Automatizacion Neumatica

Ingenierías

 Automatización Neumática  Juan Camilo Vásquez Cortés  Juan Pablo Pablo Cardona Guio  John Jairo Leal Gómez

de la         s         e         n         o            i         c            i            d         e

Ingeniería eléctrica y electrónica

 Automatización  Automatización Neumática  Juan Camilo Vásquez Cortés  Juan Pablo Pablo Cardona Guio  John Jairo Leal Gómez

B����� - M�����, DF

Vásquez Cortés, Juan Camilo, et al  Automatización neumática / Juan Camilo Vásquez Cortes, Juan Pablo Cardona Guio y John Jairo Leal Gómez. -- Bogotá: Ediciones de la U, 1a.ed. 2015 p. ; 220 cm. ISBN 978-958-762-491-5 e-ISBN 978-958-762-486-1 1. Componentes neumáticos 2. Circuitos neumáticos 3. Métodos de diseño de circuitos, Neumáticos intuitivos, Lógica booleana, cascada y paso a paso I. Tít. 621.39 cd 24 ed.

Área: Ingeniería eléctrica y electrónica Primera edición: Bogotá, Colombia, febrero de 2015 ISBN 978-958-762-491-5 © Juan Camilo Vásquez Cortés, Juan Pablo Cardona Guio y John Jairo Leal Gómez (Foros de discusión, blog del libro y materiales complementarios del autor en www.edicionesdelau.com) © Ediciones de la U - Transversal 42 #4 B-83 - Tel. (+57-1) 4065861 - 4942601 www.edicionesdelau.com - E-mail: [email protected] Bogotá, Colombia

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Contenido Introducción .......................................................................................................................... 15

Capítulo 1. Fundamentos de automatización ................................................ 19 1.1 Proceso industrial ......................................................................................................... 19 1.1.1 Procesos continuos ........................................................................................... 20 1.1.2 Procesos discretos ............................................................................................. 20 1.2 Automatismo o sistema de control........................................................................ 20 1.2.1 Sistema de Control en Lazo Abierto ........................................................... 21 1.2.2 Sistema de control en lazo cerrado............................................................. 21 1.3 Automatización industrial ......................................................................................... 23 1.4 automatización neumática ....................................................................................... 25 1.5 Preguntas y problemas ............................................................................................. 27

Capítulo 2. Fundamentos de mecánica de fluidos ........................................ 29 2.1. Sistemas de unidades ................................................................................................ 30 2.1.1 Sistema Absoluto .............................................................................................. 30 2.1.2 Sistema Gravitacional ..................................................................................... 30 2.2 Sistema Internacional de Unidades ...................................................................... 31 2.2.1 Unidades básicas y derivadas del Sistema Internacional ....................31 2.2.2 Cambio de unidades ...................................................................................... 33 2.3 Fluidos .............................................................................................................................. 35 2.3.1 Densidad absoluta ............................................................................................ 35 2.3.2 Volumen específico .......................................................................................... 36 2.3.3 Peso específico ................................................................................................... 36 2.3.4 Densidad relativa .............................................................................................. 37 2.3.5 Viscosidad .............................................................................................................39 2.3.5.1. Viscosidad dinámica .......................................................................... 39 2.3.5.2. Viscosidad cinemática....................................................................... 42 2.3.6 Presión hidrostática......................................................................................... 45 2.3.7 Presión atmósferica .......................................................................................... 48

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL 2.3.7.1 Atmósfera y aire atmosférico ......................................................... 48 2.3.7.2 Medición de la presión ..................................................................... 50 2.3.7.3 Modelo matemático para el cálculo de la presión atmosférica a cualquier altura sobre el nivel del mar ........... 54 2.4 Medición de la presión .............................................................................................. 57 2.4.1 Manómetro Bourdon ....................................................................................... 57 2.4.2 Piezómetro .......................................................................................................... 57 2.4.3 Manómetro diferencial en U ......................................................................... 58 2.5 Leyes físicas que rigen el comportamiento del aire comprimido ............. 62 2.5.1 Ley de Boyle-Mariotte .................................................................................... 62 2.5.2 Ley de Charles ................................................................................................... 63 2.5.3 Ley de Gay Lussac ............................................................................................ 64 2.5.4 Ecuación de los gases ideales ...................................................................... 66 2.6 Aire y humedad............................................................................................................ 75 2.6.1 Humedad absoluta ........................................................................................... 75 2.6.2 Humedad de saturación ................................................................................. 75 2.6.3 Humedad relativa .............................................................................................. 76 2.7 Problemas propuestos ............................................................................................... 78

Capítulo 3. Elementos de neumática industrial.............................................. 85 3.1 Estructura de un sistema de producción, distribución y utilización de aire comprimido ...................................................................................................... 86 3.1.1 Producción de aire y red de distribución ................................................. 86 3.1.1.1 El compresor de aire ........................................................................... 86 3.1.1.2 Depósito de aire a presión ................................................................ 88 3.1.1.3 Redes y líneas de aire comprimido................................................ 89 Impurezas del aire comprimido ..................................................... 90 Agua ......................................................................................................... 91 Aceite ....................................................................................................... 91 Herrumbre y partículas sólidas ....................................................... 91 Daños producidos por el agua ........................................................ 92 Daños producidos por el aceite...................................................... 92 Daños producidos por la herrumbre y otras partículas sólidas ...................................................................................................... 93 3.2 Tratamiento del aire comprimido .......................................................................... 93 3.2.1 Filtración .............................................................................................................. 95 3.2.2 Secadores ............................................................................................................. 96 3.2.3 Reguladores de presión ................................................................................... 97 3.2.4 Lubricador ............................................................................................................ 98 3.2.4.1 Manómetro o medidor de presión ................................................ 99 3.2.4.2 Indicador de presión lumínico ...................................................... 100

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CONTENIDO 3.3 El sistema neumático ................................................................................................ 101 3.3.1 Cilindros neumáticos .................................................................................... 101 3.3.1.1 Cilindro de simple efecto................................................................ 101 3.3.1.2 Cilindro de doble efecto ..................................................................102 3.3.2 Distribuidores o válvulas ...............................................................................103 3.3.2.1 Distribuidor de tres vías dos posiciones ....................................103 3.3.2.2 Distribuidor de cinco vías dos posiciones ................................104 3.3.2.3 Accionamientos de los distribuidores ........................................105 Fin de carrera normal ...................................................................... 106 Fin de carrera abatible .................................................................... 107 3.3.3 Válvulas auxiliares ............................................................................................108 3.3.3.1 Control de velocidad del vástago de los cilindros.................. 108 3.3.3.2 Control unidireccional de flujo de aire ....................................... 108 3.3.3.3 Control regulado unidireccional de flujo de aire .................... 109 3.3.3.4 Distribuidor de aire ............................................................................ 110 3.3.3.5 Manguera para aire ............................................................................110 3.3.3.6 Elemento silenciador ........................................................................ 110 3.3.4 Válvulas para control lógico ..........................................................................111 3.3.4.1 Válvula selectora ............................................................................... 111 3.3.4.2 Válvula simultaneidad ..................................................................... 112 3.3.5 Función temporización .................................................................................. 112 3.4 Preguntas y problemas ............................................................................................ 114

Capítulo 4. Circuitos neumáticos básicos ..................................................... 117 4.1 Símbolos neumáticos ............................................................................................... 121 4.2 Diagramas de circuitos neumáticos .................................................................... 125 4.2.1 Identificación de cilindros y distribuidores ............................................ 125 4.2.2 Dibujo de los sistemas neumáticos .......................................................... 126 4.2.3 Diagramas de funcionamiento ................................................................... 127 4.2.3.1 Diagrama espacio-fase (DEF) ......................................................... 128 4.2.3.2 Diagrama espacio-tiempo (DET) .................................................. 129 4.2.3.3 Diagramas de señales mando (DSM) .......................................... 130 4.3 Ciclos de trabajo ......................................................................................................... 132 4.3.1 Ciclo manual ...................................................................................................... 132 4.3.2 Ciclo semiautomático.................................................................................... 132 4.3.3 Ciclo automático o continuo ...................................................................... 132 4.4 Circuitos neumáticos básicos ................................................................................. 133 4.4.1 Control básico de cilindros en ciclo manual .......................................... 133 4.4.1.1 Control directo de cilindros.............................................................133 4.4.1.2 Control indirecto de cilindros ........................................................ 134 4.4.1.3 Regulación de velocidad ................................................................. 135

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL 4.4.1.4 Mando simultáneo ............................................................................ 135 4.4.1.5 Mando desde diferentes puntos .................................................. 136 4.4.1.6 Mando temporizado ......................................................................... 137 4.4.2 Control básico de cilindros en ciclo semiautomático ......................... 138 4.4.2.1 Control con fin de carrera ............................................................... 138 4.4.2.2 Control con temporizador .............................................................. 138 4.4.3 Control básico de cilindros en ciclo automático .................................. 139 4.4.4 Control básico secuencial de dos cilindros............................................ 140 4.4.4.1 Control con fin de carrera ............................................................... 140 4.4.4.2 Control con fin de carrera abatible.............................................. 141 4.5 Preguntas y problemas ............................................................................................ 144

Capítulo 5. Circuitos neumáticos diseño con funciones lógicas .............. 147 5.1 Funciones lógicas elementales.............................................................................. 147 5.1.1 Función identidad ........................................................................................... 147 5.1.2 Función Not ....................................................................................................... 148 5.1.3 Función And....................................................................................................... 148 5.1.4 Función Or ......................................................................................................... 148 5.1.5 Función Nand .................................................................................................... 149 5.1.6 Función Nor ....................................................................................................... 149 5.2 Álgebra booleana aplicada a la neumática ....................................................... 150 5.2.1 Lógica neumática............................................................................................. 150 5.2.2 Otras funciones neumáticas importantes .............................................. 151 5.3 Obtención de la función lógica ............................................................................. 151 5.3.1 Función lógica directa ................................................................................... 151 5.3.2 Tabla de verdad y función lógica................................................................ 152 5.4 Forma mínima de la función lógica ..................................................................... 153 5.4.1 Teoremas de Boole ........................................................................................... 153 5.4.2 Leyes de DeMorgan ......................................................................................... 153 5.4.3 Mapas de Karnaugh ........................................................................................155 5.5 Proceso de diseño con funciones lógicas .......................................................... 157 5.6. Funciones lógicas y temporización..................................................................... 163 5.7 Preguntas y problemas ............................................................................................ 165

Capítulo 6. Circuitos neumáticos diseño por método cascada................. 169 6.1 Diseño de circuitos neumáticos por el método cascada ............................. 170 6.2 Metodología de selección de grupos de presión ........................................... 170 6.3 Tipos de celda cascada ............................................................................................. 174 6.3.1 Celda o conexión para dos grupos de presión ...................................... 175 6.3.2 Celda o conexión para tres grupos de presión ..................................... 175

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CONTENIDO 6.3.3 Celda o conexión para cuatro grupos de presión ................................ 176 6.4 Conexión de sensores de vástago y celdas alimentadoras de grupo ..... 177 6.4.1 Conexión en secuencia de dos grupos .................................................... 177 6.4.2 Conexión en secuencia de tres grupos ................................................... 182 6.5 Preguntas y problemas ............................................................................................ 192

Capítulo 7. Circuitos neumáticos diseño por Método paso a paso.......... 195 7.1 Diseño de circuitos neumáticos por el método paso a paso...................... 196 7.2 Metodología de selección de grupos de presión ........................................... 196 7.3 Tipos de celda “paso a paso”................................................................................... 201 7.3.1 Celda de conexión para tres grupos de presión .................................. 202 7.3.2 Celda de conexión para cuatro grupos de presión ............................. 202 7.4 Conexión de sensores de vástago y celdas alimentadoras de grupo ..... 203 7.4.1 Conexión en secuencia de tres grupos .................................................... 203 7.4.2 Conexión en secuencia de cuatro grupos .............................................. 213 7.5 Preguntas y problemas ............................................................................................ 218 Apéndices ............................................................................................................................ 221 Referencias bibliográficas............................................................................................... 223

Índice de tablas Tabla 1. Unidades básicas y derivadas para el sistema internacional e inglés ..............31 Tabla 2. Magnitudes y unidades del sistema Internacional .................................................32 Tabla 3. Magnitudes y unidades derivadas más utilizadas ..................................................32 en el Sistema Internacional e Inglés.............................................................................32 Tabla 4. Factores de conversión entre los Sistemas Internacionales e Inglés ................34 Tabla 5. Densidades relativas de distintos fluidos a distintas temperaturas..................38 Tabla 6. Propiedades aproximadas de algunos líquidos comunes a presión atmosférica ...........................................................................................................................42 Tabla 7. Propiedades de algunos gases ideales. .......................................................................67 Tabla 8. Humedades de saturación del aire atmosférico para diferentes temperaturas. ....................................................................................................................... 76

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL

Índice de figuras Figura 1.1. Proceso industrial ......................20 Figura 1.2. Sistema de control en lazo abierto .............................................................21 Figura 1.3. Sistema de control en lazo cerrado ............................................................22 Figura 1.4. Estructura general de un automatismo en lazo abierto ......................24 Figura 1.5. Estructura general de un automatismo en lazo cerrado .....................24 Figura 2.1. Deformación de un fluido Newtoniano bajo la acción de una fuerza.40 Figura 2.2. Problema ilustrativo..................44 Figura 2.3. Fuerzas soportadas por un elemento cilíndrico diferencial de fluido ..45 Figura 2.4 . Problema ilustrativo.................47 Figura 2.5. Problema ilustrativo..................48 Figura 2.6. Esquema del experimento de Evangelista Torricelli para medir la presión atmosférica a nivel del mar. ..........49 Figura 2.7. Unidades y escalas para la medición de la presión. ................................51 Figura 2.8. Problema ilustrativo..................52 Figura 2.9. Problema ilustrativo..................53 Figura 2.10. Problema ilustrativo. ..............53 Figura 2.11. Piezómetro ...............................58 Figura 2.12. Manómetro diferencial en U .59 Figura 2.13. Problema ilustrativo. ..............59 Figura 2.14. Problema ilustrativo. ..............60 Figura 2.15. Problema ilustrativo. ..............61 Figura 2.16. Problema ilustrativo. ..............62 Figura 2.17. Volumen de gas a temperatura ...............................................................64 Figura 2.18. Presión vs volumen .................64 Figura 2.19. Volumen de gas a temperatura....................................................65 Figura 2.20. Presión vs volumen .................65 Figura 2.21. Problema propuesto 11 .........79 Figura 2.22. Problema propuesto 12 .........80 Figura 2.23. Problema propuesto 13 .........80 Figura 2.24. Problema propuesto 14 .........81 Figura 2.25. Problema propuesto 14 ........81 Figura 2.26. Problema Propuesto 25..........83 Figura 3.1. Compresor eléctrico ..................87 Figura 3.2. Motor neumático. ......................88 Figura 3.3. Tipos de tanques para aire.......89

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Figura 3.4. Depósito de acumulación de aire ..............................................................89 Figura 3.5. Unidad real para tratamiento del aire a presión ...........................................94 Figura 3.6. Unidad de tratamiento de aire ..............................................................95 Figura 3.7. Unidad de mantenimiento de aire FRL.......................................................95 Figura 3.8. Unidad de filtro ..........................96 Figura 3.9. Filtro de aire................................96 Figura 3.10. Unidad secador .................97 Figura 3.11. Regulador de presión .............98 Figura 3.12. Regulador de presión .............98 Figura 3.13. Lubricador ................................99 Figura 3.14. Manómetro ............................ 100 Figura 3.15. Indicador óptico neumático100 Figura 3.16. Cilindros neumáticos ........... 102 Figura 3.17. Cilindro de doble efecto...... 103 Figura 3.18. Válvulas con accionamiento neumático ...................................... 104 Figura 3.19. Símbolo neumático válvula 3/2.................................................................. 104 Figura 3.20. Válvula de 5/2 ........................ 105 Figura 3.21. Símbolo neumático válvula 5/2.................................................................. 105 Figura 3.22. Tipos de accionamientos para válvulas 3/2 o 5/2............................... 106 Figura 3.23. Válvula de 3 vías de accionamiento mecánico/manual .................... 106 Figura 3.24. Fin de carrera normal........... 107 Figura 3.25. Fin de carrera abatible ......... 107 Figura 3.26. Regulador de escape con silenciador ................................................... 108 Figura 3.27. Válvula antirretorno con conexión instantánea/rosca ......................... 109 Figura 3.28. Válvula reguladora de caudal ........................................................... 109 Figura 3.29. Distribuidor de aire .............. 110 Figura 3.30 Manguera para aire ............... 110 Figura 3.31. Silenciador estándar ............ 111 Figura 3.32. Selector de circuito .............. 111 Figura 3.33. Válvula simultaneidad ......... 112 Figura 3.34. Funcionamiento de un temporizador neumático .......................... 113 Figura 3.35. Símbolo neumático del

CONTENIDO temporizador .............................................. 113 Figura 4.1a. Símbolos de los elementos de neumática ............................................... 121 Figura 4.1b. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 122 Figura 4.1C. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 122 Figura 4.1d. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 123 Figura 4.1e. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 123 Figura 4.1f. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 124 Figura 4.1g. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 124 Figura 4.2. Circuito neumático sencillo .. 125 Figura 4.3. Elementos de los sistemas neumáticos .................................................. 126 Figura 4.4. Niveles de jerarquía de un circuito neumático ..................................... 127 Figura 4.5. Diagrama Espacio-Fase (DEF)128 Figura 4.6. Diagrama Espacio-Tiempo (DET) ............................................................. 130 Figura 4.7. Circuito neumático con elementos de mando ................................. 131 Figura 4.8. Diagrama de señales de mando (DSM) .............................................. 131 Figura 4.9. Control directo de cilindros .. 133 Figura 4.10. Circuito neumático con accionamiento por pilotaje de aire ......... 134 Figura 4.11. Mando simultáneo ............... 135 Figura 4.12. Mando desde diferentes puntos........................................................... 136 Figura 4.13. Mando temporizado ............ 137 Figura 4.14. Control con fin de carrera ... 138 Figura 4.15. Control con temporizador .. 139 Figura 4.16. Circuito neumático para ciclo automático ......................................... 140 Figura 4.17. Circuito neumático.............. 141 Figura 4.18. Diagrama espacio-fase (DEF) .............................................................. 141 Figura 4.19. Control con fin de carrera abatible ........................................................ 142 Figura 4.20. Diagrama de Señales de Mando (DSM) ............................................... 143 Figura 4.21a. Problema propuesto 30 .... 143 Figura 4.21b. Problema propuesto 30 .... 148 Figura 4.21c. Problema propuesto 30 .... 148 Figura 4.22. Problema propuesto 31 ...... 148 Figura 4.23. Problema propuesto 30 ...... 149 Figura 5.1. Función identidad ................. 148

Figura 5.2. Función Not ............................. 148 Figura 5.3. Función And............................. 148 Figura 5.4. Función Or ................................ 149 Figura 5.5. Función Nand .......................... 149 Figura 5.6. Función Nor ............................. 149 Figura 5.7. Representación funciones básicas .......................................................... 150 Figura 5.8. Relación entre las funciones lógicas y los elementos neumáticos ....... 150 Figura 5.9. Otras funciones neumáticas . 151 Figura 5.10. Tabla de verdad .................... 152 Figura 5.11. Tabla de verdad .................... 153 Figura 5.12a. Mapas K para funciones de dos y tres variables ............................... 155 Figura 5.12b. Mapas K para funciones de dos y tres variables ............................... 155 Figura 5.13. Mapa K ................................... 157 Figura 5.14. Circuito neumático ............... 159 Figura 5.15. Tabla de verdad .................... 159 Figura 5.16. Circuito neumático ............... 160 Figura 5.17. Circuito neumático alterno.160 Figura 5.18. Tabla de verdad y mapa de Karnaugh...................................................... 161 Figura 5.19. Circuito neumático ............... 162 Figura 5.20. Mapa K .................................... 162 Figura 5.21. Circuito neumático ............... 163 Figura 5.22. Diagrama Espacio-Fase (DEF) .............................................................. 164 Figura 5.23. Circuito neumático ............... 164 Figura 5.24. Problema propuesto 8 ......... 165 Figura 5.25. Problema propuesto 16 ...... 166 Figura 5.26. Problema propuesto 18 ...... 167 Figura 5.27. Problema propuesto 19 ...... 167 Figura 5.28. Problema propuesto 20 ...... 167 Figura 5.29. Problema propuesto 21 ...... 168 Figura 6.1. Cilindro doble efecto y finales de carrera ........................................ 171 Figura 6.2. Secuencia de fases.................. 171 Figura 6.3. Secuencia de fases.................. 172 Figura 6.4. Secuencia de fases.................. 172 Figura 6.5. Secuencia de fases.................. 172 Figura 6.6. Secuencia de fases.................. 173 Figura 6.7. Secuencia de fases.................. 173 Figura 6.8. Secuencia de fases.................. 173 Figura 6.9. Secuencia de fases.................. 173 Figura 6.10. Secuencia de fases ............... 173 Figura 6.11. Secuencia de fases ............... 174 Figura 6.12. Circuito con dos cilindros ... 174 Figura 6.13. Celda para dos grupos de presión .................................................... 175 Figura 6.14. Celda para tres grupos

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL de presión .................................................... 176 Figura 6.15. Esquema general dos grupos de presión .................................................... 178 Figura 6.16. Secuencia de fases ............... 179 Figura 6.17. Representación gráfica de secuencia. ............................................... 179 Figura 6.18. Conexión de pulsador y sensores........................................................ 180 Figura 6.19. Conexión de sensores .......... 180 Figura 6.20. Conexión de sensores .......... 181 Figura 6.21. Esquema circuito neumático global ....................................... 181 Figura 6.22. Circuito neumático global .. 182 Figura 6.23. Esquema global para tres grupos de presión ...................................... 183 Figura 6.24. Secuencia de fases ............... 184 Figura 6.25. Representación gráfica de secuencia...................................................... 184 Figura 6.26. Conexión de pulsador y sensores........................................................ 185 Figura 6.27. Conexión de sensores .......... 186 Figura 6.28. Esquema circuito neumático global ....................................... 186 Figura 6.29. Circuito neumático global .. 187 Figura 6.30. Secuencia ............................... 187 Figura 6.31. Representación gráfica de secuencia...................................................... 188 Figura 6.32. Conexión de pulsador y sensores........................................................ 189 Figura 6.33. Conexión de sensores .......... 190 Figura 6.34. Esquema general global ..... 190 Figura 6.35. Circuito neumático global .. 191 Figura 6.36a. Problema propuesto 8 ...... 192 Figura 6.36b. Problema propuesto 8 ...... 193 Figura 6.37. Problema propuesto 9 ......... 193 Figura 6.38. Problema propuesto 10 ...... 194 Figura 7.1. Cilindro doble efecto y finales de carrera ..................................................... 197 Figura 7.2. Secuencia de fases.................. 198 Figura 7.3. Secuencia de fases.................. 198 Figura 7.4. Secuencia de fases.................. 198 Figura 7.5. Secuencia de fases.................. 199 Figura 7.6. Secuencia de fases.................. 199 Figura 7.7. Secuencia de fases.................. 199 Figura 7.8. Secuencia de fases.................. 199 Figura 7.9. Secuencia de fases.................. 199 Figura 7.10. Secuencia de fases ............... 200 Figura 7.11. Formación de grupos........... 200

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Figura 7.12. Circuito neumático para dos cilindros ................................................ 201 Figura 7.13. Celda para tres grupos de presión.......................................................... 202 Figura 7.14. Celda para cuatro grupos de presión .................................................... 203 Figura 7.15. Esquema general para tres grupos de presión ...................................... 204 Figura 7.16a. Grupos de presión.............. 205 Figura 7.16b. Pasos, actuadores y s ensores ......................................................... 205 Figura 7.17. Representación gráfica de secuencia...................................................... 206 Figura 7.18. Conexión de pulsador y sensores........................................................ 206 Figura 7.19. Conexión de sensores .......... 207 Figura 7.20. Conexión de sensores .......... 207 Figura 7.21. Conexión de sensores .......... 208 Figura 7.22. Esquema global del circuito neumático ..................................... 208 Figura 7.23. Circuito neumático global .. 209 Figura 7.24a. Secuencia y formación de grupos ..................................................... 210 Figura 7.24b. Pasos, actuadores y sensores........................................................ 210 Figura 7.25. Representación gráfica de secuencia ................................................ 210 Figura 7.26. Conexión de pulsador y sensores........................................................ 211 Figura 7.27. Conexión de sensores .......... 212 Figura 7.28. Esquema general del circuito neumático ..................................... 212 Figura 7.29. Circuito neumático global .. 213 Figura 7.30. Esquema general para cuatro grupos de presión .......................... 214 Figura 7.31a ................................................. 214 Figura 7.31b. Pasos, actuadores y sensores........................................................ 215 Figura 7.32. Representación gráfica de secuencia ................................................ 215 Figura 7.33. Conexión de pulsador y sensores........................................................ 216 Figura 7.34. Esquema global del circuito neumático ..................................... 217 Figura 7.35. Circuito neumático global .. 217 Figura 7.36. Problema propuesto 6 ......... 219 Figura 7.37. Problema propuesto 7 ......... 219 Figura 7.38. Problema propuesto 8 ......... 220

Introducción Hoy en día la mayoría de los procesos de fabricación en las industrias son implementados con sistemas automáticos con el fin de estandarizar la producción, reducir costos, aumentar la productividad, la calidad y lo que es más importante liberar a las personas de trabajos repetitivos y de fuerza muscular, actividades que pueden ser desarrolladas por máquinas o procesos automatizados de forma más eficiente. Existen diferentes tecnologías de automatización como son la neumática, la electroneumática y la electrónica cada una con sus características particulares. En este libro  Automatización Neumática se presenta todo lo relacionado con los dispositivos propios del área neumática y el diseño de automatismos básicos utilizando el conocimiento, la experiencia y fundamentalmente la intuición de las personas. Igualmente se presentan métodos sistemáticos para el diseño de circuitos neumáticos. El propósito primario de la obra es la adquisición por parte del lector de una comprensión a fondo de los conceptos fundamentales de la automatización neumática y sus aplicaciones a problemas reales. Dentro de este contexto, el libro está diseñado específicamente para cursos relacionados con sistemas neumáticos. Pretendemos que sirva como material de apoyo pedagógico y didáctico para ingenieros, licenciados o técnicos a la cátedra “Automatización Neumática” que se imparte en los centros de educación de niveles técnicos, tecnológicos y universitarios. La organización y presentación de los temas están diseñadas para ayudar al docente a presentar el material de manera clara y lógica, y al estudiante para comprender los conceptos y técnicas, de modo que se desarrolle una metodología de enseñanza-aprendizaje eficiente y eficaz dentro de este contexto educativo.

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL Hemos trabajado con esmero en la organización de los temas para presentarlos de la manera más simple posible, de modo que puedan ser comprendidos rápidamente por el lector. El libro está diseñado con ejemplos ilustrativos, tablas y figuras que permiten al estudiante clarificar y reforzar los conocimientos presentados a lo largo del mismo, adicionalmente al final de cada capítulo se encuentran una serie de problemas propuestos que tienen como objetivo evaluar el aprendizaje del estudiante así como el nivel de competencia adquirido por éste en los contextos educativo y tecnológico. Consideramos que el libro contiene material suficiente como para formar al lector en esta especialidad y capacitarlo para resolver problemas básicos y de mediana complejidad relacionados con automatización neumática. La estructuración del libro se realiza a través de siete capítulos articulados en forma lógica y secuencial respecto a la temática presentada. Iniciamos en el capítulo 1  estudiando algunos aspectos relacionados con la automatización, sus diferentes estructuras en lazo abierto, lazo cerrado y la posibilidad de controles combinacionales y secuenciales. En el capítulo 2 se formulan los conceptos de mecánica de fluidos, entre ellos: densidad absoluta, volumen específico, peso específico, viscosidad dinámica, presión hidrostática, medición de la presión, humedad de saturación y las leyes físicas que rigen el comportamiento del aire comprimido. En el capítulo 3 estudiamos los diferentes componentes de un sistema neumático empezando por el compresor de aire, ductos de distribución de aire, elementos de mantenimiento del aire como son: filtro, regulador, etc; los cilindros neumáticos, las válvulas de control hasta llegar al estudio de las válvulas selectora y simultaneidad, para finalizar con los elementos temporizados. Luego en el capítulo 4, se estudia la estructura de los sistemas neumáticos básicos constituidos por mando directo e indirecto, mandos que involucran las funciones selectora y/o simultaneidad. Seguidamente se estudian los circuitos con control temporizado y los circuitos secuenciales. “El diseño con Funciones Lógicas ” , lo estudiamos en el capítulo 5, se muestra la teoría del álgebra de Boole aplicada a elementos y circuitos neumáticos. Igualmente se muestra cómo desarrollar los circuitos mínimos utilizando los teoremas de DeMorgan y la técnica de mapas de Karnaugh. También se resuelven problemas de automatismos en los que se aplican los conceptos teóricos mencionados.

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INTRODUCCIÓN En el capítulo 6 se estudian, a través de ejemplos, sistemas neumáticos más complejos en los que intervienen hasta tres actuadores o cilindros utilizando el método “Cascada” . En el capítulo final (7), estudiamos el diseño de automatismos neumáticos a través del método “Paso a paso”. Se trabajan diseños de circuitos para controlar hasta cuatro cilindros neumáticos. Para lo cual se propone una metodología a través de celdas que facilita la implementación de tales circuitos secuenciales. El libro Automatización Neumática entra a formar parte de la escasa bibliografía existente en esta área. Hay abundante gama de catálogos técnicos proporcionados por los fabricantes de partes neumáticas, pero en ellos la teoría general de diseño y aplicación no se presenta en forma organizada y secuencial para que responda a los procesos educativos de enseñanza-aprendizaje. Con esta obra, los autores dedicados ya hace varias décadas a la docencia, pretenden plasmar los conocimientos adquiridos en sus épocas laborales en la industria como ingenieros de mantenimiento, y ponerlos al servicio de las personas interesadas en adquirir este conocimiento tan valioso y de tanta aplicación en los procesos industriales. Estamos seguros que el conocimiento adquirido respecto a los sistemas neumáticos les será de gran utilidad en un futuro en su desempeño profesional. Por último, queremos invitar a los ingenieros, licenciados, tecnólogos, técnicos y lectores interesados en estos temas relacionados con la neumática a profundizar en los conocimientos de esta importante área consultando nuestros libros: “Automatización Electroneumática Básica”, “Automatización Electroneumática: Métodos Sistemáticos” y “Automatización Neumática con Control Lógico Programable”  (próximos a ser impresos) complementarios entre sí, ya que le proporcionarán una visión global  y articulada de estas técnicas de automatización.

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Capítulo 1

Fundamentos de automatización Entrada

PLANTA O PROCESO

CONTROLADOR

Salida

ELEMENTO DE MEDICIÓN Sistema de control en lazo cerrado

La automática es la ciencia que estudia los métodos y procedimientos que permiten la sustitución del operador humano por un operador artificial, en la ejecución de una tarea física o mental, previamente programada. La automática se utiliza en el control de los procesos industriales.

1.1 Proceso industrial Se entiende por proceso industrial, un conjunto de acciones de transporte y transformación de materias primas para obtener un producto final. En la figura 1.1 se muestra un diagrama de bloques para representar un proceso industrial.

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL

Producto final

Materias primas

PROCESO INDUSTRIAL

Figura 1.1. Proceso industrial

Entre los procesos industriales se destacan: procesos continuos y procesos discretos.

1.1.1 Procesos continuos Son procesos ininterrumpidos en el tiempo en los que se manipulan básicamente variables análogas como temperatura, velocidad, presión, etc. En ellos las variables se miden y regulan de manera continua.

1.1.2 Procesos discretos En estos procesos el producto de salida se obtiene a partir de una serie de acciones que suceden de acuerdo con reglas lógicas preestablecidas. Estos procesos involucran variables que pueden tomar solamente dos valores o estados posibles (SI o NO, activado = 1 o desactivado = 0). El sistema de control, en estos procesos, debe diseñarse para responder a variaciones de tipo binario. El estado de las variables de salida responde a una combinación o a una secuencia de las variables de control. Son procesos de manufactura discretos la fabricación de autos, artefactos eléctricos, etc. Los sistemas neumáticos también son procesos discretos. El control de procesos industriales (continuos, discretos) se ha asociado con el concepto de automatización y se realiza mediante los llamados automatismos.

1.2 Automatismo o sistema de control Un automatismo es el conjunto de elementos que permiten el desarrollo autónomo de un proceso industrial. Existen dos tipos básicos de sistemas de control:

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C AP. 1 - FUNDAMENTOS DE AUTOMATIZACIÓN 1.2.1 Sistema de Control en Lazo Abierto Los sistemas de control en lazo abierto son sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control. Es decir, en un sistema de control en lazo abierto la salida ni se mide ni se realimenta para comparación con la entrada. En la figura 1.2. se muestra un diagrama de bloques para este tipo de control.

Entrada CONTROL

PLANTA O PROCESO

Salida

Sistema de control de lazo abierto Figura 1.2. Sistema de control en lazo abierto

Entre ellos están los sistemas de control que funcionan sobre una base de tiempo.

1.2.2 Sistema de control en lazo cerrado Un sistema de control en lazo cerrado es aquel en el que la señal de salida tiene efecto directo sobre la acción de control. Esto es, los sistemas de control en lazo cerrado son sistemas de control realimentado. La señal de comparación o de error actuante, que es la salida de un comparador o la diferencia entre la señal de entrada y la de realimentación, entra al detector o control y es procesada en forma de reducir el error y llevar la salida del sistema al valor deseado. En otras palabras, el termino “lazo cerrado” implica el uso de la acción de realimentación para reducir el error del sistema. En la figura 1.3 ( véase en página siguiente) se muestra el diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado. Los elementos que componen el automatismo, como se muestra en la figura 1.3, son: el controlador, elemento de mando, captadores (sensores), los actuadores y el proceso controlado. Para el sistema en lazo abierto, como se muestra en la figura 1.2, el automatismo está formado por el controlador y la planta o proceso, en éste no interviene

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL el elemento sensor. Los elementos principales que componen un automatismo en lazo cerrado, como se muestra en la figura 1.3, son: el controlador, la planta o proceso, captadores (sensores), etc.

Entrada

PLANTA O PROCESO

CONTROLADOR

Salida

ELEMENTO DE MEDICIÓN Sistema de control en lazo cerrado

Figura 1.3. Sistema de control en lazo cerrado

En cualquiera de los dos tipos de sistemas de control mencionados (lazo abierto o lazo cerrado) el elemento controlador puede ser diseñado con lógica combinacional y/o secuencial. •

•

En los sistemas combinacionales los valores de las variables de salida dependen única y exclusivamente de la combinación de las variables de entrada en ese instante. En los sistemas secuenciales los valores de las variables de salida dependen de la combinación de las variables de entrada, sino también, de la historia pasada del sistema.

Los circuitos secuenciales poseen dispositivos capaces de almacenar información binaria, que permiten conservar el valor de las variables de salida aunque no estén presentes las entradas que los produjeron. Un sistema secuencial es un sistema cuyo funcionamiento depende de una secuencia de fases o etapas, determinadas por un conjunto de reglas previamente establecidas. Las fases de un automatismo (sistema) secuencial pueden ser evento-controladas o tempo-controladas.

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C AP. 1 - FUNDAMENTOS DE AUTOMATIZACIÓN En el primer caso, cada fase es iniciada por la ocurrencia de un evento (la activación de un interruptor o detector, etc). En las fases tempo-controladas, cada una se inicia en un tiempo dado o después de transcurrido un intervalo de tiempo determinado. En un proceso real pueden ocurrir los dos tipos de fases. En el diseño de los controladores combinacionales y secuenciales se puede utilizar la intuición, la lógica de Boole y las metodologías Cascada y Paso a Paso. Estos controladores se pueden desarrollar utilizando varias estrategias, como son: lógica cableada y lógica programada, en su implementación se utilizan dispositivos de neumática pura, electromecánica (eléctrica-mecánica) y electrónica. El control en lógica cableada se implementa con dispositivos electromecánicos interconectados entre sí, tales como: pulsadores, detectores, etc y el relé como elemento básico. Para el control en lógica programada se utilizan dispositivos electrónicos digitales microprocesados como son el Control Lógico Programable y el Computador a nivel industrial, éstos permiten la implementación de algoritmos complejos de control desarrollados en lenguaje de programación.

1.3 Automatización industrial En la sociedad a nivel industrial, los sistemas automatizados han permitido el desarrollo tecnológico, a través del mejoramiento de los procesos de producción, en virtud de agilizar y optimizar las tareas efectuadas por las máquinas y la intervención del hombre, llevando un mayor control y disminución de los riesgos (operario, producto, máquina), presentes en cualquier máquina automatizada. La automatización permite la eliminación total o parcial de la intervención humana en los procesos de fabricación y asume algunas funciones intelectuales más o menos complejas de cálculo y de decisión. El proceso de automatización en lazo abierto se puede representar por un diagrama de bloques como se muestra en la figura 1.4.

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 AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. V ÁSQUEZ, J. C ARDONA Y J. LEAL

DIÁLOGO HOMBREMÁQUINA

TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN

ACTUADORES

SISTEMA CONTROLADO

Figura 1.4. Estructura general de un automatismo en lazo abierto

Todo proceso de automatización en lazo cerrado se puede representar por el diagrama de bloques de la figura 1.5 y podemos distinguir las siguientes partes: •

•

•

•

•

Diálogo Hombre - Máquina Detección - Sensórica Tratamiento de la información Actuadores Sistema controlado

DIÁLOGO HOMBREMÁQUINA

TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN

ACTUADORES

SISTEMA CONTROLADO

SENSORES

Figura 1.5. Estructura general de un automatismo en lazo cerrado

Las tecnologías o técnicas mas empleadas en la industria, para la realización de los automatismos son: •

NEUMÁTICA

Utiliza como fuente de energía el aire comprimido, el cual se obtiene de sistemas compresores. El elemento base para el tratamiento de las señales es el distribuidor neumático. Las señales deben traducirse a presencia o ausencia de presión neumática. Generalmente se controla las posiciones de cilindros neumáticos. Utiliza la lógica neumática en el diseño.

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C AP. 1 - FUNDAMENTOS DE AUTOMATIZACIÓN •

ELECTROMECÁNICA

Es el área formada por la interacción entre la electricidad y la mecánica. El elemento principal de esta técnica es el relé. El relé está constituido por una bobina que al ser activada por medio de una señal (voltaje) abre o cierra unos contactos, que están anclados a una armadura a través de un muelle, produciendo de esta forma una señal de salida. Utiliza la técnica de lógica cableada, que es la interconexión de los elementos del automatismo por medio de conductores eléctricos. Otro elemento muy importante perteneciente a esta área es la electroválvula que estudiaremos mas adelante en su momento oportuno. •

ELECTRÓNICA

Utiliza como base de funcionamiento los semiconductores, que debidamente conectados forman unidades de electrónica integrada análogas y principalmente digitales, como son las unidades microprocesadas entre ellas los Controladores Lógicos Programables (PLC). Para su funcionamiento utiliza software especializado, por medio del cual, se realiza el programa de control utilizando la lógica programada requerida y luego se transfiere a la memoria del controlador para que este realice su ejecución. En el libro Automatización Neumática con PLC desarrollamos los aspectos relacionados con la automatización programada.

1.4 Automatización neumática La neumática es una disciplina del área tecnológica utilizada para el control, en la que interviene aire a presión como fuente de energía, cilindros, válvulas, elementos de lógica de control, etc, que se interconectan entre sí a través de tubería o mangueras y conectores apropiados diseñados para que soporten las presiones calculadas de trabajo. Cuando la neumática pura convencional llega a sus límites de aplicación y se necesitan soluciones complejas y económicas, la automatización electroneumática nos proporciona otros caminos viables y mayores posibilidades. En esta tecnología la lógica de control se estructura a través de la interconexión eléctrica de los diferentes elementos que intervienen en el control, debido a esto se llama lógica cableada. En un automatismo neumático los bloques o etapas de la figura 1.5, estructura general de un automatismo, están constituidas por elementos neumáticos de la siguiente forma:

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