, para deterrninar la intensidad que circulará por un conductor en régimen de trabajo permanente podemos emplear las expresiones siguientes: Monofásica:
I = -:-:--,P -U· cOSqJ
(51 ) (52)
Trifásica: Donde: I es la intensidad en amperios (A). P es la potencia en vatios 0N). U es la tensión en voltios
M.
cos qJ es el denominado coseno de
fi o factor de potencia.
Hay dispositivos que cuando se conectan a una tensión alterna se comportan como una carga resistiva pura; es el caso de las bombillas incandescentes o halógenas, los calefactores, etc. Cuando el consumo de este tipo de dispositivos es el dominante en una instalación, podemos considerar el coseno de fi igual a la unidad (cos qJ = 1). En cambio, cargas reactivas o inductivas como las que suponen los motores eléctricos o las reactancias de las lámparas fluorescentes pueden hacer decrecer el factor de potencia de la instalación hacia valores menores que la unidad (entre 0,85 y 0,98). Esto, consecuentemente, se traduce en un mayor consumo de energía eléctrica y en un incremento del coste económico. Si conocemos la intensidad que debe circular por un conductor eléctrico, resultará fácil determinar cuál debe ser su sección sin tener que calcularla. Bastará con buscar su valor en alguna de las muchas tablas homologadas existentes. En la tabla 5.5 proporcionamos la relación de valores de sección e intensidad para conductores unipolares, uti lizados en el cableado de cuadros, a una temperatura ambiente de 30°C.
Tabla 5.5. Relación entre la sección y la intensidad en conductores eléctricos Intensidades admisibles en conductores unipolares a 300 ( de temperatura ambiente
le((ión (mm')
0,1
0,71
Inlensidad (A)
5
7,5
10
1,5
2,5
4
6
10
16
25
35
50
70
95
120
150
185
240
13
18
24
31
43
58
76
94
114
145
176
203
234
267
314
Unidad didatlica \ Cuadros eléctricos
Ejemplo 5.3 ¿Oué sección deberá tener el cable de un calefactor eléctrico de 3.500 W si, a una temperatura ambiente de 30"e, lo alimentamos con una tensión altema monofásica de 230 V? Solución: Si utilizamos la expresión (5.1), con un cos
P
3.500 230. 1 ~ 15,22 A
U . cos qJ
De la tabla 5.5 elegimos la sección de 2,5 mm' , ya que corresponde a la de una intensidad de 18 A que es igualo inmediatamente superior a la calculada de 15,22 A.
Ejemplo 5.4 ¿Oué sección deberá tener el cable de un motor eléctrico de 3.500 W y un cos
P U· v'3. coSqJ
-
3.500 230 · 1,732·0,9
=
9,76 A
De la tabla 5.5 elegimos la sección de 1 mm' , ya que corresponde a la de una intensidad de 10 A, que es igualo inmediatamente superior a la calculada de 9,76 A.
Fador de corrección de la intensidad por efedo de la temperatura El incremento d e la temperatura ambiente que rod ea al conductor pued e provocar que éste trabaje po r encima de su temperatura máxima d e o peració n, con la consiguiente d egrad ació n d e sus cualidades d e aislamiento y la d isminución de su vida útil. Co nsecuentem ente, el valor de la intensidad que adm ite el conductor a una cierta temp eratura ambiente d ebe corregirse a la baja cuando est a temperatura aumenta . En la tabla 5.6 p ro p orcionamos los factores de correcció n, en función de la temperatura, que debem os aplicar a las intensid ades de la tabla 5.5. Tabla 5.6. Fador de corrección de la intensidad por efecto de la temperatura ambiente Fac tor de corrección (fl ) Temperatura ambien te en "C
30
0,93
0,87
0,79
O,7t
0,61
0,50
35
40
45
50
55
60
El efecto de la t em perat ura ambiente hace que d eb amos corregir las intensidades d e la tabla 5.5 cuando la tempera tura ambient e que rod ea los conductores es igualo superi or a 35 A sí, p ara un intervalo concret o de tempe raturas am b iente, d ebemos multiplica r las corri ent es de la tabla 5.5 por el correspondiente factor de temperatura FTo btenido d e la tabla 5.6 .
oc.
Ejemplo 5.5 ¿Oué sección debería tener el cable del ejemplo 5.4 si pasáramos a trabajar con una temperatura ambiente de 45 °e? Solución: De la tabla 5.6 deducimos que, a una temperatura ambiente de 45°e , el fa ctor de corrección que hay que aplicar a las corrientes de la tabla 5.5 es FT= 0,79. Así, el conductor de 1 mm' de sección que a 30 °e permitía la circulación de 10 A, a la temperatura de 45°e sólo permite 10· 0,79 ~ 7,9 A. Aquel otro de 1,5 mm' que a 30 °e aguantaba 13 A, ahora sólo soporta 13 . 0,79 ~ 10,27 A. En consecuencia, y dado que la corriente requerida por el motor era de 9,76 A, la sección del cable deberá ser ahora de 1,5 mm' .
Unidad d,dacl,cd"
Cuadros eléwicos
'" Identifi(ación de elementos en un (uadro eléctri(o La identificación del cableado y los aparatos que forman el cuadro eléctrico se convierte en indispensable cuando el circuito eléctrico adquiere una mínima como plejidad. Esto nos obl iga, ya de buen principio, a confeccionar el esquema eléctrico empleando referencias para identificar los elementos que éste incluye. Cua lquier reform a, modificación o ampliación posterior que sufra el cuadro facilitará la intervención del personal técnico que realiza estas operaciones, y le permitirá ac· tuar sobre la instalación con unas mínimas garantías de eficacia y seguridad.
Elementos de conexión Junto con los conductores y las canaletas, en la operación de cableado utilizamos otros materi ales útiles para conectar e identificar elementos. Entre éstos, destacan los bornes y regletas, los identificadores de cables, las bridas y los terminales.
Bornes y regletas Fig. 5.13. Aspeclo de bornes y reglelas de conexión.
Los bornes de conexión son elementos que nos permiten realizar los empalmes de conductores de forma segura. Por lo general, utilizamos aquellos que se montan en carriles DIN y que, en el interior de una carcasa plástica, incorporan un puente metálico que permite fijar los conductores mediante tornillos. Los encontramos de diferentes tamaños, formas y corrientes de utilización, lo que permite agruparlos para conformar regletas de conexión fácilmente identificables
Identificadores de (ables '.
••••• l
·,
Fig. 5.14. Identificadores de cabl es.
.'
Los identificadores de cables son unos anil los de plástico, de diferentes colores y diámetros, que se fijan en los extremos de los conductores permitiendo el marcado y la identificación de éstos. Cada ani llo puede llevar grabado un número entre O y 9, o una letra, para permitir la identificación y la personal ización cuando agrupamos varios de ellos.
Bridas Las bridas son cintas de nylon, estriadas transversalmente, que permiten cerrarse sobre si mismas abrazando los cables que discurren por su interior. En ocasiones las utilizamos para realizar agrupaciones de conductores afines a la salida de las cana· letas, en el interior de cajas, o en lugares donde se requiere una cierta flexibilidad del cableado.
Terminales de (onexión Fig. 5.1 5. Bridas.
Los terminales de conexión se grapan a los extremos de los conductores para evitar el deshilachado de sus hilos y facilitar su embornado. Existe una gran variedad de tipos, tamaños y formas de terminales en función de las características mecánicas de la conexión. Los de uso más frecuente para bornes y regletas de carriles DIN son los punteados, pero también los encontrarnos abiertos (tipo horquilla) y cerrados (tipo arandela) para fijación directa con tornillos, o aquellos otros machos y hembras en los que la conexión se efectúa por presión (tipo Faston).
Fig. 5.16. Empleo de terminales para las conexiones de elementos.
Unidad dIdáctIca, (uadros eléctricos
Identificación de aparatos La norma lEC 61082 describe la manera en la que debemos indicar los aparatos y las conexiones de una instalación, tanto en la representación del esquema eléctrico (referencia de aparatos, de contactos principales y auxiliares, de bobinas de mando, etc.) como en lo referente al posterior cableado del cuadro eléctrico (marcado de regletas, identificación de cables, etc.). De acuerdo con la citada normativa, la totalidad de los aparatos que conforman un automatismo se marcan con una letra (excepcionalmente dos) seguida de un número. La letra identifica la función del aparato, mientras que el número, que va detrás, (de libre elección) debe servirnos para identificar el aparato entre varios de los incluidos en la instalación. Tabla 5.7. Letras utilizadas para identificar los aparatos de un circuito eléctrico Aparato
letra
Ejemplos
A
Equipos o partes de equipos de serie
Autómata programable, regulador de velocidad, amplificador, etc.
B
Transductores de magnitudes eléctricas
Termopar, detectores (proximidad, termoeléctrico, fotoeléctrico), dinamóme· tro eléctrico, transductor de presión o temperatura, etc.
(
(ondensadores
o
Dispositivos de temporización y memoria, operadores binarios
Operador combinatorio, interruptor de décadas, línea de retardo, relés mo· noestables y biestables, apara to de memoria, etc.
Material diverso
Elementos de alumbrado, calefacción y otros no incluidos
Dispositivos de proteCCIón
Fusibles, limitador de sobretensión, pararrayos, relés de protección de co· rriente y tensión, etc.
G
Equipos de alimentación
Generador, alternador, convertidor rotativo de frecuencia, baterias, OSCilado, res, inversores, etc.
H
Aparatos de señalización
DISpositivos de señalización ópticos y acusticos
K
Relés y contactores en general
En automatismos de potenCia se utiliza KA y KM
KA
Relés de au tomatismos y contactores auxiliares
(ontactor auxiliar de temporizaCión, todo tipo de relés
KM
(ontactores de potencia
(ontactor pJlncipal de motor o resistencia
Inductancias
Bobina de inducción, bobina de bloqueo, etc.
M
Motores
N
SubconJuntos que no sean de serie
P
Aparatos de medida y prueba
Instrumento indicador, registrador, contador, conmutador horario
Q
Aparatos mecánicos de conexión para circuitos de potencia
Disyuntor magnetotérmico, seccionador, interruptor diJerencial, interruptor de potencia, guardamotor, etc.
R
Resistencias
Resistencia, potenciómetro, reostato, shunt, termistancia, etc.
S
Interruptores manuales para la conexión de circUitos de control
Pulsador, interruptor de posición, selector, conmutador, etc.
T
Transformadores
Transformador de tensión e intensidad
u
Modufadores y convertidores
(onvertidor de frecuencia, variador de velocidad, discriminador, demodula· dor, codificador, rectificador, ondulador autónomo, etc.
v
valvulas electrónicas y semiconductores
Tubo de vacío, tubo de gas, tubo de descarga, lampara de descarga, diodo, transistor, tiristor, rectiJicador, etc.
w
Vias de transmisión, guias de ondas, antenas
Hilos de conexión, cab les, Juego de barras, etc.
x
Bornes, clavijas, zócalos
(lavija y toma de conexión, clips, claviJa de prueba, regletas de bornes, bornes de salida de soldadura, etc.
y
Aparatos mecanicos accionados eléctricamente
Electrofreno, embrague, elec trovalvula, electroiman, etc.
1
Elementos de compensación, fil tros, limitadores
Equilibrador, corrector, transformador diferencial, filtro, etc.
Unidad didactica 5. Cuadros eléctricos
Identificación de bornes
a) Bipolar
En este apartado la norma contempla el marcado de los contactos principales de potencia, de los contactos auxiliares, de las bobinas de mando y de las regletas. Aunque ya hemos hablado de la identificación de los bornes en la unidad didáctica 2, lo volvemos a incluir en esta unidad, dada su importancia para el correcto cablea· do de los cuadros.
Marcado de contados principales
b) Tripolar
Para marcar los bornes de los contactos principales, incluidos los de los relés térmi· cos, utilizamos una única cifra de 1 a 4 en equipos bipolares, de 1 a 6 en aparatos tripolares o de 1 a 8 en tetra polares. El borne de entrada se marca con un número impar, y el de salida con el número par inmediatamente superior (figura 5. 17).
Marcado de contados auxiliares
c) Tetrapolar
Los contactos auxiliares se marcan con dos cifras. La cifra de las decenas debe indicar el número de orden del contacto en el aparato, reservando el número 9, y si es necesario el O, para los contactos auxiliares de los relés térmicos. La cifra de las unidades se corresponde con el estado y función que mostramos en la tabla 5.8.
Fig. 5.17. Marcado de contactos principales: a) Bipolar. b) Tripolar. e) Tetrapolar.
Tabla S.8. Identificación del estado y la función de un contacto auxiliar Cifra unidades
1-2
Función del contacto
Ejemplo (Las decenas indican el orden del contacto en el apa rato)
De apertura (NC)
S31 631 )-4
1,2-4
~.....~
De cierre (NA)
Conmutado
5·6
De apertura especial (temporizado, disparo de térmICo ...)
7·8
De cierre especial (temporizado, disparo de tér' mico ... )
5-6-8
Conmutado espeCIal (temporizado, disparo de térmico ...)
{ 16 {.16 17
17
1
1
118 118
2S 7!'Sd ¡'s 16
26
128
Unidad didacllc."
Marcado de bobinas de mando
Tabla 5.9. Identificación de mandos electromagnéticos Un devanado
Bobinas de mando electromagnélico
Dos devanados
,l; ~ ~
~
(uadros eléclricos
A~'
A0
2
Los bornes de las bobinas de mando electromagnético se marcan con una letra (A o 8) seguida de un número de borne. Los bornes de aparatos con un único devanado se marcan como A 1 Y A2 y, aquellos que incorporan dos devanados, como A 1 Y A2 para el primero y 81 Y 82 para el segundo (tabla 5.9).
Marcado de regletas Cuando cableamos un cuadro eléctrico es conveniente que los bornes de conexión conformen corno minimo dos grupos de regletas; un primer grupo para los circuitos de control y otro grupo para los circuitos de alimentación y maniobra. En el grupo de los circuitos de control, los bornes de cada regleta se marcarán mediante un código alfanumérico formado por una primera letra común a todos los bornes, usualmente la X, seguida de un número identificador del grupo. Por ejemplo, Xl, X2, X3, etc. Sin embargo, para el grupo de los circuitos de alimentación y maniobra, los bornes de las regletas se marcan con los códigos específicos que recogemos en la tabla 5. 10.
°
Tabla 5.'0. Códigos utilizados para el marcado de bornes en regletas de maniobra potencia Códigos de marcado
función de los bornes
LHH3·N·PE
Alimenlación lelrapolar, 3 fases, neullo (N) y lierra (PE).
L1 -Ll- L3-P¡
Alimentación tri polar, 3 fases y tierra (PE).
L-N-PE
Alimentación monofásica simple, fase, neutro (N) y tierra (PE).
L' -Ll-P
Alimentación monofásica compuesta, 1 fases y tierra (PE).
U-V-W- Pe K- L-M-PE
°
°
Salidas a motores trifásicos con posible conexión de lierra (PE).
U·V-PE K-L-PE
Salidas a motores monofásicos con posible conexión de tierra.
A-B-L. .., ele
Salidas a resistencias.
Identificación de cables
Fig.S.18. Identificación de bornes en un cuadro eléctrico.
Es recomendable identificar todos los conductores del esquema con las mismas marcas que llevarán visibles físicamente en los montajes eléctricos. Cada conductor o grupo de conductores conectados al mismo potencial (punto equipotencial) deberá llevar un número único igual en todo su recorrido y que será distinto del de otras conexiones equipotenciales. Físicamente, dicha marca debe fijarse al conductor en lugar visible y cerca de todos y cada uno de los terminales de conexión. La identificación de conductores se rea lizará generalmente mediante un número. Si deseamos d istinguir entre grupos de circuitos (de control, de alimentación y de maniobra), podemos utilizar caracteres alfanuméricos. Para los circuitos de alimentación se reservan las siglas L, para las fases de alimentación, N, para los neutros, y PE, para los conductores de tierra o protección. En la figura 5. 18 mostramos un ejemplo donde, además del marcado de bornes en una regleta de alimentación y maniobra, podemos observar el marcado de conductores.
Unidad d,dacllca, Cuadros elétlricos
Ejemplo 5.6 Interpretar el esquema del circuito que se muestra en la figura 5.19. Explicar qué es y para qué sirve cada uno de los dispositivos que incluye.
:1:1:1
Solución: Observando el esquema podemos entender que se trata del bloque de potencia de un automatismo que emplea una alimentación trifásica (L 1, L2 y L3), para actuar sobre un motor de alterna (M1) a través de los contactos principales de un disyuntor 01, de los contactos principales de un contactor (KM1) y, finalmente, del circuito principal de un relé térmico (F1). En caso de producirse un cortocircuito, el disyuntor de protección, 01, asegurará la desconexión de todo el conjunto. La protección contra posibles sobrecargas eléctricas queda asegurada por el relé térmico F1, ya que sus contactos auxiliares, fomnando parte del circuito de control, suelen emplearse para desconectar el contactor KM1 cuando se produce una sobrecarga.
Fig. 5.19.
Ql~--~--~ KMl N
.
- -- ---
M
Fl N
.
MI
Esquema de un automatismo eléctrico.
Actividades 5.
6.
De acuerdo con la corriente máxima que figura en los interruptores m agnetotérm icos de tu vivienda, determina la correspondiente sección mínima que deberían tener los conducto res eléctricos conectados a ellos. Busca infonmación sobre el factor de potencia que presenta un motor trifásico de potencia aproximada a
3.500 W, y calcu la la corriente que podría consumir cuando lo conectáramos a una t ensión trifásica de 400 V.
7.
Elige un interruptor automático (disyuntor) para alimentar el circuito anterior.
Ubicación de aparatos y medidas de seguridad en cuadros eléctricos La correcta ubicación de aparatos y dispositivos en el interior de un cuadro eléctrico se convierte en fundamental cuando nos proponemos garantizar aspectos tales como la accesibilidad y la seguridad de la instalación.
A((esibilidad Por accesibilidad debemos entend er la facilidad con la que algo puede ser usado. En el montaje de cuadros eléctricos esto conlleva, antes de la mecanización de las envolventes, la planificación d el lugar en e l que fijaremos cada uno de los eqUipos y la determinación de la ruta por d o nde discurrirán los conductores.
Fig. 5.10.
Distribución de equipos en un cuadro eléctlico.
La planificación del lugar de fijación de los equipos debe contemplar, además de las condiciones especificas de instalación que imponga el fabricante del equipo, aspectos tales como: la facilidad de manipulación del equipo, su peso, su emisividad o susceptibil idad al ruido eléctrico o al calor, etc.
Unidad dldactica 5 Cuadros eléctricos
Ubicación de aparatos de frecuente manipulación Los equipos y aparatos que se manipulan con frecuencia deben emplazarse en los armarios en un lugar, tal que, resulte cómoda la intervención y vigilancia del operador. Esto todavía es más evidente cuando se trata de equipos de medida y visualización, de accionamientos manuales de parada y emergencia (pulsadores de parada, pilotos de alarma, etc.) o de aquellos otros utilizados para establecer los parámetros de control del proceso. Usualmente, los equipos indicadores, reguladores, registradores, interruptores automáticos, pulsadores de arranque o parada, pilotos de maniobra, etc., suelen instalarse en los paneles frontales de armarios y pupitres en la forma que muestra la figura 5.21. Los cuadros pueden, además, llevar una tapa transparente para evitar el depósito de polvo sobre los elementos, particularmente, en aquellas instalaciones donde estos dispositivos, que deben estar a la vista, no están sometidos a una manipulación frecuente.
--
-.
Debemos señalar, una vez más, que la mecanización de cualquiera de las paredes de la envolvente puede provocar la pérdida del grado de protección para la que fue diseñada. Consecuentemente, en estos casos, siempre deberemos barajar la posibi lidad de elegir envolventes con una segunda tapa de cierre para asegurar su grado de estanqueidad.
-~
Por lo general, los equipos eléctricos o electrónicos compactos (autómatas, fuentes de alimentación, variadores de velocidad, etc.) y los mecanismos auxiliares de conexión y desconexión (algunos interruptores de maniobra, diferenciales, fusibles, etc.) suelen instalarse en el interior de armarios y pupitres, colocados sobre bandejas o fijados a placas de montaje o carriles DIN.
fi g. 5.21 . Manipulación de los equipos de un cuadro eléctrico.
'\
I~
fig. 5.22. Equipos y dispositi vos ubicados en el interior de un cuadro eléctrico.
• I
Unidad didáctica 5. Cuadros eléctricos
Ubicación de aparatos pesados A menos que existan razones que lo desaconsejen, los equipos pesados debemos situarlos en la parte inferior de los armarios y pupitres. Soportados por bandejas o fijados a placas de montaje, estos equipos deben ser perfectamente anclados para evitar vibraciones, golpes o caídas (figura 5.23). Un equipo pesado no necesariamente tiene la propiedad de ser robusto; es el caso de los transformadores de alimentación. Por su idiosincrasia, éstos son aparatos pesados y, sin embargo, sensibles a golpes o vibraciones, en los que cualquier rozadura de los conductores que conforman su devanado puede provocar un cortocircuito y la consiguiente destrucción del transformador. Circunstancialmente, hay cuadros eléctricos que incorporan equipos eléctricos o electrónicos voluminosos y delicados, tales como: centralitas de comunicación o medida, ciertos autómatas, controladores, reguladores, etc., que, además, requieren de una cierta protección adicional. En estos casos, para gua recer los equipos podemos compartimentar el armario con las bandejas, perfiles y bastidores que nos suministran los fabricantes para este propósito. Fig.5.23. Los diferentes equipos deben estar debidamente anclados para evitar vibraciones, golpes o caídas.
Emisividad y susceptibilidad al ruido eléctrico o al calor Compatibilidad electromagnética Un aspecto importante que cabe destacar cuando montamos un cuadro eléctrico es la compatibilidad electromagnética (EMq admitida por los equipos que instalamos. Entendemos por compatibilidad electromagnética la capacidad de cualquier aparato, equipo o sistema para funcionar de fonma sat isfactoria en un entorno electromagné· tico y, a la vez, no provocar perturbaciones electromagnéticas sobre cualquier otro equipo de ese entorno. Consecuentemente, la compatibilidad electromagnética debe ocuparse de dos problemas diferentes: O
Emisividad electromagnética. El aparato, equipo o sistema
no debe ser fuente de
interferencias que afecten a otros equipos de su entorno.
Susceptibilidad electromagnética.
En un entorno hostil de radiaciones electro· magnéticas, el aparato debe ser capaz de operar adecuadamente.
Desde hace algunos años todos los aparatos eléctricos y electrónicos que se comercializan en la Unión Europea deben estar homologados y cumplir los requisitos de emisividad y susceptibilidad electromagnéticas que la normativa exige. Un aparato que verifique estos requisitos será identificado con las siglas CE. En instalaciones en las que queramos aumentar el grado de compatibilidad electro· magnética de ciertos equipos o aparatos, podemos proceder a blindarlos con en· volventes de chapa de acero e instalarlos sobre bandejas o bastidores en el interior de los cuadros eléctricos.
Unidad didáctICa 5 Cuadros eléctricos
Exceso o defecto de temperatura en el interior del cuadro Otro aspecto que condicionará la ubicación de los aparatos es el exceso, o el defecto, de temperatura en el interior del cuadro. Dependiendo de las características de la envolvente y del sistema de climatización empleado, deberemos colocar los equipos en uno u otro lugar. Dado que el aire caliente tiende a ocupar el espacio superior de un recinto cerrado, debemos evitar la ubicación de ciertos equipos electrónicos en estas zonas y, en general, prescindir de instalarlos cerca de cualquier fuente de calor. Hacemos notar que el exceso de temperatura, en muchos casos, es la causa del funcionamiento anómalo de un aparato y que puede derivar en una avería importante del mismo. Aunque menos frecuente, tampoco debemos olvidar el malfuncionamiento de equipos que operan a temperaturas inferiores a las que los fabricantes recomiendan. Éste puede ser el caso de equipos que trabajan en el interior de armarios instalados a la intemperie. Como medida de precaución, cuando la temperatura de trabajo en el interior del cuadro no sea la apropiada (por exceso o por defecto), debemos plantearnos la instalación de algún sistema que acondicione el ambiente interno del cuadro.
Sistemas de acondicionamiento del ambiente interno del cuadro Para acondicionar climáticamente un armario, el mercado nos ofrece una gran variedad de soluciones. Desde aquellos sistemas simples de recirculación de aire mediante ventiladores, hasta aquellos otros más sofisticados que nos permiten mantener de forma automática la temperatura interior del armario en torno a un valor de consigna previamente establecido. La disposición de los sistemas de ventilación en el interior de los cuadros dependerá del método utilizado en la recirculación de aire. Hay ocasiones en las que se precisa insuflar aire al armario para crear una sobrepresión interna que evite la entrada de polvo, en cambio, en otros casos, lo recomendable será evacuar el calor del interior del cuadro forzando la salida de un cierto caudal de aire. Las aberturas de ventilación practicadas en las paredes de la envolvente deben incorporar los accesorios (ventiladores, filtros, rejillas, protectores, molduras, juntas, etc). Estos accesorios, los facilita el fabricante para un método de acondicionamiento en particular. En el interior del cuadro, además, deberemos ubicar los aparatos de tal manera que faciliten la circulación del flujo de aire y eviten taponamientos o zonas sin ventilar. En general, siempre será necesario mantener en perfecto estado de funcionamiento el sistema de climatización de un cuadro eléctrico. Dependiendo del sistema elegido, deberemos realizar unas operaciones periódicas de mantenimiento y verificación. En el caso de sistemas de ventilación tenderán, sobretodo, a la limpieza de filtros. En el de aquellos otros destinados al acondicionamiento del clima en el interior del cuadro tenderán a la comprobación de compresores, termostatos y resistencias de caldeo.
Fig. 5.24. Algunos sistemas de ventilación pensados para su instalación en cuadros eléctricos.
Unidad didáctica 5. Cuadros eléctricos
Trazado del cableado El método de cableado que habitualmente se sigue se basa en la utilización sistemática de las referencias de los bornes de los aparatos que están consignadas en el esquema de circuitos. Este procedimiento se traduce en un ahorro de tiempo dado la rapidez de la ejecución, la claridad, la fácil interpretación y la eficacia durante la explotación (modificaciones, reparación de averías, etc.). fig. 5.25. Cableado de dispositivos en el panel de un cuadro elé(trico.
, -160
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Frecuentemente va acompañado de un plano de disposición o de implantación del material para facilitar la localización de los elementos, o de un esquema complementario de las conexiones exteriores.
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Para cablear tanto el circuito de potencia como el de control, se debe leer la referencia de los bornes del aparato en el esquema de circuitos y realizar las conexiones, de sección adecuada, entre las referencias correspondientes en el equipo.
fig.5 .26. Detalle de un embarrado en el interior de un cuadro elé(trico.
En la tirada de cables, habitualmente conducidos mediante canaletas, nos deben servir de referencia los paneles frontal, fondo y laterales de la envolvente. En cualquiera de estos paneles, la canaleta siempre debe discurrir siguiendo una orientación horizontal o vertical y, en ningún caso, debemos admitir tiradas oblicuas. Antes de cablear será conveniente estudiar concienzudamente la distribución de los aparatos, la ubicación de las regletas de conexión y el recorrido de la canaleta, con objeto de simplificar el cableado y reducir la longitud de los conductores. En ciertas instalaciones, la distribución de energía en el interior del cuadro se realiza mediante embarrados, esto es, pletinas de cobre desnudas (facilitan la disipación de calor), de gran sección, por las que pueden llegar a circular corrientes impar· tantes. Las pletinas se montan sobre soportes aislantes, fijados a perfiles o a placas de montaje mediante los apropiados medios de conexión (tornillos, bridas, etc.), y discurren por el interior del armario sirviendo como tomas de alimentación para los equipos y dispositivos que la requieran (figura 5.26). Por su especial idiosincrasia, estos embarrados deben ubicarse en los armarios en lugares de acceso restringido, exentos de ambientes húmedos o corrosivos, fuera del alcance del personal no autorizado y con la zona de emplazamiento debidamen· te señalizada con el icono de peligro eléctrico. El empleo de esta señal no se reserva únicamente para este tipo de instalaciones ya que, en lugar visible, es obligatoria su colocación en cualquier cuadro eléctrico que instalemos. fig . 5.27. Señal de peligro elé(tri(o.
UOId ad did ac!ica 5. Cuadros eléctricos
Seguridad Por seguridad debemos entender la exención de peligro o daño que presenta un objeto. Respecto de un cuadro eléctrico esto se traduce en la facultad que el cuadro debe poseer para operar de forma correcta sin provocar situaciones de peligro o causar daños a las personas que operan con él.
Riesgos de trabajar con electricidad El riesgo que supone trabajar con la electricidad se ve agravado porque nuestros órganos sensoriales no están capacitados para detectar su presencia. Esto hace que los materiales electrizados, esto es, aquellos que presentan una d iferencia de tensión significativa con respecto a tierra puedan ser la causa de electrocución (choque eléctrico) o quemaduras de personas y el origen de explosiones e incendios graves. Entre los daños más significativos originados por la energía eléctrica cabe destacar:
O
Los choques eléctricos por contacto con elementos en tensión (contacto eléctrico directo). o con masas puestas accidentalmente a tensión (contacto eléctrico indirecto).
O O O
Las quemaduras por choque eléctrico o por arco eléctrico. Las caídas o golpes como consecuencia de choque o arco eléctrico. Los incendios o explosiones originados por la electricidad.
Efectos del contacto eléctrico sobre la salud La incidencia sobre la salud de las personas provocada por un contacto eléctrico depende de la intensidad que circula por el cuerpo y, por ley de Ohm, de la impedancia que éste presenta. Tabla 5.11. Impedancia del cuerpo humano en función dela tensión de contacto Impedancia media del 50% dela población (en Q) Tensión de contacto (V)
Piel seca
Piel húmeda
Piel mojada
25
3.875
2.500
1.000
50
2.990
2.000
875
75
2.470
1.700
710
125
1.750
1.200
670
220
1.350
950
650
r
Piel sumergida
1
500 440
I
360 335 325
La impedancia q ue ofrece el cuerpo humano al paso de la corriente no es constante, ya que varía dependiendo del nivel de tensión, del tiempo de contacto, de la frecuen cia, del estado de humedad de la piel, de la superfi cie de contacto, de la presión ejercida y de la temperatura. En la tabla 5.11 proporcionamos los va lores de impedancia del cuerpo humano en trayectos de mano a mano, o de mano a pie, para superficies de contacto comprendidas entre 50 cm' y 100 cm'. Dependiendo de la magnitud y de la frecuencia, la corriente eléctrica produce en el cuerpo humano los efectos que indicamos en la tabla 5.12 (para el personal femenino, los valores de corriente de la tabla deben multiplicarse por 0,7).
Tabla 5.12. Efectos de la corriente sobre el cuerpo humano
limites corriente continua Efectos sobre el hombre
Limites corriente alterna (50 Hz)
Desde:
Hasta:
Desde:
Hasta:
Desde:
Hasta:
Desde:
Hasta:
(mA)
(ms)
(mA)
(ms)
(mA)
(m s)
(mA)
(ms)
Sin percepción
2
Sensación de cosquilleo
2
Con tracción muscular
30
Umbral de fibrilación
200
10
0,5
2.000
500
10
12
200
1.000
1.000
10
Probabilidad fibrilación: 5%
200
1.000
1.600
Probabilidad fibrilación, 50%
400
2.000
2.000
f
0,5 200
10
2.000
500
10
50
1.000
1.000
10
10
70
1.000
1.600
10
10
180
1.000
2.000
10
Unidad drdélctlCa 5. Cuadros eléctricos
Contados diredos y contados indiredos En la manipulación de cuadros, la existencia de riesgo eléctrico es debida a dos causas diferentes.
Fig. 5.28.
Riesgos eléctricos por contactos directos e indirectos.
O
La primera causa la constituye el contacto directo con elementos de conexión (terminales, regletas, bornes, cables, etc.) sometidos a tensión (figura 5.28a).
O
La segunda, el contacto indirecto con los elementos metálicos del cuadro que presentan potenciales eléctricos anormalmente elevados (figura 5.28b). R
R _ -===------. 5
_-=-=-__....:
5 _ _ _--:::=-" T _ _ __
T _ _ _ __
a) Contactos directos R _ _ _-1
R _ _ _--,
5 _ _ _--1
5 _ _ _...,
T
-==...=-•
T
...LI
- -=--n
------
b) Contactos indirectos Con las regletas de conexión se presenta una situación peculiar: de una parte, de· ben estar en un lugar accesible para facilita r la conexión de los cables y, de otra, esta accesibil idad conlleva un riesgo de contacto eléctrico d irecto debido a errores o descuidos. Para evitar el riesgo eléctrico de contacto d irecto debemos uti lizar regle· tas con la tomillería de fijación embut ida (como los bomes montados sobre carriles DIN) y, si es el caso, protegerlas adicionalmente con carcasas plásticas.
Ejemplo 5.7 Salimos del baño con la piel mojada y manipulamos un calefactor de pelo conectado a una tensión altema de 125 V. ¿A qué riesgos eléctricos nos exponemos si se produce un contacto directo durante 1 segundo? Solución: De la tabla 5.11 obtenemos un valor de impedancia de 670 Q , para un cuerpo mojado sometido a una tensión de 125 V. Por ley de Ohm, y de acuerdo con la expresión (1.2), la intensidad que recorrería nuestro cuerpo en el caso de producirse un contacto directo sería:
U 125 1=-=-=0 186A R 670 ' De la tabla 5.12, y para la circulación de una corriente alterna de 186 rnA durante 1 segundo, deducimos que existiría una probabilidad del 50% de sufrir una fibrilación ventricular, esto es. una sucesión de movimientos caóticos del corazón con posible parada cardiaca. Con referencia al riesgo eléctrico producido por contacto indirecto, será necesario crear una red equipotencial d e t ierra a la cual conectemos todos los materiales metálicos del cuadro (puertas, carcasas, bandejas, perfiles, etc.). En muchos casos, la propia naturaleza conductora d e estos elementos y el contacto mecánico que establecemos entre ellos al montarlos pueden ayudarnos a distribuir el potencial de tierra . Sin embargo, como medida de seguridad, siempre será conveniente instalar conductores ad icionales para consegui r el nivel equipotencial de tierra y evitar que las partes metál icas sean susceptibles de transferir tensiones peligrosas y, consecuentemente, de aumentar el riesgo de accidentes eléctricos.
Unidad dldac!ica 5 Cuadros eléctricos
Para realizar las conexiones equipotenciales de tierra con unas ciertas garantías debemos emplear los materiales apropiados que el mercado nos ofrece y, además, tener en cuenta algunas reglas básicas al realizar esta operación. Por ejemplo, una buena solución para distribuir el potencial de tierra en las puertas y bandejas de una envolvente metálica pasa por la utilización de cintas de cobre trenzado (figura 5.29), o de conductores de cobre con la cubierta de color amarillo-verde, fijados con tornillos o bridas. Sea cual sea el tipo de conductores utilizados en la distribución del potencial de tierra, se recomienda que sus secciones no sean inferiores a la mitad de la que posee el conductor principal de torna de tierra a la entrada del cuadro y que, si los cables son de cobre, estas secciones nunca sean menores de 2,5 mm'. La puesta a tierra en un cuadro debe ir acompañada de la instalación de un interruptor diferencial para que, en el caso de producirse un contacto indirecto, desconecte el circuito eléctrico en el rnenor tiernpo posible. Como es sabido, en condiciones normales, la intensidad que circula por los dos hilos de alimentación de un aparato es la misma, es decir, la corriente que "entra" al aparato es igual a la que "sale". Ante la presencia de un contacto indirecto, la corriente que es conducida a tierra a través del cuerpo hurnano provoca una diferencia entre las corrientes de entrada y salida que es detectada por el interruptor diferencial hace que éste "salte" y corte la tensión de suministro.
Fig. 5.29. Detalle del establecimiento del potencial de tierra en la puerta de un armario eléctrico.
Actividades 8.
Busca en Internet inforrnación sobre dos sisternas de aire acondicionado empleados para aclimatar la temperatura en el interior de un armario eléctrico. Describe sus características e indica la conveniencia de emplear un sistema u otro.
9. Enrolla el cable de un calefactor eléctrico, o un secador de pelo, coloca en el interior del ovillo un termómetro y conecta el aparato a su rnáxirna potencia durante 5 minutos. Transcurrido este tiempo, apaga el aparato y anota la temperatura que ha alcanzado el cable . Ahora déjalo enfriar durante un t iempo, extiende totalmente el cable y adósale el termómetro con cinta aislante. Repite la prueba otros 5 rninutos y vuelve a tomar la temperatura. Explica a qué se debe la diferencia de temperaturas que habrás observado entre la primera y la segunda prueba, y a qué ley eléctrica obedece este fenómeno.
10.
Examina la etiqueta de características del interruptor diferencia l de t u vivienda . Observarás que aparecen dos valores de corriente. ¿Qué significado tiene cada uno de el los?
11.
Con la piel húmeda, qué intensidad circularía entre la mano y el pie al prod ucirse un contacto directo durante 2 segundos, con una tensión continua de 75 V. De acuerdo a los datos d e la tablas 5.11 y 5.12, qué efectos produciría.
12.
Busca información sobre el tiempo de corte que presenta un interruptor diferencial de uso doméstico y describe contra qué riesgos eléctricos nos protege.
Unidad dldac!lca S (uadros eléctricos
Equipos de protección para la prevención de los riesgos eléctricos A la hora de prevenir los riesgos eléctricos, además de la protección que incorporan las instalaciones, debemos tener muy presentes dos tipos de equipos: Los equipos de protección individual (EPI). Los equipos de protección contra riesgos eléctricos, que no tienen carácter de «individual». La diferencia para establecer esta clasificación la podemos encontrar en la propia definición de los equipos de protección individual, que hemos visto en la unidad anterior.
Ejemplo 5.8 Entre los diferentes equipos de protección contra riesgos eléctricos que se relacionan a continuación indica, atendiendo a la definición de EPI, indica cuáles son EPI y cuáles no. Banqueta aislante, pértiga aislante, destornillador con aislamiento 1.000 V, guantes aislantes, calzado aislante. Solución: Material de protección contra riesgos eléctricos
Justificación Es un EPt
No es un EPt
Guantes aislantes
LOS guantes aistantes y el calzado los lleva colocados el operario para protegerse del riesgo eléctrico y su uso es individual
Calzado aislante Banqueta aislante Pértiga aislante Destornillador con aistamiento de 1.DOOV
NO es de uso individual, no la lleva puesta el operario ni la sujeta para realizar trabajos eléctricos.
Aunque esta herramienta tenga un aislamiento eléctrico que la hace adecuada para los trabajos eléctricos, la finalidad del destor· nillador es apretar o aflojar tornillos.
Equipos de protección no (onsiderados EPI La principal característica que deben tener estos equipos es presentar un elevado aislamiento eléctrico que limite la intensidad que pueda circular a través de ellos y, por tanto, a través del trabajador en el caso de accidente eléctrico. Los equipos más habituales que engrosan este grupo son: Herramientas especiales para trabajos eléctricos. Incorporan, respecto de las mismas herramientas no pensadas para trabajos eléctricos, aislamiento eléctrico en aquellas zonas de la herramienta que deben estar en contacto con el operario o bien que, accidentalmente, puedan ser accesibles por el operario (fíjate en la figura 5.30). Alfombras aislantes de goma o de caucho, que dispuestas en el suelo de la zona donde se deben realizar los trabajos eléctricos, aumentan la resistencia eléctrica entre el trabajador y tierra. Las alfombrillas sólo protegen al trabajador de los contactos con salida a tierra. Ante un accidente eléctrico en el cual se ofrezca otra trayec· toria (imagina un operario que está tocando una pared o alguna estructura me· tálica que ofrezca un circuito a tierra diferente de la salida por los pies) la alfombril la no nos protegerá.
Unidad dldac\lca 5 Cuadros eléctricos
l
•
•• Fig.5.30. Pértiga aislante con herramienta cambia fusibles y banqueta aislante. (50famel)
Banquetas aislantes. Su funcionamiento es análogo a la alfombrilla pero elevando el plano de trabajo. Es preferible su uso al de la alfombrilla en superficies donde haya charcos de agua que pudieran inundar la alfombrilla, reduciendo su aislamiento eléctrico. Los materiales más utilizados son los plásticos y la madera.
O
Pértigas aislantes. Consisten en una barra o en un tubo telescópico que tiene la parte por donde la debe manipular el operario de material aislante. La cabeza de la pértiga puede tener diferentes herramientas o detectores acoplados (detectores de tensión, sierras cortacables u otras herramientas). Permiten realizar los trabajos garantizando una distancia de seguridad respecto de las partes activas de la instalación (partes que están normalmente a tensión). Elementos de señalización de los riesgos eléctricos y dispositivos de bloqueo para evitar maniobras accidentales en las instalaciones.
Equipos de prote((ión individual para riesgos eléctricos Como hemos señalado antes, para que los equipos de protección se consideren EPI deben ser llevados o sujetados por el trabajador y deben estar diseñados con el objetivo principal de protegerle de los riesgos que se pueda encontrar en la realización de su trabajo. Todos los EPI para trabajos con equipos en tensión deben estar marcados con un pictograma de doble triángulo como indica la figura 5.31. Fig. 5.31. Pictograma de doble triángulo.
A continuación vas a ver diferentes referencias a normas que regulan diferentes tipos de EPI. Estas referencias no están incluidas para que las memorices sino para que puedas consultarlas y ampliar la información que aquí te presentamos, si te resulta necesario. Los EPI más habituales para la protección de riesgos eléctricos deben cumplir con los requisitos básicos de seguridad e higiene (Directiva europea 89/6867CEE). y además verificar las propiedades que se resumen a continuación, para cada tipo:
El casco de seguridad Consiste en un casco básico que protege de los mismos riesgos ya explicados en la unidad anterior. Además, todos los cascos incorporan algún requisito (obligatorio u opcional) relacionado con la protección eléctrica. Por ejemplo: Los cascos de protección para la industria en general (regulados por las normas UNE-EN 397, UNE-EN 812 Y UNE-EN 14052) pueden incorporar de forma opcionalla protección contra contactos eléctricos accidentales, de corta duración, hasta una tensión de 440 V. Los cascos para bomberos deben ofrecer la protección contra contacto eléctrico accidental hasta 440 V. Los cascos aislantes para utilización en instalaciones de baja tensión, deben ofrecer obligatoriamente protección contra contactos eléctricos de hasta 1kV en CC o bien 1,5 kV en CA. Estos cascos son de clase O.
Unidad dldacllca \
Cuadros eléctricos
Pantallas y viseras faciales Además de esta protección genérica, las pantallas que cumplen con la norma UNEEN 166 son las únicas que proporcionan protección contra los riesgos originados por el arco eléctrico de cortocircuito (la energía que se disipa puede llegar a fundir los metales que causan el cortocircuito y proyectarlos contra la cara del operario). Para indicar la protección de una pantalla facial contra riesgos eléctricos, en el campo de uso de la pantalla se marcará ésta con el número 8.
Ropa o vestuario de protección Respecto de los riesgos eléctricos, podemos diferenciar entre tres tipos de prendas en función de la norma aplicable:
Fig. 5.32. Visera facial.
O
Prendas antiestáticas (UNE-EN 1149), para evitar la acumulación de carga electrostática que puede provocar la generación de chispa eléctrica, y como consecuencia, generar explosión o incendio en atmósferas explosivas. Prendas aislantes (UNE-EN 50286) para ser usadas en instalaciones a baja tensión. Las debe utilizar personal cualificado que realiza trabajos en tensión (o en zonas próximas a instalaciones en tensión) hasta los 500 V en CA y 750 V en Ce.
O
Prendas conductoras (UNE-EN 60985) para su uso por operarios cualificados que realizan trabajos en alta tensión (hasta 800 kV en CA y hasta los 600 kV en CC, de tensión nominal).
También debemos considerar si el vestuario ofrece protección contra los efectos térmicos de un arco eléctrico. La regulación de los requisitos que debe cumplir este tipo de ropa se encuentra en la norma UNE-EN 61482.
Fig.5.33. Ropa de protección.
Protecciones para manos y brazos Los miembros superiores están sometidos a muchos riesgos en la mayoría de los trabajos. Podemos afirmar que es la zona del cuerpo con mayor estadística de accidentes laborales (acumulan, aproximadamente, el 35 % de las lesiones tanto de origen mecánico como térmico, químico o eléctrico). Estas protecciones se clasifican en dos grupos: Por un lado, tenemos guantes y manoplas (según norma UNE-EN 60903) y, por otro lado, los manguitos de material aislante para trabajos en tensión (según UNE-EN 60984). El material principal de fabricación de los guantes y manoplas aislantes es el caucho natural (de mayor grosor cuanta más tensión haya que soportar).
Fig. 5.34. Guantes de protección.
En muchos casos, si los guantes aislantes no tienen una resistencia mecánica considerable a la abrasión o perforación, se deberán colocar sobre ellos unos guantes de cuero que garanticen la protección mecánica. Actualmente existen en el mercado compuestos para guantes eléctricos que también garantizan una elevada resistencia mecánica. Existen seis clases de guantes y manoplas aislantes para trabajos eléctricos, en función del nivel de tensión máxima de utilización:
el ase
Voltaje efi,.z (CA)
Voltaje (ee)
00
500
750
O
1.000
1.500
7.500
11250
2
17.000
25.500
3
26.500
39.750
4
36.000
54.000
Unidad didattlca \ Cuadros eléctricos
Los manguitos aislantes protegen de los contactos accidentales con elementos en tensión. Se clasifican como los guantes y manoplas (pero varian las tensiones máximas d e utilización).
Calzado de uso laboral El calzado de uso laboral ya sea de seguridad (U NE-EN 20345), de protección (UN EEN 20346) Y de trabajo (UNE-EN 20346) puede incorporar de forma adicional propiedades eléctricas, y puede ser, además:
O
Calzado conductor, con una resistencia eléctrica baja (inferior a 100 kQ), evita excesiva acumu lación de ca rg as electrostáticas que pueden ori ginar la chispa eléctrica, en caso de descarga. No se debe utilizar en trabajos con tensión . Calzado antiestático, con una resistencia eléctrica intermedia (entre 100 kQ Y 1.000 MQ). Se utiliza para d isipar cargas electrostáticas ofreciendo una cierta protección contra choques eléctricos en caso de defecto de equipos hasta los 250 V de tensión de funcionamiento. No se debe utilizar en trabajos en tensión.
Fig. 5.35. Bota aislante.
Calzado aislante. Permite la protección en condiciones extremas derivadas de trabajar en ambientes húmedos o mojados, siempre que se trabaje a baja tensión (máximo 100 V de CA, nunca en alta tensión). En estos casos, la humedad o suelos mojados reducen la resistencia de contacto y aumentan el riesgo. El calzado aislante se clasifica en función de la tensión nominal de la instalación en la que o en cuya p roximidad se uti lice:
O
Clase 00, p ara una tensión máxima de 500 V de CA o 750 V de Ce. Clase O, para una tensión máxima de 1.000 V de CA o 1.500 V de Ce.
El uso de calzado aislante, complementado con alfombras o guantes aislantes, será efectivo para reducir los riesgos de corrientes de contacto que tengan salida a tierra a través de los pies. Evidentemente, no proporcionará protección frente a contactos con d iferentes vias de sa lida del cuerpo.
Marcado de los EPI para riesgos eléctricos Todos los EPI deben estar correctamente marcados, según indicación de la normati va que los regula. A modo d e ejemplo, presentamos el marcado de unos guantes aislantes.
Fig.5.36. NOl ma tiva.de _ refel e ncla
Ejemplo del marcado de un guante aislante.
4 / Re -
EN 60903:2003 lEC 60903:2002
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Actividades 14. Haced un listado de los diferentes equipos de p rotección para la prevención de riesgos eléctricos que tenéis en el taller y describid sus caracteristicas. Fijaos en el marca do.
11
Unidad dldactJca S Cuadros eléctricos
Verificació i prova del quadre Para garantizar la operatividad de un cuadro eléctrico debemos realizar las oportunas verificaciones y ensayos que tiendan a asegurar que la instalación de los equipos que conforman el cuadro ha sido realizada correctamente y que éstos funcionan bajo las condiciones eléctricas y ambientales para los que se diseñaron.
Verificación de la instalación El correcto funcionamiento de la instalación pasa por observar cuidadosamente el conjunto de operaciones que a continuación se describen :
Conformidad de la instalación Esta operación la realizaremos siempre con el cuadro eléctrico desconectado de la alimentación para lo que, previamente, deberemos desconectar los aparatos seccionadores más próximos a la zona de trabajo. Básicamente, consiste en: (,) Comprobar físicamente que la instalación coincide con el esquema de circuitos confeccionado, verificando la continuidad de las conexiones de alimentación, maniobra, tierra, etc. y la ausencia de cortocircuitos, cruces o derivaciones a otras redes o a tierra. O
Comprobar si el material eléctrico instalado es conforme con las prescripciones establecidas y que no presenta ningún daño visible que pueda afectar a la seguridad. Comprobar la existencia de medidas de protección contra choques eléctricos por contacto o derivados de fallos de aislamiento.
Verificación de los elementos de conexión En los materiales utilizados para la conexión de aparatos debemos comprobar que éstos estén fijados a sus soportes sin que puedan aflojarse por si mismos. También debemos comprobar que los conductores posean la sección correspondiente sin posibilidad de deslizarse de su ubicación y que el contacto quede perfectamente asegurado sin dañar a los cables. Asimismo, evitaremos la existencia de bordes cortantes que puedan dañar los conductores, el desgarro de sus cubiertas aislantes y los esfuerzos mecánicos o dobleces que puedan deformarlos permanentemente. Una de las causas más frecuentes de avería es la que provocan las conexiones mal aseguradas. Este hecho puede provocar el aumento de temperatura de conductores y aparatos que, en muchos casos, derivan en explosiones o incendios. La figura 5.37 muestra el aspecto de una fotografía tomada con infrarrojos (termografía) que denuncia la presencia de un mal contacto en el borne de un interruptor magnetotérmico.
Fi9. 5.37. Termografia de un interruptor magnetotérmico con una de sus conexiones insuficientemente apretada. En la figura se detecta, mediante una coloración amarilla, que el deficiente apriete del cable en el borne provoca un aumento de resistencia de la conexión y, consecuentemente, un calen tamiento de la zona de contacto.
Unidad dldacllca 5 Cuadros eléctricos
Operaciones tales como las de comprobar la sujeción de prensaestopas o pasa cables, verificar los aros de estan-
queidad, evitar la tracción
o rotación de cables, etc., deben realizarse para evitar
males mayores.
Tabla S.ll. Clases de temperatura de los aparatos eléctricos clase de temperatura
Temperatura superficial máxima ('C)
11
450
12
300
T3
200
T4
135
T5
lOO
T6
85
Verificación de la estanqueidad de la envolvente Como ya señalábamos al tratar de las envolventes, las entradas de alimentación y las entradas o salidas de los cables d e ma niobra deben efectuarse sin alterar el grado de protección de la envolvente. Dado que este principio también debe respetarse en todas aquellas operaciones de mecanizado a las que sometemos la envolvente, deberemos comprobar el grado de estanqueidad de pasacables, prensaestopas, juntas, aberturas de venti lación, etc., para evitar la entrada de polvo o gases que puedan provocar arcos o chispas. También deberemos verificar el correcto funcionamiento de los sistemas de ventilación o acondicionamiento de ai re que impidan trabajar fuera de los márgenes de temperatura previstos en el interior de los cuadros.
Verificación de la temperatura de operación Ninguno de los aparatos del cuadro debe superar la temperatura máxima de operación establecida en sus características. Para los aparatos eléctricos, los valores de temperatura máxima se agrupan en clases tal como recoge la tabla 5.13. Habítualmente, el aumento de temperatura de un aparato eléctrico provoca la reducción de su resistencia mecánica, la degradación de su nivel de aislamiento y posíbles daños a partes eléctrícas vecinas. Como ejemplo de un mal dimensionado de apa ratos, en la figura 5.38 observamos la termografía de dos magnetotérmicos trabajando con intensidades próximas a su valor limite.
Fig. 5.38. Termografia de dos mag nelotérmicos trabajando cerca del limite de la corriente admisible. En color amarillo, la fotografía infrarroja pone de manifi esto el ca lentamiento que sufren los dos interruptores cuando son atravesados por corrientes de trabajo anormalmente altas.
Pruebas de fundonamiento Las pruebas funciona les a las que debemos someter un automatismo dependerán, en cada caso, de la propía naturaleza del automatismo, de las características de la instalación y de los apa ratos que incorpore el cuadro eléctrico . No obstante, hay una serie de pruebas elementa les que siempre será necesario real izar al trabajar con automatismos eléctricos; entre ellas cabe destacar:
O O O O
La medida de la resistencia de puesta a tierra. La medida de las tensiones de alimentación y auxiliares. La comprobación de los elementos de seguridad. La medida de las corrientes de fuga.
La comprobación de sensores, actuadores y equipos de control y medida. Cuando realizamos trabajos con elementos bajo tensión hemos de considerar no sólo el riesgo de contacto eléctrico, sino también la posible formación de arcos eléctricos por cortocircuito. En estos casos, además del equipo de protección personal (casco, gafas, calzado aislante, ropa ignífuga, etc.), debemos emplear en cada caso el material de seguridad más adecuado (herramientas y guantes aislantes, comprobadores, alfombras o banquetas aislantes, etc.) y, además, ropa resistente al calor (tipo ignifugo, algodón, etc.) para que no se inflame en caso de producirse un arco. En ningún caso es recomendable el uso de ropa acrílica.
Unidad dldactlCa 5. Cuadros eléctricos
Medida de la resistencia de puesta a tierra Esta operación debe ser realizada por el personal técnico competente mediante el uso de un te/urómetro, esto es, de un equipo que determina el valor de la resistencia de tierra a partir de la inyección de una corriente alterna conocida, a una frecuencia superior a los 50 Hz, y de la caída de tensión que esta corriente produce. La medida debe ser realizada en las condiciones que la norma establece y efectuada sobre la conexión principal de tierra de la instalación.
Medida de las tensiones de alimentación y auxiliares
Tanto en alterna como en
continua, las medidas de tensión las realizamos empleando un instrumento como el voltímetro, cuidando de evitar cortocircuitos
con las puntas de prueba al tomar la medida.
Es una prueba importante consistente, de una parte, en medir el valor de la tensión de suministro a la entrada del cuadro y en todos aquellos puntos donde se produce alguna derivación o conexión y, de otra, en verificar el nivel de todas aquellas tensiones auxiliares utilizadas para la alimentación de dispositivos específicos como los sensores, los actuadores, etc.
Comprobación de elementos de seguridad Esta tarea persigue la verificación y prueba de todos los elementos de seguridad que incorpora la instalación. El trabajo debe contemplar, de una parte, la revisión del estado de los elementos y la aprobación de sus principales características y, de otra, la prueba real de estos dispositivos mediante los convenientes ensayos de funcionamiento. Entre otras, las operaciones que se derivan de esta tarea son : O
La revisión del estado de los fusibles y el examen de la corriente máxima para los que éstos están dimensionados.
O
La comprobación del accionamiento de los interruptores y la verificación de su corriente de disparo.
O
La comprobación del de los interruptores magnetotérmicos y la verificación de su corriente máxima de corte.
O
La revisión del estado de los sistemas de climatización de los cuadros eléctricos y la comprobación de su funcionamiento.
O
La revisión del estado y la prueba de los pilotos luminosos y de los pulsadores o interruptores de parada, alarma y emergencia.
O
La comprobación de la equipotencialidad de tierra en todas las partes metálicas de la instalación.
Medida de las corrientes de fuga Esta medida la realizaremos empleando una tenaza amperimétrica que posea una sensibilidad mínima de 1 mA, y la colocaremos de tal manera que abrace simultáneamente los conductores activos (de fase y el neutro). Dado que la pinza realiza la suma vectorial de las corrientes que pasan por los conductores que abraza, la medida obtenida debe ser igual a cero. Si no fuera así, hemos de suponer que la instalación tiene una corriente de fuga que circulará por los conductores de puesta a tierra.
La comprobación de sensores, actuadores y aparatos En esta operación debemos comprobar la señal que generan los diferentes sensores de la instalación y verificar que están presentes allí donde se las requiere. También deberemos realizar la prueba de los actuadores, accionándolos con las correspondientes señales de maniobra a la vez que verificamos su correcta operación. La prueba de funcionamiento de un automatismo debemos realizarla por fases. Los diferentes bloques funcionales, o subconjuntos, que lo conforman deben comprobarse y verificados individualmente. Una vez efectuada la revisión por separado, los arrancaremos en fases sucesivas hasta completar la puesta en marcha global de la instalación.
Unidad dldactlca S Cuadros eléctricos
Autoevaluación 1. Al hablar de cuadros eléctricos, qué debemos entender por envolvente. 2. Cita tres tipos diferentes de envolventes y describe su utilización. 3. ¿Qué grado de protección presenta un armario catalogado de IP 54 -IK 06?
4. ¿Qué requisitos se le exige a una envolvente antideflagrante?
s.
Cita tres tipos de planchas de montaje y los posibles materiales de qué están hechas.
6. ¿Qué es un prensaestopas? ¿Para qué se utiliza? 7. Cita cuatro materiales utilizados en la cubierta de conductores.
8. ¿Qué características presenta un conductor eléctrico de código H05SS-F 3x2,5? 9. ¿Qué debemos entender por factor de potencia? 10. ¿Qué factor de potencia presenta un motor trifásico de 11 kW cuando, conectado a 400 V, consume una corriente de 20 A 7
11. Cita algunas de las ventajas que nos proporciona la identificación de elementos en un cuadro eléctrico. 12. En un esquema, qué aparato puede ser aquél cuya referencia comience por K.
13.
¿Qué entendemos por esquema de un circuito?
14. ¿Qué dos cuestiones fundamentales debemos garantizar al ubicar los aparatos de un cuadro eléctrico?
15. Cita dos cuestiones que debamos contemplar para mejorar la accesibilidad de los elementos de un cuadro eléctrico.
16. Explica los conceptos de emisividad y susceptibilidad al ruido eléctrico.
17. ¿De qué factores depende la intensidad que recorre nuestro cuerpo en un contacto eléctrico directo? 18. ¿Qué entendemos por contacto eléctrico indirecto? 19. ¿Qué impedancia presenta el cuerpo mojado de una mujer ante el contacto directo con una tensión de 75 V?
20.
¿Qué entendemos por fibrilación ventricular? Búscalo en internet.
21.
Describe brevemente las cuatro operaciones que debemos realizar al verificar una instalación eléctrica.
22. ¿Qué entendemos por termografía?
23.
Describe brevemente las cinco pruebas funcionales que debemos realizar en cualquier instalación eléctrica.
nidad didáctica 6
etección y diagnóstico e averías en automatismos Jbleados y programados
lué aprenderemos? ~ Qué es una avería y qué tipo de averías pueden producirse.
~ Qué diferencias hay entre las averías en los automatismos cableados y en los programables.
A detectar, identificar, evaluar y analizar averías.
Unidad didáctICa 6 Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
Las averías y sus tipos La mejo r avería es aquella que no se produce y la mejor reparación, aquella que no debe realizarse. Aunque parezca una evidencia, debe procurarse que esto sea así porque una avería, por su propia naturaleza, comporta un funcionamiento anormal que aparece en el momento más inesperado y produce daños a distinta escala que inciden, en mayor o menor medida, en todo el sistema productivo de la empresa. Evitar y prevenir averías es un principio básico que debería regir en cualquier instalación y que se basa en la técnica que se denomina mantenimiento preventivo. Cuando se ha producido una avería, la reparación de la misma se conoce, también, como mantenimiento correctivo. No obstante, es inevitable que se produzcan averías y, por tanto, deben tenerse en cuenta algunos principios básicos para enfrentarse a ellas con el objetivo de que afecten lo menos posible a la empresa en su conjunto.
Inciden(ias de las averías en los sistemas automatizados Fig.6.1. Evitar averias es un principio básico que debe regir en cualquier instalación.
Los tipos de averías que nos podemos encontrar los podemos clasificar, atendiendo a su incidencia en la producción de la máquina o del sistema automatizado, en leves, moderadas y graves.
Averías leves Las averías leves son aquellas que no inciden en la producción de la máquina o del sistema automatizado, es decir, se puede operar igual aunque persista indefinidamente esta deficiencia. Se debe tener especial cuidado con este tipo de averías porque, al no afectar a la producción, se van dejando sin resolver y la instalación puede llegar a alcanzar un estado de dejadez lamentable. Todos los elementos del sistema tienen su función y aunque ésta no esté asociada directamente a la producción, lo está a la máquina. Ello sucede, por ejemplo, con señalizadores de situaciones de la secuencia.
Averías moderadas Las averías moderadas son aquellas que inciden en la producción de la máq ui na o del sistema automatizado, si bien con una intervención de urgencia, a menudo a cargo del mismo operario del sistema, la máquina puede seguir en producción. Como ejemplo de este tipo de avería podemos citar las operaciones que el sistema realiza de manera automática y que, ante una avería, el operario puede efectuar de forma manual, lo que permite la continuación de la producción, aunque a veces no al mismo ritmo.
Averías graves Las averías graves son aquellas averías que inciden en la producción de la máquina o d el sistema automatizado hasta el extremo de que la máquina no puede seguir en producción. Las averías graves conllevan costes elevados para las empresas, pues se detiene la producción a la vez que se mantienen los costes (salarios, alquileres, gastos fijos, etc).
1,
Unidad didawca', Detección V diagnóstico de averias en automatismos cableados V programados
Averías en automatismos cableados Cada vez quedan menos máquinas o procesos cuya tecnología de automatización sea cableada . No obstante, existen dos casos en los que pueden encontrarse este tipo de automatismos: máquinas o procesos antiguos y máquinas o procesos muy sencillos. En el caso de máquinas o procesos antiguos el principal inconveniente con el que puede topar el técnico es que no exista ninguna documentación sobre la misma: ni esquemas eléctricos, ni hojas de procedimiento de puesta en marcha, de instalación o de mantenimiento. Algunos automatismos muy sencillos puede que tampoco tengan ninguna instrucción escrita sobre qué debe hacerse en caso de avería. Los elementos que mayoritariamente forman los automatismos cableados son los relés electromagnéticos, los temporizadores, los contacto res y los elementos de protección, como fusibles, relés térmicos, magnetotémnicos y diferenciales. Las averías en este tipo de automatismos acostumbran a estar relacionadas con el deterioro de los elementos que lo componen a causa de su uso y envejecimiento. Un buen mantenimiento revierte en una notable escasez de averías, y las que se producen acostumbran a ser muy repetitivas, de manera que se ponen de manifiesto los puntos negros de la instalación y las deficiencias de diseño. El coste de reparación de este tipo de averías es relativamente bajo porque no se trata de materiales de coste elevado. Además, la mayoría de los componentes son de muy buena calidad (ya no se encuentra, prácticamente, material mediocre en el mercado) y muy robustos, por lo que el número de averías que se dan es realmente escaso al poder operar todos los componente sin problemas durante muchas horas. El tiempo para solucionar las averías en los automatismos cableados depende más del tiempo de determinación de la avería y de la obtención de los elementos de repuesto, que del tiempo de reparación. La reparación consiste, en la mayoría de los casos, en destornillar los bornes de los elementos estropeados para separar los cables de conexión y en sustituir dichos elementos, atornillando nuevamente los cables a los bornes. Tanto en el caso de instalaciones antiguas como en el de instalaciones sencillas, debería destinarse un tiempo para realizar pliegos de instrucciones que detallen las pruebas funcionales encaminadas a resolver las averías que, opcionalmente, puedan presentarse, más allá de un mantenimiento preventivo básico.
Fig. 6.2. Armario de relés en un \ automatismo cableado.
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Unodad dldactlca o Detección y diagnóstico de averias en automa tismos cableados V programados
Averías en automatismos programables Los automatismos programables acostumbran a ser relativamente modernos y, por lo tanto, diseñados por personal que sabe que se podrán modificar a lo largo de su vida útil, que se deberán mantener y que han de ir acompañados de una documentación básica relacionada con dicho mantenimiento específico de la instalación. Los automatismos programables, aparte de compartir algunos elementos con los cableados, presentan elementos especiales conectados con los autómatas programables. Lógicamente en un automatismo programable el tipo de averías que puede darse es mucho mayor que en el caso de los cableados, porque incluye más componentes que son altamente sofisticados y pueden presentar averías propias. Así, por ejemplo, puede estropearse el terminal del operador y que el proceso prosiga sin la posibilidad de interacción entre el operador y el automatismo.
Fig. 6.3. Elementos especiales en automatismos programables.
Este tipo de avería no es directa por cuanto no afecta al controlador (al autómata) o a una parte directamente relacionada con el control. Puede haber, por lo tanto, averías de tipo leve, moderadas y severas. El coste de este tipo de averías, respecto a la reparación, es más elevado que en las instalaciones cableadas, aunque, en realidad, el número de las mismas que se dan es realmente escaso porque los materiales son de muy alta calidad, robustos y certificados en relación con su capacidad para operar sin problemas durante un elevado número de horas. El tiempo que se necesita para efectuar una reparación es algo superior al de las instalaciones cableadas. Mientras que es fácil guardar en el almacén un relé o un contactar, no se acostumbra a tener almacenados autómatas, ordenadores o terminales de operador, dado su elevado coste. Así, al tiempo de determinación de la avería debe añadirse el de obtención del repuesto. Su sustitución acostumbra a ser una operación muy rápida, ya que se trata en todos los casos de conexiones enchufa bies mediante conectores o regletas extraíbles de bornes. Si la avería la presentan los elementos convencionales, el coste de la reparación yel tiempo que ésta requiere es el mismo que en un automatismo cableado. La gran cantidad de lógica alojada en los armarios con automatismos programables permite, en muchos casos, programar parte del equipo para diagnosticar averías (autodiagnóstico) o para ayudar a los técnicos a detectarlas. Así, el tiempo de detección de las averías puede reducirse mucho.
Actividades 1.
Completa la tabla siguiente indicando las diferencias relativas a las averías que hay entre los automatismos cableados y los programables: Automatismos ,abl.ados Detección de la averia Tipos de averias y frecuencia de aparición Coste de reparaCión Tiempo de reparación
Automatismos programables
l.
Unidad dldactoca 6 Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
Métodos de detección y análisis de averías Métodos de detección de averías Las averías las detecta, primeramente, el operario o personal que se encarga de la explotación de la máquina, equipo o proceso automatizado. La persona que detecta la deficiencia de funcionamiento la comunica a quien proceda para que el personal técnico competente se haga cargo de la situación: detecte el origen del defecto, dictamine si es un error de operación (falta de tensión, falta de materia prima, etc.) o una avería, la gravedad de la misma y pueda proceder a su reparación en el mínimo tiempo posible y la máxima eficacia. Así, es imprescindible que el personal destinado a la detección de averías sea alguien que conozca a fondo el equipo completo, la mecánica y el automatismo eléctrico, ya sea cableado o programable. Este conocimiento procede: del estudio de la documentación, si la hubiere; del trabajo preventivo; de la documentación del mantenimiento que se haya generado con el tiempo, y de los ensayos fuera de producción que se hayan hecho con el equipo. Si bien el desarrol lo del método de detección de una avería varía con cada equipo, en general deben seguirse los siguientes pasos:
1. Hay que hablar con el operario para que explique qué ha sucedido exactamente y cuáles son los síntomas que le hacen creer que se ha producido una avería. Debe consultársele su opinión al respecto y si considera que es un problema mecánico o eléctrico.
2. Deben analizarse las explicaciones del operario para descartar un origen mecánico de la avería. En cualquier caso, ya se descarte o no la parte mecánica, tienen que comprobarse las tensiones del sistema, es decir, es necesario ver si están dentro de su valor nominal y si alimentan los elementos clave (autómata, protecciones, etc.).
3.
Descartado el error mecánico, si las tensiones son correctas debe pensarse en un fallo del automatismo. El operario vuelve a tener protagonismo en este punto, puesto que sus indicaciones nos serán de gran ayuda y aclararán el punto en que la secuencia no progresa.
4. Cuando se determina el lugar de la secuencia que no ha progresado, se debe comprobar cada uno de los sensores, tanto los necesarios para progresar a la nueva etapa como los de la etapa anterior (un fallo en éstos también puede impedir la progresión).
5. Si la parte mecánica no ha alcanzado las posiciones en las que los sensores actúan, deberemos realizar un posicionado manual de la parte mecánica para que estos elementos actúen.
6. Si se detecta que algún sensor no opera correctamente siguiendo el procedimiento que detallaremos más adelante, debe ser sustituido en el menor plazo posible.
7. Si no se detecta ningún sensor con errores de operación y se dan todos los elementos para que la secuencia prosiga y, no obstante, no prosigue, se debe intentar reiniciar el proceso completo haciendo un paro general del equipo y un reposicionamiento de la parte operativa (la parte mecánica).
8. Si se trata de un automatismo programable deben verse iluminados los LEO que señalen que las entradas de interés están activadas o desactivadas, según interese. Si el LEO de una entrada no se enciende, significa que hay un error entre el sensor y el autómata, y es ahí donde habrá que dirigir el trabajo.
Unidad didáctica 6. Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
l'
9.
Si el error persiste en el mismo lugar de la secuencia, se debe estudiar, en caso de ser un automatismo cableado, si el relé o relés que han de actuar están en buen estado. Una forma cómoda y rápida de hacer esta valoración es sustituyéndolos por otros relés nuevos.
10.
Si tampoco se consigue asi el avance de la secuencia se debe verificar que no exista un problema de conexión; con el tiempo y la operación, los tenminales pueden aflojarse. Es interesante detenminar con un polímetro la continuidad de las conexiones y reapretar todos los bomes y conexiones. No debe dejarse ningún cable por remover con las manos tirando suavemente de él para ver si está correctamente sujeto a su punto de conexión, ya sea tenminal, soldadura o bome.
11. Si el automatismo es programable y tiene un autómata que no activa el punto de la secuencia que corresponde, debe verificarse si el LED de indicación de salida activada está iluminado o no. Si está iluminado, significa que el autómata opera correctamente, pero que el circuito que controla no responde. En consecuencia, hay que dirigir la atención a este circuito.
12. Si no se encuentra ningún error en las salidas y en los actuadores, deberemos leer desde un terminal de programación el programa del autómata y analizar qué sucede. Otra actuación interesante es recargar el programa que debiera haber en el autómata y reiniciar toda la máquina o equipo, tanto la parte mecánica como la eléctrica.
13. Puede suceder que ninguna de las acciones anteriores delaten el origen del fal lo; éste es el peor escenario posible porque significa que el equipo debe estar bastante tiempo parado y que se tiene que verifica r su operación desde el principio de la secuencia, paso a paso y siguiendo todos los elementos que intervienen. Sin duda, en algún punto aparecerá la causa de la avería. Fig. 6.4. El personal destinado a la detección de la avería debe conocer a fondo el equipo.
En los automatismos programables existe la posibilidad de analizar el correcto funcionamiento del controlador desconectando las entradas del proceso al autómata y utilizando secuenciadores (emulan los sensores de la máquina). También podemos comproba r las entradas y salidas del autómata desconectándolas del proceso y conectándole un bloque de interruptores que simulan entradas digitales y utilizar bloques de salidas a señalizadores para comprobar las salidas.
Do(umentos para el análisis y evalua(ión de las averías De las averías hay que extraer algo bueno, como de casi todas las cosas de la vida . Si se tiene un historial de averías correctamente llevado al día, es más fácil hacer un análisis, una evaluación y hasta una previsión de lo que puede suceder, esto es, estimar cuándo se puede producir otra avería, su tipología, etc. En este sentido, es importante disponer de la ficha de revisiones o mantenimiento y el plano de situación.
La ficha de revisiones o mantenimiento La fich a de revisiones o mantenimiento es una fi cha o una hoja de cálculo donde se relacionan las incidencias de cada automatismo y elemento que forma una automatización. Si junto con las especificaciones de una máquina o proceso (que ya deberían incluir un plan de mantenimiento preventivo, que, si no lo tiene, debe realizarse), se dispone de una tabla en la que se pueda especificar qué le ha sucedido y cuál es el estado de cada elemento de la instalación durante una revisión de mantenimiento periódico, es posible conocer los puntos más fuertes y los más débiles de la instalación.
Unidad dldactlca 6 Detección y diagnóstico de averlas en automatismos cableados y programados
Ejemplo 6.1 Una determinada máquina envasadora y etiquetadora, como la que se puede ver en la figura 6.5, llena y etiqueta una caja con cuatro productos que se acciona con un pulsador T. La caja llega vacia, mediante una cinta transportadora accionada por un motor Mi, Y se detiene delante de la envasadora cuando se acciona un detector óptico DO. El brazo de la insertadora va hacia atrás mediante el motor M3 hasta que un final de carrera FCP señala haber alcanzado la parte posterior, donde se encuentran los productos a la espera de ser envasados (en otra cinta). Cuando el brazo está sobre el nuevo producto, abre la pinza de sujeción (cerrada por muelle) accionando el electroimán El y, a la vez, desciende mediante el motor M2 hasta que FCllo indica. Entonces libera el electroimán, cerrando la pinza, y hace subir la insertadora hasta su extremo superior indicado por el fina l de carrera FCS. Una vez allí, mediante M3, gira hasta la parte anterior indicada por un final de carrera FCA. Lo siguiente que hace es bajar de nuevo mediante M2 hasta que FCllo indique y allí acciona el electroimán El durante 0,5 segundos, a la vez que sube hasta FCS y hace que un contador cuente que ya se ha envasado un producto y compruebe si ya hay cuatro. Puesto que no hay cuatro productos, la insertadora empieza a repetir toda la secuencia de ir a buscar un producto y dejarlo en el interior del envase, y cada vez incrementa en una unidad el contador y verifica si ya se tienen envasados cuatro productos. Los elementos utilizados por esta máquina, que se reproduce en la figura 6.5, son los motores y sensores siguientes: 1 pulsador T
"
1 detector óptico DO
1 motor Mi
.)
1 final de carrera FCP
1 motor M2
1 final de carrera FCI
1 motor M3
1 final de carrera FCS
1 electroimán El
1 final de carrera FCA
M3 M2
O -'::P'--.J.-'-~
O-_!~~lLJ.>------"M
~FCI
DO
Sobre este automatismo, responde las siguientes cuestiones:
--Jo ~
Indica si es suficiente para el técnico de mantenimiento la información proporcionada. En caso de que no lo sea, señala qué tipo de información necesitaría. Realiza una tabla para el mantenimiento del automatismo en la que figuren para cada tipo de elemento la periodicidad de las revisiones, su estado, las fechas de revisión y la persona responsable.
Ml
Fig.6.5. Ejemplo de una máquina envasadora.
Solución: Es evidente que esta sencilla relación no da información sobre el tipo de elementos de que se trata y que, por lo tanto, es la información que requiere un programador, pero no un encargado de mantenimiento. Falta completar la lista con el tipo de elemento físico que corresponde para poder establecer qué tipo de pruebas o inspecciones deben hacerse con cada uno de ellos o, sencillamente, para el caso de tenerse que sustituir, saber qué tipo de elemento es y cuál su referencia y, si es necesario, hasta su proveedor. Así, un ejemplo de la información adicional que necesita el técnico de mantenimiento puede ser: Pulsador de marcha y de paro mecánicos, con grado de protección IP-65, sin piloto luminoso, de la marca Telemecanique, modelo de tipo XAL con un pulsador verde de marcha y otro rojo de paro. Detector óptico de reflexión, de la marca Keyence de tipo PZ-M31 autocalibrado, de 30 mm de detección, etc. La descrip. ción de elementos debería realizarse en una tabla como la que se presenta en la tabla 6.1. En la tabla 6.1, presentamos un ejemplo de ficha o tabla de mantenimiento del automatismo. Uno de los aspectos importantes es poder agnupar los elementos que deben revisarse según su periodicidad de revisión, es decir, habrá elementos que se tendrán que revisar a diario, semanalmente, mensualmente o en fechas concretas. De esta forma, debería contarse con más de una hoja que contuviera los elementos de la tabla que hemos usado de ejemplo, agrupando los dispositivos por su periodicidad. Naturalmente, esto se justifica en instalaciones que incorporen una elevada cantidad de dispositivos por revisar, porque en instalaciones pequeñas, con una hoja ha de ser suficiente, o bien con un formato que permita trabajar de una forma cómoda, eficaz y rápida. En ocasiones, el mismo técnico de mantenimiento puede elaborar estas hojas.
Unidad didacllc" 6. Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
Tabla 6.1. Relación de los automatismos sujetos a revisión en una instalación.
Elemento
Tipo
Periodicidad
Situación
Trabajo de revisión
Fecha Previsla
Inspector Real
Nombre
Firma
Pulsador T Del. óp ti CO DO F. carrera FCS
F. carrera FC/
F. carrera FCA F. carrera FCP
Electroimán El Motor MI Motor M2 Motor M3
Planos de situación Un documento que acostumbra a acompañar las hojas de revisiones o mantenimiento es el plano de situación. En el plano de situación se nos indica en q ué zona, dentro del armario, está ubicado cada elemento que forma parte del automatismo. La situación de los elementos se indica mediante coordenadas del tipo letra-número, como puede observarse en la figura 6.6. Evidentemente, cada modificación de componentes que se dé dentro del armario debe reflejarse en una nueva hoja o anotación que, de forma clara y sin ambigüedad alguna, identifique la situación de cada nuevo elemento.
Fig. 6.6. Plano de situación de dife rentes elementos de un armario de control.
Actividades 2.
Intenta rellenar la tabla 6.1 teniendo en cuenta que se trata de la máquina descrita en el ejemplo 6.1. Considera q ue debes disponer, para cada elemento d e la tabla, al menos una periodicidad y un tipo de operación por real izar.
3.
Haz una lista de aparatos y máquinas y pruebas que, según tu criterio, podrías comprobar si fun cionan bien estando en producción y estando fuera de producción, como por ejemplo un televi sor. iCuidad o! toste es un ejercicio que debes hacer en una hoja de papel, en ningún caso debes llevarlo a la práctica.
Umdad dtdacllca 6. Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
Efectos observados y sus posibles causas Síntoma, avería y disfunción El operario observa un sin toma y lo asimila a una anomalia
Llamamos síntoma a aquello que se obseNa como anormal dentro del funcionamiento habitual de una máquina o equipo y que llama la atención del operario o supeNisor (ya sea una persona o un ordenador).
+ Se avisa al técnico
¡ El técnico escucha las explicaciones del operario y hace su propia observaCión
¡ El técnico determina una lista de posibles causas de la anomalía
+ Se hacen las acciones orientadas a verificar si se trata de la causa X
I
'----l Se descarta dicha posible causa y se pasa a valorar la siguiente, X= X, 1
No
Cuando un operario obseNa síntomas de avería en un proceso o máquina, el primer paso que deberá realizar el técnico es identificar las posibles causas de estos síntomas y establecer si son realmente de una avería o disfunción.
¿Se trata de la causa X?
Entendemos por disfunción aquella deficie ncia de funcionamiento que se debe a alguna causa ajena a la máquina o al equipo (suciedad, cuerpos extraños, bloqueos, etc.). Si se d ictamina la causa como disfunción es porque no existe ningún componente de la máquina dañado. En ocasiones, puede que la naturaleza del equipo y su sofisticación haga que el operario no pueda expresar con exactitud datos que ayuden al técnico a poderse hacer cargo de la situación. Si se trata de un equipo automático en el que no inteNiene el operario, debe haber indicaciones en los paneles de operador o en el tipo de interfaz que se utilice para que el técnico pueda interpretar los síntomas de anomalía. Una vez ha determinado las posibles causas de los síntomas, establece, a su criterio, un orden de prioridad según pueda deberse más a unas causas que a otras. También hace un conjunto de pruebas o medidas con el objeto de determinar, de entre todas, la causa del síntoma obseNado.
Sí
+ Ya se sabe una causa del sistema observado.
~ ~~
"" Identificación de las causas de los síntomas observados
Los síntomas pueden ser generados por cuatro grupos de causas, que deben comprobarse en la secuencia que se presenta.
Fig.6.7. Procedimiento para determinar las causas de las averías.
Has de tener en cuenta que, a veces, un síntoma no
se debe a una sola causa, sino que puede ser fnuto de varios factores, por ello, no debes descartar la posibilidad de hacer un chequeo exhaustivo de todo el sistema.
Primero: Hay que comprobar las tensiones de servicio Las primeras causas que deben considerarse son las que tienen relación con las tensiones a las que trabajan los circuitos. Si no están dentro de los márgenes ad· misibles, los sensores activos (que están conectados a tensión) pueden operar de forma incorrecta. Así, elementos como relés y contactores puede que no lleguen a cerrarse o a mantenerse cerrados por falta de corriente de excitación en las bobinas. Los controladores no operarán correctamente y algunos se detendrán.
Segundo: Hay que comprobar los sensores y elementos de entrada Cuando el sistema no responde a las señales enviadas por los elementos de entrada (pulsadores, microrruptores, finales de carrera y sensores en general), se deberá identificar cuál es el elemento que no provoca el efecto deseado y planificar su reparación o sustitución . Puede ocurrir que los sensores respondan correctamente, pero el elemento de control no sea sensible a dichas actuaciones; en estos casos, se deberá tener en cuenta el hecho de que la señal del sensor llegue correctamente al control.
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Tercero: Hay que comprobar los actuadores o elementos de salida En este caso se trata de defectos relacionados con acciones que no se realizan . Una vez se ha verificado el correcto funcionamiento de las entradas, del control y de las tensiones del sistema, cabe pensar que son los dispositivos de salida, como relés, contactares, lámparas, calefactores, válvu las, etc., los que no actúan. Puede que el controlador no opere correctamente y no entregue al dispositivo de salida la tensión o corriente dentro de los márgenes útiles y que d icho dispositivo no responda correctamente.
Fig. 6.8. Las primeras causas que deben considerarse son las que tienen relació n con las tensiones.
Cuarto: Hay que comprobar los elementos de control Las causas relacionadas con el controlador son las que más tiempo ocupan porque requieren hacer avanzar la secuencia de control hasta determinar el punto en el que fallan; en estos casos hay que investigar, entre los elementos relacionados con este punto, cuál es el responsable del fallo. En la investigación de las causas que provocan los síntomas es muy útil d isponer de listados que relacionen los efectos observados y sus posibles causas. Te presentamos un ejemplo en la tabla 6.2.
Tabla 6.2. lista de causa, efectos y acciones de los elementos de entrada y salida más habituales en una instalación Efecto observado
Posibles causas No se acciona mecánicamente.
No recibe tensión en sus bornes. Un final de carrera o microrruptor no opera correctamente. Está estropeado internamente.
Actuación
Inspeccionar el elemento mecánico que debe accionarlo. Inspeccionar la conexión. Reemplazarlo.
No recupera la posierón porque tiene el muelle Reemplazarlo.
roto.
Un detector óptico no opera correctamente.
No recibe alimentación.
Seguir el cableado de la alimentación hasta dar con el defecto.
Está sucio y no puede operar bien.
Limpiarlo convenientemente.
Está estropeado.
Sus ti tuirlo.
Está desalineado.
Alinearlo y atornillarlo con fuerza.
No detecta objetos.
Alinear los objetos o el de lector.
NO da señal de salida.
Acercarle más los objetos por detectar.
NO recibe alimentaerón.
Seguir el cableado de la alimentacrón hasta dar con el defecto.
Está sucio y no puede operar bien.
Limpiarlo convenientemente.
Un detector IOductivo o capaer- Está estropeado. ti VD no opera correctamente. Está desalineado.
Sustituirlo. Alinearlo y atornillarl o con fuerza.
Está más allá de su distancia de detección.
Se debe de haber movido; hay que analizar las causas de este movimiento y sujetarlo mefor.
No recibe alimentación.
Seguir el cableado de la alimen tación hasta dar con el defecto.
Un pulsador no opera correc- Es tá suero y no puede operar bien.
lamente.
limpiarlo convenientemente.
Se calienta mucho.
Circula demasiada corriente por sus contactos o puede que la lámpara indicadora, si la lleva. es té en mal estado.
Está estropeado
Susti tuirlo
Unidad dldaClica 6 Detección y diagnóstico de averlas en automatismos cableados y programados
Tabla 6.2. li,la de cau,a, efeclo, y accione, de lo, elemenlo, de enlrada y ,alida ma, habiluale, en una in,lalación Efe
Posibles causas
Actuación
Está fundida.
Comprobarla conectándola directamente a tensión.
Lleva demasiadas maniobras de encendido-apagado.
Calcularlas en funCión del régimen de la máquina.
Una lámpara señallZadora Ha supetado el límite de horas de servicio indicadas por el Consultarlo en el catálogo del fabricante. no se ilumina cuando de- fabricante. biera hacerlo. Si se sospecha, se puede dejar un registtador gráfico en paralelo con la Ha recibido una sobrelensión. lámpara durante dias o semanas. los elementos que la deben accionar no opetan Debe segUirse completamente el circuito de la lámpara y veriltcar el correctamente. correcto funcionamiento de lodos sus elemenlos.
Un relé no se activa.
Tiene la bobina rola o quemada.
Sacarlo del zócalo o desconeclarlo complelamenle y darle su lensión nominal.
NO hace buen conlaclo con el zócalo.
Ver si la brida de sujeción eslá rola o si hay vibtaciones. Sujelarlo mejor.
No reCibe sulicienle lensión.
Analizar por qué no la recibe siguiendo el circuilO al que eslá coneclado.
No recibe tensión.
Comprobar lodos los elemenlos que participan en dársela.
Tiene la bobina rola o quemada.
Desmonlar la bobina y comprobarla con un ohmímetro.
Hace ruido de taleo.
Ver si la espita de sombra eslá rola.
No recibe suficiente lensión.
Analizar por qué no la recibe siguiendo el circuilo al que eslá coneclado.
No recibe lensión.
Comprobar lodos los elemenlos que parlicipan en dársela.
Demasiadas maniobras.
Preventivamenle susliluirlo según una planificación relacionada con el numero de maniobras máximo.
Un contactor no se activa.
Un contactar se calienta en Corriente nominal excesiva. exceso. El entrehierro no cierra bien. Conlaclos delellotados. El relé térmico ha actuado.
Reducirla o cambiar los conlaclos por olros más robuslos. limpiarlo y mllar si hay obJelos o parles inlernas que se hayan rolo. Suslituirlos.
El motor ha lenido problemas y ha consumido más corrienle Inspeccionar SI exisle algún problema con la carga del motor o con el de la normal duranle demasiado tiempo. propio motor.
los fusibles u OltaS prolec' Ha habido un cortocircuito o una sobrecarga notable en la InspeCCIonar los posibles elemenlos que lo hayan ocasionado y si el ciones han actuado. instalación. cableado está en buen estado. NO recibe tensión. una electrováfvula no cierrajabre. Está bloqueada mecánicamente.
Un motor no gita.
Comprobar todos los elementos que participan en dársela. Estudiar sus partes móviles y mirar si puede moverse.
Tiene la bobina rota o quemada.
Desmontar, si es posible, la bobina y comprobarla con un ohmimelro.
Está bloqueado mecánicamente.
Mirar si se trata de un bloqueo de la carga o del propio eje (cojinetes, juntas, entrehlerro, etc).
Tiene los devanados quemados.
Rebobinar o sustituir según dISponibilidad y coste.
Ha actuado el térmico.
Rearmar el térmico no sin antes valorar el porqué de su actuación.
No ha actuado el contactor.
Posible averia en el contactar.
No ha reCibido tensión del variador de frecuencia.
Estudiar por qué el variador no ha actuado.
No ha recibido tensión del arrancador.
Estudiar por qué el arrancador no ha actuado.
Gita en un sentido, pero no en el otro.
Analizar el contactar que da el sentido de giro que no se tiene.
Falta una o dos lases.
Anahzar fusibles y proteCCIones.
Está mal conectado. El motor se calienta en exceso. le llega más tensión de la que le corresponde.
Estudiar la conexión si es en estrella o triángulo. Analizar la causa midiendo las tenSiones a lo largo de la linea.
Demasiada frecuencia.
Si está conectado a un variador de frecuencia, estudiar disminuirla.
Demasiada carga mecánica.
Estudiar si el dimensionado es correcto o han aumentado los rozamlen· tos, fricciones ocarga.
Defectos en los bobinados.
Comprobar que no haya espllas en cortocircuito.
Unidad didaCllc., 6 Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
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Formulación del diagnóstico Superada la fase de identificación de la causa o causas de los síntomas, debe emitirse un diagnóstico. El diagnóstico es determinante de la situación en que queda la máquina o proceso a partir de este momento, por lo que es esencial que se catalogue la causa como disfunción o como avería y, en este último caso, considerarla leve, moderada o grave. Si se trata de una disfunción, por lo general, es muy sencillo enlazar la fase de diagnóstico con la de reparación, pero si se trata de una avería deberá considerarse su grado para poder establecer un plan de reparación. En resumen, la reparación depende del diagnóstico y éste debe ser lo bastante ajustado para tener la máquina o el equipo detenido el mínimo tiempo posible para no penalizar la operación del mismo y que el coste de la reparación y del proceso de manufactura detenido sea el menor posible.
4. ¿Cuál es la diferencia entre avería y disfunción? ¿Cuál de los dos es más g ra ve?
5.
Dibuja un diagrama de flujo de la secuencia que deberás realizar para identificar las causas que ocasionan síntomas de una avería en una máquina.
Identificación de los elementos averiados En muchas ocasiones una avería que provoca el mal funcionamiento de muchas partes de la máquina tiene una sola causa localizada en un único elemento, que está estropeado. Otra situación que se puede presentar, mucho más costosa en tiempo y dinero, es una cadena de averías. En este caso, el mal funcionamiento de un elemento provoca la destrucción o mal funcionamiento de un segundo elemento, el cual, a su vez, provoca lo mismo en un tercero, y así sucesivamente hasta llegar a un elemento final.
Toda técnico de manteni-
miento debe conocer perfectamente la simbología normalizada que le afecta. Ha de saber interpretar correctamente los diferentes tipos de esquemas eléctricos que explican las instalaciones y los automatismos de las máquinas y los procesos.
Tener un buen plan de mantenimiento y un histórico de averías nos ayudará en esta tarea. Si no se dispone de esta documentación, existen diferentes posibilidades:
O
Identificar los síntomas de la avería y relacionarlos con sus posibles causas. Sobre este proceso, ya hemos hablado ampliamente en el apartado anterior.
O
Hacer pruebas y medidas que conduzcan a la localización de la avería.
O
Disponer de ayudas del propio automatismo.
O
Tener sinópticos de señalización.
O
Tener preparado un sistema que entregue un código de avería.
A continuación veremos las diferentes posibil idades propuestas. Para todas ellas será imprescindible que el técnico interprete correctamente toda la documentación técnica del automatismo o automatismos de la máquina o proceso. También debe reconocer visualmente los principales tipos de componentes de las instalaciones y las máquinas. Así mismo, es conveniente que disponga de la información técnica de los sensores y detectores.
UOIdad d,dactlC,l 6 Detección y diagnóltico de averíal en automatilmol cableadol y programadol
Selección de pruebas y medidas que deben realizarse Las pruebas que deben efectuarse frente a una avería son, primeramente, determinar si es un fa llo mecánico o eléctrico. Si la avería es eléctrica, lo primero que se comprobarán serán las alimentaciones y, posteriormente, los sensores y actuadores.
Comprobación de las tensiones de alimentación Mediante un polímetro nos aseguraremos de que: El autómata reciba tensión. La fuente de alimentación tenga la tensión de entrada y salida correcta. En los transformadores, las tensiones de primario y secundario sean correctas. En los magnetotérmicos, térmicos y fusibles tengamos la misma tensión antes que después.
O
Los contactores que están accionados tengan la misma tensión antes que después. Los contactores que no están accionados tengan tensión antes pero no después (mirando el esquema se puede seguir perfectamente qué tensión debe tener cada contactor en sus contactos) Los contacto res y relés que reciben tensión en su bobina rea lmente estén enclavados. Los indicadores luminosos (lámparas de neón, incandescentes, paneles, etc.) indiquen correctamente.
Comprobación de los sensores y detectores Los sensores que existen en el mercado y que usan las máquinas y equipos son muchos y muy diferentes, por lo que no es posible establecer aquí el método particular para probar el correcto funcionamiento de cada uno de ellos. No obstante, los elementos más frecuentemente utilizados en la automatización industrial deben ser conocidos, a nivel de verificación, por cualquier técnico de mantenimiento. Las pautas y procedimientos que hay que seguir para los elementos más habituales son los siguientes:
Finales de carrera, micrDrruptDres y detectores de posición mecánicos Contienen una o más secciones de contactos conmutados que se activan mediante una palanca, rueda, etc. que está enlazada con el sistema mecánico e indica la posición de alguna de sus partes. Las pruebas pueden ser con tensión o sin tensión. (on tenlión. Debe utilizarse un polímetro como voltímetro y verificar que el final de carrera opera como interruptor, abriendo o cerrando el circuito del que forme parte al accionar mecánicamente la palanca, rueda o elemento de activación que posea.
Fig. 6.9. Final de carrera y microrruptor.
Sin tenlión. Deben desconectarse los conductores de los bornes del dispositivo que se verifica. Después, utilizando un polímetro como medidor de continuidad (o como ohmímetrol. se verifica que accionando el dispositivo se tenga continuidad o se deja de tener continuidad según sea un contacto normalmente abierto o cerrado. Es importante, en la verificación de este tipo de elementos, mover lateralmente las palancas o ruedas de accionamiento, además de hacerlo en el sentido y forma convencional para el que se diseñaron, a fin de asegurar que la operación sea correcta y que no dependa del sentido de la fuerza que se ejerza sobre ellas.
Unl
d dldacticrl
6
Detellión y diagnóstico de averías en automatismos cableados y programados
Detectores de proximidad inductivos o capacitivos Son sensores que acostumbran a llevar tres conductores, dos de ellos para la alimentación y el tercero para indicar la actuación del dispositivo. La alimentación normalmente es continua a 24 V y, aunque soporta una importante tolerancia, debe verificarse mediante un polimetro que recibe tensión dentro del margen de trabajo. Estos dispositivos, cuyo aspecto puedes ver en la figura 6. 10, tienen un consumo que puede superar los 100 mA. Puede ser interesante verificar si consumen lo que el fabricante del sensor especifica, como medida de que en su interior los circuitos activos consumen aquello que es razonable. Fig. 6.10. Detectores inductivos.
Es posible que, por su electrónica intema, el conductor, que es la salida de estos sensores, no entregue salida a menos que esté conectado a una carga. Normalmente, si estos sensores funcionan correctamente, aproximando un objeto metálico cerca de su zona frontal, deben conmutar la salida. Acostumbran a incorporar un pequeño indicador LEO para señalar cuándo actúan y cuándo no. En el caso de los sensores inductivos solamente deben responder frente a la presencia de objetos metálicos más o menos ferromagnéticos. En el caso de los capacitivos, deben responder frente a cualquier objeto. Se puede verificar si la distancia a la que detectan es la que inicialmente estaba prevista para el correcto funcionamiento de la máquina. Es aconsejable despejar la zona de detección y mantener limpio el sensor y sus cercanías.
Detectores ópticos Los hay de diferentes tipos, formas y tamaños, entre los que operan por interrupción de un haz infrarrojo entre un emisor y un receptor y los que operan por reflexión sobre un objeto del haz, que rebota y regresa a la cápsula que contiene el emisor y el receptor. En el primer caso hay dos elementos, el receptor y el emisor, y en el segundo, únicamente uno, que realiza las dos funciones. Cuando es un elemento único, como es el caso que puedes observar en la figura 6.11, que contiene el receptor y el emisor, debe ser tratado tal como se ha descrito para los sensores inductivos y capacitivos, ya que acostumbra a presentar tres conductores: dos para darle tensión de polarización y uno para la salida, que puede ser, también, en lógica positiva o negativa. Normalmente, estos detectores formados por una pareja emisor-receptor incluyen uno o dos diodos LEO, uno de cada color, que señalan si el detector actúa o no. tsta puede ser la primera verificación que puede hacerse. Si no opera correctamente cuando se le acerca un objeto sobre el que la radiación infrarroja pueda rebotar, debe limpiarse la óptica con un paño húmedo de agua. Nunca deben uti lizarse alcoholes ni disolventes de ningún tipo porque dañarían la superficie del sensor, que consiste en un filtro especial. Si la avería persiste, debe comprobarse que la tensión y el consumo están en los márgenes correctos. Cuando se trata de un emisor y un receptor sueltos, puede suceder que estén simplemente desalineados y que no se "vean" mutuamente. Normalmente, el emisor tiene encendido un LEO cuando emite, y el receptor, otro cuando recibe luz infrarroja; ésta es una primera ayuda para la detección del estado de funcionamiento del conjunto. Fig.6.11. Detectores ópticos.
Unidad didactica 6. Detección y diagnóstico de averías en automatismos cableados y programados
Pulsadores y conmutadores mecánicos Las pruebas que debemos realizar son las mismas que para los detectores de posición mecánicos o finales de carrera.
Relés Una de las averías más frecuentes cuando se sospecha del mal funcionamiento de un relé es que se ha aflojado de su zócalo. Una simple presión lo devolverá a su posición correcta y restablecerá, así, el contacto perdido entre los terminales y el zócalo.
Fig. 6.12. Pulsadores.
Debe tenerse cuidado de no pegar el relé al zócalo porque ello dificultaría su manipulación en el futuro. También es frecuente la rotura de bridas de sujeción, sobre todo en equipos sometidos a vibraciones y a movimientos en general, y algo más raro en equipos fijos. Otra situación mecánica que puede darse (rara, pero no imposible) en relés que tengan accionamiento manual es que éste se haya quedado enclavado. Si no se aprecia ninguno de los problemas anteriores se deberá extraer el relé de su peana y con un ohmímetro medir la resistencia de la bobina, que debe ser muy baja, aunque nunca nula (estaría en cortocircuito) ni demasiado elevada (podría estar rota). Si las pruebas sin tensión son positivas debe probarse el relé ap!icándole la tensión correspondiente según el fabricante . Si un relé en vacío (sin carga en sus contactos) se acciona con tensión en la bobina, pero no vuelve a su posición inicial cuando se retira la tensión, se puede sospechar que su muelle de retorno está deteriorado y deberá sustituirse el relé completo. Si no se acciona, puede que haya un bloqueo mecánico. Igualmente se deberá sustituir.
Fig.6.13. Relé y zócalo.
Contactores Cuando se sospeche que un contactor no funciona correctamente, lo primero que deberá comprobarse es si su bobina está en condiciones, sacándola del contactor (la mayoría pueden abrirse) y viendo si su valor óhmico coincide con el señalado por el fabricante; en cualquier caso, deberá presentar una resistencia bastante baja.
11
Si la bobina está correcta, se examinará el grado de limpieza de los contactos, tanto de los auxiliares como de los de potencia, así como su desgaste. En los modelos de mayor potencia es frecuente sustituir solamente los bloques de contactos, pero no la carcasa ni la bobina. Debe tenerse cuidado de quitar la tensión cuando se trabaja , ti , . ..!.-, l ~ , ; a T , l3 , 5 .. ..".,... ' . . . .lS' . c' • U¡" O"_ Q~" con estos elementos y no deben rayarse nunca ni rascarse; '''Tal _neo. . ". .. ~. •• en todo caso, deben sustituirse. TI PO: DI S 8 1
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Si el contactor hace ruido al accionarse es posible que no llegue suficiente tensión a la bobina o que esté deteriorada, o bien que tenga la espira de sombra deteriorada. También puede suceder que el circuito magnético no se cierre completamente y que en el entrehierro aparezca el ruido. Debes tener presente que si limpias la superficie de los entrehierros tienes que hacerlo con algún disolvente, pero que sobre todo no debes rayarlo, puesto que se trata de superficies rectificadas y sumamente lisas y finas para poder encajar a la perfección sin pérdidas.
Fig.6.14. Contactor.
Unidad didáctic I 6 Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
Ayudas a la identificación de averías por parte del automatismo El automatismo puede participar en la determinación de la avería si se le prepara convenientemente para ello. Aprovechando las situaciones imposibles (por ejemplo, que una pieza se encuentre en dos sitios distintos a la vez, que un motor gire en ambos sentidos al mismo tiempo, que un cilindro avance y retroceda a la vez, etc.) es posible establecer señalizaciones que son de gran ayuda a la hora de detectar averías. Así mismo, es posible, también mediante señalizadores, saber en qué punto de la secuencia se encuentra un automatismo para determinar, así, qué elementos son los que están relacionados directamente con esta parte de la secuencia. Estas ayudas son añadidos a las funciones de control básicas del automatismo y, por lo tanto, siempre conllevan un sobrecoste adicional que normalmente se justifica por el ahorro de tiempo (y, por lo tanto, de dinero) en la detección de las averías. En todos los casos, las ayudas al diagnóstico de averías son soluciones a medida que, al igual que los controladores, son específicas para cada máquina o proceso (no se pueden exportar de unas máquinas a otras). Solamente comparten la idea básica de detectar errores de funcionamiento.
Identificación en automatismos cableados En el caso de los automatismos cableados es relativamente sencillo establecer sistemas de ayuda al diagnóstico de averías sin un gran sobrecoste de la instalación. Dado que en general se trata de sistemas sencillos o antiguos, se acostumbra a disponer, en paralelo con cada bobina de relé y de contactar (que no son muchas), de un indicador luminoso de tipo neón (que no se funde y, por tanto, no dan lugar a duda de si están apagados o no señalan correctamente).
Fig. 6.15. Indicadores luminosos de neón.
En ocasiones se dispone en contactos auxiliares de los contactares o en contactos no utilizados de relés para verificar que, no solamente la bobina recibe tensión, sino que, además, el dispositivo actúa cerrando su bloque de contactos. Seguir el desarrollo de una secuencia es sencillo porque, por lo general, no se trata de secuencias complejas y, por lo tanto, se puede determinar en qué punto se da el mal funcionamiento y acotar mucho el problema, puesto que solamente se tratará de comprobar el funcionamiento de los sensores y actuadores relacionados con el punto de la secuencia que falla. De todos modos, si se trata de un sistema cableado antiguo de notable complejidad, debe intentarse localizar los puntos principales y más básicos de la secuencia para poder hacer una acotación razonable de la zona y los elementos sensores y actuadores que pueden crear una avería y aprovechar contactos libres de los relés existentes.
Identificación en automatismos programables En el caso de los automatismos programables también es especialmente sencillo establecer sistemas de ayuda al diagnóstico de averías sin un gran sobrecoste de la instalación. En general, se trata de identificar las causas que sean un error y delatarlas mediante la programación oportuna en el autómata, con un indicador luminoso. Como puedes observar en el ejemplo 6.2, cuando se t rata de lámparas de señalización es muy sencillo para un técnico determinar la causa del paro de la máquina y la avería que se ha dado. Símplemente, ha de señalar cuál de los dos detectores es el que no opera correctamente y sustituirlo. Posteriormente, accionará el pulsador de rearme Rm y, si no hay otro error, el sistema continuará opera ndo.
Unodad dodáctoca 6. Detección y diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
Ejemplo 6.2 Se dispone de un sistema motorizado de va ivén formad o por una lanzadera mecánica accionad a por un motor de corriente continua y d os finales de ca rrera, FC 1 y FC2. Este dispositivo se utiliza para recog er material p roced ente de p rocesos continuos. Se pide hacer un sistema de d etección de averías. Solución : En la fig ura 6.16 se puede ver la situación descrita por el enunciado 'y una posibl e solución que consiste en colocar d os lámpara s de incandescencia de la misma tensión que el motor o algo superior para asegurar que no se funda, en paralelo con el motor. Dado que el motor gira en ambos sentidos, para saber en qué sentido está girando se utilizan lámparas d e distintos colores, una para cada sentido de giro. Al tratarse de corriente continua, para asegurar que no se encenderán las dos a la vez, se incorpora un d iodo en serie con cada una de ellas, que soporte sobradamente la corriente que va a circular por la lámpara. Esta conexión asegura que se puede conocer la tensión aplicada en el motor y, por lo tanto, cuál es la situación del relé K, si está abierto o cerrado: Si la bobina no tiene tensión, únicamente puede estar encendida la lámpara roja, puesto que el circuito sitúa esta polaridad en el motor.
Fig. 6.16. Indicador de averia en una máquina de vaivén.
Si la bobina tiene tensión, van a estar encendidas las dos lámparas verdes. Si solamente está encendida la lámpara verde correspondiente a la bobina, los contactos del relé están en mal estado. Si se enciende únicamente la lámpara verde correspondiente al motor, se han soldado los contactos. Si se encienden la lámpara verde de la bobina y la roja del motor, hay un cruce.
Ejemplo 6.3 Tenemos dos detectores inductivos, DA y DR, sobre un cilindro neumático que señalan la situación de vástago avanzad o o de vástago retrocedido . Este cilindro lleva el número 1 y forma parte de una instalación con más cilindros como éste. De las cuatro combinaciones b inarias que se pueden presentar a las entradas d el autómata proced entes de estos dos detectores, tres son posibles y una es un error (si ambos están accionados a la vez, puesto que no es posible que el vástago esté en los d os extremos de su carrera a la vez). Se pide establecer un sistema de ayuda a la d etección de esta situación an ómala.
ECO
QO.O
PLC
1 1.0 I 1.1
12. 1
Rm
Solución: En la figura 6.17 se pu ed e observar la situación d escrita por el enunciado y una posible conexión a un autómata. Debería introducirse una línea más en la programación d el autómata y hacer algunos camb ios en el resto d el programa para poder esta r en armonía con la nueva línea que se plantea introd ucir. Evidentemente, tal como señala la línea de programación de la figu ra, si se dan a la vez ambos d etectores, se activará la salida 00.0, en la que habrá una lámpara d e señalización que pasará a iluminarse indicando una situación de error en el cil indro 1 (fC1). No obstante, se toma la d ecisión d e d etener la máquina en cuestión, de forma que se activa una marca (la M7.7, por ej emplo), que se dispondrá en forma de contacto neg ad o en serie con todas las líneas del programa que accionen una salida física; , lógicamente, las salidas en cuestión serán operativas mientras M7.7 no esté activada, pero en caso de estarlo (error en el cilindro) las salidas no se accionarán, y las que lo estén, quedarán desactivadas.
Cilindro 1 DR
DA Rm
ECl
"~Io 1to UO~ 1
M7.7
M 7.7
Fig. 6.17. Indicador de avería en un cilindro.
Esta misma marca también debería impedir que entrara alguna etapa del GRAFCET que rija la evolución de la secuencia de la máquina en la que esté este cilindro. Así mismo, M7.7 se utiliza para enclavar el error y, de forma independiente a lo que suceda ya con ambos detectores, el error permanecerá hasta que se accione un pulsador de rearme (Rm) que se ha instalado para poder apagar la lámpara de alarma y desactivar la marca M7.7 de forma que el sistema prosiga en el punto que estaba antes de detectarse el error.
Unidad dldactlcd
h
Detección y diagnóstico de averlas en automatismos cableados y programados
Utilización de sinópticos Un sinóptico es una representación gráfica simplificada e idealizada de una máquina o de un proceso. Esta representación señala las partes principales de la máquina o proceso y, mediante indicadores luminosos, ubicados en los lugares del gráfico correspondientes, el estado de los elementos que se encuentren físicamente allí, ya sean sensores, actuadores o medidas. Es posible señalar cuándo actúa un sensor, cuándo lo hace un actuador, ya sea un motor, una válvula, etc., o presentar en un display la medida de una tensión, una corriente, una potencia o una cantidad cualquiera que nos interese conocer. En los sinópticos se pueden disponer, también, pulsadores y accesorios que permitan operaciones como si se estuviera frente al pupitre de control. La observación de estas señales sobre el sinóptico, procedentes del proceso o máquina, pueden dar al técnico información precisa sobre el tipo de avería que se está produciendo o, al menos, acotar la zona defectuosa. Los sinópticos pueden estar cerca de la máquina o proceso, formar parte del mismo pupitre de controlo estar a una cierta distancia, junto con otros sinópticos de otras máquinas o procesos dentro de una sala de control central izado o de vigilancia de la producción. Así mismo, pueden estar realizados con sencillas técnicas de impresión sobre metacrilatos o plásticos impresos y adheridos a los pupitres de controlo, en el caso de los equipos de gama media y alta, formar parte de las pantallas de terminales de operador con mayores o menores prestaciones.
Fig.6.18. Sinóptico.
Los sinópticos pueden contener señales que sean de utilidad a los técnicos para evaluar la naturaleza y gravedad de una determinada anomalía o avería que se pueda generar. En los sistemas más sofisticados se puede disponer de registros históricos de señales (para ver cómo evolucionan en el tiempo diferentes señales) que, mediante programas de ordenador, se pueden analizar para determinar el origen de una avería. En los sistemas sencillos no se acostumbra a alcanzar tanta sofisticación, pero en los sistemas complejos la tarea del técnico puede requerir una notable preparación personal para poder manejarlos.
h,",~J.d... Fig.6.19. Código de 3 indicadores que señala hasta 8 situaciones distintas de un automatismo.
Hemos visto que era posible añadir alguna lógica, cableada o programada para accionar elementos señalizadores luminosos que permitian poner de manifiesto algunas situaciones anómalas. Sin embargo, hemos remarcado que debía tenerse cuidado con la cantidad de situaciones que se pretendían detectar, porque podía ser extremadamente costoso.
166 üG'(p 2 OFF OFF
3
Averla
OFF
Ninguna
OFF
OFF
ON
Cilindro 1
OFF
ON
OFF
Motor MC
OFF ON
ON
Cilindro 2
ON
OFF
OFF
Válvula 72
ON
OFF
ON
Detector 17
ON
ON
OFF
ON
ON
ON
Falta carga
utilización de códigos de avería
Algo que permite solventar, en parte, este inconven iente es la utilización de una caja con varios indicadores luminosos que se conecte a un conector del automatismo. Una misma caja sirve para una gran cantidad de automatismos y solamente se conecta a la máquina en caso de avería. En los automatismos con terminales de operador es posible utilizar dichos terminales para presentar códigos o, directamente, los mensajes asociados a cada código, de forma que el técnico pueda conocer la situación del automatismo en todo momento. Por otra parte, en los automatismos programables más sencillos, si se dispone de algunas salidas libres del autómata, es posible hacer algunas modificaciones en el programa para que, con estas salidas, se pueda representar una avería. Si se trata de automatismos cableados complejos, es posible construir un armario específico para la detección de averías que utilice un pequeño autómata que codifique sobre unas pocas salidas las averías que se consideren.
Unidad dldactica 6 Detección
y diagnóstico de averías en automatismos cableados y programados
Posi(ionamiento manual de la parte me(áni(a Es interesante en un automatismo mantener la posibilidad de un posicionamiento de la parte mecánica que se esté revisando para poder ubicar cada pieza en una posición que permita que los sensores estén accionados o no. Para ello, el automatismo debe tener un conmutador que permita seleccionar el funcionamiento automático O el func ionamiento manual. La actuación manual debe estar permitida solamente a personal autorizado y conocedor del funcionamiento del equipo para que no sea posible llevar a cabo acciones que puedan destruir la parte mecánica o la eléctrica. Por este motivo, no es extraño que los conmutadores que pasan el control de modo automático a modo manual se accionen con una llave que t iene la persona o el equipo responsable.
Fig. 6.10. Incorporación de un mando manual puro en un motor de doble sentido de giro. Observa Qu e, en posición man ual, el motor sólo dependera de los pulsadores marcha, paro y del selector de sentido de giro (derecha o izquierd a). El mando automati co, consecuencia de la información de los sensores y de las etapas en las Que se encuentra el automatismo, no afectara al motor.
El paso a manual, normalmente, debe ir precedido de un paro de la máquina (la máquina se detiene, pero no se queda sin tensión), de forma que no sea posible la actuación manual estando las partes móviles en movimiento. Cuando se pasa al modo manual, una cierta cantidad de pulsadores que estaban sin servicio pasan a ser operativos (en la figura 6.20, pulsadores de marcha, paro y conmutador de sentido de giro).
L1 L2 L3
m=#1 -
-
KM2
Es frecuente que sean pulsadores con indicadores luminosos en su interior que, en el momento del paso a manual, se iluminan y señalan, así, que pasan a ser operativos. Cada uno de ellos permite una posible acción sobre algunos o todos los actuadores de la máquina o equipo y, por lo tanto, es posible realizar maniobras a lazo abierto (que no dependen de los sensores), algo que siempre tiene sus riesgos. En este sentido es importante confiar la manipulación de estos pulsadores a personas autorizadas y conocedoras, en profundidad, del funcionamiento automático del equipo para que no se haga ninguna operación que pueda conducir a que se estropee cualquier parte o elemento del sistema. A pesar de ello, el mando manual directo es bastante arriesgado y lo razonable es p lantear mandos semiautomáticos en vez de manuales puros, dado que incorporan seguridad a la vez que precisión en los posicionamientos finales de las partes móviles y permiten impedir actuaciones contrad ictorias. Las actuaciones contradictorias deben quedar protegidas por conexión (aunque en sistemas programables también pueden llevar protecciones por programa, pero no únicamente por una cuestión de normativa europea) de forma que no sea posible accionar a la vez un pulsador de giro a la derecha y otro de giro a la izquierda de un mismo motor porque se fo rmaría un claro cortocircuito.
En tal caso, debe disponerse de un conmutador de tres posiciones (paro, izquierda,
derecha) en lugar de dos pu lsadores o de un circuito en el que al accionar un pulsador se impidiera la actuación con el otro, como ya se explicó en la unidad 2.
A(tividades 6. De una selección de relés, pulsadores, finales de carrera y contactares realiza la comprobación de continuidad para cada uno de los contactos y comprueba también, cuando sea necesario, el estado de las bobinas.
7. Para el caso del ejemplo 6.3, codifica en una hoja las averías que se podrían dar en el caso de que se t uvieran dos cilindros y detenmina cuántas lámparas señalizadoras debería tener la caja de códigos de avería.
Unidad didac!lca
6
Detección V diagnóstico de averias en automatismos cableados y programados
Autoevaluación
ri----------
1. El mantenimiento correctivo hace referencia a:
c) La ficha de mantenimiento.
d) El esquema de conexión.
a) La prevención y evitación de averías. b) La localización de la avería.
7. Cualquier observación que detecte cualquier
c) La comunicación de la avería.
anormalidad en el funcionamiento habitual de una máquina o un equipo recibe el nombre de:
d) La reparación de la avería.
a) Disfunción.
2. Una avería que incide en la producción de la máquina pero que permite que ésta siga en funcionamiento con una intervención de urgencia se considera:
b) Avería.
a) Leve.
d) Defecto.
b) Moderada.
Si un final de carrera no opera correctamente por no recibir tensión en los bornes, procederemos a:
d) Si no incide en el funcionamiento de la máqui-
a) Inspeccionar la conexión.
3. Indica cuál de las afirmaciones siguientes no es correcta respecto a las averías en sistemas cableados: a) Acostumbran a estar relacionadas con el deterioro de los elementos que los forman a causa de su uso y envejecimiento. b) El coste de reparación es alto porque se trata de materiales de coste elevado.
b) Reemplazarlo. c) Inspeccionar el elemento mecánico que debe accionarlo.
d) Limpiarlo.
9. Si sospechas del mal funcionamiento de un relé, lo primero que deberás verificar es: a) Que no se haya aflojado el zócalo.
c) La reparación consiste normalmente en la sustitución de los elementos averiados.
b) Que se haya quedado enclavado.
d) El tiempo de reparación está condicionado a lo
d) Que esté cortocircuitado.
que cuesta obtener los elementos de repuesto.
4. Indica cuál de las afirmaciones siguientes no es correcta con respecto a las averías en sistemas programables: a) El número de averías es relativamente escaso porque los materiales son de muy alta calidad. b) El tipo de averías puede ser muy amplio debido a la gran cantidad de elementos que integra.
c) Que se hayan roto las bridas de sujeción.
10. La representación gráfica simplificada e idealizada de una máquina o de un proceso es: a) Un plano de situación . b) Un señalizador. c) Un sinóptico.
d) Un diagrama.
11. Si el entrehierro de un contactor no cierra bien y
c) La sustitución de los elementos que los componen acostumbra a ser una operación bastante lenta.
hace que éste se caliente, deberemos:
d) Las averías pueden ser leves, moderadas y se-
b) Reemplazar el contactor.
veras. ¿Cuál es el primer paso que hay que seguir ante la aparición de síntomas que nos adviertan sobre una posible avería? a) Comprobar las tensiones del sistema. b) Verificar que no exista un problema de conexión. c) Comprobar cada uno de los sensores.
d) Escuchar los argumentos del operario sobre los síntomas de la avería .
6.
8.
c) Grave. na, no se puede considerar avería .
5.
c) Síntoma.
¿Qué documento nos indica en qué zona, dentro del armario, está ubicado cada elemento que forma parte del automatismo 7 a) El plano de situación. b) La ficha de revisión.
a) Cambiar los contactos. c) Limpiar el entrehierro y mirar si hay objetos o partes internas que se hayan roto.
d) Comprobar que el cableado esté en buen estado.
12. Para que el paso del control de modo automático a modo manual se produzca con el mínimo riesgo para el funcionamiento de la máquina, es conveniente: [Marca la opción incorrecta] a) Que la actuación manual solamente pueda realizarla personal autorizado. b) Proteger el conmutador con una llave a la que tenga acceso todo el personal. c) Plantear mandos semiautomáticos en vez de manuales puros.
d) Proteger por conexión (o por programa) las actuaciones contradictorias.
Unidad didáctica 7
Reparación de averías en automatismos cableados V/o programables
¿Qué aprenderemos? ~
O
o O
Cómo hay que preparar una reparación y qué aspectos deben cuidarse. Qué pruebas deben hacerse después de una reparación. La importancia de observar las normas y seguirlas o crearlas si no existen.
Unidad didáctica 7 Reparación de averias en automatismos cableados y/ o programables
La reparadón o sustitudón Reparar es volver a poner en buen estado un elemento dañado. La reparación puede consistir en una manipulación del elemento dañado para volverlo a poner en servicio o en la sustitución de dicho elemento por otro idéntico o que tenga la misma funciona lidad.
Elementos que hay que reparar o sustituir ¿Reparar o sustituir? Una vez se ha determinado la causa de una avería (no de una disfunción) y se ha hecho un diagnóstico sobre su causa, deben determinarse los elementos que se deben reparar o sustituir. Para saber si nos resulta más conveniente reparar o sustituir deberemos comparar el tiempo en el que el sistema estará fuera de servicio en cada caso y, también, el coste y la dificultad de la reparación frente al coste de adquisición del elemento nuevo.
Fig. 7.lo ¿Reparar o susti tuir? Es el primer dilema que hay que resolver ante una averia.
Efectivamente, si se trata de un elemento de un coste elevado es importante valorar la posibilidad de repararlo. Por ejemplo, en el caso de motores eléctricos especiales o de potencias elevadas, acostumbra a ser más económico rebobinarlos que sustituirlos por otros de nuevos. También puede valorarse, aunque pueda salir más caro, el hecho de reservar el equipo averiado y comprar otro de nuevo. Así pues, se dispondrá de piezas de repuesto para futuras reparaciones.
Planificación de la reparación Pero esto no debe ser todo. La planificación de la reparación una vez realizado el diagnóstico de la avería deberá incluir los aspectos siguientes:
O O O O O
Elementos que hay que sustituir y/o reparar. Elementos que deben comprobarse. Actuaciones. Herramientas e instrumentos. Elementos para RRR (recuperar, reutilizar, recicla~.
Además de determinar cuáles son los elementos que hay que sustituir y/o reparar, debe aprovecharse el tiempo de máquina parada para comprobar otros elementos de los que se sospeche que puedan haber quedado afectados o q ue sea conveniente verincar en lo relativo a si operan correctamente o no (lámparas que puedan estar fundidas, pulsadores agarrotados, manetas de accionamientos, conmutadores rotos, etc.). Este tiempo también puede ser aprovechado para adelantar tareas de mantenimiento y operaciones preventivas; aunque estén planificadas para más adelante, el hecho de realizarlas antes permitirá que la máquina no tenga que pararse más tarde. Otro elemento fundamental es poder planifi car las tres erres, es decir, dictaminar qué elementos se deben recuperar, reutilizar y reciclar. A continuación, aclararemos cada uno de los términos:
O
Recuperar. Una o más partes constituyentes del elemento sustituido pueden aprovecharse para ser repuestos.
O
Reutilizar. El elemento que ha sido sustituido se reparará cuando se pueda o cuando llegue un repuesto, y quedará en situación operativa para poderlo volver a utilizar cuando haga falta.
Unidad dldáCflca 7 Reparación de averlas en automatismos cableados y/ o programables
o
Reciclar. Hay elementos que no permiten ningún t ip o de reparación, por ejemplo, el rodete de una bomba que ha quedado sin álabes, fusibles fundidos, bloques de contactos soldados, entre otros. Deben destinarse a contenedores de reci claje.
El cuidado del medio ambiente es un tema con el que cua lquier técnico d ebe ser sensible y, además, fonma parte de las buenas prácticas asociadas a su trab ajo . Es p osible que el fabricante de una máquina o de un auto matismo d e la máqu ina proporcione un manual de manten imiento en el que indique determ inadas o peraciones de mantenimiento y trabajos de reparación . Si es así, acostumbran a indicar los recambios necesarios, las herramientas, el procedim iento o la operativa de trabajo , e l tiempo previsto, el destino de las partes defectuosas o los líquidos o materiales obtenidos en la repa ració n.
Ejemplo 7.1 Imagínate la situación siguiente: Una máquina no funciona. El operario ha observado que se encendía la luz de alarma que indica que un elevador de carga no ha funcionado cuando debía y que se ha producido un paro general de la máqu ina. Se ha pedido al técnico de mantenimiento que vuelva a poner en servicio la máquina. Solución: El técnico, cuando recibe el aviso, se desplaza hasta la máquina. Sínto mas: Ve la lámpara señalizadora de error y comprueba que corresponde, efectivamente, al motor del elevador de carga. Pregunta al operario si ha observado alguna otra anomalia o si se ha encontrado con esta situación alguna otra vez con anterioridad. El operario le responde que es la primera vez que sucede y que hoy están trabajando con más carga que la normal. Causas: El técnico sospecha que puede que el motor del elevador esté trabajando a un régimen de marcha por encima del previsto y que ha actuado alguna protección. Consulta en sus documentos la parte correspondiente a la sección del esquema en la que se trata de dicho motor y accede al armario que contiene el cuadro eléctrico. En el esquema, los elementos que están entre la red y el motor son los fusibles, el magnetotérmico, el contactar y el térmico. Los fusibles están antes que tres circuitos, en uno de los cuales se encuentra el magnetotérmico al que está conectado el circuito del motor en cuestión y otros dos circuitos con sus respectivos motores. La potencia de cada uno de los tres motores es la misma. Verificación de la posible causa 1. Mira el contactar del motor. Observa que no está accionado. Lee en sus características que es de 30 A. o
Verificación de la posible causa 2. Fíjate, también, en el relé térmico y observa que no ha disparado, que está ajustado al valor máximo y que este máximo corresponde a 45 A. Verificación de la posible causa 3. No han actuado ni el magnetotérmico genera l ni los fusibles. Ambos elementos son de 45A. Verificación de la posible causa 4. El técnico, con un voltimetro, mide si hay tensión entre fases a la entrada del contactor y comprueba que es la de red, 400 V, Y que está dentro de los márgenes correctos. Verificación de la posible causa S. Mide a la salida del contactor y no hay t ensión; tampoco la encuentra a la salida del térmico.
A continuación, eléctricamente, ya se encuentra
el motor.
Lo siguiente que el técnico hace es ir a la parte de la máquina donde se encuentra fisicamente el motor. Solicita la colaboración de un mecánico para que aparte las protecciones y las chapas que impiden acceder al motor y, cuando puede acceder a él, nota un fuerte olor a quemado. Con el polímetro mide si hay alguna tensión entre la carcasa del motor y la parte metálica de la máquina, para ver si puede tocarlo con las manos sin riesgo de electrocución . Señala cero voltios y, por lo tanto, puede tocar el motor. El motor está muy caliente y sospecha que se haya podido q uemar. Abre la tapa de bornes y desconecta el motor. Necesita un medidor del estado de los devanados de un motor. No lo lleva en este momento y va al taller a buscarlo. Regresa a la máquina y mide los devanados. Están abiertos y, por lo tanto, el motor se ha quemado. En la placa de características del motor lee que la corriente nominal es de l OA. En la documentación se dice que se trata de un motor asíncrono de jaula de ardilla.
Unidad didactlcd 7 Reparación de averias en automatismos cableados y/ o programables
D iagnóstico: El motor se ha quemado, posiblemente, porque el ajuste del térmico estaba al máximo de corriente y este máximo de corriente es muy superior a la nominal del motor; el técnico sabe que el ajuste del térmico debe estar, en cualquier caso, entre el 5 yel 20% por encima de la corriente nominal del motor (esto es general para todos los motores) y que, por lo tanto, el térmico está mal dimensionado y no supone una protección real para el motor. Tampoco es una protección el magnetotérmico, ya que está protegiendo tres motores a la vez. Los fusibles son de un calibre excesivo para ser una protección eficaz. Aparentemente el térmico no está correctamente dimensionado y el resto de protecciones no ha sido suficiente para proteger el motor frente a un régimen de carga excesivo, y ha acabado quemándose. Act uación:
El técnico resuelve que deben hacerse las acciones siguientes: o
Elementos que hay que sustituir: -
El motor, porque es más económico sustituirlo que rebobinarlo, y la reparación se llevará a cabo con mucho menos tiempo.
-
El térmico, porque está mal dimensionado, aunque no estropeado.
o
Elementos que deben repararse: ninguno.
o
Elementos que hay que verificar: En el plazo de espera del motor de recambio se debe hacer lo siguiente:
o
-
Comprobar el magnetotérmico para verificar que actuará en el caso de superar su corriente nominal.
-
Comprobar que los térmicos de los otros motores están dimensionados y ajustados al valor que se indica en la documentación. Es razonable sospechar que si un térmico ha sido modificado, pueda haber otros elementos que hayan corrido la misma suerte.
Actuaciones:
-
Desenroscar el motor de la bancada y aprovechar para limpiarla juntamente con los elementos adyacentes.
-
Limpiar los sensores y los elementos eléctricos que estén en las inmediaciones.
-
Mirar en la programación de las tareas de mantenimiento preventivo si en esta máquina algunas de ellas pueden hacerse aprovechando su tiempo de paro forzosa (mientras el proveedor trae el motor).
-
Indicar la situación de paro de la máquina y el motivo del paro a los mecánicos de mantenimiento para que, opcionalmente, puedan hacer trabajos en este plazo de tiempo, aprovechando la situación.
-
Investigar qué ha pasado para que el térmico causante del defecto no sea el que está indicado en la documentación y que esté completamente mal dimensionado y tomar las decisiones pertinentes. Elementos para RRR (recuperar, reutilizar, reciclar):
-
El térmico se recupera ya que, no es que esté estropeado, sino que está situado en un circuito impropio.
-
El motor quemado se destina al contenedor de reciclaje de metales.
Determinación del tiempo previsto de trabajo En el apartado anterior no se ha hecho referencia al tiempo concreto que se requiere para la reparación, y solamente se han mencionado las tareas que se pueden realizar durante este tiempo, aprovechando el paro de la máquina o del equipo averiado. El tiempo concreto que dura una reparación depende única y exclusivamente de la disponibilidad del material de sustitución, de disponer de las herramientas y los equipos necesarios para llevarla a cabo y del tiempo de mano de obra necesario para cambiar los elementos averiados por los nuevos. Además, a este tiempo, debe añadírsele el de reposición de las partes móviles de la máquina o del equipo, la reposición de la materia prima o, en general, las acciones necesarias para que la máquina o el equipo puedan seguir desarrollando su labor productiva con normalidad .
Unidad dldáctlC,¡; Reparación de averías en automatísmos cableados V/ o programables
Normas de seguridad Vamos a recordarte en este apartado que debes cumplir todas las normas de seguridad que afectan a tu especialidad como técnico o técnica de mantenimiento de equipos e instalaciones electrotécnicas. Las normas de seguridad y los riesgos que pretenden minimizar los estudiarás a fondo en un módulo de Seguridad en las
instalaciones eléctricas. Ten en cuenta que para poder ejecutar la fase d e reparación en primer lugar debes considerar la seguridad de las personas y, después, la seguri dad de los eq uipos y bienes. En relación con los equipos y los bienes, los elementos que tengan que sustituirse serán reemplazados, en cualquier caso, por componentes homologados por alguna agencia certificadora a fin de asegurarse de que se cumplen unas nonmas detenminadas. Esta homologación es preceptiva con vistas a la seguridad de la máquina y de su funcionamiento. Una máquina o un equipo se considera segura cuando lleva el marcado "CE", es decir, incorpora seguridades intrínsecas, de diseño, que evitan que los operarios sufran accidentes. Por ejemplo, una cizalla o una prensa no actuarán hasta que el operario esté a una distancia prudencial, que es donde estarán los mandos que accionan la máquina, y la parte móvil y peligrosa estará protegida por rejas, cerramientos, etc. A parte de la seguridad que proporcionan las normas enfocadas a la protección de las personas que operan con la máquina en la fase de producción, debes considerar los riesgos en las tareas de mantenimiento y su reparación. En estos casos, el técnico debe acceder a cualquier punto de la máquina, incluidas las zonas peligrosas, y puede que haya pruebas que se deban hacer con la máquina en marcha y con el técnico dentro de la zona de peligro. Debes respetar todas las normas de autoprotección (pantallas, guantes aislantes, calzado, etc.), verificar la seguridad eléctrica de la instalación (tomas de tierra, aislamientos, protecciones diferenciales y magnetotérmicas) y, además, utilizar herramientas y equipos adecuados a esta labor.
A(tividades 1. Entra en la página de Internet http://europa.eu.intlcomm/enterprise/mechan_equipmentlmachinery/direct/ proposal.htm. A partir de ella, intenta localizar la directiva del Parlamento Europeo y del Consejo relativa a las máquinas por la que se modifica la directiva 95/ 16/CE.
2. Busca en un diccionario el significado de la palabra punzonado e intenta hacer una lista de tres situaciones en las que, mientras se repara un equipo de cualquier tipo, podrías correr el riesgo de "punzonarte".
3. Halla, en libros o en Internet, cuál es la diferencia entre una radiación ionizante y una radiación no-ionizante, y atribuye situaciones de riesgo frente a ambas.
4. Busca infonmación relativa para poder responder la pregunta siguiente: ¿Se debe tener la ISO 9001 o la ISO 9002 o equivalente para poder disponer de un marcado CE? Aprovech a para leer algunas nociones relativas a las normas ISO 9001 Y 9002.
S. Haz una lista con los elementos que pueden o deben llevar la marca CE. Búscalo en Internet. 6. Intenta descubrir dónde tiene su sede CENELEC, un organ ismo q ue elabora normas. 7. Busca empresas españolas que puedan dar la autorización al marcado CE. 8. Busca en Internet información que te penm ita responder las preguntas siguientes: ¿Qué es la "autocertificación"?, ¿quién puede hacerla y en qué casos?
Unidad dldáctll.
Reparación de averías en automatismos cableados y/ o programables
Recambios, instrumentos y materiales • necesarios Los recambios y sus tipos Un repuesto o un recambio es una pieza, un elemento o una parte intercambiable de un equipo o de una instalación que sustitui rá la pieza original cuando su estado de uso lo aconseje para lograr el buen funcionamiento del equipo o la instalación. También podríamos decir que se trata de una pieza idéntica a ciertas partes de la máquina que se fabrican con el objetivo de sustituir las originales cuando lleguen al final de su vida útil. Piensa que, normalmente, la vida útil del repuesto es menor que la del equipo al que pertenece. Se tienen dos tipos de repuestos:
O
Estándar, Es el que tiene unas normas de fabricación que no le relacionan directamente con el equipo al que pertenece y, por norma general, su uso es independiente de dicho equipo, ya que puede servir para múltiples equipos de distinta naturaleza. No es difícil encontrarlo en el mercado y, por ello, no acostumbra a ser necesario disponer de él en grandes stocks. Su coste es relativamente bajo.
O
Singular. Es el que ha sido concebido para formar parte de un equipo concreto y que difícilmente puede servir para otro tipo de equipos. Obtenerlo es un proceso largo, por lo que es conveniente tenerlo en stock. Su coste puede ser muy elevado, no necesariamente en términos de lo que cuesta el repuesto, sino en términos de las pérdidas que se pueden llegar a tener si no se dispone de él oportunamente.
Ejemplo 7.2 Al cambiar un determinado elemento de un automatismo
el fabricante aconseja colocar también los tornillos nuevos. ¿Deberíamos considerar los tornillos como un recambio singular o estándar? Solución: El tornillo puede ser estándar si se puede obtener en cualquier ferreteria o establecimiento del ramo.
También puede ser singular si su calibre, su cabeza, su longitud o su paso de rosca son especiales. Lo nomnal, si el fabricante aconseja su sustitución
junto con el recambio, es que los proporcione con éste.
Normalmente, la práctica totalidad de los repuestos necesarios para cualquier automatismo son de tipo estándar y obtenerlos no tiene ningún tipo de dificultad. Incluso si no se encontrara exactamente el modelo que se pretende sustituir, se puede tener un fácil acceso a elementos equivalentes que desarrollan la misma función, ya que es un tipo de equipamiento que forma parte de los catálogos de componentes de la mayoría de los fabricantes de automatismos.
Preparación de los recambios Los elementos que se sustituirán pueden ser muy variados (relés, contactares, bobinas, contactos, escobil las, juntas, sondas, etc). No es posible hacer una lista completa de estos elementos porque dependen de cada aplicación y tienen una naturaleza muy distinta. Además, es posible que tengas que cambiar lubricantes, aceites, etc. Debes tener en cuenta que en determinadas operaciones (por ejemplo cambia r una sonda de nivel dentro de un depósito) pueden comportar el vaciado y posterior llenado (una vez cambiada) de líquidos de diferente naturaleza. En cuanto a preparar el material, deben tenerse en cuenta los aspectos siguientes:
O Que el material necesario esté disponible en cantidad suficiente. O Que el materia l sea apto para la sustitución. O La actualización del inventario. O La restitución del material en almacén. O El estudio sobre qué debe hacerse con el materi al retirado. En todas las empresas existen repuestos q ue se consideran est ratégicos, sin los cua les la empresa queda ría paralizada o podría tener unas pérdidas económicas o materia les consid erables.
Unidad dida(llc"
7
Reparación de averias en aulomalismos cableados y/ o programables
-------.1
Selección de herramientas y accesorios Las herramientas que hay que seleccionar deben ser las que se requieran para cada operación pero recuerda que, en la mayoría de los casos, los componentes de tipo eléctrico están sujetos mecánicamente a máquinas o soportes y, por lo tanto, es imprescindible que dispongas de las herramientas básicas para deshacer uniones roscadas: llaves fijas y llaves inglesas, destornilladores y alicates de diferentes tipos. No tener las herramientas disponibles cuando se lleva a cabo la operación de mantenimiento supone un coste adicional importante: además del incremento en el coste de la mano de obra, al incrementarse el tiempo, existe un coste asociado a la máquina o al equipo que está parado y, evidentemente, no produce. Olvid ar una herramienta o no tenerla a mano cuando se necesita es una pésima práctica profesional q ue revierte siempre en un deterioro del prestigiO personal del técnico. Según el tipo de tarea que deba realizarse se necesitarán accesorios que no formen parte ni del material ni de las herramientas ni instrumentos. Como ejemplo de accesorios para las reparaciones podemos tener a nuestra disposición: una escalera, un arnés para sujetarse a una fijación, un andamio, una manta para poner debajo del equipo que hay que reparar, un utensilio de plástico que recoja las posibles fugas de líquidos que se desprendan de una determinada maniobra o para evitar que alguna pieza que se caiga pueda perderse, etc.
Selección de instrumentos de medida Para el técnico de mantenimiento en automatismos los instrumentos eléctricos más comunes son los siguientes: el polímetro, el comprobador de continuidad, la pinza amperimétrica, el vatímetro, el medidor del sentido de giro de un motor, etc. Los instrumentos de medida nos permitirán comprobar que las magnitudes eléctricas asociadas al automatismo o a la máquina que se debe reparar coinciden con los valores esperados. En la fase de preparación de la reparación nos deben permitir, por un lado, verificar el estado eléctrico de los repuestos (aislamientos con respecto a carcasas, continuidad en bobinados, etc.) y, por otro, la comprobación de los valores eléctricos de la instalación para poder llevar a cabo la reparación. Por ejemplo, si la reparación es sin tensión, deberemos comprobar con el voltímetro que realmente no haya tensión. Para los automatismos programables será necesario trabajar con un ordenador portátil con el que se pueda recargar el programa de un autómata, monitorizar algún detalle relativo a sus entradas o salidas o a sus marcas internas, contadores, etc. Este ordenador debe tener instalado el programa que permita comunicar con el autómata y aquellos documentos que nos dejen realizar la consulta rápida de detalles asociados con la tarea que se esté haciendo, como las hojas de mantenimiento o de reparación.
Fig.7.1. Los automatismo programables requerirán la reprogramación del dispositivo.
El ordenador debe ser considerado como una herramienta cuando esté destinado a tareas de mantenimiento y reparación, y no debe contener otros programas que los estrictamente necesarios para estas labores. No seria comprensible que incorporara programas que no tuvieran relación directa con la actividad técnica. Además del instrumental eléctrico, en determinadas operaciones son necesarios instrumentos de medida o marcaje mecánicos: niveles, cintas de medida, medidores de ángulos, etc.
Unidad d,dactica 7. Reparación de averlas en automatismos cableados y/ o programables
Selección de la indumentaria La ropa, los guantes, el calzado, etc., que se utilizan durante las tareas de mantenimiento o de reparación van estrechamente asociados a cada tarea. Forman parte de la indumentaria los elementos siguientes:
o
Ropa
O Calzado de seguridad O Lentes de seguridad O Gafas para soldador O Protección auditiva O Tapón auditivo O Protección respiratoria O Cascos protectores
O O O O
Guantes Fajas Cinturones de seguridad Arneses Mandiles Chalecos de malla Conos de vialidad señalizadores
O Equipos para lluvia O Etc.
Los zapatos, por ejemplo, deben ser de puntera reforzada para protegerte los pies de objetos que caigan al suelo de forma involuntaria, y deben ser de suela aislante para impedir que puedas sufrir descargas eléctricas hacia tierra a través de tu cuerpo . Procura mantener el calzado en buen estado y no permitas que presente deterioros graves, ya que es un elemento de seguridad en el trabajo que depende directamente de ti.
Fig.7.3. Para revisar cualquier averia es necesario llevar el equipo de protección individual apropiado.
Unidad dldactlca 7 Reparatión de averias en automatismos cableados y/ o programables
Inspección previa a la reparación Antes de realizar la repa ración o la sust itución, es recomendable llevar a cabo una inspección previa sobre el terreno del estado de los elementos sobre los que deberemos trabajar para asegurarn os de que todo sucederá según se haya planificado. Es especia lment e aconsejable cuando se trat e d e operaciones que no se hayan hecho con ant erioridad, que estén mal documentadas o, incluso, que no lo est én. También es recomendable si el operario nunca ha hecho esta tarea ant es o bien si ha habido modificaciones en la instalación. Esta inspección tiene, pues, como obj etivo ahorrar imprevistos que puedan distorsionar la buena marcha de la rep aración y del tiempo y el coste asociado a ella. N at uralm ente, en el tiempo de planificación para la preparación de la tarea, debe tenerse en cuent a el tiempo que con lleva esta insp ección, en caso de que se realice.
Ejemplo 7.3 Imagínate la situación siguiente: Un operario de mantenimiento inicia su tumo de trabajo con una orden de reparación por parte del técnico del tumo anterior. Éste le proporciona el diagnóstico de la avería y la reparación que debe efectuarse. La reparación consiste en sustituir la bobina de un contactor de un determinado equipo. El técnico, a partir de esta información, lleva a cabo la planikación de la repa ración: mira si hay recambios, calcula el momento idóneo y el tiempo que necesita para realizar la reparación, repasa las herramientas, los instrumentos y la indumentaria para la repa ración, establece o consulta el procedimiento de reparación, etc. ¿Será conveniente que el técnico rea lice una inspección previa antes de la repa ración? So lución: Al ser una avería cuyo diagnóst ico no ha hecho este técnico, más que conveniente es imprescindible que realice una inspección que le perm ita revisa r y comprobar toda la información que le haya proporcionado el técnico del turno anterior. Además, inspeccionará sobre el terreno todo lo q ue deba desmontar o cambiar en la reparación con la intención de comprobar si será posible llevarla a la práctica tal como la tenía planificada. A continuación, te presentamos una situación (inventada) que puede suceder en la real idad. El técnico de mantenimiento, al realizar la inspección, descubre lo siguiente: o
En alguna operación de mantenimiento o actualización de la máqu ina, algún técnico, de forma poco profesional, ha añadido conductores en el interior del armario y, como consecuencia, el contactor queda escondido detrás. Esta situación no ha quedado bien documentada y, por lo tanto, no la podría prever sin la inspecci ón previa a la reparación.
o
Al apartar un poco los cables para ver mejor el contactor, el técnico, con la luz de su lintema, observa que por estos cables se ha deslizado algún líquido, ha mojado los tornillos que sirven para poder abrir el contactor y acceder a su bobina y los ha oxidado.
Como consecuencia de esta inspección previa a la reparación, el técnico ampliará el tiempo de reparación previsto y añadirá a su lista de accesorios un spray desoxidante para asegurarse que el destornillador actuará eficazmente para abrir el contactor y incluirá en la lista de repuestos dos tornillos nuevos para sustituir los oxidados. Finalmente, el técnico redactará un informe indicando el estado interior del armario y estudiará cómo puede corregirse el inconveniente que supone tener estos conductores que alguien añadió sobre la instalación original. No sólo dificultan el acceso a diferentes automatismos previamente existentes, sino que también facilitan la entrada de sustancias corrosivas en el interior del armario.
Actividades 9. 10.
Localiza en libros o en Intemet otras definiciones de lo que es un repuesto o un automatización industrial.
recambio, en
el ámbit o de la
Busca la definición de la palabra consumible y piensa en las diferencias y las similitudes que tiene con las palabras repuesto y recambio. Redacta un t exto de media página como máximo en el que relacio nes lo s t érm inos.
Unidad didáctica 7. Reparación de averías en automatismos cableados V/ o programables
Protocolos de mantenimiento y de reparación La manera más fácil de realizar las operaciones de mantenimiento y de reparación es disponer de un protocolo de reparación o de sustitución, según el caso . Este protocolo figurará en una hoja (en un fichero de ordenador y en su versión impresa) y recogerá tanto los materiales como las herramientas, los instrumentos y los accesorios necesarios para poder llevar a cabo la reparación de una forma y en un orden que permitan saber cuánto tiempo se tardará en hacer cada tarea. Esto ha de permitir, en consecuencia, tarifar la reparación y cuantificar el coste asociado. Los elementos que formarán el protocolo y que se deberán tener en cuenta en estas fichas o documentos son, al menos, los siguientes:
Fig. 7.4.
Bloque de contactos de un contactar.
O
Elemento que hay que sustituir o mantener
O
Material de repuesto
O O
Disponibil idad en almacén
O
Número de personas
O
Herramientas
O
Accesorios
O
Instrumentos
O
Indumentaria
O
Protecciones
O
Pruebas antes de la sustitución
O
Pruebas después de la sustitución
O O O
Inspección previa
Proveedor
Tiempo estimado de preparación Tiempo estimado de reparación
Evidentemente, diferentes elementos de una instalación pueden tener la misma ficha o una de parecida. Por otra parte, cuando se trata, por ejemplo, de sustituir el bloque de contactos de maniobra de un contactor de elevada corriente, siempre nos referimos a una operación similar para cualquier contactor, y se diferencia, básicamente, en la ubicación y la especificidad de cada entorno. La operación es la misma para todos los contactores en general. Es muy importante determinar el número de personas necesarias para una intervención concreta cuando se hace una hoja de planificación de reparación. Hay tareas que un solo técnico no puede realizar porque le faltan manos. Además, tampoco pueden enviarse más personas de las necesarias a causa del sobrecoste que ello implica. El equilibrio es la medida exacta, aunque no siempre es fácil de encontrar sin haber hecho físicamente antes las operaciones que se describen. Si es éste el caso, no dudes en pedir ayuda externa porque es una señal de la correcta medida de tu posibi lidad de esfuerzo y del límite de tus recursos técnicos y materiales.
Unidad didáctica 7. Reparación de averlas en automatismos cableados y/ o programables
Ejemplo 7.4 Hay que elaborar una ficha que contenga el protocolo de cambio del bloque de contactos (puedes ver la figura 7.4) de un determinado contactar de un equipo de lavado industria l. Solución: Equipo
lavadora - 3
Elemento
Contacto de maniobra del con/actor K73 tipo OIlMSOO de Klockner'Moeller
Material de repuesto
(ontactos de tipo HKDllM para JOO A
Stock
Sí
Número de person as
- 2 personas
Accesorios
- 2 escaleras de madera de 2 tramos - 2 arneses
Indumentaria
- Ropa de trabajo - (alzado antideslizante
Instru mentos
- 1 pollmetro - 1 pinza amperimétrica
Herramientas
-
Protecciones
- Hay que asegurarse de que la toma de tierra esté conectada antes de tocar nada. - Debe verificarse con el polimetro que entre la toma de tierra y el neutro no haya tensión.
Proveedor
Repuestos Industriales, S.A.
llave armario marca Himel tipo OlN llaves fijas 6-7, 8-9,14'15 Llave estrella 8·9 Des tornillador Philips de 4 mm Destornillador plano de 2 mm
Pruebas después del cambio
-
Dar tensión al equipo. Verificar que a los bornes de bobina llegan 230 V. Veri ficar que a la entrada hay 400 V entre fases. (onectar a mano empUjando manualmente el bloque de contactos con la punta del destornillador y verificar que a la salida hay 400 V entre fases. - Verificar que, por fase, hay unos J5 A. - Inspeccionar visualmente que no se observen chispas importantes a la desconexión de los contactos del contactor.
Tiempo estimado de preparación
JO minutos
Tiempo estimado de reparación
20 minutos
Observaciones
Se ha establecido que sean dos técnicos los que realicen esta reparación porque en un momento determinado es necesario empujar el bloque de contactos manualmente para asegurar que las tensiones a la salida del contactar son correctas; un solo operario no puede sujetar el polímetro, poner las puntas de prueba en los bornes pertinentes y empujar el bloque de contactos, todo a la vez.
Actividades 11. Intenta hacer una ficha para sustituir un relé en un automatismo que inventes, que esté situado en un armario de 1 m de alto situado a 50 cm del suelo.
12. Confecciona una lista con las herramientas que necesitarías para cambiar un autómata programable por otro igual.
U.
Haz una lista con las piezas de ropa e indumentaria que, a tu juicio, necesitarías para cambiar un motor de 10 kg de peso.
14. Intenta encontrar en libros o en Internet diferentes formas de asignar referencias a las piezas que forman el stock de un almacén .
Unidad d,d3c!ic3 7. Reparación de averías en automatismos cableados y/ o programables
Realización de las operaciones de sustitución de elementos o reparación En este apartado trataremos de los diferentes aspectos que intervienen en una operación de sustitución de elementos o de su reparación. Estos elementos serán de tipo personal, material y económicos, y de optimización.
Aspectos de tipo personal Es muy importante que tengas la capacidad de trabajar con otras personas en la misma tarea. En cambio, no supone ninguna mejora
en el resultado del trabajo el hecho de que tomes la iniciativa siempre en todo o
que no la tomes nunca.
Cuando se trata de sustituir una pieza, ya sea por cuestiones de mantenimiento o porque se efectúa una reparación, la actitud que tengas como persona encargada debe ser de absoluta responsabilidad. Esta responsabilidad se manifiesta asegurándose de que se está siguiendo el orden adecuado, respetando todas las normas de seguridad, etc. Como hemos comentado con anterioridad, es importante tener documentado en un cuaderno de hojas de reparación la secuencia de operaciones conveniente para hacer cada sustitución o tarea de rnantenirniento o reparación. El orden es fundamental, y seguirlo es la clave del trabajo bien hecho. Es posible que alguna operación de mantenimiento o reparación deba hacerla rnás de una persona. De hecho, en el plan de trabajo y en el docurnento que describe las operaciones que deben realizarse para una determinada tarea, debe indicarse si lo hace una persona solamente o si van a participar más de una.
Una herramienta que se trate correctamente y se la utilice únicamente para lo que fue concebida puede durar muchisimo tiempo. No es de extrañar que se mellen unos alicates de corte que se usan para cortar cable de acero o que se desafile la punta de un destornillador que se haya utilizado para rascar la suciedad de una superficie metálica, o que se desajusten unos alicates universales que se
han empleado para golpear un clavo.
Finalmente, debes considerar que, a veces, las cosas no salen como se espera y que hay elementos que no estaban previstos en las hojas de reparación, incluso puede que dichas hojas no existan. En este caso, cada operación se debe improvisar sobre la marcha. Pueden pasar todos los imprevistos que puedas imaginar. Frente a ellos, solamente podrás utilizar tu imaginación y la capacidad para resolver problemas. Tendrás que adaptarte a nuevas situaciones y tomar las decisiones operativas adecuadas para poder resolver el caso de forma rápida y satisfactoria.
Aspectos rela(ionados (on los materiales Es clave ensayar el repuesto antes de efectuar la operación de sustitución. Si se sustituye un elemento defectuoso por otro elemento defectuoso, no solamente no se ha resuelto el problema, sino que se ha perdido tiempo, dinero y, posiblemente, se vea muy deteriorado el prestigio profesional del técnico encargado de la tarea. Así mismo, es importante que las herramientas seleccionadas se encuentren en buen estado. No es admisible, por ejemplo, un destornillador plano con la punta mellada o uno de estrella que tenga redondeada la punta, unos alicates universales que no abran o cierren con facilidad, una mordaza que ha perdido el aislamiento ... Existen múltiples motivos por los que una herramienta se puede estropear; por lo tanto, cuando por su uso una herramienta se desgaste, debe ser sustituida de forma inmediata . Otro aspecto que debe cuidar el técnico es el de los instrumentos que se seleccionen para una tarea de reparación o de mantenimiento. Debe tener las baterías en buen estado, los cables de prueba con el aislamiento íntegro, la longitud adecuada y las puntas correctamente afiladas. Si se prevé que debe hacerse una medida en la que un solo operario no pueda sujetar las dos puntas de prueba y el instrumento, o que no lo pueda tener en un lugar accesible o suficientemente visible, tendrá que considerar la conveniencia de pedir a algún compañero que le ayude en estas mediciones.
UnIdad dldaolCJ 7 Reparación de averías en aulomalismos cableados y/ o programables
Los instrumentos que se seleccionen deben ser los adecuados para las magnitudes que se tienen que medir. Por ejemplo, si se miden miliamperios, posiblemente, no sea razonable utilizar una pinza amperimétrica, ya que, generalmente, están diseñadas para medir corrientes más elevadas. Cuando se efectúa la tarea de reparación o mantenimiento, deben retirarse junto con la pieza sustituida aquellos elementos que, opcionalmente, no deban estar en el armario del automatismo. Además, a la vez que se realiza la sustitución, debe aprovecharse para hacer una limpieza básica y una inspección superficial de todos los elementos que forman el sistema. Esto permitirá que se pueda reflejar en la hoja de mantenimiento y/o en la de reparación no solamente el resultado de la reparación, sino también el estado de los diferentes elementos que componen el sistema. De este modo, quedará constancia de ello y pasará a formar parte de la infonmación relacionada con este elemento o con el sistema en su conjunto; esta infonmación será importante para la actualización del plan de mantenimiento preventivo del sistema.
1
Aspectos económicos y de optimización
Una correcta preparación de los materiales, herramientas, accesorios e instrumentos favorece que la operación de reparación se realice con mayores garantías de seguridad, fiabilidad y calidad laboral, que deben acompañar las labores de un técnico profesional, exigente y responsable.
IL
TIempo limpIeza c_ on_ta_ct_os_---'_operaciones R_es_to_d_e--l
Tiempo máquina parada Con una persona
Mano de obra
Pérdida de producción
(loperi3f10)
Coste de la reparación
El beneficio de la empresa está en el coste del tiempo en el que el sistema detenido no produce beneficios a la empresa, sumado al coste de operarios que no efectúan trabajo alguno mientras la máquina o sistema en el que trabajan se encuentra parado. Esto es muy importante a la hora de asignar una o varias personas a las tareas de reparación. Así pues, en el ejemplo 7.4 podrían participar dos personas si el tiempo de limpieza de los contactos fuera muy largo, ya que se justifica el coste de tener dos operarios porque el tiempo resultante experimenta una mejora que compensa este coste. Quizás este ejemplo, que se representa en la figura 7.5, no sea muy real pero es lo suficientemente sencillo como para ayudarte a comprender esta idea.
Fig. 7.5.
Comparación del cosle y del liempo asociado a una tarea de reparación o mantenimiento electuada por una persona o por dos personas.
Desde el punto de vista económico es de gran interés seguir el procedimiento de reparación que en cada caso sea necesario, ya que es el que tiene un tiempo asignado y, por lo tanto, un coste cuantificable con anterioridad al trabajo. En caso contrario es muy difícil hacer un presupuesto y señalar la conveniencia de que una tarea la realice un detenminado número de técnicos. Una reparación debe ser, en cualquier caso, una operación rentable a partir de la cual el equipo queda en una situación de operatividad satisfactoria. Si no es así, debe estudiarse la sustitución del equipo averiado. Hay averías que salen más caras de reparar que si se compra otro equipo, con la ventaja de que tecnológicamente es más nuevo y que, por lo tanto, su durabilidad va a ser mayor sin prácticamente mantenimiento, con una probabilidad de avería prácticamente nula y con una expectativa de vida muy favorable, a la vez que, posiblemente, incorpore funciones que el equipo anterior no tenía.
Unidad dldactlcd 7 Reparación de averías en automatismos cableados y/ o programables
Ejemplo 7.5 Imagínate la sí tuación siguiente: Se debe cambiar la bobina de un contactor porque se ha quemado. ¿Qué orden se seguirá para hacer la operación de sustitución? Esta sustitución debe realizarse con el automatismo alimentado.
Solución: Estableceremos a continuación una posible solución a este supuesto. Aspectos previos: Con el repuesto, las herramientas, los accesorios y los instrumentos preparados se debe acceder al sitio donde físicamente se encuentre el contactor. Si está indicado hacer el cambio de bobina sin desconectar la tensión del automatismo es porque se puede realizar esta operación abriendo el contactor sin desmontarlo del carri l o de la chapa a la que esté sujeto. Si se tuviera que desmontar el contactor, deberia ser, en todo caso y por simples cuestiones de seguridad, una operación sin tensión. Puesto que la sustitución debe realizarse con el automatismo alimentado, es importante que se haya previsto ponerse calzado con suela aislante para asegurar que cualquier contacto fortuito con un elemento que lleve tensión pueda provocar el paso de corriente a través del cuerpo hasta tierra. Recuerda que la corriente con la que actúan los interruptores diferenciales industriales es de 300 mA. Por debajo de esta corriente (más que suficiente para matar una persona si atraviesa su cuerpo), los interruptores diferenciales no actúan como protección abriendo el circuito que contiene la fuga de corriente. Secuencia de actuación:
Así protegido y con todo preparado (en el taller ya se habrá ensayado el repuesto y hacer las medidas funcionales y eléctricas básicas de impedancia, inductancia, continuidad, etc., para garantizar que funciona correctamente), la secuencia de operaciones que hay que realizar es la siguiente: 1. Si está dentro de un armario metálico, se debe comprobar con el voltímetro que no hay tensión entre la parte metálica (hay que prestar atención en no tocar partes pintadas, ya que generalmente son un aislante) y cualquiera de las fases de la tensión de alimentación. Hay que comprobar posteriormente que tampoco existe en la chapa interior del armario que sustenta el automatismo (y el contactor). 2. Si está en un armario de plástico, hay que comprobar con el voltímetro que no hay tensión entre la chapa interior del armario que sustenta el automatismo (y el contactor). 3. Prestando atención en que el destornillador no toque ningún elemento conductor o provoque un cortocircuito, debe desmontarse la tapa del contactar para dejar a la vista la bobina. 4. Hay que retirar, en su caso, el bloque de contactos con unos alicates de punta, poniendo especial cuidado en sujetar dicho bloque de contactos por la carcasa de material aislante que les une. 5. Se deben aflojar los bornes A 1 Y A2 de la bobina y extraer los cables de conexión al circuito para liberar la bobina. 6. Es necesario extraer con unos alicates de punta la bobina del interior del contactor intentando no tocar ningún elemento conductor, ni la herramienta, ni la bobina al salir. 7. Antes de introducir la nueva bobina, es importante limpiar los contactos de potencia en el extremo donde entran en contacto con los de la parte móvil. Esta limpieza puede efectuarse con bastoncillos que lleven algodón en sus extremos y que se hayan impregnado en algún tipo de limpiador especifico o universal que no sea conductor y que también teníamos preparado. Los contactos de la parte móvil se limpian con un paño. 8. Hay que asegurarse de que el interior del contactor esté limpio y que no tenga objetos móviles sueltos, paredes rotas o resquebrajadas o requemadas ... Se tratará de aprovechar que el contactor está desmontado para hacer una valoración de su estado de conservación general y de si, a criterio del técnico, puede dejarse hasta la siguiente revisión o bien si es interesante pensar en cambiarlo. Estas observaciones se reflejarán en la hoja de reparación con el encargo de que se traslade el dictamen a las hojas de mantenimiento. 9. Debe introducirse la nueva bobina en el contactor con los mismos alicates de punta y asegurarse de que alcanza su posición definitiva y correcta. 10. Hay que volver a conectar los cables de los conductores de bobina a los bornes del contactor. 11. Debe introducirse el bloque de contactos móviles. 12. Es necesario cerrar el contactor. 13. Debe cerrarse el armario. 14. Hay que intentar verificar el correcto funcionamiento del contactor (con el equipo en tensión, posiblemente esté en marcha) si la fase de operación del equipo lo permite. 15. Si no se puede verificar la operación justo en este momento, pasará posteriormente por la instalación para preguntar al operario si las operaciones esperadas se han efectuado correcta y oportunamente. Si es posible, deberá procurarse estar presente en el momento en que la operación se efectúe para poder valorar, de primera mano, el correcto funcionamiento del repuesto dentro del conjunto del automatismo.
Unidad dlddctlCd 7. Reparación de averías en automatísmos cableados y/ o programables
A(tividades 15. Intenta hacer una descripción ordenada de las operaciones q ue, a tu criterio, deberían realizarse para sustitui r un fusible de 65 A. Busca en Internet cómo es un fusible de este tipo y deduce qué herramientas necesitarás para efectuar este cambio.
16. Es posible que a ti te corresponda recoger en envases selectivos las pilas y las baterías q ue se deban desechar. Busca información sobre qué debes hacer con ellas en el caso concreto de tu población y si tu ayuntamiento tiene un seNicio de recogida para las empresas o un centro especial al que dirig irse.
17. ¿Cuál es el ensayo previo que harías con un motor de inducción de repu esto que debes sustituir? ¿Qué parámetros mirarías? ¿Qué instrumentos utilizarías?
Verificación del funcionamiento del automatismo Una vez la avería ha sido repa rada, será necesario verificar si el funcionamiento de la máquina es el óptimo. Esto requerirá una serie de pruebas y comprobaciones antes de ponerla de nuevo en funcionamiento.
Pruebas paramétricas y pruebas funcionales
Ejemplo 7.6
A la hora de verificar el funcionamiento de un automatismo, existen dos tipos de Usamos un polimetro de ciase 1 para med ir la tensión de red, con el conmutador situado en la posición de lectura de tensión alterna de, como mucho , 600 V. ¿Cu ál es la lectura que debem os da r por buena si la ten sión rea l es de 230 V? Solución: Un polímetro de clase 1 con fondo de escala de 600 V puede cometer un error máximo de 6 V (el 1% de 600); por lo tanto, será admisible cualquier valor que se separe 6 V de 230 V.
pruebas:
paramétricas y funcionales.
O
Las pruebas paramétricas hacen referencia a las medidas que se deben hacer en el automatismo para verificar que se ajusta a los valores especificados. Estas medidas deben realizarse con unos instrumentos adecuados, precisos, fia bles y modernos, que son los que deben estar a d isposición del técnico de manten imiento.
O
Las pruebas funcionales hacen referencia a aquellas verificaciones que se reali zan para determinar si el automatismo cumple con su función, es decir, si las funciones que real iza cumplen con las especificaciones que se habían dado sobre el equipo que hay que controlar.
Tareas de verificación Es aconsejab le, antes de hacer cual qu ier p rueba de verificación, comprobar que tod as las conexiones del sistema están tota lmente apretadas. Es especialmente importante verificar que la toma de tierra esté instalada y que sea operativa, ya que de ello depende tanto la seguridad de las personas como la de los bienes. Seguidamente se determinará si las protecciones (fusibles, magnetotérmicos y d iferenciales) son de los calib res ind icados por el fabrica nte del equipo o, al menos, si están ajustados a aquello que especifique la hoja de característi cas del equipo o la hoja de reparación o mantenimiento. También se verificará la regulación de los relés ténrnicos, si los hubiere. Vistos estos pasos previos, se puede entrar a verificar si el resultado d e la reparación o de la operación de mantenimiento ha sid o exitosa. Ten en cuenta que en este apartado no trataremos de las pruebas que deben hacerse al recibir un automatismo nuevo y ver si cumple con las especifi caciones dadas por el fabricante, sino que se trata de fijarse en los pasos q ue es conveniente seguir para determinar si la operación de sustitución de una pieza por un recambio ha sido correcta .
Unidad didactica 7. Reparación de averías en automatísmos cableados y/ o programables
Cada automatismo y cada elemento que se haya sustituido a causa de una reparación o de una operación de mantenimiento deben tener un protocolo de verificación posterior a esta tarea. No obstante, en este apartado, no es posible tipificar uno por uno cada elemento porque incluso tratándose del mismo elemento, si está en equipos distintos, puede tener un trato diferente. En cualquier caso deberás revisar que la sujeción sea adecuada, que los terminales de los conductores estén fuertemente sujetos a los bornes, que el elernento sustituido opere correctamente, sirnu lando que entra en servicio (si ello es posible), que cuando este elemento deba actuar dentro de la secuencia de operaciones lo haga correctamente, que el aspecto general de la operación sea correcto, etc. Es importante detallar en la hoja de informe correspondiente las operaciones realizadas, así como señalar con alguna marca que las operaciones indicadas en la hoja de reparación se han realizado y el resu ltado que se ha obtenido. Síempre debe haber un apartado de observaciones en las que el técnico pueda reflejar aquellos aspectos que no tengan un lugar concreto en la hoja y que, a su criterio, deban quedar reflejados en ella. Llevarán la fecha, el nombre y la firma del técnico en la casilla que corresponda. Como ejemplo, se consideran algunas operaciones típicas de inspección y mantenimiento de una instalación eléctrica; tanto para el cuadro eléctrico general como para los cuadros secundarios y los equipos, puede regir el siguiente criterio orientativo: Acción
Frecuencia
Contrastado y ajuste de los aparatos de medida e Indicadores
Diaria (D)
Verificación de las protecciones, fusibles y pilotos
Semanal (1)
Verificación de la puesta a tierra de las instalaciones, aparatos y máquinas
Mensual (M)
Medida de la puesta a tierra
M
Medida del aislamiento
M
+
Reapretado de conexiones y bornes principales
S
Consumo de fases de los cuadros principales y secundarios
S
limpieza general
-<
Anual (A) t-
Al umbrado de emergencra
M
Revisión de luminarias
D
Nivel de ruido de extractores
D
Anclaje, alineación y cOlinetes en motores Es tanqueidad de los cuadros eléctricos comprObaCión de potencia.s, by·pass e interruptores de sistemas de alimen tación ininterrumpida (SAl)
fControl de sobrecalentamien to de SAl
1
D
Actividades 18. Busca en Internet fabricantes de polímetros y compara características entre modelos similares. 19. Busca en tu población un comercio que venda polímetros. Consulta el precio de diferentes modelos que consideres que puedan ser de utilidad a un técnico de mantenimiento.
20.
Busca en Intemet fabricantes de medidores de humedad y de pH y compara características entre modelos similares.
21.
Busca en Internet explicaciones sobre tacómetros e indica la diferencia que hay entre los que dan una medida analógica y los que dan una medida digital.
Unodad didáctICa 7 Reparación de averias en automatismos cableados
V/o programables --~----l
____ A_u _to_e_v_a_lu_a_(_io_'n____~rr------------------1. La medida de corriente se hace:
7. Un repuesto es singular cuando:
a) En paralelo con el circuito por el que circule esta corriente.
a) Solamente se tiene uno.
b) Solamente se sustituye una vez.
b) Desconectando y separando del circuito el elemento que se desea medir. c) En serie con el circuito por el que circule dicha corriente.
c) Lo usa un único equipo.
8.
Un repuesto es común cuando: a) Es frecuente usarlo.
2. Se considera que un polímetro es de clase 1 cuando: a) Puede medir hasta 1 kV.
b) Se sustituye varias veces.
b) Tiene un error máximo del 1%.
c) Lo usa más de un equipo.
c) Tiene mucha categoría.
3. La exactitud es: a) La desviación máxima de la salida en relación a un patrón.
4.
9.
Las normas europeas (EN) son: e) Medios para ayudar a los fabricantes a cumplir con las directivas de seguridad.
b) La capacidad para discernir entre dos valores muy iguales de la magnitud de entrada.
b) Son insuficientes para satisfacer los requisitos de las d irectivas de seguridad.
e) La proximidad al valor real de la medida.
e) Son obligatorias aunque no ofrecen detalles sobre soluciones recomendadas que siguen las directivas.
Si se tiene una línea con cargas que presenten componentes armónicos: a) Es interesante disponer protecciones contra armónicos.
b) Este tipo de cargas no existe. e) Estas cargas no son un p roblema que deba considerarse.
S. Un repuesto es recuperable cuando:
10. Las normas europeas (EN): a) Son una forma de añadir costes a los equipos que se fabrican en otros países.
b) Son una guía práctica para satisfacer los requisitos de las directivas de seguridad. e) Son de seguimiento voluntario.
a) Es fácil encontrarlo en el equipo al que pertenece.
b) Procede de una pieza reparada.
6.
11. Las normas europeas (EN) son:
e) Después de haberlo perdido, se vuelve a encontrar.
a) Algo que obliga a los fabricantes y compradores de maquinaria.
Un repuesto es desechable cuando:
b) Algo q ue en sí mismo es insuficiente y se necesitan agencias normal izadoras.
a) No es rentable repararlo.
b) Está estropeado. e) Está muy sucio.
a) No son obligatorias pero ofrecen detalles sobre soluciones recomendadas que siguen las direet ivas.
