Neumática 1. Neumática
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La palabra neumática deriva del griego pneuma, pneumatos.
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Pneuma significa soplo o aliento. Las primeras apariciones de la palabra la encontramos en tratados del siglo I AC, durante el Imperio Romano
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Neumática Conceptos físicos clave – – –
La neumática es la tecnología que utiliza el aire comprimido como fluido de trabajo. Abarca la totalidad de las aplicaciones de las instalaciones neumáticas ya sea que trabajen con aire comprimido o con aire aspirado Los conceptos físicos que utiliza para su desarrollo son:
Presión: Es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie P = Presión, su unidad es el Pascal (Pa) pero como es una unidad demasiado pequeña para su utilización a nivel industrial usamos:
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1 bar =
10 5 Pa =
1 bar=
1,02 k/cm2
1 bar=
14,5 psi
100.000 Pa
P = F/S
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Neumática F = Fuerza ejercida por el cilindro, su unidad son los Newton (N) S = superficie de actuación, su unidad es el m2(metro cuadrado)
•Caudal: – Es el volumen de fluido que circula a través de un conductor en la unidad de tiempo Q = Caudal, se mide en metros cúbicos/segundo o en L/min. V = Volumen, se mide en metros cúbicos o en Litros t = tiempo, su unidad son los segundos
Q = V/t •Caudal en Cilindro de simple efecto
•Caudal en Cilindro de doble efecto
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Neumática PROS Y CONTRAS Ventajas: • • •
Sencillez de los sistemas de mando: válvulas, cilindros, etc. Rapidez de respuesta del sistema neumático Economía de los sistemas neumáticos una vez instalados (miles de piezas fabricadas sin detenciones).
Inconvenientes: •Instalaciones caras en general (precio de los componentes y accesorios para llegar con el aire a donde lo necesitamos). •El mantenimiento del aire en buenas condiciones es costoso. •Esquemas complejos de modificar y depurar.
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Neumática Aplicaciones •Accionamiento de válvulas en procesos continuos, por ejemplo plantas químicas. • Accionamiento de puertas pesadas. • Descarga de depósitos en la construcción, fabricación de acero, minería. • Apisonamiento en la colocación de hormigón. • Pintura por pulverización. • Sujeción, movimiento y mecanizado en la industria maderera y metalurgica. • Sujeción para encolar, pegar en caliente o soldar plásticos. • Máquinas de soldadura eléctrica por puntos.
• Máquinas de embotellado y envasado. • Manipuladores neumáticos. • Tornos de dentista / sistema de frenos en colectivos.
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Neumática Propiedades • • • • • • • • •
Disponibilidad Facilidad de Almacenamiento Simplicidad del diseño y el control de los equipos Elección del movimiento Economía ante otras alternativas Fiabilidad Resistencia al entorno Limpieza del entorno (pensar solo en los problemas generados por una perdida de aceite en la hidráulica) Seguridad de funcionamiento
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Neumática Elementos básicos Los sistemas neumáticos de mando consumen aire comprimido, que debe estar disponible en el caudal suficiente y con una presión determinada, por lo que con la primera aplicación surge el tema de la instalación productora de aire comprimido
A modo de comentario producir aire a 6 bar de presión hace que el costo energético sea cero
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Compresor
Elemento que proporciona el aire comprimido que vamos a utilizar para realizar un trabajo.
Válvula
Permite o no el paso del aire que viene del compresor hacia el actuador
Actuador
En este caso es un cilindro de simple efecto, al que cuando entra aire se produce la salida del vástago que utilizaremos para elevar, aplastar, sujetar, etc. Pág.. 7
Neumática Simbología
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Neumática El compresor
Manómetro
Pistón Compresor De aire
Deposito
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Salida Aire
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Neumática Compresor de émbolo de una sola etapa
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Neumática Compresor de émbolo de dos etapas
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Compresor de tornillo de una sola etapa
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Neumática Línea principal en anillo
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Neumática Línea principal con final en línea muerta
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Neumática Líneas secundarias
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Forma correcta de conectar una bajada
Forma incorrecta de conectar una bajada
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Neumática Filtro de aire comprimido con regulador de presión • • •
El filtro tiene la misión de extraer del aire comprimido circulante todas las impurezas y el agua condensada. El filtro tiene por misión: Detener las partículas sólidas Eliminar el agua condensada en el aire
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Para entrar en el recipiente (1), el aire comprimido tiene que atravesar la chapa deflectora (2) provista de ranuras directrices. Como consecuencia se somete a un movimiento de rotación. Los componentes líquidos y las partículas grandes de suciedad se desprenden por el efecto de la fuerza centrífuga y se acumulan en la parte inferior del recipiente.
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En el filtro sintetizado (4) [ancho medio de poros, 40 mm] sigue la depuración del aire comprimido.
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Dicho filtro (4) separa otras partículas de suciedad. Debe ser sustituido o limpiado de vez en cuando, según el grado de ensuciamiento del aire comprimido.
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Neumática Regulador de presión •
La válvula reductora por resorte es de uso general en sistemas neumáticos. Se la nombra a menudo como regulador de presión. La válvula utiliza simplemente la presión de un resorte contra un diafragma para abrir la válvula. En la parte inferior del diafragma, la presión de salida (la presión en el sistema de presión reducida) de la válvula fuerza el diafragma hacia arriba para cerrar la válvula. Cuando la presión de salida cae por debajo del punto de ajuste de la válvula, la presión del resorte supera la presión de salida y fuerza al vástago de válvula hacia abajo, abriendo la válvula. A medida que la presión de salida aumenta, acercándose al valor deseado, la presión debajo del diafragma comienza a superar la presión del resorte, forzando el vástago de válvula hacia arriba, cerrando la válvula. Usted puede ajustar la presión de salida girando el tornillo de reglaje, que varía la presión del resorte contra el diafragma. Esta particular válvula por resorte fallará en la posición abierta si ocurre una ruptura del diafragma.
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Neumática Filtro finísimo de aire comprimido •
Este filtro se emplea en aquellos ramos en que se necesita aire filtrado muy fino (p. ej., en las industrias alimenticias, químicas y farmacéuticas, en la técnica de procedimientos y en sistemas que trabajan con módulos de baja presión). Elimina del aire comprimido, casi sin restos, las partículas de agua y aceite. El aire comprimido se filtra hasta un 99,999% (referido a 0,01 micrón).
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Funcionamiento
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Este filtro se diferencia del filtro normal en el hecho de que el aire comprimido atraviesa el cartucho filtrante de dentro hacia afuera.
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El aire comprimido entra en el filtro por (1), y atraviesa el elemento filtrante (2) (fibras de vidrio boro silicato). El aire comprimido limpio pasa por la salida (5) a los consumidores.
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La separación de partículas finísimas hasta 0,01 micrón es posible debido a la finura extraordinaria del tejido filtrante. Al montarlo hay que tener presente lo siguiente: El prefiltrado aumenta la duración del cartucho filtrante; el filtro ha de montarse en posición vertical, prestando atención al sentido de flujo (flecha).
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Neumática Funcionamiento de un lubricador
El lubricador mostrado en este lugar trabaja según el principio Venturi.
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Neumática Funcionamiento de un lubricador •
El aire comprimido atraviesa el lubricador desde la entrada (1) hasta la salida (2). Por el estrechamiento de sección en la válvula (5), se produce una caída de presión. En el canal (8) y en la cámara de goteo (7) se produce una depresión (efecto de succión). A través del canal (6) y del tubo elevador (4) se aspiran gotas de aceite. Estas llegan, a través de la cámara de goteo (7) y del canal (8) hasta el aire comprimido, que afluye hacia la salida (2). Las gotas de aceite son pulverizadas por el aire comprimido y llegan en este estado hasta el consumidor.
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La sección de flujo varía según la cantidad de aire que pasa y varía la caída de presión, o sea, varía la cantidad de aceite. En la parte superior del tubo elevador (4) se puede realizar otro ajuste de la cantidad de aceite, por medio de un tornillo.
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Una determinada cantidad de aceite ejerce presión sobre el aceite que le encuentra en el depósito, a través de la válvula de retención (3).
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Neumática Unidad de mantenimiento •
La unidad de mantenimiento representa una combinación de los siguientes elementos:
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- Filtro de aire comprimido - Regulador de presión - Lubricador de aire comprimido
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Deben tenerse en cuenta los siguientes puntos:
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1. El caudal total de aire en m3/h es decisivo para la elección del tamaño de unidad. Si el caudal es demasiado grande, se produce en las unidades una caída de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores indicados por el fabricante.
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2. La presión de trabajo no debe sobrepasar el valor estipulado en la unidad , y la temperatura no deberá ser tampoco superior a 50 C (valores máximos para recipiente de plástico).
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Neumática Los actuadores •Los actuadores son aquellos elementos que transforman la energía del aire comprimido en trabajo mecánico, como por ejemplo, empujar, estirar, etc.. •Los dos tipos de actuadores más comunes son los siguientes:
Cilindros de SIMPLE EFECTO: Sólo hace fuerza útil a la salida
Símbolo aire Cilindros de DOBLE EFECTO: Hace fuerza útil en los dos sentidos
Entra aire Sale aire
Entra Sale aire aire Octubre 2011
Símbolo Pág.. 21
Neumática Corte de un cilindro simple efecto retorno a resorte Fav = P . D2. 0,667
Vástago
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Tapa delantera
este ultimo valor difiere de la relación PI/4 porque consideramos alrededor del 15% por rozamiento y perdidas Resorte
Pistón con Guarniciones
Tapa trasera
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Neumática Corte de un cilindro de doble efecto Fret = P . (D2- dvast). 0,667
Vástago
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Tapa delantera
Pistón con Guarniciones
Tapa trasera
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Neumática Fijación de cilindros
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Neumática Cilindros rotativos
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Neumática
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Neumática
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Neumática La válvula
Entrada Bloqueada
Salida al Actuador
•Para construir un circuito neumático completo, hace falta algo más: las válvulas. •Las válvulas son aquellos componentes que controlan el paso del aire comprimido. •Las más comunes son las válvulas distribuidoras, como las que tenemos en la figura. •Se caracterizan por el número de vías ( agujero de entrada y salida) y por el número de posiciones, es decir, los movimientos que podemos hacer. •La de la figura concretamente es una válvula de 3/2, es decir, tres vías y dos posiciones. Octubre 2011
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Neumática Válvulas de señalización
Llamados de manera común fines de carrera se utilizan para confirmar que los movimientos se han realizado
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Neumática Válvulas de control direccional
Llamadas de manera común válvulas de potencia
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Neumática Cilindro retraído
Válvula de Potencia 5/2
Válvula Selectora
Como la distancia entre cilindro y válvula es menor que 1 metro entonces se utilizan las válvula reguladoras de caudal conectada a la salida de la misma
Válvula de Inicio 3/2
Símbolo de Compresor Octubre 2011
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Neumática Cilindro Afuera
Válvula de Potencia 5/2
Válvula Selectora
Este caso no lo requiere pero una de las formas más simples de hacer un circuito neumático complejo es con el método llamado cascada Válvula de Inicio 3/2 Actuada
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Electro neumática Es la aplicación en donde combinamos dos importantes ramos de la automatización como son la neumática (Manejo de aire comprimido) y la electricidad.
La potencia sigue siendo neumática (cilindros y motores neumáticos) pero la cadena de mando es eléctrica Para esto deberán existir elementos que sirvan de unión entre ambas
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Electro neumática Aparecen las electroválvulas que convierten una señal eléctrica en una neumática
Los presostatos que convierten una señal neumática en eléctrica
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Electro neumática El presostato también es conocido como interruptor de presión. Es un aparato que cierra o abre un circuito eléctrico dependiendo de la lectura de presión de un fluido. El fluido ejerce una presión sobre un pistón interno haciendo que se mueva hasta que se unen dos contactos. Cuando la presión baja un resorte empuja el pistón en sentido contrario y los contactos se separan. Un tornillo permite ajustar la sensibilidad de disparo del presostato al aplicar más o menos fuerza sobre el pistón a través del resorte.
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Electro neumática PULSADORES ELECTROMECÁNICOS PARA LA ENTRADA DE SEÑAL
El pulsador electromecánico es un elemento que introduce la señal de una instalación para ponerse en marcha. Puede actuar como contacto de cierre, apertura o de cierre y apertura (conmutado).
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Electro neumática INTERRUPTOR ELECTROMECÁNICO PARA LA ENTRADA DE SEÑAL
Los interruptores electromecánicos como su nombre lo indica quedan mecánicamente enclavado. Al volver a accionarlo, queda nuevamente desenclavado.
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Electro neumática FINALES DE CARRERA ELECTROMECÁNICOS (POR CONTACTO)
Detectan determinadas posiciones de piezas de maquinaria u otros elementos de trabajo (cilindros o motores). Su elección depende de muchos factores como el esfuerzo, seguridad de contacto, exactitud del punto de conmutación, etc. Normalmente estos pulsadores finales tienen un contacto conmutado, aunque son posibles otras combinaciones.
Equivalentes a los fines de carrera neumáticos
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Electro neumática
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Electro neumática CONTACTO ELÉCTRICO TIPO “REED” (ELECTROMAGNÉTICO) Se utiliza mucho cuando se necesita un número elevado de maniobras, así como cuando no existe sitio para colocar uno electromecánico o las condiciones ambientales influyen (polvo, arena, humedad, etc.). También hay que tener en cuenta que no se pueden montar en lugares con fuertes campos magnéticos, además de que no todos los cilindros son aptos.
En un bloque de resina sintética están inyectados dos contactos, junto con un tubito de vidrio lleno de gas protector. Al aproximarse un émbolo con imán permanente, los extremos de las lengüetas solapadas de contacto se atraen y conectan. Si se aleja el imán, las lengüetas se separan. Tienen una larga duración y están exentos de mantenimiento. Su tiempo de conmutación es muy corto (0,2 milisegundos aproximadamente).Poseen generalmente un led de indicación de activación. Octubre 2011
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Electro neumática DETECTORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS En la práctica, a menudo se ha de detectar o contar piezas movidas en máquinas o dispositivos. En la mayoría de los casos no se pueden utilizar finales de carrera mecánicos por no ser suficiente la fuerza de la pieza para su accionamiento, o magnéticos porque la detección de la pieza está fuera del campo de acción del cilindro. Los captadores de proximidad inductivos detectan si hay o no un Color normalizado objeto metálico sin contacto. Su símbolo es el siguiente:
Color normalizado
Tienen el inconveniente de que hay que acercarlos mucho a la pieza. Hay que tener en cuenta la distancia cuando se activa, debido a la histéresis, pues el campo de acción aumenta y puede detectar otros metales que no son presencia de pieza por lo que se desactivaría.
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Electro neumática DETECTORES DE PROXIMIDAD INDUCTIVOS Los sensores de proximidad inductivos contienen un devanado interno. Cuando una corriente circula por el mismo, un campo magnético es generado, que tiene la dirección de las flechas anaranjadas. Cuando un metal es acercado al campo magnético generado por el sensor de proximidad, éste es detectado.
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Electro neumática DETECTORES DE PROXIMIDAD ÓPTICOS Éstos reaccionan a la luz. Hay dos tipos principales: aquellos que tienen el emisor-receptor en un mismo elemento y los que tienen el emisor y el receptor en dos elementos diferentes. Son algo más caros que los inductivos.
Suelen llevar conductores, que ocupan menos espacio que el propio sensor, y son de polímeros o de fibra de vidrio.
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Electro neumática DETECTORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS A diferencia de los inductivos, reaccionan a cualquier tipo de materiales (hasta el polvo). Dependiendo de lo que se quiera detectar, se debe elegir atendiendo a la sensibilidad. Son más caros, pues su utilización es menor. Trabajan mal por debajo de 0º C. El aspecto exterior de todos (inductivo, óptico y capacitivo) es bastante semejante
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Electro neumática DETECTORES DE PROXIMIDAD CAPACITIVOS
Los sensores capacitivos (KAS) reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. Octubre 2011
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Electro neumática CONEXIONADO DETECTORES DE PROXIMIDAD Un ejemplo de conexionado en un circuito, para cualquiera de los sensores vistos hasta ahora, es el siguiente:
Bobina Electro-válvula
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Electro neumática Circuito con sensores ópticos para el movimiento de un cilindro, utilizamos dos electroválvulas que son comandadas por los sensores, y tiene algunos detalles como escape rápido, avance lento, etc.
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Electro neumática y PLC Controlador Lógico Programable •En ingles se denomina Programmable Logic Controller, de allí sus iniciales PLC, también se denominan a estos dispositivos con el término Autómatas Programables. •Cualquier modificación en los procesos en una planta industrial, significan re-cablear, agregar relés, temporizadores, etc. en los tableros de mando y control. •Esto implica largas paradas de máquinas y a menudo los tableros quedan chicos para absorber los cambios. •También es por ustedes conocido que las modificaciones “provisorias” no siempre se vuelcan en los planos eléctricos, con lo cuál se dificulta el mantenimiento y por lo tanto aumenta el tiempo de parada de las máquinas. El primer PLC apareció en 1968 y cumplía con los requerimientos mínimos de General Motor, la empresa que fue pionera por sus necesidades de producción, quién requería un equipo que le permitiera tener menor consumo de energía, reducción de espacio en los tableros, rápido mantenimiento, etc.. Por 1972 aparecieron equipos que ya se programaban usando esquemas de contactos (Relay Ladder Logic). Estos esquemas los usaban los ingenieros y técnicos para diseñar los antiguos equipos cableados, por lo que resultaba fácil pasarse a la nueva tecnología y ello popularizó más su uso. En 1974 aparece el microprocesador, lo que provoca muy importantes avances en el desarrollo de los PLC. Permitiéndole realizar tareas cada vez más complejas, mejorando su confiabilidad.
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Electro neumática y PLC Ventajas: Se puede hablar de las siguientes ventajas del uso de los PLC frente a lógica cableada antigua:
• Menor tiempo empleado en la elaboración del proyecto. • Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir elementos. • Reducido espacio de ocupación. • Menor costo de mano de obra de instalación. • Menor tiempo para la puesta en funcionamiento, al quedar reducido el de cableado. • Posibilidad de controlar varias máquinas con el mismo autómata. • Economía de mantenimiento. • Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el PLC sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.
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Electro neumática y PLC Estructura interna. Para poder interpretar luego el funcionamiento de un PLC presentamos la figura de abajo, donde se muestra un esquema de su estructura interna. Podemos distinguir cinco bloques en la estructura interna de los Autómatas Programables, que pasaremos a describirlos:
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Bloque de Entradas. En él se reciben las señales que proceden de los sensores. Estas son adaptadas y codificadas de forma tal que sean comprendidas por la CPU. También tiene como misión proteger los circuitos electrónicos internos del PLC, realizando una separación eléctrica entre éstos y los sensores. Bloque de Salidas: Trabaja de forma inversa al anterior. Interpreta las órdenes de la CPU, las descodifica y las amplifica para enviarlas a los actuadores. También tiene una interfase para aislar la salida de los circuitos internos. Unidad Central de Procesamiento CPU): En ella reside la inteligencia del sistema. En función de las instrucciones del usuario (programa) y los valores de las entradas, activa las salidas. Fuente de Alimentación: Su misión es adaptar la tensión de red (220V/50Hz) a los valores necesarios para los dispositivos electrónicos internos (generalmente 24Vcc y 5Vcc). Interfaces: Son los canales de comunicación con el exterior. Por ejemplo con: ∗ los equipos de programación ∗ otros autómatas. ∗ computadoras. ∗ etc..
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Electro neumática y PLC Lenguajes de Programación. •
Son las reglas por las cuáles se le escribe el programa al PLC. Es más bien una característica del dispositivo programador. Existen diferentes lenguajes que el usuario puede elegir de acuerdo a su gusto o experiencia.
∗ Listado de instrucciones.
•Como su nombre lo indica se trata de introducir una lista de instrucciones que debe cumplir el autómata. ∗ Con símbolos lógicos.
•La programación se realiza usando símbolos similares a los que vimos para las compuertas lógicas. ∗ Con símbolos de contactos.
•Es el más popular y la programación se lleva a cabo usando redes de contactos (ladder).
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En la Figura se muestra esquemáticamente el funcionamiento de un PLC. En ella podemos distinguir una secuencia que cumple a la puesta en marcha, dónde realiza un autotest para verificar sus conexiones con el exterior (por ejemplo si tiene conectado algún dispositivo de programación. Además dentro de este mismo proceso coloca todas las salidas a 0. Luego entra en un ciclo que comienza leyendo y fijando (“fotografiando”) el valor de las entradas (hasta que vuelva a pasar por esta etapa no detectará cualquier variación en ellas). A continuación comienza a cumplir instrucción por instrucción del programa (ejecución). Con los resultados que va obteniendo “arma” , internamente, “una imagen” de lo que va a ser la salida. Una vez que llega al final del programa recién transfiere esa imagen a los bornes de la salida (actualiza salidas). Cumplida esta tarea, realiza una nueva prueba interna, y vuelve a “cargar” las entradas y así sucesivamente. El tiempo que demora en recorrer el ciclo de trabajo, depende del tamaño del programa (cantidad de instrucciones) pero es muy pequeño, del orden de los milisegundos (un milisegundo = una milésima parte de un segundo).
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Electro neumática y PLC •
El LADDER, también denominado lenguaje de contactos o en escalera, es un lenguaje de programación gráfico muy popular dentro de los autómatas programables debido a que está basado en los esquemas eléctricos de control clásicos. De este modo es muy fácil adaptarse a la programación en este tipo de lenguaje. El siguiente esquema representa la estructura general de la distribución de todo programa LADDER, contactos a la izquierda y bobinas y otros elementos a la derecha.
Aunque en los sistemas industriales la programación se centra en procesos secuenciales, es necesario conocer la lógica de combinaciones ya que en muchas ocasiones es necesaria en la programación secuencial. Una vez obtenida la función lógica de un problema, el paso a LADDER es muy sencillo. De acuerdo con el álgebra de Boole aplicada a la conmutación, las sumas serán contactos en paralelo, los productos contactos en serie y las negaciones contactos normalmente cerrados.
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Función identidad
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Electro neumática y PLC Circuitos con autoalimentación
Función RESET
Circuitos con un temporizador
Circuito de marcha y paro con bobinas Set y Reset
Función SET
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Electro neumática
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Electro neumática
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