libro neumatica i v2.pdf

Autor: Rafael Sancho Cayuso

Vivimos en el fondo de un mar de aire. Evangelista Torricelli (1608-1647) He redactado esta carta más extensa de lo usual porque carezco de tiempo para escribirla más breve. Blaise Pascal (1623-1661) Lo último que uno sabe es por dónde empezar. Blaise Pascal (1623-1661)

Este trabajo ha sido confeccionado , tomando como base textos del material didáctico de las empresas: , ,

siendo en parte transcripción directa. Cabezón de la Sal, Septiembre de 1.999

I.E.S. Foramontanos

Indice

1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................1-1 1.1 Formas de energía para elementos de trabajo y de mando.......................................1-2 1.2 Propiedades del aire comprimido...............................................................................1-4 1.3 Rentabilidad de los equipos neumáticos....................................................................1-6 1.4 Fundamentos físicos...................................................................................................1-7 1.4.1. El aire es compresible................................................................................1-9 1.4.2 El volumen del aire varía en función de la temperatura...........................1-10 1.4.3 Ecuación de estado de los gases.............................................................1-12

2. PRODUCCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO ..................................................................2-1 2.1 Generadores ...............................................................................................................2-1 2.2 Tipos de compresores ................................................................................................2-1 2.2.1 Compresores de émbolo..............................................................................2-2 2.2.2 Turbocompresores ......................................................................................2-6 2.3 Elección del compresor .............................................................................................2-7 2.3.1 Caudal..........................................................................................................2-7 2.3.2 Presión .........................................................................................................2-8 2.3.3 Accionamiento............................................................................................2-10 2.3.4

Regulación ..............................................................................................2-10

2.3.5

Refrigeración...........................................................................................2-13

2.3.6 Lugar de emplazamiento............................................................................2-14 3. DISTRIBUCIÓN DEL AIRE COMPRIMIDO .................................................................3-1 3.1 Dimensionado de las tuberías ....................................................................................3-2 3.2 Tendido de la red........................................................................................................3-5 3.3 Material de tuberías ....................................................................................................3-7 3.3.1 Tuberías principales.....................................................................................3-7 3.3.2 Derivaciones hacia los receptores ...............................................................3-8 3.4 Uniones.......................................................................................................................3-8 3.4.1 Racores para tubos Aplicables sobre todo para tubos de acero y de cobre3-8 3.4.2 Acoplamientos............................................................................................3-10 3.4.3 Racores para tubos flexibles......................................................................3-10 3. 5 Preparación del aire comprimido ..........................................................................3-12 3.5.1 Impurezas ..................................................................................................3-12 3.5.2 Filtro de aire comprimido con regulador de presión ..................................3-19 3.5.4 Filtro finísimo de aire comprimido ..............................................................3-21 3.5.5 Reguladores de presión .............................................................................3-23 3.5.6 Lubricador de aire comprimido...................................................................3-25 Autor : Rafael Sancho Cayuso

I

Indice

I.E.S. Foramontanos

3.6 Unidad de mantenimiento ...................................................................................... 3-27 3.6.1 Conservación de las unidades de mantenimiento..................................... 3-29 3.6.2 Caudal en las unidades de mantenimiento ............................................... 3-30

4. ACTUADORES............................................................................................................ 4-1 4.1 Actuadores lineales (cilindros neumáticos) ................................................................ 4-1 4.1.1 Cilindros de simple efecto ........................................................................... 4-1 4.1.2 Cilindros de doble efecto............................................................................. 4-4 4.1.3 Cilindros de doble efecto de ejecución especial.......................................... 4-6 4.1.3.1 Cilindros de doble vástago ........................................................... 4-6 4.1.3.2 Cilindro tándem............................................................................. 4-7 4.1.3.3 Cilindro multiposicional ................................................................. 4-8 4.1.3.4 Cilindro de impacto ....................................................................... 4-8 4.1.3.5 Actuador lineal sin vástago........................................................... 4-8 4.1.3.6 Cilindro de giro.............................................................................. 4-9 4.1.3.7 Cilindro de émbolo giratorio........................................................ 4-10 4.1.3.8 Pinzas ......................................................................................... 4-11 4.2 Fijaciones ................................................................................................................. 4-11 4.3 Constitución de los cilindros..................................................................................... 4-12 4.4 Variables a tener en cuenta en la selección de los actuadores ............................... 4-14 4.4.1 Fuerza del émbolo..................................................................................... 4-14 4.4.2 Longitud de carrera ................................................................................... 4-17 4.4.3 Velocidad del émbolo ................................................................................ 4-17 4.4.4 Consumo de aire ....................................................................................... 4-18 4.5 Elementos neumáticos con movimiento giratorio..................................................... 4-23 4.5.1 Motores de émbolo.................................................................................... 4-24 4.5.2 Motores de paletas .................................................................................... 4-25 4.5.3 Motor de engranajes ................................................................................. 4-26 4.5.4 Turbomotores ............................................................................................ 4-27 4.6 Parametros básicos ................................................................................................. 4-27

5. VÁLVULAS.................................................................................................................. 5-1 5.1 Generalidades............................................................................................................ 5-1 5.2 Válvulas distribuidoras ............................................................................................... 5-1 5.2.1 Representación esquemática de las válvulas ............................................. 5-1 5.2.2 Accionamiento de válvulas .......................................................................... 5-3 5.2.3 Características constructivas de las válvulas distribuidoras........................ 5-4 II

Autor : Rafael Sancho Cayuso

I.E.S. Foramontanos

Indice

5.2.4 Válvulas de asiento ......................................................................................5-5 5.2.4.1 Válvulas de asiento esférico..........................................................5-5 5.2.4.2 Válvulas de asiento plano .............................................................5-6 5.2.5 Válvulas de corredera ................................................................................5-11 5.2.6 Caudal circulante por las válvulas..............................................................5-14 5.3 Válvulas de bloqueo .................................................................................................5-18 5.3.1 Válvula antirretorno ....................................................................................5-18 5.3.2 Válvula selector de circuito (Válvula “o”; función lógica “or”) .....................5-18 5.3.3 Válvula de simultaneidad (Válvula “Y”; función lógica “and”).....................5-20 5.3.4 Válvulas antirretorno y de estrangulación ..................................................5-21 5.3.5 Válvula de escape rápido...........................................................................5-25 5.4 Reguladores de presión............................................................................................5-26 5.4.1 Válvulas de regulación de presión .............................................................5-26 5.4.2 Válvula limitadora de presión .....................................................................5-27 5.4.3 Válvula de secuencia .................................................................................5-28 5.5 Válvulas de caudal y de cierre..................................................................................5-29 5.6 Válvulas combinadas ................................................................................................5-29 5.6.1 Temporizador .............................................................................................5-30 5.6.2 Tobera de aspiración por depresión ..........................................................5-32 5.6.3 Convertidor de señal neumático - eléctrico................................................5-33 5.7 Sensores de proximidad neumáticos........................................................................5-34 5.7.1 Amplificador de presión..............................................................................5-35 5.7.2 Sensores de obturación de fuga (toberas de contrapresión) .....................5-36 5.8 Sensores de reflexión ...............................................................................................5-36 5.9 Barreras de aire ........................................................................................................5-38

6. CIRCUITOS NEUMÁTICOS .........................................................................................6-1 6.1 Simbología..................................................................................................................6-1 6.1.1 Símb.de energía y componentes de alimentación. equipo de red y mantenimiento ...6-1

6.1.2 Métodos de representación ............................................................................6-2 6.1.3 Esquema funcional .........................................................................................6-2 6.1.4 Diagrama espacio - fase.................................................................................6-8 6.1.5 Diagrama espacio - tiempo.............................................................................6-9 6.1.6 Secuencia de actividades.............................................................................6-10 6.2 Confección de un circuito .........................................................................................6-10 6.2.1 Esquema del proceso...................................................................................6-11 6.2.2 Esquema del circuito funcional.....................................................................6-12 Autor : Rafael Sancho Cayuso

III

Indice

I.E.S. Foramontanos

6.2.3 Diagrama espacio – fase ............................................................................. 6-20

7. EJEMPLOS RESUELTOS........................................................................................... 7-1 7.1 Manipulación de paquetes ......................................................................................... 7-1 7.1.1 Diagrama espacio-fase ............................................................................... 7-2 7.1.2 Esquema neumático.................................................................................... 7-2 7.1.3 Secuencia de actividades............................................................................ 7-2 7.2 Compactador de basura doméstica ........................................................................... 7-3 7.2.1 Diagrama espacio – fase............................................................................. 7-5 7.2.2 Esquema neumático.................................................................................... 7-5 7.2.3 Secuencia de actividades............................................................................ 7-6 7.3 Esquemas con interferencias..................................................................................... 7-7 7.4 Fresadora................................................................................................................... 7-9 7.5 Método en cascada para la resolución de interferencias......................................... 7-13 7.6 Marcado de piezas................................................................................................... 7-18

8. ELECTRONEUMÁTICA. ............................................................................................. 8-1 8.1 Introducción................................................................................................................ 8-1 8.2 Entradas de señal ...................................................................................................... 8-3 8.3 Finales de carrera ...................................................................................................... 8-6 8.3.1 Finales de carrera mecánicos ..................................................................... 8-7 8.3.2 Finales de carrera sin contacto. .................................................................. 8-7 8.3.2.1 Contacto magnetosensible (tipo reed) ..................................................... 8-7 8.3.2.2 Sensores inductivos...................................................................... 8-9 8.3.2.3 Sensores capacitivos.................................................................. 8-14 8.4 Relés ........................................................................................................................ 8-17 8.5 Relés de tiempo o temporizadores .......................................................................... 8-19 8.6 Electroválvulas ......................................................................................................... 8-23 8.6.1 Generalidades ........................................................................................... 8-23 8.6.2 Formas constructivas ................................................................................ 8-23 8.6.3 Métodos de accionamiento ....................................................................... 8-24 8.6.4 Electroválvula de 3/2 vías simple bobina, normalmente cerrada .............. 8-25 8.6.5 Electroválvula de 3/2 vías simple bobina, normalmente abierta ............... 8-26 8.6.6 Válvulas pilotadas ..................................................................................... 8-27 8.6.7 Electroválvula de 3/2 vías, pilotada ........................................................... 8-27 8.6.8 Electroválvula de 5/2 vías, pilotada ........................................................... 8-29 8.6.9 Válvula de 5/2 vías, doble pilotaje ............................................................. 8-30 IV


I.E.S. Foramontanos

Indice

8.6.10 Fiabilidad de las válvulas .........................................................................8-32 8.6.11 Características de conmutación de las válvulas ......................................8-32 8.7 Simbología eléctrica .................................................................................................8-33 8.8 Circuitos básicos (electroneumática). .......................................................................8-35 8.8.1 Mando de un cilindro de simple efecto.......................................................8-35 8.8.2 Mando de un cilindro de doble efecto. .......................................................8-36 8.8.3 Conexión en paralelo “o” (cilindro de simple ó de doble efecto). ...............8-37 8.8.4 Conexión en serie “y” (cilindro de simple ó de doble efecto). ....................8-38 8.8.5 Mando indirecto en ambos lados ...............................................................8-39 8.8.6 Retorno automático de un cilindro .............................................................8-40 8.8.7 Movimiento oscilante de un cilindro de doble efecto..................................8-41 8.9 Circuito de autorretención.........................................................................................8-43 8.9.1 Retroceso automático de un cilindro con un final de carrera .....................8-44 8.10 Mandos con comportamiento temporizado.............................................................8-45 8.10.1 Mando de un cil. de doble efecto con temporización (retar.excitación) ...8-45 8.10.2 Mando de un cil. de doble efecto con temp. (retardo de desexcitación)..8-46 8.11 Ejemplos de circuitos ..............................................................................................8-48 8.11.1 Ejemplo 1: manipulación de paquetes .....................................................8-48 8.12 Interferencias de señales........................................................................................8-56 8.12.1 Ejemplo 1: fresadora. ...............................................................................8-57 8.12.2 Ejemplo 2: dispositivo de cortar. ..............................................................8-63 8.12.3 Ejemplo 3: Taladradora............................................ ................................8-68

9. AUTOMATIZACIÓN CON AUTÓMATAS PROGRAMABLES. ...................................9-1 9.1 Introducción ................................................................................................................9-1 9.1.1 ¿Qué es un autómata programable ? ..........................................................9-1 9.2.2 Definición de autómata programable ...........................................................9-3 9.1.3 Campos de aplicación.................................................................................9-3 9.1.4 Ventajas e inconvenientes de los PLC's. ....................................................9-4 9.1.4.1 Pequeña reseña histórica..............................................................9-5 9.1.5 Estructura de los autómatas programables ................................................9-6 9.1.5.1 Estructura externa .......................................................................9-6 9.1.5.2 Estructura interna .........................................................................9-7 9.2 Conexión del autómata a la máquina neumática........................................................9-9 9.3 Componentes del autómata......................................................................................9-12 9.3.1 Unidad central de proceso (CPU): .............................................................9-12 9.3.2 Sistemas de Entradas/Salidas: ..................................................................9-14 Autor : Rafael Sancho Cayuso

V

Indice

I.E.S. Foramontanos

9.4 Funcionamiento del autómata.................................................................................. 9-19 9.5 Programación del autómata ..................................................................................... 9-20 9.5.1 Equipos o unidades de programación.........................................................9-21 9.5.2 Lenguajes de programación .......................................................................9-22 9.5.2.1 Lenguaje a contactos. (LD) .........................................................9-22 9.5.2.2 Lenguaje por Lista de Instrucciones. (IL) ó (AWL).......................9-23 9.5.2.3 GRAFCET. (SFC).........................................................................9-23 9.5.2.4 Plano de funciones. (FBD)...........................................................9-29 9.5.2.5 Dispositivos perifericos ............................................................... 9-29 9.6 Estándar IEC1131-3................................................................................................. 9.30

10. NEUMÁTICA PROPORCIONAL .............................................................................. 10-1 10.1 Introducción............................................................................................................ 10-1 10.2 Válvula proporcional de caudal 5/3 ........................................................................ 10-1 10.2.1 Diseño y características ...................................................................................... 10-1 10.2.2 Funcionamiento................................................................................................... 10-2 10.3 Simbología ............................................................................................................. 10-4 10.4 Válvula proporcional de presión............................................................................. 10-4 10.4.1 Diseño y características ...................................................................................... 10-4 10.4.2 Funcionamiento................................................................................................... 10-5 10.5 Prácticas a realizar................................................................................................. 10-6 10.5.1 Control de la velocidad de desplazamiento de un cilindro en lazo abierto.......... 10-6 10.5.2 Ejemplo 2: Control de la presión de un cilindro................................................... 10-7 10.5.3 Control de la posición de un cilindro. .................................................................. 10-8

11.Bibliografía .............................................................................................................. 11-1

VI


Introducción

I.E.S. Foramontanos

La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control automático en la industria , enumeramos aquí los conceptos mas importantes destinados a operarios y encargados de mantenimiento

1. Introducción El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos. El descubrimiento consciente del aire como medio - materia terrestre - se remonta a muchos siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente con dicho medio. El primero del que sabemos con seguridad es que se ocupó de la neumática, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma. Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática que trata los movimientos y procesos del aire. Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación. Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido).


1-1

I.E.S. Foramontanos

Neumática

La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo. A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación. En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos. 1.1 Formas de energía para elementos de trabajo y de mando La posibilidad, de poder, con ayuda de elementos apropiados (convertidores de señales, transductores de medida), transformar las señales de una forma de energía en otra, significa para la técnica de mando, que dentro de un automatismo puede operarse con diferentes tipos de energía. Existe pues la posibilidad de diseñar un mando según criterios económicos y técnicos óptimos. No obstante, la elección del sistema más adecuado no siempre es fácil y claro en la práctica; junto a las exigencias definidas por el planteamiento del problema son determinantes sobre todo las condiciones marginales, como por ejemplo el lugar

de

emplazamiento,

las

influencias

ambientales,

el

personal

de

mantenimiento disponible, etc., que a menudo están en desacuerdo con la propia solución del problema y que pueden influir considerablemente en su solución. A esto hay que añadir que en función de la formación del proyectista, pretenderá el “electricista” resolver el problema necesariamente mediante una solución de mando eléctrica, el “hidráulico” de una manera hidráulica y el “neumático” empleando la neumática. La solución de mando óptima de un problema planteado implica como condición previa el conocimiento de todas las alternativas que se ofrecen. Los cuadros que se acompañan a continuación tienen como finalidad proporcionar una idea general de las características fundamentales de los medios más corrientes de trabajo y de mando, así como establecer unos criterios para su elección. Sin embargo no se trata ni puede tratarse aquí de una enumeración 1-2


I.E.S. Foramontanos

Introducción

completa de todos los factores, sino sólo de una exposición de los puntos más importantes empleando palabras clave. Comparación de los medios de trabajo entre diversas tecnologías Criterio Fuerza lineal

Fuerza rotativa Seguridad frente a las sobrecargas Movimiento lineal Movimiento rotativo u oscilante

Regulabilidad

Acumulación de energía y transporte

Influencias ambientales

Gastos de energía

Neumática Fuerzas limitadas, debido a la baja presión y al diámetro del cilindro (50.000 N). Produce fuerza en reposo sin consumo de energía. Par de giro en reposo también sin consumo de energía. Sí, se para. Vuelve a moverse cuando se elimina la sobrecarga. Generación fácil; alta aceleración; alta velocidad (1,5 m/s y más). Motores neumáticos con muy altas revoluciones (500.000 min-1); elevado coste de explotación; mal rendimiento; movimiento oscilante por conversión mediante cremallera y piñón. Fácil regulabilidad de la fuerza y de la velocidad, pero no exacta. Posible, incluso en apreciables cantidades sin mayor gasto; fácilmente transportable en conductos (1.000 m) y botellas de aire comprimido. Insensible a los cambios de temperatura; ningún peligro de explosión; hay peligro de congelación existiendo elevada humedad atmosférica.

Hidráulica Grandes fuerzas utilizando alta presión. Produce fuerza en reposo con consumo de energía.

Electricidad Mal rendimiento; gran consumo de energía en la marcha en vacío. No produce fuerza en reposo.

Par de giro también en reposo, originándose consumo de energía. Sí, se para. Vuelve a moverse cuando se elimina la sobrecarga. Generación fácil mediante cilindros; buena regulabilidad. Motores hidráulicos y cilindros oscilantes con revoluciones más bajas que en la neumática; buen rendimiento.

Par de giro más bajo en reposo. No, se estropea.

Complicado y caro.

Rendimiento más favorable en accionamientos rotativos; revoluciones limitadas.

Regulabilidad muy buena y exacta de la fuerza y la velocidad en todo caso Acumulación posible sólo limitadamente; transportable en conductos de hasta unos 100 m.

Posible sólo limitadamente siendo el gasto considerable

Sensible a las fluctuaciones de temperatura; fugas significan suciedad y peligro de incendio.

Insensible a las fluctuaciones de temperatura; en los ámbitos de peligrosidad hacen falta instalaciones protectoras contra incendio y explosión. Gastos más reducidos de energía.

Acumulación muy difícil y costosa, fácilmente transportable por líneas a través de distancias muy grandes.

Alto en comparación con la electricidad.

Manejo

Alto en comparación con la electricidad; 1 m3 de aire comprimido a 6 bar cuesta de 0,006 a 0,012 euros. No requiere de especialistas ni en ejecución ni en mantenimiento. No presenta peligros.

Requiere de especialistas. Precisa conducciones de retorno.

Sólo con conocimientos técnicos; peligro de accidente; la conexión errónea causa a menudo la destrucción de los elementos y del mando.

En general

Los elementos son seguros

Con altas presiones

Los elementos no son


1-3

I.E.S. Foramontanos

Neumática contra sobrecargas; los ruidos del aire de escape son desagradables, necesita una amortiguación.

ruido de bombeo; los elementos son seguros contra sobrecargas.

seguros contra sobrecargas; ruidos en la maniobra de los contactores y electroimanes.

Comparación de los medios de mando Criterio

Electricidad

Fiabilidad de los elementos

Insensibles a las influencias ambientales como polvo, humedad, etc.

Tiempo de conmutación de los elementos Velocidad de las señales.

> 10 ms

Distancia salvable Espacio necesario Procesamiento principal de la señal

Electrónica Muy sensibles a las influencias ambientales como polvo, humedad, campos perturbadores, golpes y vibraciones; larga duración. << 1 ms

Muy elevada Muy elevada (velocidad de la (velocidad de la luz). luz). Prácticamente ilimitada Poco

Muy poco

Digital

Digital, analógico

Neumática presión normal Insensibles a las influencias ambientales; con aire limpio larga duración

Neumática baja presión Insensibles a las influencias ambientales; sensibles al aire contaminado; larga duración.

> 5 ms

> 1 ms

10-40 m/s

100-200 m/s

Limitada por la velocidad de las señales Poco Poco Digital

Digital, analógico

1.2 Propiedades del aire comprimido Causará asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico. ¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad? •

Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.

•

Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.

1-4


I.E.S. Foramontanos

Introducción •

Almacenable:

No

es

preciso

que

un

compresor

permanezca

continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas). •

Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura , garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.

•

Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras.

•

Limpio : El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero .

•

Constitución de los elementos : La concepción de los elementos de trabajo es simple si, por tanto, precio económico.

•

Velocidad : Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas.(La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones.)

•

A prueba de sobrecargas : Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas. Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso

conocer también las propiedades adversas. •

Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).

•

Compresible : Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.


1-5

Neumática •

I.E.S. Foramontanos

Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp).

•

Escape : El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales insonorizantes.

•

Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara ; este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).

1.3 Rentabilidad de los equipos neumáticos

Como consecuencia de la automatización y racionalización, la fuerza de trabajo manual ha sido reemplazada por otras formas de energía; una de éstas es muchas veces el aire comprimido Ejemplo: Traslado de paquetes, accionamiento de palancas, transporte de piezas etc. El aire comprimido es una fuente cara de energía, pero, sin duda, ofrece indudables ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, así como su distribución a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados. Pudiera pensarse que el uso de aparatos neumáticos está relacionado con costos especialmente elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de la rentabilidad es necesario tener en cuenta, no sólo el costo de energía, sino también los costos que se producen en total. En un análisis detallado, resulta que el costo energético es despreciable junto a los salarios, costos de adquisición y costos de mantenimiento. 1.4 Fundamentos físicos

La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta es una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición: 1-6


Introducción

I.E.S. Foramontanos

•

Nitrógeno aprox. 78% en volumen

•

Oxígeno aprox. 21% en volumen

•

Además contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y xenón. Para una mejor comprensión de las leyes y comportamiento del aire se

indican en primer lugar las magnitudes físicas y su correspondencia dentro del sistema de medidas. Con el fin de establecer aquí relaciones inequívocas y claramente definidas, los científicos y técnicos de la mayoría de los países están en vísperas de acordar un sistema de medidas que sea válido para todos, denominado "Sistema internacional de medidas", o abreviado "SI". La exposición que sigue ha de poner de relieve las relaciones entre el "SISTEMA TÉCNICO" y el "SISTEMA DE UNIDADES SI".


1-7

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Como sobre la tierra todo está sometido a la presión atmosférica no notamos ésta. Se toma la correspondiente presión atmosférica

como presión de

referencia y cualquier divergencia de ésta se designa de sobrepresión

,.

La siguiente figura lo visualiza . Figura 3 :

La presión de aire no siempre es la misma. Cambia según la situación geográfica y el tiempo. La zona desde la línea del cero absoluto hasta la línea de referencia variable se llama esfera de depresión (-Pe) la superior se llama esfera de sobrepresión (+Pe). La presión absoluta Pabs. consiste en la suma de las presiones -Pe y +Pe. En la práctica se utilizan manómetros que solamente indican la sobrepresión +Pe. Si se indica la presión Pabs. el valor es unos 100 kPa (1 bar) más alto. Con la ayuda de las magnitudes básicas definidas pueden explicarse las leyes físicas fundamentales de la aerodinámica.

1-8


Introducción

I.E.S. Foramontanos

1.4.1 El aire es compresible Como todos los gases, el aire no tiene una forma determinada. Toma la del recipiente que lo contiene o la de su ambiente. Permite ser comprimido (compresión) y tiene la tendencia a dilatarse (expansión). La ley que rige estos fenómenos es la de Boyle-Mariotte. A temperatura constante, el volumen de un gas encerrado en un recipiente es inversamente proporcional a la presión absoluta, o sea, el producto de la presión absoluta y el volumen es constante para una cantidad determinada de gas.

Este ley es demuestra mediante el siguiente ejemplo: Figura 4. :


1-9

Neumática

1-10

I.E.S. Foramontanos


Introducción


I.E.S. Foramontanos

1-11

Neumática

1-12

I.E.S. Foramontanos


I.E.S. Foramontanos

Introducción Figura 14: Diagrama de caudal

En este diagrama están indicadas las zonas de cantidades de aire aspirado y la presión para cada tipo de compresor. Figura 14: Diagrama de caudal


1-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática

El caudal es la cantidad de fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo. El caudal se puede expresar de dos formas: Caudal másico: Cantidad de masa por unidad de tiempo.

[Kg / seg]

Caudal volumétrico: Cantidad de volumen por unidad de tiempo. [m3 / seg] [m3 / hora]

L

Secció n

Tubería v

Caudal

S

Q = Sección x velocidad = m2 x m/seg [m3 / seg]

1-14


Producción del aire comprimido

I.E.S. Foramontanos

2. Producción del aire comprimido 2.1 Generadores Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías. Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente. En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables. Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores. 2.2

Tipos de compresores Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de

suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción. Se distinguen dos tipos básicos de compresores: El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo). El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la masa (turbina). Autor : Rafael Sancho Cayuso

2-1

I.E.S. Foramontanos

Neumática

2.2.1 Compresores de émbolo Compresor de émbolo oscilante . Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 1 .100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar). Figura 6: Compresor de émbolo oscilante

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración. 2-2



I.E.S. Foramontanos

Los compresores de émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por agua, y según las prescripciones de trabajo las etapas que se precisan son:

Para los caudales véase la figura 14 diagrama. Compresor de membrana Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo. Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean con preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y químicas. Compresor de émbolo rotativo Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético.


2-3

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Compresor rotativo multicelular Un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter cilíndrico provisto de ranuras de entrada y de salida. Las ventajas de este compresor residen en sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal prácticamente uniforme y sin sacudidas. Para el caudal véase la figura 14 (diagrama). El rotor está provisto de un cierto número de aletas que se deslizan en el interior de las ranuras y forman las células con la pared del cárter. Cuando el rotor gira, las aletas son oprimidas por la fuerza centrífuga contra la pared del cárter, y debido a la excentricidad el volumen de las células varía constantemente.

2-4



I.E.S. Foramontanos

Compresor de tornillo helicoidal, de dos ejes

Dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo impulsan hacia el otro lado el aire aspirado axialmente. Para el caudal, véase la figura 14 (diagrama) Compresor Roots En estos compresores, el aire es llevado de un lado a otro sin que el volumen sea modificado. En el lado de impulsión, la estanqueidad se asegura mediante los bordes de los émbolos rotativos. Fig. 11 - Compresor Roots

2.2.2 Turbocompresores Trabajan según el principio de la dinámica de los fluidos, y son muy apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo axial y radial. El aire se Autor : Rafael Sancho Cayuso

2-5

Neumática

I.E.S. Foramontanos

pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina. Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión. Para el caudal, véase la figura 14 (diagrama).

La rotación de los alabes acelera el aire en sentido axial de flujo.

Aceleración progresiva de cámara a cámara en sentido radial hacia afuera; el aire en circulación regresa de nuevo al eje. Desde aquí se vuelve a acelerar hacia afuera.

2-6



I.E.S. Foramontanos

2.3 Elección del compresor 2.3.1 Caudal Por caudal entiendo la cantidad de aire que suministra el compresor. Existen dos conceptos. 1. El caudal teórico 2. El caudal efectivo o real En el compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de cilindrada * velocidad de rotación. El caudal efectivo depende de la construcción del compresor y de la presión. En este caso, el rendimiento volumétrico es muy importante.


2-7

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 15 :

Es interesante conocer el caudal efectivo del compresor. Sólo éste es el que acciona y regula los equipos neumáticos. Los valores indicados según las normas ?representan valores efectivos (p. ej.: DIN 1945). El caudal se expresa en m3/min ó m3/h . No obstante, son numerosos los fabricantes que solamente indican el caudal teórico. 2.3.2 Presión

También se distinguen dos conceptos: La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. En la mayoría de los casos, es de 600 kPa (6 bar). Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta presión.

Importante: 2-8


I.E.S. Foramontanos


Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un valor constante. De ésta dependen : -

la velocidad

-

las fuerzas

-

el desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo. Figura 16 :


2-9

I.E.S. Foramontanos

Neumática

2.3.3 Accionamiento Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la mayoría de los casos los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel ). Figura 17:

2.3.4

Regulación Al objeto de adaptar el caudal suministrado por el compresor al consumo

que fluctúa, se debe proceder a ciertas regulaciones del compresor. Existen diferentes clases de regulaciones. El caudal varía entro dos valores límites ajustados (presiones máxima y mínima).

Regulación de marcha en vacío a) Regulación por escape a la atmósfera b) Regulación por aislamiento de la aspiración

Regulación de carga parcial

Regulación por intermitencias

a) Regulación de velocidad de rotación b) Regulación por estrangulación de la aspiración

c) Regulación por apertura de la aspiración

Regulación de marcha en vacío: 2-10



I.E.S. Foramontanos

a) Regulación por escapo a la atmósfera En esta simple regulación se trabaja con una válvula reguladora de presión a la salida del compresor. Cuando en el depósito (red) se ha alcanzado la presión deseada, dicha válvula abre el paso y permite que el aire escape a la atmósfera. Una válvula antirretorno impide que el depósito se vacíe (sólo en instalaciones muy pequeñas).

b) Regulación por aislamiento de la aspiración En este tipo de regulación se bloquea el lado de aspiración. La tubuladura de aspiración del compresor está cerrada. El compresor no puede aspirar y sigue funcionando en el margen de depresión. Esta regulación se utiliza principalmente en los compresores rotativos y también en los de émbolo oscilante.


2-11

I.E.S. Foramontanos

Neumática c) Regulación por apertura de la aspiración

Se utiliza en compresores de émbolo de tamaño mayor. Por medio de una mordaza se mantiene abierta la válvula de aspiración y el aire circula sin que el compresor lo comprima. Esta regulación es muy sencilla.

Regulación de carga parcial a) Regulación de la velocidad de rotación El regulador de velocidad del motor de combustión interna se ajusta en función de la presión de servicio deseada, por medio de un elemento de mando manual o automático. Si el accionamiento es eléctrico, la velocidad de rotación puede regularse de forma progresiva empleando motores de polos conmutables. No obstante, este procedimiento no es muy utilizado. b) Regulación del caudal aspirado Se obtiene por simple estrangulación de la tubuladura de aspiración. El compresor puede ajustarse así a cargas parciales predeterminadas. Este sistema se presenta en compresores rotativos o en turbocompresores.

2-12



I.E.S. Foramontanos

Regulación por Intermitencias Con este sistema, el compresor tiene dos estados de servicio (funciona a plena carga o está desconectado). El motor de accionamiento del compresor se para al alcanzar la presión Pmax. Se conecta de nuevo y el compresor trabaja, al alcanzar el valor mínimo Pmin. Los momentos de conexión y desconexión pueden ajustarse mediante un presóstato. Para mantener la frecuencia de conmutación dentro de los límites admisibles, es necesario prever un depósito de gran capacidad. Figura 21: Regulación intermitente

2.3.5

Refrigeración Por efecto de la compresión del aire se desarrolla calor que debe evacuarse. De acuerdo con la cantidad de calor que se desarrolle, se adoptará la refrigeración más apropiada. En compresores pequeños, las aletas de refrigeración se encargan de irradiar el calor. Los compresores mayores van dotados de un ventilador adicional, que evacua el calor.


2-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática Figura 22:

Cuando se trata de una estación de compresión de más de 30 kW de potencia, no basta la refrigeración por aire. Entonces los compresores van equipados de un sistema de refrigeración por circulación de agua en circuito cerrado o abierto. A menudo se temen los gastos de una instalación mayor con torre de refrigeración. No obstante, una buena refrigeración prolonga la duración del compresor y proporciona aire más frío y en mejores condiciones. En ciertas circunstancias, incluso permite ahorrar un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia. 2.3.6

Lugar de emplazamiento

La estación de compresión debe situarse en un local cerrado e insonorizado. El recinto debe estar bien ventilado y el aire aspirado debe ser lo más fresco, limpio de polvo y seco posible. Acumulador de aire comprimido El acumulador o depósito sirve para estabilizar el suministro de aire comprimido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías a medida que se consume aire comprimido. Gracias a la gran superficie del acumulador, el aire se refrigera adicionalmente. Por este motivo, en el acumulador se desprende directamente una parte de la humedad del aire en forma de agua

Figura 23: Acumulador

2-14


I.E.S. Foramontanos


El tamaño de un acumulador de aire comprimido depende: Del caudal de suministro del compresor Del consumo de aire De la red de tuberías (volumen suplementario) Del tipo de regulación De la diferencia de presión admisible en el interior de la red. Determinación

del

acumulador

cuando

el

compresor

funciona

Intermitentemente El tamaño de un acumulador puede determinarse según el diagrama de la figura 24.


2-15

Neumática

2-16

I.E.S. Foramontanos


I.E.S. Foramontanos

Distribución del aire comprimido

3. Distribución del aire comprimido

Como resultado de la racionalización y automatización de los dispositivos de fabricación, las empresas precisan continuamente una mayor cantidad de aire. Cada máquina y mecanismo necesita una determinada cantidad de aire, siendo abastecido por un compresor, a través de una red de tuberías. El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de presión entre él depósito y el consumidor no sobrepase 10 kPa (0,1 bar). Si la caída de presión excede de este valor, la rentabilidad del sistema estará amenazada y el rendimiento disminuirá considerablemente. En la planificación de instalaciones nuevas debe preverse una futura ampliación de la demanda de aire, por cuyo motivo deberán dimensionarse generosamente las tuberías. El montaje posterior de una red más importante supone costos dignos de mención. En el organigrama adjunto (figura 3-1) se esquematiza una instalación de aire comprimido y en la figura 3-2 se representa gráficamente una central compresora. ATMOSFERA

FILTRO

AIRE CON AGUA

AIRE COMPRIMIDO

COMPRESOR

SEPARADOR

REFRIGERADOR

AIRE HUMEDO

30 °C

30 °C

130 °C

DEPOSITO REGULADOR

ELIMINACIÓN DE IMPUREZAS AIRE

LIMPIO

SECADOR

AIRE ATMOSFERA

USO

EQUIPO DE MANTENIMIENTO


ACOMETIDA

SECO

RED DE DISTRIBUCIÓN

3-1

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 3-2

3.1 Dimensionado de las tuberías El diámetro de las tuberías no debería elegirse conforme a otros tubos existentes ni de acuerdo con cualquier regla empírica, sino en conformidad con: •

el caudal

•

la longitud de las tuberías

•

la pérdida de presión (admisible) la presión de servicio la cantidad de estrangulamientos en la red

En la práctica se utilizan los valores reunidos con la experiencia. Un nomograma (figura 25) ayuda a encontrar el diámetro de la tubería de una forma rápida y sencilla. Cálculo de una tubería: El consumo de aire en una industria es de 4 m3/min (240 m3/h). En 3 años aumentará un 300%, lo que representa 12 m3/min (720 m3/h). El consumo global asciende a 16 m3/min (960 m3/h) La red tiene una longitud de 280 m; comprende 6 piezas en T, 5 codos normales, 1 válvula de cierre. La pérdida admisible de presión es de A p = 10 kPa (0,1 bar). La presión de servicio es de 800 kPa (S bar). Se busca: El diámetro de la tubería

3-2



I.E.S. Foramontanos

El nomograma de la figura 25, con los datos dados, permite determinar el diámetro provisional de las tuberías. solución: En el nomograma, unir la línea A (longitud M tubo) con la B (cantidad de aire aspirado) y prolongar el trazo hasta C (eje l). Unir la línea E,(presión). En la línea F (eje 2) se obtiene una intersección. Unir los puntos de intersección de los ejes 1 y 2. Esta línea corta la D (diámetro nominal de la tubería) en un punto que proporciona el diámetro deseado. En este caso, se obtiene para el diámetro un valor de 90 mm.

Tomado del manual de neumática de FMA Pokorny, Francfort Autor : Rafael Sancho Cayuso

3-3

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Las resistencias de los elementos estranguladores (válvula de cierre, válvula esquinera, pieza en T, compuerta, codo normal) se indican en longitudes supletorias. Se entiende por longitud supletoria la longitud de una tubería recta que ofrece la misma resistencia al flujo que el elemento estrangulador o el punto de estrangulación. La sección de paso de la "tubería de longitud supletoria" es la misma que la tubería. Un segundo nomograma (figura 26) permite averiguar rápidamente las longitudes supletorias.

3-4



I.E.S. Foramontanos

Con esta longitud total de tubería de 380 m, el consumo de aire, la pérdida de presión y la presión de servicio se puede determinar, como en el problema anterior, con ayuda del nomograma (figura 25) el diámetro definitivo de las tuberías. En este caso, el diámetro es de 95 mm. 3.2 Tendido de la red No solamente importa el dimensionado correcto de las tuberías, sino también el tendido de las mismas. Las tuberías requieren un mantenimiento y vigilancia regulares, por cuyo motivo no deben instalarse dentro de obras ni en emplazamientos demasiado estrechos. En estos casos, la detección de posibles fugas se hace difícil. Pequeñas faltas de estanqueidad ocasionan considerables pérdidas de presión.

En el tendido de las tuberías debe cuidarse, sobre todo , de que la tubería tenga un descenso en el sentido de la corriente, del 1 al 2%. En consideración a la presencia de condensado , las derivaciones para las tomas aire en el caso de que las tuberías estén tendidas horizontalmente, se dispondrán siempre en la parte superior del tubo. Así se evita que el agua condensada que posiblemente en encuentre en la tubería principal llegue a través de las tomas. Para recoger y vaciar el agua condensada se disponen tuberías especiales en la parte inferior de la principal.


3-5

Neumática

I.E.S. Foramontanos

En la mayoría de los casos, la red principal se monta en circuito cerrado. Desde la tubería principal se instalan las uniones de derivación. Con este tipo de montaje de la red de aire comprimido se obtiene una alimentación uniforme cuando el consumo de aire es alto. El aire puede pasar en dos direcciones.

En la red cerrada con interconexiones hay un circuito cerrado, que permite trabajar en cualquier sitio con aire, mediante las conexiones longitudinales y transversales de la tubería de aire comprimido, Ciertas tuberías de aire comprimido pueden ser bloqueadas mediante válvulas de cierre (correderas) si no se necesitan o si hay que separarlas para efectuar reparaciones y trabajos de mantenimiento. También existe la posibilidad de comprobar faltas de estanqueidad.

3-6



I.E.S. Foramontanos

3.3 Material de tuberías 3.3.1 Tuberías principales Para la elección de los materiales brutos, tenemos diversas posibilidades: -

Cobre Tubo de acero negro

-

Latón Tubo de acero galvanizado

-

Acero fino Plástico

Las tuberías deben poderse desarmar fácilmente, ser resistentes a la corrosión y de precio módico. Las tuberías que se instalen de modo permanente se montan preferentemente con uniones soldadas. Estas tuberías así unidas son estancas y, además de precio económico. El inconveniente de estas uniones consiste en que al soldar se producen cascarillas que deben retirarse de las tuberías. De la costura de soldadura se desprenden también fragmentos de oxidación; por eso, conviene y es necesario incorporar una unidad de mantenimiento. En las tuberías de acero galvanizado, los empalmes de rosca no siempre son totalmente herméticos. La resistencia a la corrosión de estas tuberías de acero no es mucho mejor que la del tubo negro. Los lugares desnudos (roscas) también se oxidan, por lo que también en este caso es importante emplear unidades de mantenimiento. Para casos especiales se montan tuberías de cobre o plástico.


3-7

Neumática

I.E.S. Foramontanos

3.3.2 Derivaciones hacia los receptores Los tubos flexibles de goma solamente han de emplearse en aquellos casos en que se exija una flexibilidad en la tubería y no sea posible instalar tuberías de plástico por los esfuerzos mecánicos existentes. Son más caros y no son tan manipulables como las tuberías de plástico. Las tuberías de polietileno y poliamida se utilizan cada vez más en la actualidad para unir equipos de maquinaria. Con racores rápidos se pueden tender de forma rápida, sencilla y económica. 3.4 Uniones Describimos en lo sucesivo los dispositivos de uso común en neumática basándonos básicamente en los modelos Festo , para mas información sobre esta marca ingresar a su página web . 3.4.1 Racores para tubos Aplicables sobre todo para tubos de acero y de cobre Figura 30: Racores de anillo cortante. El empalme puede soltarse y unirse varias veces.

3-8



I.E.S. Foramontanos

figura 31: Racor con anillo de sujeción para tubos de acero y cobre, con anillo interior especial (bicono) también para tubos de plástico .

Figura 32: Racor con borde recalcado

Figura 33: Racor especial con reborde (para tubo de cobre con collarín)


3-9

Neumática

I.E.S. Foramontanos

3.4.2 Acoplamientos Figura 34: Base de enchufe rápido

Figura 35: Racor de enchufe rápido

3.4.3 Racores para tubos flexibles Figura 36: Boquilla con tuerca de racor

3-10



I.E.S. Foramontanos

Figura 37: Boquilla

Figura 38: Racores rápidos para tubos flexibles de plástico

Racor CS


3-11

Neumática

I.E.S. Foramontanos

3. 5 Preparación del aire comprimido 3.5.1 Impurezas En la práctica se presentan muy a menudo los casos en que la calidad del aire comprimido desempeña un papel primordial. Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas veces a averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos . Mientras que la mayor separación del agua de condensación tiene lugar en el separador, después de la refrigeración, la separación fina, el filtrado y otros tratamientos del aire comprimido se efectúan en el puesto de aplicación. Hay que dedicar especial atención a la humedad que contiene el aire comprimido. El agua (humedad) llega al interior de la red con el. aire que aspira el compresor. La cantidad de humedad depende en primer lugar de la humedad relativa del aire, que -a su vez depende de la temperatura del aire y de las condiciones climatológicas. La humedad absoluta es la cantidad de agua contenida en un m3 de aire. El grado de saturación es la cantidad de agua que un m3 de aire puede absorber, como máximo, a la temperatura considerada. La humedad es entonces del 100% , como máximo (temperatura del punto de rocío). El diagrama de la figura 39 muestra la saturación del aire en función de la temperatura.

3-12



I.E.S. Foramontanos

Ejemplo: Para un punto de rocío de 293 K (20'C), la humedad contenida en un m3 de aire es de 17,3 g. Remedio: Filtrado correcto del aire aspirado por el compresor Utilización de compresores exentos de aceite. Si el aire comprimido contiene humedad, habrá de someterse a un secado. Existen varios procedimientos: -

Secado por absorción

-

Secado por adsorción

-

Secado por enfriamiento


3-13

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Figura 39: Característica del punto de rocío

Ejemplo: Para un punto de rocío de 313 K (40 C) la humedad contenida en un m3 de aire es de 50 gramos.

3-14



I.E.S. Foramontanos

Secado por absorción El secado por absorción es un procedimiento puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con ésta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante. Esta mezcla tiene que ser eliminada regularmente del absorbedor. Ello se puede realizar manual o automáticamente. Con el tiempo se consume la sustancia secante, y debe suplirse en intervalos regulares (2 a 4 veces al año). Al mismo tiempo, en el secador por absorción se separan vapores y partículas de aceite. No obstante, las cantidades de aceite, si son grandes, influyen en el funcionamiento del secador. Por esto conviene montar un filtro fino delante de éste. Figura 40: Secado por absorción

El procedimiento de absorción se distingue:


3-15

Neumática

I.E.S. Foramontanos

- Instalación simple - Reducido desgaste mecánico, porque el secador no tiene piezas móviles - No necesita aportación de energía exterior

Secado por adsorción Este principio se basa en un proceso físico. (Adsorber: Deposito de sustancias sobre la superficie de cuerpos sólidos.) El material de secado es granuloso con cantos vivos o en forma de perlas. Se compone de casi un 100% de dióxido de silicio. En general se le da el nombre de Gel . La misión del gel consiste en adsorber el agua y el vapor de agua. El aire comprimido húmedo se hace pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad. La capacidad adsorbente de un lecho de gel es naturalmente limitada. Si está saturado, se regenera de forma simple. A través del secador se sopla aire caliente, que absorbe la humedad del material de secado. El calor necesario para la regeneración puede aplicarse por medio de corriente eléctrica o también con aire comprimido caliente. Disponiendo en paralelo dos secadores, se puede emplear uno para el secado del aire, mientras el otro es regenera (soplándolo con aire caliente). Figura 41: Secado por adsorción

Secado por enfriamiento

3-16



I.E.S. Foramontanos

Los secadores de aire comprimido por enfriamiento se basan en el principio de una reducción de la temperatura del punto de rocío. Se entiende por temperatura del punto de rocío aquella a la que hay que enfriar un gas, al objeto de que se condense el vapor de agua contenido. El aire comprimido a secar entra en el secador pasando primero por el llamado intercambiador de calor de aire-aire. El aire caliente que entra en el secador se enfría mediante aire seco y frío proveniente del intercambiador de calor (vaporizador). El condensado de aceite y agua se evacua del intercambiador de calor, a través del separador . Este aire preenfriado pasa por el grupo frigorífico (vaporizador) y se enfría más hasta una temperatura de unos 274,7 K (1,7 °C) En este proceso se elimina por segunda vez el agua y aceite condensados. Seguidamente se puede hacer pasar el aire comprimido por un filtro fino, al objeto de eliminar nuevamente partículas de suciedad.


3-17

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Figura 42: Secado por enfriamiento

3-18



I.E.S. Foramontanos

3.5.2 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. 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. En el filtro sintetizado (4) [ancho medio de poros, 40 mm] sigue la depuración del aire comprimido. 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. El aire comprimido limpio pasa entonces por el regulador de presión y llega a la unidad de lubricación y de aquí a los consumidores. La condensación acumulada en la parte inferior del recipiente (1) se deberá vaciar antes de que alcance la altura máxima admisible, a través del tornillo de purga (3). Si la cantidad que se condensa es grande, conviene montar una purga automática de agua. Funcionamiento de la purga automática de agua. El agua condensada es separada por el filtro. De vez en cuando hay que vaciar la purga, porque de lo contrario el agua será arrastrada por el aire comprimido hasta los elementos de mando. En la purga de agua mostrada abajo, el vaciado tiene lugar de forma automática. El condensado del filtro llega, a través del tubo de unión (1), a la cámara del flotador (3). A medida que aumenta el nivel del condensado, el flotador (2) sube y a una altura determinada abre, por medio de una palanca, una tobera (10). Por el taladro (9) pasa aire comprimido a la otra cámara y empuja la membrana (6) contra la válvula de purga (4). Esta abre el paso y el condensado puede salir por el taladro (7). El flotador (2) cierra de nuevo la tobera (10) a medida que Autor : Rafael Sancho Cayuso

3-19

Neumática

I.E.S. Foramontanos

disminuye el nivel de condensado. El aire restante escapa a la atmósfera por la tobera (5). La purga puede realizarse también de forma manual con el perno (8). Figura 43: Filtro de aire comprimido con regulador de presión .

3-20



I.E.S. Foramontanos

Figura 44: Purga automática de agua.

3.5.4 Filtro finísimo de aire comprimido Este filtro se emplea en aquellos ramos en que se necesita aire filtrado finísimamente (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).

Funcionamiento Este filtro se diferencia del filtro normal en el hecho de que el aire comprimido atraviesa el cartucho filtrante de dentro hacia afuera. El aire comprimido entra en el filtro por (1), y atraviesa el elemento filtrante (2) (fibras de vidrio boro silicato de dentro hacia afuera. El aire comprimido limpio pasa por la salida (5) a los consumidores. La separación de partículas finísimas hasta 0,01 micrón es posible debido a la finura extraordinaria del tejido filtrante. Las partículas separadas se eliminan del recipiente del filtro, por el tornillo de purga (4). Para que las partículas de agua y Autor : Rafael Sancho Cayuso

3-21

Neumática

I.E.S. Foramontanos

aceite no puedan ser arrastradas por el aire que circula, deben observarse los valores de flujo. 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). Figura 45: Filtro finísimo de aire comprimido

3-22



I.E.S. Foramontanos

3.5.5 Reguladores de presión

Regulador de presión con orificio de escape El regulador tiene la misión de mantener la presión de trabajo (secundaria) lo más constante posible, independientemente de las variaciones que sufra la presión de red (primaria) y del consumo de aire. La presión primaria siempre ha de ser mayor que la secundaria. Es regulada por la membrana (1), que es sometida, por un lado, a la presión de trabajo, y por el otro a la fuerza de un resorte (2), ajustable por medio de un tornillo (3). A medida que la presión de trabajo aumenta, la membrana actúa contra la fuerza del muelle. La sección de paso en el asiento de válvula (4) disminuye hasta que la válvula cierra el paso por completo. En otros términos, la presión es regulada por el caudal que circula. Al tomar aire, la presión de trabajo disminuye y el muelle abre la válvula. La regulación de la presión de salida ajustada consiste, pues, en la apertura y cierre constantes de la válvula. Al objeto de evitar oscilaciones, encima del platillo de válvula (6) hay dispuesto un amortiguador neumático o de muelle (5). La presión de trabajo se visualiza en un manómetro. Cuando la presión secundaria aumenta demasiado, la membrana es empujada contra el muelle. Entonces se abre el orificio de escape en la parte central de la membrana y el aire puede salir a la atmósfera por los orificios de escape existentes en la caja.


3-23

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 46: Regulador de presión con orificio de escape .

Regulador de presión sin orificio de escape En el comercio se encuentran válvulas de regulación de presión sin orificio de escape. Con estas válvulas no es posible evacuar el aire comprimido que se encuentra en las tuberías.

Funcionamiento: Por medio del tornillo de ajuste (2) se pretensa el muelle (8) solidario a la membrana (3). Según el ajuste del muelle (8), se abre más o menos el paso del lado primario al secundario. El vástago (6) con la membrana (5) se separa más o menos del asiento de junta. Si no se toma aire comprimido del lado secundario, la presión aumenta y empuja la membrana (3) venciendo la fuerza del muelle (8). El muelle (7) empuja el vástago hacia abajo, y en el asiento se cierra el paso de aire. Sólo después de haber tomado aire del lado secundario, puede afluir de nuevo aire comprimido del lado primario.

3-24



I.E.S. Foramontanos

Figura 47: Regulador de presión sin orificio de escape .

3.5.6 Lubricador de aire comprimido El lubricador tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en medida suficiente. El lubricante previene un desgaste prematuro de las piezas móviles, reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión. Los lubricadores trabajan generalmente según el principio "Venturi". La diferencia de presión Ap (caída de presión) entre la presión reinante antes de la tobera y la presión en el lugar más estrecho de ésta se emplea para aspirar líquido (aceite) de un depósito y mezclarlo con el aire. El lubricador no trabaja hasta que la velocidad del flujo es suficientemente grande. Si se consume poco aire, la velocidad de flujo en la tobera no alcanza para producir una depresión suficiente y aspirar el aceite del depósito. Por eso, hay que observar los valores de flujo que indique el fabricante,


3-25

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Figura 48: Principio de Venturi

Funcionamiento de un lubricador El lubricador mostrado en este lugar trabaja según el principio Venturi. El aire comprimido atraviesa el aceitador 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. 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. Una determinada cantidad de aceite ejerce presión sobre el aceite que le encuentra en el depósito, a través de la válvula de retención (3).

3-26



I.E.S. Foramontanos

Figura 49: Lubricador de aire comprimido

3.6 Unidad de mantenimiento La unidad de mantenimiento representa una combinación de los siguientes elementos: -

Filtro de aire comprimido

-

Regulador de presión

-

Lubricador de aire comprimido

Deben tenerse en cuenta los siguientes puntos: 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


3-27

Neumática

I.E.S. Foramontanos

caída de presión demasiado grande. Por eso, es imprescindible respetar los valores indicados por el fabricante. 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). Figura 50: Unidad de mantenimiento

3-28



I.E.S. Foramontanos

Figura 51: Símbolo de la unidad de mantenimiento

3.6.1 Conservación de las unidades de mantenimiento Es necesario efectuar en intervalos regulares los trabajos siguientes de conservación a) Filtro de aire comprimido: Debe examinarse periódicamente el nivel de¡ agua condensada, porque no debe sobrepasar la altura indicada en la mirilla de control. De lo contrario, el agua podría ser arrastrada hasta la tubería por el aire comprimido. Para purgar el agua condensada hay que abrir el tornillo existente en la mirilla. Asimismo debe limpiarse el cartucho filtrante. b) Regulador de presión: Cuando está precedido de un filtro, no requiere ningún mantenimiento. c) Lubricador de aire comprimido: Verificar el nivel de aceite en la mirilla y, si es necesario, suplirlo hasta el nivel permitido. Los filtros de plástico y los recipientes de los lubricadores no deben limpiarse con tricloroetileno . Para los lubricadores, utilizar únicamente aceites minerales.


3-29

Neumática

I.E.S. Foramontanos

3.6.2 Caudal en las unidades de mantenimiento Todos los aparatos poseen una resistencia interior, por lo que se produce una caída de presión -hasta que el aire llega a la salida. Esta caída de presión depende M caudal de paso y de la presión de alimentación correspondiente. En el diagrama están representadas varias curvas, por ejemplo, para

En la abscisa está indicada la pérdida de presión A p. Esta es la diferencia entre la presión reinante en el regulador de presión (p,) y la presión a la salida de la unidad (p2). La pérdida máxima de presión A p puede corresponder por tanto a la presión P2. En este caso, la resistencia después de la unidad ha disminuido hasta el valor cero y, por tanto, se dispone de¡ caudal máximo de flujo. Ejemplo:

La unidad de mantenimiento debe elegirse cuidadosamente según el consumo de la instalación. Si no se pospone un depósito, hay que considerar el consumo máximo por unidad de tiempo. Figura 52: Unidad de mantenimiento de R 1/8"

3-30


Actuadores

I.E.S. Foramontanos

4. Actuadores Se denominan actuadores a aquellos elementos que convierten la energía neumática en mecánica, son por tanto motores neumáticos. Se clasifican, según cual sea su clase de movimiento, en actuadores lineales, normalmente llamados cilindros, y en actuadores de giro. 4.1 Actuadores lineales (cilindros neumáticos) El desplazamiento rectilíneo de vaivén es realizado con perfección y sencillez con energía neumática, debido a la escasa inercia del aire comprimido. La utilización de la energía eléctrica para hacer este movimiento requiere un costo superior y sobre todo una mayor complejidad. Los actuadores lineales, también denominados cilindros por tener su carcasa en la mayoría de los casos dicha figura geométrica, se clasifican en dos grupos: cilindros de simple efecto y cilindros de doble efecto, según realicen trabajo mecánico, gracias al aire comprimido, cuando se desplaza el émbolo con su vástago en un sentido solamente o en los dos, respectivamente. 4.1.1 Cilindros de simple efecto Los cilindros de simple efecto pueden ser de émbolo o de membrana. Los primeros, los más usuales, constan de un cuerpo, generalmente cilíndrico, dentro del cual se desplaza un émbolo o pistón al que va solidariamente unido un vástago. En los cilindros de membrana el émbolo se sustituye por una superficie elástica. En ambos casos tienen una sola conexión de aire comprimido por dónde entra el aire cuando se quiere hacer salir el vástago y por dónde sale cuando se desea que el vástago regrese. El émbolo o la membrana retorna por el efecto de un muelle incorporado o bien gracias a alguna fuerza externa. Están preparados para que sólo realicen trabajo más que en un sentido, entrada o salida del vástago. Se requiere aire sólo para el desplazamiento en un solo sentido (Figura 4-1).


4-1

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 4-1 Cilindro de simple efecto El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande. La longitud de dicho muelle limita la carrera, no sobrepasando normalmente los 80 ó 100 mm. Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc. En la figura 6 se puede observar un cilindro de este tipo así como su representación esquemática según la Norma ISO 1213, la cual simboliza exclusivamente su función, siendo independiente de los detalles constructivos del mismo. La estanquidad entre las dos caras del émbolo se logra con una junta toroidal de material flexible, que se inserta en el pistón, entre éste y el propio cilindro metálico. Durante el movimiento del émbolo, los labios de la junta elastomérica se deslizan sobre la pared interna del cilindro. En determinadas ocasiones el trabajo lo realiza el muelle en lugar del aire comprimido, mientras que gracias a éste se efectúa el movimiento de retorno. Es el caso de frenos de locomotora o de camión, que por cuestiones de seguridad el esfuerzo de frenado lo debe realizar la energía más fiable, que aquí es la energía mecánica del muelle, mientras que la eliminación del freno lo hace el aire comprimido. En la Figura 4-2 se representa un actuador lineal de membrana donde una placa de goma, plástico o metal reemplaza aquí al émbolo. El vástago se fija al centro de la membrana. Se consigue una estanqueidad total puesto que no hay piezas que se deslicen.

4-2


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

Figura 4-2 Cilindro de membrana

Su carrera está bastante limitada. El esfuerzo puede alcanzar valores importantes en función de la superficie de la membrana. Se emplean en la construcción de dispositivos y herramientas, así como para estampar, remachar y fijar. Existen construcciones especiales (figura 4-3) que permiten obtener carreras superiores, como es el caso de los cilindros con membrana enrollable. El esfuerzo que realiza un cilindro de simple efecto es:

F = p ⋅ A − FR − Fr donde p es la presión manométrica del aire comprimido, A el área de la sección transversal del cilindro, FR la fuerza del resorte y Fr la fuerza de rozamiento entre émbolo y vástago con el cilindro. En los catálogos comerciales figuran los esfuerzos que son capaces de hacer cada cilindro.

Figura 4-3 Cilindro de membrana arrollable

Una cuestión importante a resaltar es que en toda clase de cilindros la fuerza que proporciona es aproximadamente proporcional a la presión del aire comprimido, mientras que la velocidad con que se desplaza el émbolo es función


4-3

I.E.S. Foramontanos

Neumática

del caudal de aire que penetra en el cilindro y que la posición de aquel depende del volumen de aire que hubiera entrado en él hasta el momento considerado. Por otra parte hay que tener en cuenta que el vástago sólo debe ser sometido a tracción o compresión y no ha de ser sometido a flexión, ya que o no funcionaría o la vida del cilindro disminuiría en gran medida, puesto que sufriría el cojinete de apoyo del vástago en el punto de entrada de éste en el cilindro. Además el esfuerzo de compresión está limitado por el pandeo dependiendo éste de la longitud del vástago en posición externa y de su sección transversal. Los catálogos comerciales indican los valores que no deben ser superados. 4.1.2 Cilindros de doble efecto

Figura 4-4 Cilindro de doble efecto

La fuerza ejercida por el aire comprimido, en los cilindros de doble efecto, impulsa al émbolo en los dos sentidos. Dispone, por lo tanto, dos conexiones. Realiza una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno, pero por efecto del vástago, la sección útil es mayor en una sección que en la otra, por lo que la fuerza realizada será también mayor en un sentido que en el otro. A diferencia del cilindro de simple efecto no lleva muelle por lo que pueden alcanzar mayores longitudes de carrera. En este caso la limitación puede derivarse del pandeo y de la flexión que pueda sufrir el vástago salido (Figura 4-4). Cilindros con amortiguación interna

Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, los esfuerzos que realiza son importantes o la velocidad del vástago alcanza determinados valores, sobre 0,5 m/s, el émbolo cuando llega a sus fines de carrera puede llegar a producir choques bruscos indeseables. Para atenuar este efecto se utiliza un sistema de amortiguación interna que entra en acción momentos antes de 4-4


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

alcanzar el final de la carrera. Antes de alcanzar la posición final, un émbolo auxiliar amortigua el golpe al introducirse en un cilindro, también auxiliar, cortando la salida directa y fácil del aire al exterior, obligándole a pasar por un orificio de escape reducido, a menudo ajustable desde el exterior, con lo que se consigue reducir la velocidad en el último tramo del desplazamiento y amortiguar el golpe. El dispositivo puede disponerse en uno o en los dos extremos del cilindro.

Figura 4-5 Cilindro de doble efecto con amortiguación interna

El aire al salir del cilindro cierra una válvula antirretorno y ha de pasar por la estrangulación citada, mientras que cuando el émbolo empieza a desplazarse en el sentido contrario el aire pasa por la válvula antirretorno en su sentido favorable y se traslada sin problema. En la Figura 4-5 puede observarse lo descrito así como su representación esquemática. El pequeño rectángulo junto al émbolo indica amortiguación y la flecha cruzada señala que puede regularse desde el exterior. Los esfuerzos que realiza un cilindro cuando su émbolo se desplaza en uno u otro sentido, son los siguientes:

F1 = p ⋅ A c − Fr o bien:

F2 = p ⋅ A cc − Fr donde Ac es el área de la sección circular transversal del cilindro y Acc es la correspondiente a la corona circular existente en el lado del vástago, p la presión manométrica de trabajo y Fr la fuerza de rozamiento. La fuerza de rozamiento oscila entre el 10 y el 20% de la fuerza total. Los catálogos comerciales facilitan, igualmente, tales valores. Autor : Rafael Sancho Cayuso

4-5

I.E.S. Foramontanos

Neumática

4.1.3 Cilindros de doble efecto de ejecución especial Existen una serie de cilindros especiales que sirven para cumplir diferentes objetivos, aquí se presentan algunos, pero dirigimos al lector a los catálogos de la firmas comerciales si desea conocer todos los cilindros que fabrican así como sus dimensiones y especificaciones. 4.1.3.1 Cilindros de doble vástago

Figura 4-6 Cilindro de doble vástago

Este tipo de cilindros disponen de un vástago corrido hacia ambos lados del émbolo. La guía es mejor que los de simple vástago, porque dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber también cargas pequeñas laterales. Los elementos que sirven para señalar su posición en los finales de carrera pueden disponerse en el lado libre del vástago. La fuerza lógicamente es igual en los dos sentidos ya que las dos superficies donde actúa el aire son iguales (Figura 4-6). 4.1.3.2 Cilindro tándem

Figura 4-7 Cilindro tándem

Está constituido por dos cilindros de doble efecto dispuestos en serie formando una unidad. Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente

4-6


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza casi el doble que la de un cilindro normal del mismo diámetro. Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un espacio determinado, no siendo posible utilizar cilindros de un diámetro mayor (Figura 4-7) 4.1.3.3 Cilindro multiposicional Este cilindro está constituido por dos cilindros de doble efecto dispuestos enfrentados, encontrándose fijo el extremo de un vástago de un cilindro y desplazable el del otro, pudiendo llegar a ocupar cuatro posiciones según las caras de los émbolos a los que se aplique

presión. Estos elementos están

acoplados como muestra el esquema (Figura 4-8).

Figura 4-8 Cilindro multiposicional

Este tipo de cilindros puede utilizarse para la colocación de piezas en diferentes posiciones, para mando de palancas, dispositivos de clasificación o cuestiones similares. 4.1.3.4 Cilindro de impacto

Figura 4-9 Cilindro de Impacto

Si se utilizan cilindros normales para trabajos de conformación, las fuerzas disponibles son, a menudo, insuficientes. El cilindro de impacto consigue velocidades de desplazamiento notablemente más altas que las normales, pudiendo llegar a alcanzarse los 10 m/s, en tanto que aquellos no suelen superar el m/s. Autor : Rafael Sancho Cayuso

4-7

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Este tipo de cilindros disponen de un almacén de aire comprimido en la propia carcasa de aquel de tal manera que cuando se elimina el aire de la otra cara del émbolo pasa éste por un orificio amplio en caudal suficiente para obtener tales velocidades. La energía de estos cilindros se utiliza para prensar, rebordear, remachar, estampar, etc. (Figura 4-9). X

X

La fuerza de impacto es digna de mención en relación con sus dimensiones. En muchos casos, estos cilindros reemplazan a prensas. Cuando las profundidades de conformación son grandes, la velocidad disminuye rápidamente y, por consiguiente, también la energía de impacto; por eso, estos cilindros no son apropiados cuando se trata de carreras de conformación elevadas. 4.1.3.5 Actuador lineal sin vástago Los actuadores sin vástago constan tan solo de émbolo, careciendo de aquel, transmitiendo el desplazamiento de éste al exterior por arrastre magnético o en los más modernos, como es el caso de las Figura 4-10 y 4-11, a través de X

X

una unión mecánica émbolo - arrastrador. El espacio ocupado es más reducido que en los cilindros neumáticos convencionales. Una cinta metálica y un sistema separador protegen el émbolo del exterior, consiguiendo un efecto cremallera obteniendo

una

buena

estanqueidad.

En

el

arrastrador

pueden

fijarse

mecanismos, cargas u otros actuadores, con el fin de que efectúen el trabajo pertinente. Por otra parte en el émbolo pueden instalarse imanes permanentes que sirvan para detectar sin contacto las posiciones intermedias y finales del actuador lineal, mediante detectores de proximidad.

Figura 4-10 Sección de un actuador sin vástago

4-8


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

Figura 4-11 Perspectiva de un actuador sin vástago

4.1.3.6 Cilindro de giro Se trata de cilindros de doble efecto que convierten el movimiento de vaivén en giro en uno y otro sentido. Lo anterior se consigue sin más que disponer que el vástago sea una cremallera que arrastre un piñón. Los ángulos de giro normales son de 45º, 90º, 180º, 290º hasta 720º. Es posible determinar el margen de giro dentro del total por medio de un tornillo de ajuste (Figura 4-12). X

X

El par de giro es función de la presión, de la superficie del émbolo y de la desmultiplicación. Los accionamientos de giro se emplean para voltear piezas, doblar tubos metálicos, regular acondicionadores de aire, accionar válvulas de cierre, etc.


4-9

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 4-12 Cilindro de giro

4.1.3.7 Cilindro de émbolo giratorio

Figura 4-13 Actuador de giro

Como los cilindros de giro, éste también puede realizar un movimiento angular limitado, que rara vez sobrepasa los 300º. Constan de una carcasa cilíndrica de diámetro grande y anchura reducida; el émbolo se sustituye por una pieza radial que gira sobre su el eje del cilindro y separa las dos partes del actuador. La estanqueización presenta dificultades y el diámetro o el ancho permiten a menudo obtener sólo pares de fuerza pequeños. Estos cilindros no se utilizan mucho en neumática, pero en hidráulica se ven con frecuencia (Figura 4X

13) X

4-10


Actuadores

I.E.S. Foramontanos

La evolución del desarrollo de la neumática en los últimos tiempos ha modificado y está modificando constantemente el diseño de los cilindros de doble efecto, apareciendo continuamente novedades, por lo que dirigimos al lector a los catálogos comerciales como el mejor lugar para poderlo apreciar. 4.1.3.8 Pinzas Una actividad que se realiza con gran frecuencia en los procesos es la acción de coger o atrapar una pieza para su transporte, esto se realiza mediante actuadores especiales que pinzan aquélla. Disponen de dos o más dedos que se desplazan al unísono hacia un centro común. Existen distintos tipos en el mercado, algunos de los cuales se representan en las figuras 4-14 y 4-15.

Figura 4-14 Pinzas de apertura paralela

Figura 4-15 Pinzas de apertura angular

4.2 Fijaciones Una cuestión fundamental en los actuadores es su fijación a la obra muerta que a la postre es la que recibe, debido al principio de acción y reacción, el esfuerzo que se le pide al actuador. El tipo de fijación viene determinado por la manera en que el cilindro es montado en la máquina y el tipo de esfuerzo que ha de realizar. El cilindro puede ser diseñado con un determinado tipo de fijación si está destinado a una función específica. Alternativamente, el cilindro puede utilizar


4-11

I.E.S. Foramontanos

Neumática

fijaciones de serie ajustables a las distintas partes del cilindro, como las que se esquematizan en la Figura 4-16. X

X

Figura 4-16 Tipos de fijación

4.3 Constitución de los cilindros El cilindro de émbolo se compone de: tubo, tapa posterior o culata (fondo) y tapa anterior con cojinete (manguito doble de copa), vástago, casquillo de cojinete y aro rascador; además, de piezas de unión, racores de conexión y juntas.

Figura 4-17 Estructura de un cilindro neumático con amortiguación final de carrera

El tubo cilíndrico (1) (figura 4-17) se fabrica en la mayoría de los casos de tubo de acero embutido sin soldadura. Para prolongar la duración de las juntas, la 4-12


Actuadores

I.E.S. Foramontanos

superficie interior del tubo debe someterse a un mecanizado de precisión (bruñido). Para aplicaciones especiales, el tubo se construye de aluminio, latón o de tubo de acero con superficie de rodadura cromada. Estas ejecuciones especiales se emplean cuando los cilindros no se accionan con frecuencia o para protegerlos de influencias corrosivas. Para las tapas posterior fondo (2) y anterior (3) se emplea preferentemente material de fundición, de aluminio o maleable. La fijación de ambas tapas en el tubo puede realizarse mediante tirantes, roscas o bridas. El vástago (4) se fabrica preferentemente de acero bonificado. Este acero contiene un determinado porcentaje de cromo que lo protege de la corrosión. El émbolo se somete en ciertos casos a un tratamiento de temple. Su superficie se comprime en un proceso de rodado entre discos planos. La rugosidad del vástago es de 1 μm. En general, las roscas se laminan al objeto de prevenir el riesgo de roturas. En cilindros hidráulicos debe emplearse un vástago cromado (con cromo duro) o templado. Para que el conjunto sea hermético se monta en la tapa anterior un collarín obturador (5). De la guía de vástago se hace cargo un casquillo - cojinete (6), que puede ser de bronce sinterizado o un casquillo metálico con revestimiento de plástico. Delante del casquillo - cojinete se dispone un aro rascador (7) que impide que entren partículas de polvo suciedad en el interior del cilindro. El manguito doble de copa (8) le proporciona estanquidad a la cámara del cilindro. La separación de ambas cámaras del cilindro se realiza mediante juntas tóricas o anillos toroidales (9), existiendo diferentes tipos de secciones transversales diferentes, tales como las que se muestran en la figura 4-18.


4-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 4-18 Tipos de juntas

4.4 Variables a tener en cuenta en la selección de los actuadores 4.4.1 Fuerza del émbolo En primer término teniendo en cuenta el proceso que el cilindro ha de realizar se calcula el esfuerzo que debe hacer. Conocido este valor se selecciona el cilindro entre aquellos que figuran en los catálogos comerciales. Las fuerzas que son capaces de realizar los cilindros dependen de la presión del aire, del diámetro del cilindro y del rozamiento de las juntas, tal como se ha explicado anteriormente. Los catálogos comerciales facilitan el esfuerzo a una determinada presión que será necesario corregir si fuese diferente a aquella con que realmente vaya a trabajar . Se advierte que es necesario conocer si los datos de los catálogos se refieren a presiones absolutas o manométricas, normalmente estas últimas. Si la presión de trabajo, p’, fuese diferente de la indicada en el catálogo, p, será necesario efectuar la siguiente corrección:

F’ = p’. A - Fr B

siendo Fr = p.A – F B

4-14

B


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

El ábaco de la Figura 4-19 permite conocer de manera aproximada la X

X

fuerza proporcionada por un cilindro cuando el aire comprimido actúa sobre toda la sección circular del émbolo en función de la presión y del diámetro del cilindro.


4-15

Neumática

I.E.S. Foramontanos

4.4.2 Longitud de carrera La carrera es el recorrido máximo que puede abarcar el vástago de un cilindro, la cual viene indicado en los catálogos comerciales. Dicho parámetro oscila entre los 10 mm, e incluso menos, en actuadores de pequeñas dimensiones, hasta los 100 mm en los cilindros de simple efecto y hasta los 800 mm en los de doble efecto, si bien estos pueden alcanzar longitudes notablemente superiores del orden de los 2m en construcciones especiales, Incluso en el caso de cilindros sin vástago pueden construirse con una carrera de 5 m y todavía mayores. Una cuestión que siempre hay que tener en cuenta en el momento de seleccionar un cilindro es la limitación de su carrera a causa del posible pandeo. En este factor influye además del recorrido la fuerza a realizar y el diámetro del vástago. En la Figura 4-21 se dispone un ábaco en el que se puede estudiar tal limitación. Otro esfuerzo a tener en cuenta que depende de la longitud de carrera es el que soportan los cojinetes guía del vástago. 4.4.3 Velocidad del émbolo La velocidad del émbolo en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista, de la presión del aire, de la longitud de la tubería de alimentación, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento de mando. Además, influye en la velocidad la amortiguación de final de carrera. La velocidad media del émbolo, en cilindros standard, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s. En los ábacos de la Figura 4-22 se puede calcular de forma aproximada la velocidad del émbolo en determinados casos, sin embargo serán los catálogos comerciales los que en última instancia facilitarán datos para conocerla.

4-16


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, las antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido proporcionan velocidades mayores o menores (5.3.4 y 5.3.5). Se puede conseguir una velocidad regular de desplazamiento disponiendo en paralelo con el cilindro neumático un cilindro oleohidráulico, es decir, lo que se denomina una unidad oleoneumática en el que el cilindro neumático efectúa el esfuerzo y el otro consigue la regulación de la velocidad, tal como se observa en la figura 4-20

Figura 4-20 Unidad Oleoneumática

4.4.4 Consumo de aire Con el fin de dimensionar convenientemente la central compresora es preciso conocer el consumo de aire. Debido a la diferencia de presiones con que pueden trabajar los cilindros

y otros elementos neumáticos se miden los

consumos de aire en condiciones normales, es decir a la presión atmosférica normal y a 0º C. El gasto en un cilindro en una embolada es, por tanto igual a la relación de compresión por la superficie transversal del émbolo o de la corona circular existente entre vástago y cilindro y por la carrera, utilizando obviamente unidades coherentes. La relación de compresión es:

r


101,3.10 3 + p = 101,3.10 3 4-17

Neumática

I.E.S. Foramontanos

donde p es la presión manométrica de trabajo en Pa. Para expresar el caudal en condiciones normales se añade una N, como por ejemplo 50 lN/min. La figura 4-23 contiene un ábaco que facilita el cálculo del consumo de aire de los cilindros por cm de carrera en función de su diámetro y de la presión manométrica de trabajo, a lo que habrá que añadir en cada embolada el espacio inútil o perjudicial que necesariamente tiene todo actuador, que viene facilitado en los catálogos.

4-18


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

Figura 4-21 Diagrama de pandeo


4-19

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Figura 4-22 Cálculo aproximado de la velocidad

4-20


Actuadores


I.E.S. Foramontanos

4-21

I.E.S. Foramontanos

Neumática

4.5 Elementos neumáticos con movimiento giratorio Estos actuadores transforman la energía neumática en un par mecánico, se trata, por tanto, de motores neumáticos. Obviamente su ángulo de giro no está limitado.

Gozan

de

unas

características

singulares

que

los

hacen

extraordinariamente útiles y por tanto muy utilizados. Poseen par de arranque. Puede regularse su velocidad de rotación y su par motor sin escalones desde cero hasta su valor máximo. Algunos de ellos pueden girar a velocidades no superadas por ninguna otra máquina, existiendo una gran selección de motores con diferentes velocidades de rotación. Sus dimensiones son reducidas con poco peso. No se estropean ante una sobrecarga sino que solamente se paran, poniéndose de nuevo en marcha cuando aquella se reduce. Tienen una gran fiablidad. Son insensibles al polvo, agua y variaciones térmicas, no teniendo peligro de explosión o deflagración. No requieren especialistas ni para su instalación ni para su mantenimiento, necesitando de cuidados muy reducidos. Su sentido de rotación es fácilmente reversible y además, muchos de ellos pueden trabajar como compresores. En la figura 4-24 se muestran sus curvas características que relacionan la potencia, el par y el caudal con la velocidad de giro.

Figura 4-24 Curvas características de motores neumáticos

Según su concepción se distinguen: ♣

4-22

Motores de émbolo Autor : Rafael Sancho Cayuso

I.E.S. Foramontanos

Actuadores ♣

Motores de aletas

♣

Motores de engranajes

♣

Turbomotores

4.5.1 Motores de émbolo Su funcionamiento es análogo al de los cilindros de doble efecto. Están formados por una serie de cilindros dispuestos en paralelo y trabajando de manera desfasada, dispuestos de manera

radial

o

paralelos

entre

si,

constituyendo los motores de émbolo radiales y axiales respectivamente. Su potencia depende de la presión de entrada, del número de cilindros y de la superficie transversal y velocidad de éstos. En las figura 4-24 se muestra el esquema de un motor radial y en la 4-25 una corte de uno axial. La fuerza producida por la presión sobre los émbolos se transforma por medio de un sistema biela manivela en el caso de los radiales o por un plato oscilante en laos axiales en un movimiento rotativo. Estos motores tienen la ventaja de ser reversibles, es decir pueden funcionar como motor o como compresor y poder girar en los dos sentidos. La velocidad máxima es de unas 5.000 rpm, y la potencia a preisón normal varía entre 1,5 y 19 kW.


4-23

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 4-25 Motores de embolo radiales

Figura 4-26 Motor de pistones axiales

4.5.2 Motores de paletas Constan de un rotor excéntrico dotado de ranuras que gira en una cámara cilíndrica. En las ranuras se deslizan aletas, que son empujadas contra la pared interior del cilindro por el efecto de la fuerza centrífuga, garantizando así la estanquidad entre las diversas cámaras en que queda dividida la carcasa. El aire

4-24


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

a presión que penetra por un orificio actúa sobre las aletas creando el par motor (figura 4-27). La velocidad de estos motores oscila entre 3.000 y 8.500 rpm, con potencias comprendidas entre 0,1 a 17 kW.

Figura 4-27 Motor de aletas

4.5.3 Motor de engranajes En este tipo de motores el par de rotación es engendrado por la presión que ejerce el aire sobre los flancos de los dientes de piñones engranados. Uno de los piñones es solidario con el eje del motor. Estos motores sirven de máquinas propulsoras de gran potencia de hasta 44 kW (figura 4-28)

Figura 4-28 Motor de engranajes


4-25

I.E.S. Foramontanos

Neumática

4.5.4 Turbomotores Así como todos los motores anteriores son máquinas de desplazamiento positivo estas son turbomáquinas. Son aptos únicamente para potencias pequeñas, pero su velocidad puede alcanzar valores extraordinariamente elevados como es el caso del torno del dentista que puede alcanzar hasta 500.000

rpm.

Su

principio

de

funcionamiento

es

el

mismo

que

los

turbocompresores, es decir el teorema de la cantidad de movimiento (figura 4-29).

Figura 4-29 Turbomotor

4.6 Parámetros básicos. Los parámetros básicos de los actuadores neumáticos son:

4-26

•

Cilindros.

Fuerza y carrera.

•

Actuadores de giro.

Par y ángulo.

•

Motores neumáticos.

Par y revoluciones.


I.E.S. Foramontanos

Actuadores

Cilindros. Son actuadores de acción lineal; transforman la energía del aire comprimido en trabajo mecánico definido por: T=F⋅e=P⋅S⋅L Siendo

P = presión. S = superficie o sección. L = carrera.

Por su morfología los cilindros tienen dos constantes principales: Sección y Carrera

D

d

carrera

S

S1

Figura: Sección esquemática de un cilindro neumático de doble efecto (DE) con sus constantes. La sección activa del cilindro, al ser éste generalmente circular, viene dada por: S = πR

2

=

πD

2

4

La fuerza teórica que es capaz de ejercer un cilindro viene dada F = p⋅S = p

πD 2

4 Expresando la presión en kilogramos por centímetro cuadrado y el diámetro en centímetros, la fuerza nos viene expresada en kilogramos. La carrera, la otra constante del cilindro, viene definida por la diferencia de posición entre las dos situaciones extremas del émbolo.


4-27

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Al efectuar los cálculos de esfuerzos debe tenerse en cuenta que en el sentido de salida del vástago la superficie es más pequeña, puesto que es preciso descontar la superficie del vástago. Siendo D, el diámetro interior del tubo y d el diámetro del vástago, la superficie activa viene dada por: D2 − d 2 4

S1 = π

Y la fuerza, por tanto, que efectúa el cilindro en el sentido de entrada es: F1 = p ⋅ π

D2 − d 2 4

El consumo de aire en un cilindro neumático se mide en litros por metro en condiciones normales y depende de su diámetro, de su carrera y del número de ciclos de ida y vuelta que efectúa en la unidad de tiempo. En cilindros grandes puede tenerse en cuenta la deducción del volumen del vástago, pero en cilindros pequeños esta diferencia de consumo resulta despreciable. Volumen del cilindro en el sentido de salida del vástago para la carrera C: V=

πD 2 4

⋅C

Volumen del cilindro en el sentido de entrada del vástago: V1 =

π (D 2 − d 2 ) 4

⋅C

La suma de V + V1 representa el volumen del cilindro en una carrera de ida y vuelta.

4-28


I.E.S. Foramontanos

Válvulas

5. Válvulas 5.1 Generalidades Los circuitos neumáticos están constituidos por los actuadores que efectúan el trabajo y por aquellos elementos de señalización y de mando que gobiernan el paso del aire comprimido. Y por lo tanto la maniobra de aquellos, que se denominan de una manera genérica válvulas. Estos elementos son válvulas que tienen como finalidad mandar o regular la puesta en marcha o el paro del sistema, el sentido del flujo, así como la presión o el caudal del fluido procedente del depósito regulador. Según su función las válvulas se subdividen en los cinco grupos siguientes: 1.

Válvulas de vías o distribuidoras

2.

Válvulas de bloqueo

3.

Válvulas de presión

4.

Válvulas de caudal

5.

Válvulas de cierre

5.2 Válvulas distribuidoras Estas válvulas son los componentes que determinan el camino que ha de seguir el aire en cada momento, gobernando a la postre el sentido de desplazamiento de los actuadores. 5.2.1 Representación esquemática de las válvulas Análogamente que en los actuadores es preciso utilizar una representación simbólica para expresar gráficamente las válvulas, como en aquel caso se utilizan anagramas que representan exclusivamente su función de una manera tremendamente significativa. No indican detalles constructivos, representándose de idéntica manera válvulas diferentes constructivamente hablando pero que cumplen la misma función. La representación que se utiliza corresponde a la norma ISO 1219, que es idéntica a la norma de la Comisión Europea de la Transmisiones Neumáticas y


5-1

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Oleohidráulicas (CETOP). A continuación se relacionan las cuestiones más importantes. Cada posición que puede adoptar una válvula distribuidora se representa por medio de un cuadrado El número de cuadrados yuxtapuestos indica el número de posibles posiciones de la válvula distribuidora. El funcionamiento de cada posición se representa esquemáticamente en el interior de cada casilla Las líneas representan los conductos internos de la válvula. Las flechas, el sentido prioritario de circulación del fluido. Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales. La unión de conductos internos se representa mediante un punto Las conexiones externas (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo inicial. Las uniones con los actuadores en la parte superior y la alimentación de aire comprimido y el escape en la inferior. La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan. Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas

a

b

a, b, c... Si la válvula es de tres posiciones, la intermedia es la de reposo.

a

0

b

Por posición de reposo se entiende, en el caso de válvulas con dispositivo de reposición automática, aquella posición que las piezas móviles ocupan cuando sobre la válvula no se ejerce ninguna acción. Se denomina igualmente posición estable. Los conductos de escape sin empalme de tubo, es decir cuando el aire se evacua directamente a la atmósfera se representan mediante un triángulo unido al símbolo de la válvula. Si el fluido que circula es aire comprimido, es decir en neumática, el triángulo tendrá aristas negras y fondo blanco. Si se trata de aceite, o sea en oleohidráulica, el triángulo será negro en su totalidad.


5-2

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Los conductos de escape a través de un conducto se representan con un triángulo ligeramente separado del símbolo de la válvula

Las conexiones externas se identifican por medio de letras mayúsculas o números:

• Tuberías o conductos de trabajo, es decir las uniones con los actuadores: A, B, … o bien 2,4,6

• Conexión con la alimentación del aire comprimido: P ó 1 • Salida de escape R, S, T ó 3,5,7 • Tuberías o conductos de pilotaje (maniobra con aire comprimido) X, Y, Z ó 12,14, Las válvulas distribuidoras se denominan por su número de vías o conexiones con el exterior y el de posiciones, separadas por una barra; por ejemplo una válvula 3/2 significa que tiene tres conexiones con el exterior (una con un actuador, otra la alimentación y la tercera el escape) y que puede ocupar dos posiciones diferentes. En el apartado 6.1 se acompaña en parte la norma ISO 1219 con la simbología

utilizada

para

la

representación

de

actuadores,

válvulas,

accionamiento de éstas y otros elementos neumáticos. 5.2.2 Accionamiento de válvulas Las válvulas pueden ser accionadas de diferentes maneras, incluso pueden accionarse de manera distinta en un sentido u otro. El accionamiento puede ser manual, mecánico, neumático o eléctrico. El primero se hace mediante pulsador, palanca o pedal. El mecánico se efectúa por medio de una leva , muelle o rodillo; éste puede ser normal o escamoteable, es decir si sólo actúa cuando se desplaza el rodillo en un sentido mientras que en el otro se retrae. Tales accionamientos se representan en las líneas laterales de los cuadrados extremos que simbolizan las válvulas, mediante un pequeño símbolo. Como se ha indicado en el apartado 5.2.1 figura la simbología empleada para representar este detalle. Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-3

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 5-1 Tipos de accionamiento de válvulas distribuidoras.

5.2.3 Características constructivas de las válvulas distribuidoras Las características constructivas de las válvulas determinan su forma de trabajar, la fuerza de accionamiento requerida, el desplazamiento del obturador, su grado de estanquidad, su racordaje o conexiones externas, su tamaño, su robustez y posible duración y otras características. Según su construcción, se distinguen los tipos siguientes:

• Válvulas de asiento • Válvulas de corredera


5-4

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

5.2.4 Válvulas de asiento En estas válvulas el obturador está formado por bolas, semiesferas, discos, placas o conos que apoyan sobre un asiento, obteniendo una perfecta estanquidad de una manera muy simple. Los elementos de desgaste son muy pocos y, por tanto, estas válvulas tienen gran duración. Son insensibles a la suciedad y muy robustas. Se requiere una fuerza de accionamiento relativamente elevada, puesto que

es

necesario

vencer

la

resistencia

del

muelle

incorporado

de

reposicionamiento y la presión del aire. El desplazamiento del obturador para pasar de abierta a cerrada es muy reducido. 5.2.4.1 Válvulas de asiento esférico Estas válvulas son de concepción muy simple y, por tanto, muy económicas. Se distinguen por sus dimensiones muy pequeñas. Un muelle mantiene apretada la bola contra el asiento; el aire comprimido no puede fluir del empalme 1 (P) hacia la tubería de trabajo 2 (A). Al accionar el taqué, la bola se separa del asiento. Es necesario vencer al efecto la resistencia del muelle de reposicionamiento y la fuerza del aire comprimido. Estas válvulas distribuidoras pueden ser 2/2 (Figura 5-2) o bien 3/2 (Figura 5-3) con escape a través del taqué de accionamiento. El accionamiento puede ser manual o mecánico.

Figura 5-2 Válvula distribuidora 2/2


5.2.4.2 Válvulas de asiento plano Disponen de una junta simple que asegura la estanquidad necesaria. El tiempo de repuesta es muy pequeño puesto que con un desplazamiento corto se Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-5

I.E.S. Foramontanos

Neumática

consigue un gran caudal de paso. También estas válvulas son insensibles a la suciedad y tienen, por eso, una duración muy larga. Al accionar el taqué, en primer término se unen simultáneamente los tres empalmes P, A y R. Como consecuencia, en movimientos lentos, una cantidad grande de aire comprimido escapa de P directamente a la atmósfera R, sin haber realizado antes trabajo. Se dice que esta válvulas tienen solape. Las válvulas construidas según el principio de disco individual tienen un escape sin solape. No se pierde aire cuando la conmutación tiene lugar de forma lenta. En estas válvulas al accionar el taqué se cierra primeramente el conducto de escape de A hacia R, porque el taqué asienta sobre el disco, antes de abrir el conducto de P. Al seguir apretando, el disco se separa del asiento, y el aire puede circular de P hacia A. El reposicionamiento se realiza mediante un muelle. En la Figura 5-4 se representa una válvula normalmente cerrada de este tipo. Las válvulas distribuidoras 3/2 se utilizan para mandos con cilindros de simple efecto o para el pilotaje de servoelementos.

Figura 5-4 Válvula distribuidora 3/2 cerrada en reposo

En el caso de una válvula normalmente abierta o abierta en reposo (abierta de P hacia A), al accionar el taqué se cierra con un disco el paso de P hacia A. Al seguir apretando, otro disco se levanta de su asiento y abre el paso de A hacia R. El aire puede escapar entonces por R. Al soltar el taqué, los muelles reposicionan el émbolo con los discos estanquizantes hasta su posición inicial (Figura 5-5).


5-6

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-5 Válvula 3/2 inicialmente abierta

Las válvulas pueden accionarse manualmente o por medio de elementos mecánicos, eléctricos o neumáticos. El caso de una válvula 3/2 accionada neumáticamente puede verse en la Figura 5-6. Al aplicar aire comprimido al émbolo de mando a través del empalme Z (12) se desplaza el émbolo de la válvula venciendo la fuerza del muelle de reposicionamiento. Se unen los conductos P (1) y A (2). Cuando se pone a escape el conducto de mando Z, el émbolo de mando regresa a su posición inicial por el efecto del muelle montado. El disco cierra el paso de P (1) hacia A (2). El aire de salida del conducto de trabajo A (2) puede escapar por R (3).

Figura 5-6 Válvula 3/2 accionada neumáticamente

Una válvula 4/2 que trabaja según este principio es una combinación de dos válvulas 3/2, una de ellas normalmente cerrada y la otra normalmente abierta alojadas dentro de la misma carcasa. Los conductos de P(1) hacia B(4) y de A(2) hacia R(3) están abiertos. Al accionar simultáneamente los dos taqués, se cierra el paso de P(1) hacia B(4) y Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-7

I.E.S. Foramontanos

Neumática

de A(2) hacia R(4). Al seguir apretando los taqués contra los discos, venciendo la fuerza de los muelles de reposicionamiento, se abren los pasos de P(1) hacia A(2) y de B(4) hacia R(3) Figura 5-7. Esta válvula tiene un escape sin solape y regresa a su posición inicial por la fuerza de los muelles. Se emplea para mandos de cilindros de doble efecto.


En la Figura 5-8 se observa una válvula distribuidora 5/2 que trabaja según el principio de las válvulas de disco flotante. Se invierte alternativamente por pilotaje mediante aire comprimido y permanece en la posición correspondiente hasta que recibe un impulso inverso. Se dice que es una válvula biestable. Al recibir presión, el émbolo de mando se desplaza. En el centro de dicho émbolo se encuentra un disco con una junta anular, que une los conductos de trabajo A (2) ó B (4) con empalme de presión P (1) o los separa de éste. El escape se realiza a través de R (3) ó S (5). Una placa de montaje universal, sobre la cual se fijan las válvulas, garantiza una intercambiabilidad rápida de las diversas válvulas.


5-8

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-8 Válvula distribuidora 5/2 de disco flotante

Válvula distribuidora 3/2, servopilotada Cuando la válvula tiene un diámetro medio o grande se requiere un esfuerzo de accionamiento superior al que en determinados casos es factible. Para obviar esta dificultad se utiliza el denominado servopilotaje que consiste en actuar sobre una pequeña válvula auxiliar, que abierta deja paso al aire para que actúe sobre la válvula principal. Es decir el servopilotaje es simplemente un multiplicador de esfuerzos.


5-9

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 5-9 Válvula distribuidora 3/2 cerrada en posición de reposos

Funcionamiento: La válvula con servopilotaje (Figura 5-9) posee en su interior un pequeño conducto con una válvula auxiliar que conecta presión (1) con la cámara del émbolo que acciona la válvula. Cuando se acciona el rodillo, se abre la válvula auxiliar de servopilotaje, el aire comprimido circula hacia la cámara superior del émbolo que al desplazarlo modifica la posición de la válvula principal 3/2. La inversión se realiza en dos fases para evitar el solape. En primer lugar se cierra el conducto de A (2) hacia R (3), y luego se abre el P (1) hacia A (2). La válvula se reposiciona por muelle al soltar el rodillo. Se cierra el paso de la tubería de presión hacia la cámara del émbolo y se purga de aire. El muelle hace regresar el émbolo de mando de la válvula principal a su posición inicial.

Figura 5-10 Válvula 3/2 inicialmente abierta accionada por rodillo


5-10

Válvulas

I.E.S. Foramontanos

Este tipo de válvula puede emplearse opcionalmente como válvula normalmente abierta o normalmente cerrada. Para ello sólo hay que permutar los empalmes P y R e invertir el cabezal de accionamiento 180º (Figura 5-10). 5.2.5 Válvulas de corredera En estas válvulas, las conexiones externas se relacionan unas con otras o se cierran por medio de una corredera de émbolo, una corredera plana de émbolo o una corredera giratoria, que se desplaza dentro de un cuerpo. Válvula de corredera longitudinal El elemento de mando de esta válvula es un émbolo que realiza un desplazamiento longitudinal uniendo o separando al mismo tiempo los correspondientes conductos (Figura 5-11). La fuerza de accionamiento requerida es reducida, porque no hay que vencer una resistencia de presión de aire o de muelle, como en el caso de las válvulas de asiento. Las válvulas de corredera longitudinal pueden accionarse manualmente o mediante medios mecánicos, eléctricos o neumáticos. Estos tipos de accionamiento también pueden emplearse para reposicionar la válvula a su posición inicial. La carrera es mayor que en las válvulas de asiento.


5-11

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 5-11 Válvula de corredera 5/2

En este tipo de válvulas la estanquidad es más imperfecta que en las válvulas de asiento. La solución del problema mediante un ajuste mecánico entre corredera y el cuerpo de la válvula redundaría en grandes costos, casi prohibitivos, ya que para reducir las fugas al mínimo, en neumática, el juego entre la corredera y el cilindro no debe sobrepasar de 2 a 4 μm. Para que los costos de fabricación no sean excesivos, se utilizan juntas tóricas en el cuerpo o en la corredera. Al objeto de evitar que los elementos estanquizantes se dañen, los orificios de empalme pueden repartirse en la superficie del cilindro. Válvula de 5/3 vías Esta válvula tiene cinco conexiones, presión, dos con trabajo y dos con la atmósfera, y tres posiciones. Las conexiones 14 ó 12 accionan la válvula. En la parte superior de la Figura 5-12 se muestra en su posición estable intermedia. La válvula se centra por efecto de los muelles. Seguidamente se muestra la válvula de 5/3 vías después de haber aplicado una señal de pilotaje en 12. El aire fluye de 1 a 2. La conexión 4 se descarga por la 5. En último lugar aparece la misma válvula después de haber aplicado la señal de pilotaje en 14.


5-12

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-12 Válvula de corredera 5/3

Distribuidor de disco plano giratorio Estas válvulas son generalmente de accionamiento manual o por pedal, otros tipos de accionamiento son difíciles de incorporar a ellas. Se fabrican generalmente como válvulas distribuidoras 3/3 ó 4/3. Constan de dos discos, uno de los cuales dispone de unos conductos en forma de morcilla, al girar y ocupar distintas posiciones relaciona diferentes conexiones externas. Como puede verse en la Figura 5-13, todos los conductos están cerrados en la posición media, permitiendo inmovilizar el vástago de un cilindro en


5-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática

cualquier punto de su recorrido. No es posible, sin embargo, fijarlo exactamente en una determinada posición debido a la compresibilidad del aire comprimido, ya que al variar la carga el vástago pasaría a otra posición.

Figura 5-13 Distribuidor de disco plano giratorio

Los conductos del disco giratorio pueden estar situados en posición diferente de tal manera que la válvula puede tener diferentes misiones, por ejemplo en la válvula de la todos los conductos están conectados a escape. En esta posición media, el disco puede ser movido por fuerza externa, hasta la posición que se desee. Esta posición se denomina posición de ajuste o de flotación. 5.2.6 Caudal circulante por las válvulas El caudal que fluye por una válvula está relacionada, obviamente, con la pérdida de carga producida por la misma; ambas variables son muy importantes en el momento de su selección. En este caso la pérdida de carga es igual a la caída de presión, pues obviamente la cota a la entrada y salida es prácticamente la misma y las velocidades también son iguales. Para la elección de las válvulas deben conocerse: •

Volumen del cilindro y velocidad deseable de su vástago

•

Cantidad de conmutaciones exigidas

•

Pérdida de presión admisible En el cálculo de las variables de una válvula han de tenerse en cuenta los

siguientes factores: p1 = presión en la entrada de la válvula Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-14

I.E.S. Foramontanos

Válvulas p2 = presión en la salida de la válvula

Δp = presión diferencial (p1 - p2) T1 = Temperatura Qn = Caudal nominal Se denomina caudal nominal a aquel que circula por la válvula cuando la perdida de carga es de un bar y la presión a la entrada es de 6 bar, siendo la temperatura del aire de 293 °K (20 °C). Los catálogos comerciales facilitan esta variable obtenida mediante un ensayo en laboratorio según el esquema de la Figura 5-14. Si se desea conocer el caudal fluyente con otras presiones a la entrada, caídas de presión y temperaturas, habrá que hacer las correcciones convenientes a partir del caudal nominal, facilitadas normalmente por los catálogos comerciales. La casa FESTO dispone del nomograma de la Figura 5-15 donde han de ejecutarse los siguientes pasos. P1=600kPa (6 bar)

P1=500kPa (5 bar) Válvula

Caudalímetro

Figura 5-14 Medición del caudal nominal

Paso 1: Se une mediante una recta el punto donde figura la pérdida de carga en bar en la escala A con el punto correspondiente a la presión absoluta de salida en bar en la escala B. La intersección de esta recta con la escala C proporciona un punto P. Paso 2: Se traza la recta que une el punto de valor 1,0 en la escala B con el punto correspondiente al caudal nominal de la válvula en l/min de la escala D Paso 3: Se traza una recta, paralela a la recta obtenida en el paso 2, que pasa por el punto P deducido en el paso 1. La intersección de esta recta con la escala D facilita el caudal circulante en l/min por la válvula en estas condiciones. A continuación se acompañan algunos ejercicios resueltos

a título de

ejemplo. Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-15

I.E.S. Foramontanos

Neumática Ejemplo 1: Datos: p1 = 800 kPa (8bar)

Δp = 20 kPa (0,2 bar)

p2 =780 kPa (7,8 bar)

Qn = 200 l/min

Se desea conocer el caudal fluyente Solución: Se une Δp = 20 kPa (0,2 bar) sobre el eje A con 880 kPa (8,8 bar) sobre el eje C (aquí debe anotarse siempre la presión absoluta). Se une luego el valor Z=1 sobre el eje B con el 200 del eje D. Se traza una paralela a esta línea por el punto 0,55 en el eje B. En el eje D puede leerse entonces un valor de 110 l/min aproximadamente. Ejemplo 2: Datos: p1= 700 kPa (7 bar)

Δp = 100 kPa (1 bar)

p2=600 kPa (6 bar)

Qn = 920 l/min

Se desea conocer el caudal fluyente. Solución: Se une Δp = 100 kPa (1 bar) sobre el eje A y 700 kPa (7 bar) sobre el eje C (presión absoluta). Se une Z=1 con Qn = 920 l/min. La paralela a la línea anterior por el punto de intersección determinado da un caudal fluyente de 1080 l/min aproximadamente. Ejemplo 3: Datos: p1= 1000 kPa (10 bar)

Δp = 200 kPa (2 bar)

p2= 800 kPa (8 bar)

Qn = 1250 l/min

Se desea conocer el caudal fluyente Solución: Se une Δp = 200 kPa (2 bar) sobre el eje A y 900 kPa (9 bar) sobre el eje C (presión absoluta). Se une el valor Z=1 con Qn = 1250 l/min. La paralela a la línea anterior por el punto de intersección determinado en el eje B da un caudal fluyente de 2350 l/min aproximadamente.


5-16

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-15 Nomograma para el cálculo del caudal en válvulas


5-17

I.E.S. Foramontanos

Neumática

5.3 Válvulas de bloqueo Son válvulas destinadas a impedir o dificultar el paso del flujo en uno u otro sentido. 5.3.1 Válvula antirretorno Las válvulas antirretorno impiden el paso absolutamente en un sentido, mientras que en el sentido contrario el aire circula con una perdida de presión mínima. La obturación en un sentido puede obtenerse mediante un cono, una bola, un disco o una membrana que apoya sobre un asiento. Símbolos: Válvula antirretorno, cierra por el efecto de la presión sobre la parte a bloquear. Válvula antirretorno, cierra por el efecto de un muelle además de por el efecto de la presión (Figura 5-16)

Figura 5-16 Válvula antirretorno

5.3.2 Válvula selector de circuito (Válvula “o”; función lógica “or”) Se trata de una válvula que permite el paso del aire cuando este procede de uno u otro conducto. Esta válvula tiene dos entradas X e Y, y una salida A (Figura 5-17). Cuando el aire comprimido entra por la entrada X, la bola obtura la entrada Y, y el aire circula de X hacia A. También cuando el aire llega por Y se obtura la conexión X y pasa de Y hacia A. Por otra parte cuando el aire regresa, es decir procede de A, cuando se elimina el aire de un cilindro o una válvula, la bola permanece en la posición en que se encontraba permitiendo su paso hacia X o Y.


5-18

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-17 Válvula selector de circuito "O"

Esta válvula se denomina también “elemento O (OR)”; aísla las señales emitidas por dos válvulas de señalización desde diversos lugares e impide que el aire escape por una segunda válvula de señalización. Se utiliza también cuando se desea mandar un cilindro o una válvula de gobierno desde dos o más puntos. Ejemplos: El vástago de un cilindro de simple efecto debe salir al accionar uno de los mandos situados en dos lugares diferentes de la máquina (Figura 5-18).

X

A

Y

Figura 5-18 Esquema de un circuito con válvula selectora de circuito para el mando de un cilindro de simple efecto O bien cuando se desea que el vástago de un cilindro de doble efecto salga cuando se accione una de las dos válvulas de señal que piloten la válvula de mando 1.1 (figura 5.19). Este sistema se dice que posee un mando indirecto mientras que en el anterior el mando es directo.


5-19

I.E.S. Foramontanos

Neumática

1A

1S2

1V1 1V4 X

1S1

A Y

1S3

1S2

Figura 5-19 Esquema de un circuito con válvula selectora de circuito para el mando de un cilindro de doble efecto

5.3.3 Válvula de simultaneidad (Válvula “Y”; función lógica “and”) Esta válvula tan solo se abre cuando recibe señales simultáneas de dos lugares diferentes. Esta válvula tiene dos entradas X e Y, y una salida A (Figura 520). El aire comprimido puede pasar únicamente cuando hay presión en ambas entradas. Una única señal de entrada en X ó Y interrumpe el flujo, en razón del desequilibrio de fuerzas que actúan sobre la pieza móvil. Cuando las señales están desplazadas cronológicamente, la última es la que llega a la salida A. Si las señales de entrada son de una presión distinta, la mayor cierra la válvula y la menor se dirige hacia la salida A. Esta válvula se denomina también módulo “Y” o función lógica “and”. Se utiliza principalmente en mandos de enclavamiento, funciones de control y operaciones lógicas. Existen unas válvulas similares a las descritas que exigen que las señales X e Y se reciban simultáneamente para dejar pasar el aire. Se utilizan en casos en que se requiera determinada seguridad, por ejemplo cuando se desee que inexorablemente el operario tenga las dos manos al mismo tiempo lejos de un punto de riesgo.


5-20

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-20 Válvula de simultaneidad

Se emplea si se desea que un cilindro sea maniobrado cuando se reciban señales de aire comprimido simultáneas desde dos puntos diferentes. Es el caso en que interesa por cuestiones de seguridad que el operario tenga ocupadas sus dos manos al accionar un elemento que pudiera dañarlas, o bien cuando se requiere que sucedan dos hechos simultáneamente. Al accionar las válvulas 1S1 y 1S2 se emiten señales X e Y hacia la válvula de simultaneidad 1V1 y ésta deja pasar aire hacia el cilindro. Si solo se accionara una válvula, la 1S1 o la 1S2, la válvula de simultaneidad 1V1 no permitiría que pasara a su través aire comprimido y por tanto el vástago del cilindro no se desplazaría. Una resultado análogo se obtiene colocando las dos válvulas 1S1 y 1S2 en serie. 1A

1V2

1V1 X 1S1

1A

Y 1S2

1V

Figura 5-21 Esquema con válvula de simultaneidad

5.3.4 Válvulas antirretorno y de estrangulación Se trata de un bloque que contiene una válvula antirretorno en paralelo con una estrangulación. La estrangulación, normalmente regulable desde el exterior, sirve para variar el caudal que lo atraviesa y , por lo tanto, para regular la velocidad de desplazamiento del vástago de un cilindro. También se conoce por el nombre de regulador de velocidad o regulador unidireccional. Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-21

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Estrangula el caudal de aire en un solo sentido, ya que en el sentido inverso la válvula antirretorno permite su paso libremente Figura 5-22. Una válvula antirretorno cierra el paso del aire en un sentido y el aire ha de circular por la sección estrangulada ajustada. En el sentido contrario, el aire circula libremente a través de la válvula antirretorno abierta. Estas válvulas se utilizan para regular la velocidad de cilindros neumáticos. Las válvulas antirretorno y de estrangulación deben montarse lo más cerca posible de los cilindros.

Figura 5-22 Regulador de caudal unidireccional

Se utilizan para minorar y regular la velocidad del vástago de un cilindro, de simple o doble efecto. Según como se disponga la válvula antirretorno se consigue regular la velocidad del vástago en uno u otro sentido. En la Figura 5-23 se muestran esquemas correspondientes a la regulación de un cilindro de simple efecto donde se regula la velocidad del vástago en su salida y entrada respectivamente. 1A

1V 1S

1A

1V 1S

Figura 5-23 Regulación de la velocidad del vástago en su salida o entrada


5-22

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Si se desea ajustar y minorar la velocidad del vástago de un cilindro de simple efecto cuando se desplace en los dos sentidos se han de instalar dos válvulas restrictoras con antirretorno colocadas en sentido inverso (Figura 5-24). 1A

1V2

1V1

1S

Figura 5-24 Regulación de la velocidad del vástago en su entrada y salida

Para regular y minorar la velocidad del vástago de un cilindro de doble efecto en su salida o entrada se dispone la válvula unidireccional con estrangulamiento en la alimentación y/o en el escape. Se ubicará en un solo lugar si solo se desea regular la velocidad en un único sentido y se instalará en los dos cuando se desee un regulación doble. Por otra parte la disposición de la válvula antirretorno con estrangulación puede hacerse de manera variable, dificultando la entrada o la salida del aire del cilindro. Si se estrangula el escape se produce una sacudida en el arranque pero se regula bien el desplazamiento, mientras que, si al contrario, se estrangula la entrada de aire al cilindro el arranque es más suave pero más imprecisa la marcha. El primer caso se utiliza cuando el esfuerzo a realizar por el vástago es de tracción y el segundo cuando es de compresión.


5-23

I.E.S. Foramontanos

Neumática 1A

1V1

1V2

1S

Figura 5-25 Regulación de un cilindro de doble efecto

Por ejemplo si el vástago al penetrar ha de tirar de una carga, es decir ha de trabajar a tracción, conviene que el aire entre sin dificultad en el cilindro y se dificulte su salida. Si el vástago en su salida es tensado por una carga exterior, este tenderá a salir, y si se regula el aire a la entrada del cilindro en lugar de a su escape, el vástago avanzará a golpes. Si por contra se regula el aire de salida a escape este mismo producirá una amortiguación de la caída de la carga. En este caso el aire de alimentación entra libremente en el cilindro mientras que se estrangula el aire de escape (Figura 5-26).El émbolo se halla entre dos cojines de aire. Esta disposición mejora considerablemente la regularidad en el avance. Por esta razón es el método más adecuado para cilindros de doble efecto. En el caso de cilindros de sección reducida y de carrera corta, la presión en el lado de escape no puede formarse con la suficiente rapidez, por lo que en algunos casos habrá que emplear la limitación del caudal de alimentación junto con la del caudal de escape. 1A

1V

1S


5-24

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-26 Regulación de la velocidad del vástago con estrangulación a la salida

5.3.5 Válvula de escape rápido

Figura 5-27 Válvula de escape rápido

Se trata de un válvula que evacua el aire de manera rápida hacia la atmósfera. Esta válvula permite elevar la velocidad de los émbolos de los cilindros. Con ella se ahorran largos tiempos de retorno, especialmente si se trata de cilindros de simple efecto. La válvula tiene una conexión de alimentación P y otra de escape R, que pueden cerrarse (Figura 5-27). Cuando el aire procede de la alimentación se cierra R y pasa hacia A. Si el aire procede de A se cierra P y el aire se dirige directamente a R. Se recomienda montar esta válvula directamente sobre el cilindro o lo más cerca posible de éste con el fin de mejorar su efecto. La velocidad de retorno del vástago de un cilindro de simple o la de un cilindro de doble efecto en cualquiera de sus dos sentidos puede ser incrementada por medio de una válvula de escape rápido. Al volver la válvula 1S a su posición de dibujo el aire escapa muy rápidamente de la cámara delantera del cilindro. La válvula de escape rápido hace salir el aire inmediatamente a la atmósfera sin recorrer la tubería ni atravesar la válvula.


5-25

I.E.S. Foramontanos

Neumática

1A

1A

1V

1V

1S

1S

Figura 5-28 Esquema de circuitos con válvulas de escape rápido

5.4 Reguladores de presión Estas válvulas influyen principalmente sobre la presión, o están condicionadas por el valor que tome la presión. Entre ellas destacan las siguientes:: •

Válvulas reguladoras de presión

•

Válvulas limitadoras de presión

•

Válvulas de secuencia.

5.4.1 Válvulas de regulación de presión Tiene la misión de mantener constante la presión en su salida independientemente de la presión que exista a la entrada. Tienen como finalidad fundamental obtener una presión invariable en los elementos de trabajo independientemente de las fluctuaciones de la presión que normalmente se producen en la red de distribución. La presión de entrada mínima debe ser siempre, obviamente, superior a la exigida a la salida. Existen dos tipos, una con orificio de escape a la atmósfera y otra sin él, con las características que a continuación se explican.

Regulador de presión con orificio de escape

Esta válvula consta de una membrana con un orificio en su parte central presionada por un muelle cuya fuerza puede graduarse desde el exterior; además Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-26

Válvulas

I.E.S. Foramontanos

dispone de un estrechamiento en su parte superior desplazado por la membrana y retenido por un muelle (Figura 5-29). La regulación de la presión se consigue de la manera siguiente. Si la presión de salida es superior a la definida actúa sobre la membrana oprimiendo el muelle y dejando paso el aire hacia el exterior a través del orificio de escape. Cuando se alcanza la presión de consigna la membrana regresa a su posición normal cerrando el escape. El estrechamiento de la parte superior tiene como finalidad producir la pérdida de carga necesaria entre la entrada y la salida. El muelle que dispone esta válvula auxiliar tiene por objeto atenuar las oscilaciones excesivas. La válvula sin orificio de escape es esencialmente igual a la anterior con la diferencia de que al no disponer de orificio de escape cuando se produce una sobrepresión es necesario que se consuma de aire para reducir la presión al valor de consigna.

Figura 5-29 Regulador de presión con orificio de escape

Figura 5-30 Regulador de presión sin orificio de escape

5.4.2 Válvula limitadora de presión Estas válvulas se abren y dejan pasar el aire en el momento en que se alcanza una presión de consigna. Se utilizan, sobre todo, como válvulas de seguridad. No admiten que la presión en el sistema sobrepase un valor máximo admisible. Al alcanzar en la entrada de la válvula el aire una determinada presión, se abre la salida y el aire sale a la atmósfera. La válvula permanece abierta hasta que el muelle, una vez alcanzada la presión ajustada, cierra de nuevo el paso.


5-27

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Algunas válvulas disponen de un enclavamiento que requiere una actuación exterior para proceder de nuevo a su cierre. 5.4.3 Válvula de secuencia Su funcionamiento es muy similar al de la válvula limitadora de presión pero la diferencia estriba que en vez de salir el aire a la atmósfera al alcanzarse la presión de consigna, deja pasar el aire para realizar un determinado cometido. El aire circula de P hacia la salida A. Esta no se abre, hasta que en el conducto de mando Z no se ha formado una presión ajustada. Un émbolo de mando abre el paso de P hacia A (figura 5.31). Estas válvulas se montan en mandos neumáticos que actúan cuando se precisa una presión fija para un fenómeno de conmutación

Figura 5-31: Válvula de secuencia

Ejemplo:

El vástago del cilindro 1A no entra hasta que en la válvula de secuencia 0Z2 la presión no haya alcanzado el valor ajustado. Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-28

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

1A

1V2 1V1

0Z2

1S1

1S2

0Z1

Figura 5-32 Circuito de ejemplo de aplicación de la válvula de secuencia.

5.5 Válvulas de caudal y de cierre Estas válvulas tienen como finalidad regular el caudal que las atraviesan y con ello regular la velocidad de los vástagos de los cilindros. Lo anterior se consigue estrangulando la sección de paso, de manera similar a

una simple

estrangulación descrita más arriba (5.33). Las válvulas de cierre tiene como finalidad abrir y cerrar un circuito, sin posiciones intermedias. 5.6 Válvulas combinadas Además de las válvulas descritas existe un buen número de conjunto de válvulas que se fabrican formando un solo bloque, con misiones específicas, normalmente muy repetidas en los circuitos neumáticos. A continuación se explican algunas de las más destacadas.


5-29

I.E.S. Foramontanos

Neumática

5.6.1 Temporizador Tienen como finalidad la apertura de una válvula después de transcurrido un lapso de tiempo a partir de su activación. Existen temporizadores con la válvula normalmente cerrada y normalmente abierta (Figura 5-33).

Figura 5-33 Temporizador Funcionamiento

El aire comprimido entra en la válvula por el empalme P (1) (Figura 5-33 izquierda). El aire del circuito de mando penetra en la válvula por el empalme Z pasando a través de una válvula antirretorno con estrangulación regulable; según el ajuste del tornillo de éste, pasa una caudal mayor o menor de aire al depósito de aire incorporado. De esta manera se va incrementando

la presión en el

depósito hasta alcanzar el valor suficiente para vencer la fuerza del resorte que mantiene cerrada la válvula 3/2. En ese momento el disco se levanta de su asiento y el aire puede pasar de P (1) hacia A (2). El tiempo en que se alcanza la presión de consigna en el depósito corresponde al retardo de mando de la válvula. Para que el temporizador recupere su posición inicial, hay que poner a escape el conducto de mando Z. El aire del depósito sale a través del sentido favorable de la válvula antirretorno a la atmósfera. Los muelles de la válvula vuelven el émbolo de mando y el disco de la válvula a su posición inicial. El conducto de trabajo A (2) se pone en escape hacia R (3) y P (1) se cierra.


5-30

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Para que el temporizador tarde un determinado tiempo en cerrar el paso del aire después de su activación basta con sustituir la válvula 3/2 normalmente abierta por otra normalmente cerrada. Los esquemas de los circuitos neumáticos que se muestran a continuación (Figura 5-34 y 5-35) dan una idea suficiente de la utilización de los temporizadores. Se trata de dos soluciones para cumplir el mismo objetivo, que el vástago del cilindro no penetre después de haber salido hasta que haya transcurrido un determinado lapso de tiempo. Ambas emplean el temporizador descrito 0Z2. 1A

1S2

1V

0Z2

1S1

1S2

0Z1

Figura 5-34 1A

1V

0Z2

1S1 0Z1

Figura 5-35


5-31

I.E.S. Foramontanos

Neumática

5.6.2 Tobera de aspiración por depresión Esta tobera se emplea junto con una ventosa como elemento de transporte y manipulación mediante depresión. Con ella se pueden transportar las más diversas piezas. Su funcionamiento se basa en el principio de Venturi, es decir haciendo atravesar el aire por una sección reducida, con lo cual al aumentar la velocidad se consigue disminuir la presión por debajo de la presión atmosférica. La presión de alimentación se aplica a la entrada P, al pasar el aire por el estrechamiento la velocidad del aire hacia R aumenta y en el empalme A, o sea, en la ventosa, se produce una depresión. Con este efecto se adhieren piezas a la ventosa y pueden transportarse. La superficie debe estar muy limpia al objeto de alcanzar un buen efecto de succión.

Figura 5-36 Generador de vacío

Figura 5-37 Ventosas

En el momento en que se suprime la presión de alimentación desaparece el efecto de succión y se elimina la fuerza de atracción con lo que la pieza transportada cae por su propio peso. Existen unos bloques en el que a la pieza anteriormente descrita se le incorpora una válvula de escape rápido y un pequeño depósito. Este aditamento facilita el despegue de la pieza en el momento de Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-32

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

eliminar la alimentación de aire pues el aire que sale del depósito empuja la pieza transportada. 5.6.3 Convertidor de señal neumático - eléctrico La automatización en la industria requiere una cooperación entre las técnicas neumática y eléctrica como se verá más adelante en el capítulo dedicado a la electroneumática. Uno de los elementos que ayuda a dicha cooperación es el convertidor neumático - eléctrico, que convierte una señal neumática en otra eléctrica (Figura 5-38). Con frecuencia recibe el nombre de presostato.

Figura 5-38 Convertidor neumático – eléctrico

Para que detecte una señal de vacío, es decir funcione como vacuostato, la conexión de aire deberá estar al otro lado de la membrana. En la Figura 5-39 se puede ver el convertidor neumático - eléctrico funcionando como vacuostato.


5-33

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 5-39 Vacuostato

Figura 5-40 Analogía de funcionamiento

5.7 Sensores de proximidad neumáticos Con los sensores de proximidad neumáticos, puede detectarse la presencia o ausencia de un objeto por medio de chorros de aire que los detectan sin contacto. Cuando se presenta un objeto, se produce un cambio en la presión de la señal, que puede ser procesado posteriormente. Las ventajas de estos sensores de proximidad son: •

Funcionamiento seguro en ambientes con suciedad

•

Funcionamiento seguro en ambientes de elevada temperatura

•

Pueden utilizarse en ambientes con riesgo de explosión

•

Insensibles a influencias magnéticas y ondas sónicas

•

Fiables incluso en ambientes con brillo intenso y para detección de objetos transparentes a la luz, donde los sensores de proximidad ópticos podrían no ser adecuados. Los sensores de proximidad neumáticos pueden dividirse en sensores por

obturación de fuga, sensores de reflexión y barreras de aire. Las distancias detectables son del orden de 0 a 100 mm. Todos los sensores neumáticos emiten un chorro de aire que sale a la atmósfera y se pierde, por lo que una exigencia común para la aplicación de


5-34

Válvulas

I.E.S. Foramontanos

sensores de proximidad es la de reducir notablemente la presión de aire de alimentación con el fin de reducir su consumo. Es esencial un suministro de aire exento de aceite. Todos estos sensores tienen como objetivo la producción de una señal neumática y dado que es generalmente demasiado débil para una posterior evaluación, incluso por debajo de la centésima de bar, debe conectarse a continuación un amplificador de presión. Puede crearse un sensor de proximidad binario con salida de señal eléctrica con la ayuda de convertidores electroneumáticos (presostatos). Cuando se sustituye un sensor de proximidad neumático por otro, generalmente es necesario ajustar el umbral de disparo del amplificador, debido a las diferencias resultantes de las tolerancias de fabricación. La presión de alimentación puede variar, pero generalmente se halla en la zona de 0,1 a 8 bar. La señal de presión generada depende de la presión de alimentación y de la distancia entre la boquilla y el objeto. 5.7.1 Amplificador de presión Como hemos indicado anteriormente los sensores de proximidad neumáticos trabajan con presiones pequeñas. Por lo tanto, las señales que emiten deben amplificarse. El amplificador de presión es una válvula distribuidora 3/2, dotada de una membrana de gran superficie en el émbolo de mando. Para mandos neumáticos que trabajan con baja presión y que tienen una presión de mando de 10 a 50 kPa (0,1 a 0,5 bar), se emplean amplificadores simples. Con presiones inferiores se precisa una doble amplificación. En la posición de reposo, el paso de P hacia A está cerrado (Figura 5-41). A está a escape hacia R. Al recibir una señal X, la membrana de gran superficie recibe directamente presión. El émbolo de mando invierte su movimiento, y abre el paso de P hacia A. Al desaparecer la señal X, el émbolo de mando cierra el paso de P hacia A, el conducto A se pone a escape a través de R. Este amplificador no necesita alimentación adicional.


5-35

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 5-41 Amplificador de presión

5.7.2 Sensores de obturación de fuga (toberas de contrapresión) La obstrucción de un chorro de aire que fluye por un taladro, por medio del objeto a detectar, produce una subida de la presión en la salida del sensor, hasta el nivel de la presión de alimentación (Figura 5-42).

Figura 5-42 Sensor por obturación de fuga

5.8 Sensores de reflexión El tipo de sensor de reflexión (reflex), consiste en una tobera anular por la que circula aire y una boquilla circular central receptora, coaxial con la anterior (figura 69). Si se aproxima un objeto hacia el chorro de aire que escapa de la boquilla anular (emisor), se forma una sobrepresión en la boquilla central (receptor). La figura ofrece una vista esquemática del chorro de aire en las dos situaciones.


5-36

I.E.S. Foramontanos

Válvulas

Figura 5-43 Detector de proximidad

El esquema adjunto (figura 70) representa un circuito neumático donde puede apreciarse que cuando una pieza se aproxime al detecor de proximidad 1S este mandará una señal de presión pequeña que se amplificará en 1Z hasta una presión suficiente para pilotar 1V que hará salir el vástago del cilindro 1A. 1A

1V 1Z

1S 0Z2

Figura 5-44 Esquema de ejemplo del uso de un detector de proximidad.

5.9 Barreras de aire Otro sensor de proximidad consiste en dos boquillas emisoras enfrentadas, una de ellas con un taladro receptor (Figura 5-45). Al interponerse entre ambas un objeto, forma una barrera que hace que se modifique la señal de la boquilla


5-37

I.E.S. Foramontanos

Neumática

receptora, que posteriormente se amplifica. Este tipo de barreras es sensible a las corrientes de aire externas, por lo que deben situarse al abrigo de ellas.

Figura 5-45 Barrera de aire

También existen barreras de aire con un solo emisor, pero al estar sometidas a la acumulación de suciedad en la boquilla receptora, puesto que el flujo de aire recoge partículas de suciedad del ambiente circundante, puede producir funcionamientos defectuosos o un fallo total debido a la obstrucción de la tobera. Existen muchas barreras que funcionan según el principio de desviación de chorro, en las cuales el aire escapa de ambos lados de la barrera. La función del receptor puede compararse a la de un sensor reflex. De esta forma, es posible reducir mucho el riesgo de contaminación del receptor. Dado que el coste de un sensor de proximidad neumático completo (boquilla y amplificador de presión / interruptor de presión) es generalmente más elevado que el de un sensor estándar inductivo, capacitivo o incluso óptico, los sensores de proximidad neumáticos se usan preferentemente en aplicaciones especiales y en nuevos desarrollos, allí donde los otros sensores citados serían inoperantes, como es el caso de áreas con riesgo de explosión, zonas de soldadura donde se generan fuertes campos de interferencias de AC Y DC, ambientes húmedos y sucios o con temperaturas elevadas. Autor : Rafael Sancho Cayuso

5-38

Circuitos neumáticos

I.E.S. Foramontanos

6. Circuitos neumáticos Un circuito neumático es la combinación de actuadores, válvulas y conductos que constituyen un sistema neumático con el fin de cumplir una determinada misión. 6.1 Simbología En el momento de realizar un circuito neumático o en el de transmitirlo a terceras personas es absolutamente necesario emplear una simbología que represente cada uno de los elementos de que consta, tuberías, actuadores, válvulas, etc. Para ello existen las normas ISO 1219-1:1991 y 1219-2:1995, expuestas en parte anteriormente, que establecen el dibujo esquemático de cada elemento. Se trata de una representación funcional, tremendamente explícita, que se aprende sin esfuerzo gracias a su fuerza representativa. En ningún momento trata de reflejar detalles constructivos sino exclusivamente funcionales, por lo que elementos diferentes pero con la misma misión se representan de idéntica manera. A continuación se incluyen determinados aspectos de dichas normas que no han sido expuestos con anterioridad. 6.1.1 Símbolos de energía y componentes de alimentación. Equipo de red y mantenimiento Alimentación Compresor

Deposito de aire

Alimentación de presión Unidades de mantenimiento Purga condensados Filtro Lubricador


Regulador de presión

6-1

Neumática

Unidad de mantenimiento

I.E.S. Foramontanos

Unidad de mantenimiento (simplificado)

6.1.2 Métodos de representación Además de la simbología empleada para representar cada elemento de trabajo, válvula, tuberías de alimentación y pilotaje u otros elementos neumáticos, es necesario establecer una serie de convenciones para esquematizar los circuitos neumáticos. Dicha representación es necesaria bien en el momento de diseñar un circuito, para explicarlos y transmitirlos a terceros, para proceder a su montaje o bien durante su mantenimiento. En los dos primeros casos no es conveniente trazar los circuitos de tal forma que se represente la posición real de cada elemento, ya que resulta mucho más difícil deducir su funcionamiento o seguir las explicaciones que lo aclaren. Por ello se aconseja realizar en primer término el circuito denominado funcional y posteriormente a partir de éste trazar el circuito posicional que sirva para proceder a su montaje y mantenimiento. 6.1.3 Esquema funcional Es muy importante proceder con orden, al confeccionar el esquema funcional, dividiéndolo en escalones, situando en cada uno de ellos y a la misma altura los elementos neumáticos que tienen similares misiones. Normalmente se dibujan los símbolos que representan cada elemento en horizontal y siempre en la posición que tienen cuando el circuito está en reposo. Los cilindros pueden situarse con su vástago en posición extrema anterior (salido) o posterior (entrado), y las válvulas en su caso, en posición estable o inestable. En el primer escalón se representan los elementos de trabajo o actuadores, siendo preferible que el vástago se dibuje a la derecha del émbolo. En un segundo escalón se sitúan las válvulas de gobierno o mando principales, que sirven para que el aire comprimido entre o salga en una u otra cara del embolo.

6-2



I.E.S. Foramontanos

Entre ambos escalones se sitúa otro intermedio donde se ubican las válvulas que de una u otra forma varían la velocidad de desplazamiento, crean tiempos de retardo o acciones similares, como pueden ser las válvulas estranguladoras o antirretorno, válvulas de escape rápido, temporizadores, etc. En un tercer escalón se representan las válvulas captadoras de información, o que producen señales con el fin de actuar sobre las de mando. Entre el segundo y tercer escalón se dibujan, si las hubiese, las válvulas lógicas, es decir las selectoras de circuito, de simultaneidad y otras auxiliares. En un cuarto escalón se representan otras válvulas auxiliares como aquellas que realizan el papel de interruptores generales, etc. En un último escalón se dibuja el equipo de mantenimiento y la alimentación, que muchas veces, por obvios, no se representan. La alimentación se esquematiza por un pequeño triángulo equilátero con fondo blanco, señalando la dirección del flujo. Si el fluido fuese un líquido, normalmente aceite, el triángulo tendría fondo negro. Normalmente en la realidad hay un solo punto de alimentación y luego se reparte a los puntos de consumo mediante distribuidores. Sin embargo se suelen representar en los esquemas funcionales varios puntos de alimentación con la finalidad de eliminar líneas que pudieran cruzarse y dificultarían el seguimiento del esquema. Con el fin de poder referenciar cada elemento y que tal asignación tenga una mayor utilidad se han de seguir las siguientes instrucciones en dicha nomenclatura. Los actuadores se referencian mediante números correlativos seguidos de una A mayúscula (1A; 2A; ...), ordenados de izquierda a derecha en orden de actuación Si trabajan dos o más actuadores en paralelo en el mismo circuito se representan con la misma letra seguidas de números correlativos (1A1, 1A2, …). Las válvulas de gobierno principales y secundarias de cada cilindro respectivos se denominan con el número correspondiente seguido de una V mayúscula y un número correlativo (1V1, 1V2; ...). Las válvulas de información o de señal de cada válvula de gobierno se indican mediante el número correspondiente seguido de una S mayúscula y de Autor : Rafael Sancho Cayuso

6-3

Neumática

I.E.S. Foramontanos

otro número correlativo, que en principio será impar si mediante su maniobra el vástago del cilindro para el que trabaja sale, (1S1, 1S3, ...) y par si entra (1S2; 1S4,...). Estos números en lo posible serán correlativos y ordenados cronológicamente en su actuación en el circuito. Todo elemento que no sea ni actuador, ni válvula, ni introductor de señales, debe llevar la letra Z, precedida del número correspondiente al circuito y seguida de un número correlativo (1Z1, 1Z2,…). En los casos en que estos elementos se empleen no solo para un actuador sino para todos los de una instalación o máquina llevarán por delante el número 0. Si en un mismo esquema se presentan varios circuitos la nomenclatura de todos los elementos irá precedida de un número correlativo, indicativo del circuito, y de un guión (1-1A,.2-1V2; …). Después de señalado todo lo anterior es preciso advertir que no siempre el esquema de un circuito se puede dividir y ordenar en los escalones mencionados más arriba, y que en bastantes ocasiones no es posible guardar fidelidad a la nomenclatura precedente, bien porque una válvula trabaja para más de un cilindro o por otras causas. Por otra parte conviene tener en cuenta que cuando un vástago sale se representa con la nomenclatura del cilindro seguida de un signo más (1A + ; 2.A + ,...), y cuando entra con el signo contrario (1A -; 2.A - ;... ). La posición del vástago cuando se encuentra en el exterior del cilindro se le denomina anterior y posterior cuando se encuentre introducido. El vástago o el émbolo en su desplazamiento actúan sobre determinadas válvulas de señal; para representar tal extremo se dispone una pequeña raya perpendicular a la dirección del vástago en el lugar adecuado, además se indicará con su nomenclatura cual es la válvula afectada y una flechita perpendicular a la raya mencionada que señale, en su caso, el sentido del vástago en que aquella es afectada únicamente. La geometría del vástago y/o el sistema de actuación de las válvulas son los factores que consiguen que éstas actúen en el momento y sentido determinado y en la lapso de tiempo conveniente. De todas maneras hay que advertir que para que una válvula actúe cuando el vástago se desplace en un solo

6-4



I.E.S. Foramontanos

sentido es necesario que tenga el rodillo escamoteable, al ser éste un método de poca fiabilidad no se recomienda su uso. En el esquema posicional del circuito se representa lógicamente cada elemento en su verdadero lugar. A título de ejemplo se presenta en la página siguiente un circuito neumático funcional con la nomenclatura prescrita por las mencionadas normas ISO. Si se observa dicho esquema desde la parte superior a la inferior, se tiene en primer lugar el elemento de trabajo o actuador, que se denomina 1A. En nuestro caso el actuador es un cilindro de doble efecto con amortiguación regulable en ambos sentidos, situado en reposo en su posición posterior. También se observan dos marcas o pequeñas rayas verticales con las denominaciones 1S1 y 1S2. Esto indica que cuando el vástago esté en el principio de carrera saliente accionará el elemento 1S1 y cuando llegue al final de carrera el 1S2. Seguidamente en el segundo nivel se tienen las válvulas que se encargan de modificar la velocidad de los cilindros. Por ser válvulas llevan la letra V, precedidos del 1 por pertenecer al actuador 1, el siguiente número identifica a las válvulas correlativamente desde el 1 hasta n. La norma no dice nada sobre la designación de estos números, si bien desde estos apuntes se recomienda que dicho número refleje el orden de actuación cronológica de dichas válvulas. En el nivel siguiente se encuentra la válvula de gobierno del actuador, en nuestro caso es una válvula distribuidora 5/2, llevará la denominación 1V2. Seguidamente se representan los elementos de control, en nuestro caso una válvula de simultaneidad “Y” (1V1). En el penúltimo nivel se disponen todos los elementos que producen una entrada de señal, que aunque sean válvulas distribuidoras se designan con una S porque son elementos que producen señales de mando. Como anteriormente el número que llevan por delante se refiere al número del actuador al que pertenecen y el que llevan detrás es un número correlativo, si es posible impar cuando ordene la salida del vástago y par si es al contrario Finalmente en el piso inferior se disponen los elementos de tratamiento del aire comprimido. A no ser ni actuador, ni válvula, ni introductor de señales, lleva la Autor : Rafael Sancho Cayuso

6-5

Neumática

I.E.S. Foramontanos

letra Z. Como normalmente estos elementos se emplean no solo para un actuador sino para todos los de una instalación o máquina llevan por delante el número 0.

6-6


I.E.S. Foramontanos


1A

1S1

1S2

Elemento de trabajo 1V3 1V4

Regulación de velocidad

1V2 Organo de gobierno

1V1

Organo de control

1S3

1S1

Entrada de señales 0Z Sumministro y tratamiento

0V

Figura 6-1


6-7

1S2

I.E.S. Foramontanos

Neumática

6.1.4 Diagrama espacio - fase El funcionamiento de un circuito neumático se representa con bastante acierto mediante el diagrama espacio – fase, donde se resalta gráficamente cada evento del funcionamiento del circuito y la posición de cada elemento en cada situación. Para esta representación se utiliza una especie de papel pautado (figura 6.2) 1

2

3

4

Elemento 1A

1V

2A Figura 6-2.- Ejemplo de diagrama espacio - fase

Las diferentes posiciones de cada elemento se representa en una franja horizontal con dos o más líneas horizontales, las cuales indican las distintas posibilidades posicionales de aquél, que en un buen porcentaje de los casos es tan sólo de dos. En dicha franja se trazan líneas verticales a distancias iguales con las que se resaltan los sucesos o discontinuidades de funcionamiento de cada elemento, denominadas fases. La línea inferior índica que el elemento se encuentra en posición estable y la superior en situación inestable. Si el elemento es biestable la línea inferior indica la posición cuando el circuito se encuentra en reposo, es decir la de dibujo en el esquema funcional. Cada franja horizontal corresponde a un elemento del circuito y deben estar ordenados cronológicamente en su actuación en el circuito de arriba a abajo. Evidentemente los sucesos de los diferentes elementos que se verifican en la misma fase o momento han de figurar en la misma línea vertical. El cambio de posición de las válvulas se considera instantánea por lo que se representa mediante una línea vertical; si no sufre variación se traza una línea horizontal.

6-8



I.E.S. Foramontanos

En el caso de los cilindros, la posición posterior se representa en la línea inferior horizontal de su franja correspondiente y la anterior en la superior. La operación de salida se representará mediante una recta ascendente y la de retroceso con una descendente, lo cual significa que los extremos del recorrido se consideran dos fases diferentes a efectos de esta representación. En determinados casos puede ocurrir que en la mitad de carrera de un vástago se produzca algún suceso, lo cual debe representarse en el diagrama que estudiamos. En el diagrama espacio - fase no se representa la mayor o menor velocidad de un cilindro por la mayor o menor pendiente de las rectas que representan el desplazamiento del vástago, incluso en algunas ocasiones puede resultar a la inversa. En este mismo diagrama puede representarse mediante líneas auxiliares la secuencia del funcionamiento de los cilindros con las causas y los efectos. Por otra parte pueden indicarse los pilotajes de las válvulas y su eliminación mediante las letras señaladas a continuación, acompañada de la nomenclatura de la válvula correspondiente. pd 1V1------- pilota lado derecho de la válvula 1V1 pi 1V1 -------- pilota lado izquierdo de la válvula 1V1 epd 1V1 ----- elimina pilotaje derecho de la válvula 1V1 epi 1V1 ----- elimina pilotaje izquierdo de la válvula 1V1 6.1.5 Diagrama espacio - tiempo Este diagrama es un paso más en la representación cuidadosa del funcionamiento de un circuito neumático, donde todo es idéntico añ diagrama ya explicado salvo que el valor de las abscisas es proporcional al tiempo. 6.1.6 Secuencia de actividades La secuencia de actividades es una relación literaria de todos los sucesos o discontinuidades que se producen en el funcionamiento del circuito neumático, ordenados cronológicamente desde su puesta en marcha hasta su paro, o bien hasta completar un ciclo si su trabajo es ininterrumpido.


6-9

Neumática

I.E.S. Foramontanos

En los ejemplos que figuran más adelante se han utilizado las técnicas de representación y de explicación anteriormente enumeradas. 6.2 Confección de un circuito El trazado de un circuito se puede realizar por dos procedimientos, uno intuitivo y el otro metódico. El primero, como su misma palabra lo indica, se resuelve de una manera en que predomina la intuición al razonamiento, se puede utilizar en circuitos reducidos o bien por personas con cierto oficio en el tema. Es obvio que aquí propugnamos el segundo método. En primer lugar, antes de confeccionar cualquier circuito es necesario conocer el proceso que ha de atender y el servicio que debe cumplir, con clara expresión de los esfuerzos que ha de vencer, en qué secuencia, con qué velocidad se han de hacer los desplazamientos, etc., en una palabra se han de saber todas las condiciones que ha de cumplir en el proceso. Si el proceso general es diseñado por un técnico diferente del que resuelve la parte neumática es importante que haya una colaboración entre ambos, aunque lógicamente éste debe estar subordinado a aquél. Conocido lo anterior conviene realizar el circuito, si fuese posible, troceando el problema en aquellas partes en que haya un cierto deslinde entre las mismas. Por otra parte se debe empezar resolviendo los movimientos básicos de un primer cilindro, sin cumplir todos sus condicionamientos, para luego ir añadiendo otros con las relaciones consiguientes entre ellos. Posteriormente se van incorporando aquellos elementos que hagan cumplir cada uno de los requisitos exigidos por el proceso. Recordamos, que tal como ha quedado dicho, el circuito que se resuelve en un principio es el funcional. Una vez resuelto el circuito neumático se 8seleccionan los cilindros, las válvulas, los controles de velocidad, los sensores y otros elementos, así como los racores de unión y las tuberías necesarias. Las cuestiones a definir son tipo, sección transversal, carrera, materiales, fijaciones, etc. Lo anterior se resuelve en paralelo con lo que se denomina esquema posicional, es decir que se ha de decidir en que lugar exacto se dispone cada 6-10



I.E.S. Foramontanos

elemento, sus fijaciones y el trazado de las conducciones. Se debe poner especial cuidado en que los vástagos de los cilindros no sufran pandeo ni flexiones superiores a lo admisible. Por otra parte, es fundamental para resolver bien el problema conocer lo que ofrecen las casas fabricantes, mediante sus catálogos comerciales, pues un circuito está constituido al 100% de elementos comerciales, salvo determinadas fijaciones y algunas piezas que unidos a los vástagos efectúen ciertos desplazamientos del proceso. Por último queremos resaltar que dichas empresas están continuamente desarrollando novedades por lo que es preciso estar rigurosamente al día. Para introducir al lector en esta técnica se presenta a título de ejemplo la resolución de un circuito neumático usando un determinado metódo, que no significa que sea único, donde la experiencia u oficio en el tema juega un papel importante. 6.2.1 Esquema del proceso El proceso a resolver consiste en extraer un caldo de una cubeta mediante una cuchara especial, cuyo mango tiene una canaleta por donde pueda circular aquél. Se diseña el proceso de tal manera que cuando el vástago del cilindro se encuentre en su posición anterior, la cuchara esté introducida en el caldo, mientras que si su disposición es la posterior la cuchara se encontrará fuera. Mediante un pulsador ha de hacerse bajar lentamente la cuchara, esta ha de levantarse lentamente, en principio por inversión automática de la marcha (figura 6.3). Obsérvese que el pie posterior del cilindro se haya sujeto a un punto mediante una charnela para facilitar su giro, así como los dos puntos de sujeción de la cuchara.


6-11

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 6-3 Accionamiento de una cuchara de colada

6.2.2 Esquema del circuito funcional La resolución del proceso planteado no es única pues diferentes circuitos neumáticos conducen a la misma solución; esto no significa que todos lo hagan con la misma perfección y fiabilidad. En este primer ejemplo que se presenta se comienza con la solución más simple, introduciéndose nuevos elementos, poco a poco, hasta conseguir la solución deseada a plena satisfacción de los diseñadores. En todo caso 0Z es el equipo de mantenimiento, situado al comienzo de la acometida del aire comprimido que lo filtra, regula y mide su presión y lo lubrica. Mando directo Se ha resuelto el circuito, en primer término, con mando directo que es la solución más sencilla, donde el operario actúa directamente sobre el cilindro que desplaza la cuchara (figura 6.4). Se ha adoptado un cilindro de doble efecto con doble amortiguación para evitar el golpe seco de final de carrera. La válvula seleccionada es 5/2, monoestable, accionada manualmente, con enclavamiento y reposicionada por muelle

6-12


I.E.S. Foramontanos


1A

1V

0Z

Figura 6-4 Resolución mediante mando directo

Secuencia de actividades Se pulsa 1V, pasa aire a presión a su través, penetra aire a presión en el lado izquierdo del émbolo- li - de 1A, el aire sale a la atmósfera del lado derecho del émbolo- ld - a través de 1V, sale su vástago, la cuchara se hunde en el caldo. Cuando el operario elimina el enclavamiento de 1V, ésta se reposiciona por muelle, penetra aire a presión por el ld de 1A y sale de su li a la atmósfera a través de 1V, la cuchara sale del caldo. Cuando el vástago de 1A llega a su punto muerto posterior termina el ciclo. En los circuitos siguientes para abreviar el lenguaje, cuando se diga que entra aire significará que es a presión y cuando se afirme que sale se sobrentenderá que es a la atmósfera. Se advierte, por otra parte, que tanto cuidado hay que poner en la entrada de aire a presión en el lado del émbolo correspondiente como en la salida del aire a la atmósfera del otro lado; esto resulta en principio automático con la inversión de la válvula, pero en algunos casos no es así como veremos más adelante. Mando indirecto La segunda solución se ha diseñado con mando indirecto en el que el operario no actúa directamente sobre el cilindro sino sobre una válvula de gobierno intermedia. Esta solución es la normalmente utilizada, pues permite una mayor versatilidad en los movimientos y una mayor facilidad en la automatización (figura 6.5). Se ha dispuesto una válvula de gobierno 1V entre la válvula actuada por el operario y el cilindro. La válvula 1V es 5/2, monoestable, pilotada y reposicionada por muelle. La válvula sobre la que actúa el operario ha dejado de Autor : Rafael Sancho Cayuso

6-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática

ser de gobierno y se ha convertido en válvula de señal por la que su nomenclatura es 1S. 1A

1V

1S

Figura 6-5 Resolución mediante mando indirecto

Secuencia de actividades Cuando se pulsa 1S, pasa aire a su través, se pilota el lado izquierdo de 1V - pli1V, se invierte, penetra aire en el li de 1A, sale del ld a través de 1V, comienza a salir el vástago de 1A, la cuchara se introduce en el caldo. Cuando el operario elimina el enclavamiento de 1S se reposiciona por muelle, se elimina el pilotaje del lado izquierdo de 1V - epi1V, ésta se reposiciona por muelle, penetra aire por el ld de 1A, sale de su ld a través de 1V, su vástago empieza a entrar. Cuando 1A llega a su fin de carrera anterior habrá concluido el proceso. Retorno automático Avanzando en la solución, se desea que el retorno del vástago sea automático sin intervención del operario, para ello se dispone una nueva válvula 1S2 que sea actuada por el propio vástago cuando alcance su fin de carrera anterior (figura 6.6). La válvula de gobierno monoestable se ha sustituido en este caso por otra biestable doblemente pilotada, mientras que en la 1S1 se ha eliminado el enclavamiento. La válvula 1S2 es 3/2, monoestable, con accionamiento mediante rodillo por el propio vástago y reposicionamiento por muelle.

6-14


I.E.S. Foramontanos


1A 1S2

1V

1S1

1S2

0Z

Figura 6-6 Solución con retorno automático del vástago

Secuencia de actividades Se pulsa 1S1, se pli1V, el pd1V está a escape a través de 1S2; se invierte 1V, penetra aire en li1A, sale aire ld a través de 1V, el vástago sale, la cuchara penetra en el caldo. Cuando 1A llega a su posición anterior actúa sobre 1S2, se invierte, pasa aire a su través, pld1V, el pi se habrá eliminado cuando el operario deje de pulsar 1S1, 1V se invierte a posición de dibujo, penetra aire en ld1A, sale de li a través de 1V, el vástago comienza a entrar, deja de actuar sobre 1S2, se epd1V, la cuchara sale del caldo. Cuando 1A alcanza su posición posterior el ciclo habrá terminado. Normalmente en toda automatización los ciclos son repetitivos, por ello se debe poner especial atención que todos y cada uno de los elementos de un circuito neumático vuelvan a la posición de partida cuando concluya un ciclo. Limitación de velocidad Observando el proceso industrial que estamos resolviendo puede pensarse que dado que la velocidad de los cilindros neumáticos es alta puede ocurrir que tanto a la entrada como a la salida de la cuchara se produzcan salpicaduras. Para evitarlas es conveniente limitar la velocidad de desplazamiento de la cuchara. Para ello, si se desea regular la velocidad de la cuchara, tanto a la entrada como a la salida, se disponen sendas válvulas antirretorno con estrangulamiento, tal como se muestra en la figura 6.7.


6-15

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Como se ha advertido más arriba es conveniente disponer las válvulas antirretorno de manera que se facilite la entrada de aire al cilindro y se dificulte su salida, así el émbolo trabaja entre dos colchones de aire y se obtiene una mejor regulación de la velocidad. 1A

1S2

1V3

1V2 1V1

1S1

1S2

0Z Figura 6-7 Regulación de la velocidad de entrada y salida del vástago

Eliminación de interferencia Se denomina interferencia de señales al caso en que cuando se desea efectuar un movimiento se sigue actuando sobre aquel elemento que produjo el efecto contrario, es decir se está produciendo una señal indeseada que interfiere. En el caso de producirse una interferencia el circuito llega a ese punto y se para, pues no se produce el movimiento deseado. Pues bien, la solución anterior puede tener un problema de interferencia, si el operario sigue pulsando 1S1 cuando el vástago de 1A llega a su posición anterior y actúa sobre 1S2, se produce doble pilotaje sobre 1V, pues le llega aire al ld a través de 1S2 y al li mediante 1S1. Se dice que se ha producido una interferencia. En tal caso 1V permanece tal como se encontraba antes y no se invierte, el proceso quedará parado hasta tanto el operario no deje de pulsar 1S1. Para evitar tal interferencia se dispone una nueva válvula 1S3 que tiene como finalidad la eliminación del pi1V aunque el operario siga pulsando 1S1 (figura 6.8).

6-16


I.E.S. Foramontanos

Circuitos neumáticos 1A

1V2

1S3

1S2

1V3

1V1 1S3

1S2 1S1 0Z

Figura 6-8 Eliminación de interferencia

En el momento que el vástago del cilindro 1A sale, la válvula 1S3, que se encuentra pulsada por el propio vástago, adquiere su posición estable por acción del muelle, cierra al paso de aire que viene de 1S1 y a su vez epi1V. Ciclo continuo Si el ciclo que hasta ahora es intermitente se desea convertirlo en continuo sin intervención del usuario, basta con sustituir la válvula 1V por otra igual pero con enclavamiento. En tal caso cuando el vástago de 1A regresa a su posición posterior, 1S2 se pulsa, y comienza un nuevo ciclo idéntico al ya descrito (figura 6.9).


6-17

I.E.S. Foramontanos

Neumática

1A

1S3

1S2

1V3

1V2 1V 1S3

1S2 1S1 0Z Figura 6-9 Ciclo continuo

Temporización Prosiguiendo con el perfeccionamiento del proceso, puede pensarse ahora que es interesante que la cuchara permanecezca un lapso de tiempo fuera del caldo para permitir que la cuchara se vacíe a través de su mango canaleta. Para ello se dispone de un temporizador 1Z1 entre la válvulas 1S3 y 1V1. En este caso una vez que el vástago ha alcanzado su punto muerto posterior, se haya pulsado 1S2 y comenzado a pasar aire a su través, empieza a incrementarse la presión del depósito del temporizador y transcurrido un cierto tiempo, que se regula mediante el restrictor de 1Z1, se invierte la válvula 3/2 del temporizador, se pli1V y el proceso continua igual al ya descrito (figura 6.10)).

6-18


I.E.S. Foramontanos


1S3 1S2 1A 1V3

1V2 1V1 1Z

1S3

1S1

1S2

0Z Figura 6-10 Proceso con un temporizador

Doble temporización Si se creyese también conveniente dejar transcurrir un determinado tiempo con la cuchara sumergida para que se llenase ésta antes de comenzar a emerger, sería necesario disponer un segundo temporizador 1Z2 entre las válvulas 1S2 y 1V1. El proceso sería análogo al acabado de explicar (figura 6.11).


6-19

I.E.S. Foramontanos

Neumática

1S3 1S2 1A

1V3

1V2 1V1 1S3

1Z2

1Z1

1S2

1S1 0Z

Figura 6-11 Proceso con dos temporizadores

6.2.3 Diagrama espacio – fase A continuación se acompaña el diagrama espacio – fase correspondiente al circuito neumático de la figura 6.6. DIAGRAMA ESPACIO - FASE Elemento

Fase 1

2

3

1S1

1V

1A

1S2

6-20


I.E.S. Foramontanos

Ejemplos resueltos

7. Ejemplos resueltos El presente capítulo incluye algunos ejemplos de circuitos neumáticos resueltos partiendo del proceso industrial que se pretende resolver. 7.1 Manipulación de paquetes Se trata de extraer piezas de un cargador por gravedad y depositarlas sobre un plano inclinado para apilarlas en una caja donde se van a embalar los paquetes. Oprimiendo un pulsador, el primer cilindro extrae una pieza del cargador. A continuación, el segundo cilindro desplaza la pieza hasta el plano inclinado. Concluida la operación, primero retrocede el primer cilindro y, a continuación, hace lo mismo el segundo. Para que las piezas sean desplazadas adecuadamente, es necesario detectar las posiciones de inicio y de final de carrera de los vástagos de ambos cilindros. Dichos sensores llevarán la denominación 1S1, 1S2 que serán respectivamente principio y final de carrera del primer cilindro y 2S1, 2S2 los correspondientes al cilindro 2A.

Figura 7-1


7-1

I.E.S. Foramontanos

Neumática 7.1.1 Diagrama espacio-fase 1

1S2 2

4

3

1A

5 1S1

2S2

2A

Secuencia: 1A+ 2A+ 1A- 2A7.1.2 Esquema neumático 1S1

1S2

2S1

1A

2S2

2A

1V

2V

2S1

1S1

1S3

2S2

1S2

Figura 7-2

7.1.3 Secuencia de actividades Al pulsar 1S3 pasa aire hacia 2S1 que se encuentra en la posición inestable por la acción del vástago del cilindro 2A en su principio de carrera. En esa posición deja pasar el aire para producir el pli. De 1V. El pld de 1V está a escape por la posición estable de el final de carrera (2S2) del cilindro 2A. El cilindro 1A realizará el primer movimiento 1A+. Al llegar 1A a su final de carrera accionará el elemento 1S2, dejará pasar el aire hacia el pli 2V que se invierte porque 1S1 está en la posición opuesta a la del dibujo debido a que el cilindro 1A está en su final de carrera. Si 2V se invierte el vástago de 2A saldrá. Cuando 2A llega al final de carrera acciona 2S2 que al invertirse deja pasar el aire hacia el pld de 1V. El pli está puesto a escape por la válvula 2S1 que está 7-2


I.E.S. Foramontanos

Ejemplos resueltos

en la posición inversa a la del dibujo. Debido a este pilotaje el vastago del cilindro 1A entrará. Cuando 1A llega al inicio de carrera acciona 1S1 que realiza el pld de 2V debido a que 1S2 ha vuelto a su posición de dibujo. Con este pilotaje se consigue que el cilindro 2A vuelva a su inicio de carrera. 7.2 Compactador de basura doméstica

El prototipo de una prensa neumática para compactar basura doméstica, trabaja a una presión máxima de p =300 kPa = 3bar. Esta equipada con un cilindro empujador (1A), así como de un cilindro compactador (2A), el cual ejerce una fuerza máxima de F = 2200 N. Si se oprime el pulsador de puesta en marcha, avanza en primer lugar el empujador y a continuación el compactador. En el caso de que el compactador no alcance la posición extrema anterior, es decir, que el contenedor para basura ya esté lleno, la carrera de retroceso de ambos cilindros se iniciará por medio de una válvula de secuencia. Esta debe actuar cuando la presión alcance el valor p= 280 kPa = 2,8 bar. Cuando esto ocurra se vaciará el depósito de basura compactada retirando la bandeja horizontal dispuesta debajo y caerá por gravedad. Este proceso no se incluye dentro del proceso neumático.

Figura 7-3


7-3

I.E.S. Foramontanos

Neumática

7.2.1 Diagrama espacio – fase Elemento Fase 1

2

3

4

5

1S1 1S2 1V 1A

1S3

2V

2A

2S

7.2.2 Esquema neumático 1A 1S2

2A

1S3

1V

2S

2V

1S2

0V 1S3

2S

1S1

0Z3

Figura 7-4 7-4


Ejemplos resueltos

I.E.S. Foramontanos

7.2.3 Secuencia de actividades Se pulsa 1S1, se invierte, pasa aire a su través; pasa aire a través de 1S2 que se encuentra en posición inestable debido a la geometría del vástago de 1A. Se pli 1V; como el ld 1V está en contacto con la atmósfera gracias a 0V y 0Z3 se invierte; pasa aire a su través. 1S1 se reposiciona por muelle en el instante en que deje de pulsarse, en tal momento epi 1V. Entra aire en el li 1A, como ld está a escape empieza a salir el vástago de 1A (1A+), en ese momento la válvula 1S2 se reposiciona por muelle; el pi 1V se eliminaría aunque se siguiera pulsando 1S1. El vástago de 1A introduce la basura en la caja y produce una primera compactación. Cuando el vástago de 1A llega a su fin de carrera anterior pulsa 1S3, se invierte, pasa aire a su través, pli 2V; como el ld 2V está en contacto con la atmósfera gracias a 0V y 0Z3, se invierte, pasa aire a su través. El aire entra por el lado izquierdo de 2A y en paralelo se dirige a 0Z3; no actuará sobre esta válvula hasta que la presión en el conducto que llega a ella no alcance un valor de 2,8 bar. Como el lado derecho está a escape empieza a salir el vástago de 2A (2A+); compacta la basura y si el depósito no está lleno no se alcanza la presión de 2,8 bar en el conducto de alimentación y llega hasta su fin de carrera posterior 2S. Pulsa 2S, la invierte, pasa aire a su través; el aire llega a la válvula selectora de circuito 0V y la invierte, pasa aire a su través. El aire se dirige le hacia los lados derechos de 1V y 2V, los pilota; en el caso de 1A la invierte pasando a posición de dibujo, dado que su lado izquierdo está en contacto con la atmósfera; en el caso de 2V no lo puede hacer pues su lado izquierdo está pilotado. Como li 1A está a escape, éste empieza a entrar (1A-), su vástago deja de pulsar 1S3, ésta se reposiciona por muelle, el pi 2V se pone a escape gracias a 1S3. Se invierte 2V; pasa a posición de dibujo, pasa aire a través de 2V hacia el ld 2A; como el li está a escape empieza a entrar (2A-). Deja de pulsar 2S, se invierte, los lados derechos de 1V y 2V se ponen a escape a través de 0V y 2S , eliminándose sus correspondientes pilotajes. Autor : Rafael Sancho Cayuso

7-5

Neumática

I.E.S. Foramontanos

El vástago de 1A cuando llega su punto muerto posterior actúa sobre 1S2, pasando a la posición inestable de dibujo; 2.0 termina también de entrar y todo el sistema se encuentra en la posición primitiva dispuesto a volver a actuar en el momento en que se presione 1S1. En el caso en que el depósito de basura se encuentre lleno el vástago de 2.0 no podrá llegar a su fin de carrera y la presión del conducto de alimentación incrementará su magnitud alcanzándose los 2,8 bar a que se encuentra tarada la válvula de secuencia 0Z3. En tal instante se vence la fuerza del resorte, se invierte, pasa aire a través de dicha válvula y se pilota la válvula 3/2 de 0Z3; pasa aire a su través y llega a la válvula selectora 0V, pasa aire a través de ella y llega a los lados derechos de 1V y 2V sucediendo las cosas a partir de aquí igual que en el caso anterior, salvo que la eliminación de los pilotases derechos de 1V y 2V necesitan que previamente se elimine la presión existente en el conducto 2V 0Z3, cosa que se verifica cuando se invierte 2V a posición de dibujo. 7.3 Esquemas con interferencias Se denomina interferencia de señales al caso en que cuando se desea efectuar un movimiento se sigue actuando sobre aquel elemento que produjo el efecto contrario, es decir se está produciendo una señal indeseada que interfiere. En el caso de producirse una interferencia el circuito llega a ese punto y se para, pues no se produce el movimiento deseado. Para que no se produzca interferencia es necesario que entre dos movimientos del mismo cilindro (A+, 1A- ) exista el movimiento contrario al que produjo el primero de los dos movimientos (A+). Por ejemplo en la secuencia (A+, 2A+ , 1A- , 2A-) entre 1A+ y 1A- existe el movimiento 2A+ que es el movimiento contrario al que produjo 1A+ (2A-). Además entre 2A+ y 2A- existe el movimiento 1A- que es el contrario al que produjo 2A+ (A+) Por otra parte hay que tener en cuenta que un proceso no acaba con su secuencia, sino que esta vuelve a empezar, por ello la secuencia anterior debe ser estudiada completa, es decir: (A+, 2A+ , 1A- , 2A-, 1A+ , 2A+ , 1A- , 2A-, …).

7-6


Ejemplos resueltos

I.E.S. Foramontanos

En esta secuencia tampoco hay interferencia entre 1A- y 1A+ ni entre 2A- y 2A+ por análogas razones a las mencionadas. Si, a la inversa, no existe entre dos movimientos contrarios el contrario al que produjo el primero de los dos movimientos, se forma una interferencia que será preciso eliminarla de alguna manera. Por ejemplo en la secuencia (A+, 2A+ , 2A-, 1A- ) entre 2A+ y 2A- no hay ningún movimiento por lo que no se encuentra el movimiento necesario para que no exista interferencia (A-), luego la habrá. Si tomamos la secuencia completa (A+, 2A+ , 2A-, 1A- , 1A+ , 2A+ , 2A-, 1A- ,…) entre 1A- y 1A+ se producirá otra interferencia por análogas razones. Otro caso: (A-, 2A+ , 2A-, 1A+ , C+, C-, 1A- , 2A+ , 2A-, 1A+ , C+, C-, …) existirán interferencias entre 2A+ y 2A-, entre C+ y C- y entre 1A- y 1A+ por análogas razones a las ya mencionadas. Para solucionar los casos de interferencia se puede seguir el método intuitivo o de tanteo práctico o por contra podemos seguir métodos sistemáticos como el llamado “método en cascada”. Vamos a explicar todo ello mediante un ejemplo.


7-7

I.E.S. Foramontanos

Neumática

7.4 Fresadora Sobre una fresadora han de realizarse ranuras en marcos de madera. El marco de madera es sujetado con un cilindro neumático. El avance de la mesa de la fresadora es efectuado con una unidad de avance neumática-hidráulica.

Figura 7-5 Diagrama espacio-fase 1A 2A

La secuencia de nuestro proceso es la que se puede apreciar en el diagrama espacio fase de arriba. 1A+ 2A+ 2A- 1A-. Si intentamos solucionarlo de forma intuitiva llegaremos a un esquema como el de la figura 7-6.

7-8


I.E.S. Foramontanos

Ejemplos resueltos 1S2

1S3

2S1

1A

2S2

2A

2V

1V

1S2

2S1

1S1

1S3

2S2

Figura 7-6

Cuyo diagrama espacio fase será el siguiente 1A 2A Diagrama de mando 1S2 1S3

SOLAPAMIENTO DE SEÑALES

2S1 2S2 1S1

Como se puede comprobar ya de partida tenemos una primera interferencia al accionar el pulsador 1S1 ya que la válvula de rodillo 2S1 está pilotando por el lado derecho la válvula 1V. Un segundo problema lo tendríamos en la fase 3 de manera analoga a la anterior pero con la válvula 2V. Se va a proponer una solución al problema siguiendo el método intuitivo e introduciendo una válvula distribuidora 5/2 que cumpla las funciones de válvula conmutadora. Dicha válvula conmutará uno de los lados de las válvulas de gobierno 1V y 2V, cerrando el paso al pilotaje del otro lado. Mientras no haya problemas de interferencia mantendremos la válvula en una posición determinada, Autor : Rafael Sancho Cayuso

7-9

Neumática

I.E.S. Foramontanos

cuando surjan dichos problemas la cambiaremos de posición. Lo mejor es observar y entender el esquema de la figura 7-21. En dicho esquema podemos observar, como diferencia al anterior, como la señal de las válvulas 1S1 y 1S2 realiza el pilotaje de la válvula conmutadora 0V que se invierte debido a que el pld. está a escape mediante la válvula 2S2. Al invertirse 0V hace dos cosas a la vez primero pilota la válvula 1V por su lado izquierdo y a su vez pone a escape el lado derecho ya que la válvula 2S1 a pesar de estar accionada no tiene presión en su alimentación porque le llega de la válvula 0V cuando está en su posición inicial. Con esta acción logramos la primera fase de nuestra secuencia 1A+. Cuando 1A+ llega al final de carrera acciona 1S3 y como no tenemos problema de interferencia en esta fase podemos hacer que dicha válvula (1S3) coja aire de la misma vía de la válvula conmutadora. De esta forma conseguiremos el pilotaje izquierdo de 2V y conseguiremos el segundo movimiento de la secuencia 2A+. En el final de carrera de 2A se acciona 2S2 y nos encontramos con el segundo problema de interferencia. Para solucionarlo lo que haremos será conmutar nuevamente la válvula 0V a su posición original. De esta forma 2S2 deberá recibir presión desde la red y realizar el pld de 0V. Al conmutarse 0V pondremos a escape el pli de 2V y realizaremos el pld 2V, de forma que conseguimos el movimiento 2A-. Al llegar 2A a su inicio de carrera acciona 2S1 que pld de 1V debido a que el pli está a escape por la válvula 0V. De esta forma se realiza el movimiento 1Ay finaliza nuestra secuencia.

7-10


I.E.S. Foramontanos


1S3

2S1

1A

2S2

2A

1V

2V 2S1

1S3

0V 1S1

1S2

2S2

Figura 7-7


7-11

Neumática

I.E.S. Foramontanos

7.5 Método en cascada para la resolución de interferencias Para seguir un método sistemático para la resolución de interferencias de la manera más rápida es la consistente en anular cada señal en el momento en que ésta ya no haga falta. Si pensamos en el ejemplo anterior para cada una de las 4 fases o para cada uno de los 4 pasos hace falta una anulación. Se va a disponer de unas señales de entrada que se llamarán e1…en y señales de salida S1…Sn. Habrá igual número de entradas que de salidas y a cada una de las entradas le corresponderá una salida. A e1 le corresponderá una salida S1 a en le corresponderá Sn. Con cada una de las salidas se realizará uno de los movimientos de nuestra secuencia así S1 nos proporcionará el movimiento 1A+, S2 el movimiento 2A+ y así sucesivamente. Las señales de salida deben de quedar memorizadas, es decir que aunque su señal de entrada correspondiente se anule debe permanecer la señal de salida hasta que se emita la siguiente señal de entrada. Neumáticamente esto queda resuelto con la utilización de una válvula biestable de forma que aunque se anule su pilotaje, la válvula quedará en esa posición hasta que se pilote por el lado contrario. Todo lo anterior queda resumido en un esquema como el que se muestra a continuación.

7-12


I.E.S. Foramontanos


1S3

2S1

1A

2S2

2A

1V

2V

S1 S2 S3 S4

e1

e2

e3

e4

1S1

1S2

2S2

1S3

2S1

Figura 7-8

En el esquema (figura 7-9) podemos comprobar como para cada paso vamos a disponer de una línea de presión (S1…S4). Solo una de dichas líneas tendrá presión en cada paso. Las entradas son cada uno de los elementos introductores de señal de los que disponemos, en este ejemplo todos los finales de carrera más el pulsador de marcha. El primer paso debe estár activado por el pulsador de marcha y por el elemento 1S2 para asegurarnos que el fin de ciclo se ha cumplido. De esta forma la entrada e1 deberá ser la suma de 1S1 y 1S2 activados. Al llegar al fin de carrera se debe cumplir el siguiente paso luego e2 será el elemento 1S3 y así sucesivamente como muestra la figura . Ahora bien nos queda por implementar en el esquema un bloque que representa la relación entre las entradas y las salidas que es lo que vamos a realizar a continuación.


7-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática

S1 S2 S3 S4 e1

e2

e3e2

e4

Figura 7-9

La figura muestra un conexionado de válvulas distribuidoras 5/2 que cumple casi todas las condiciones del bloque para la anulación de señales. La denominación de “montaje en cascada” es debida a la conexión en forma escalonada. Hacen falta siempre n-1 válvulas siendo n el número de pasos del proceso que es igual lógicamente al número de salidas que necesitamos. Con esta disposición se asegura que la presión no esté disponible más que en una sola salida, en una sola línea, estando las restantes a escape. Otra característica es la correspondencia entre las entradas y las salidas. Es decir, cuando se acciona la entrada e1 se activa la salida S1 y así sucesivamente. Sin embargo al esquema le queda un pequeño problema: cuando la entrada e2 está activada no se puede realizar el pld de la válvula conmutadora que acciona. Tenemos una nueva interferencia. Para solucionar estos nuevos casos de interferencia debemos hacer que las señales de entrada (e1…en) solo se generen cuando hay presión en la salida anterior a la que accionan (para una entrada en en Sn-1 ) de forma que al accionarse la salida Sn deje de activarse la entrada en-1. Debido a lo engorroso de la explicación anterior se recomienda al lector que observe la solución de la figura 7-10 ya que es mucho más fácil de entender.

7-14


I.E.S. Foramontanos

Ejemplos resueltos

S1 S2 S3 S4

e1

e2

e3

e4 Figura 7-10

El montaje en cascada tiene varios inconvenientes: en primer lugar el número de elementos a utilizar es sensiblemente mayor que el usado en la solución meramente intuitiva (ver figura 7-11). Además, como para todas las señales de mando, solo disponemos de una entrada de presión, el aire debe recorrer varias válvulas hasta realizar su trabajo, con lo que la perdida de presión es considerable y la rapidez del mando se resiente. Por ello no se recomienda utilizar este método para más de 4 líneas. A pesar de que se han empleado 4 líneas en realidad no se hubieran necesitado las cuatro líneas pudiendo simplificar algunas de ellas. Para ello se van a dar a continuación algunos consejos. En primer lugar se recomienda la escritura abreviada de la secuencia del proceso. En el caso de nuestro ejemplo: 1A+ 2A+ 2A- 1A-. Dividir dicha secuencia en grupos de forma que una orden de maniobra (salida o entrada de un cilindro) para un mismo cilindro, debe de aparecer solo una vez en cada grupo. De esta forma en el ejemplo la secuencia quedará divida de la siguiente forma. GRUPO 1: 1A+ 2A+ GRUPO 2: 2A- 1APara cada grupo hará falta una salida. En este caso 2 salidas y por lo tanto bastará con una única válvula conmutadora. En el movimiento de división de


7-15

I.E.S. Foramontanos

Neumática

grupos (entre 2A+ y 2A-) habrá que conmutar la válvula, en el resto de movimientos se podrá pilotar directamente las válvulas de gobierno. (Figura 7-25) 1S2

1S3

2S1

1A

2S2

2A

1V

2V 2S1

1S3

S1 S2

0V 1S2

2S2

1S1

Figura 7-11

7-16


I.E.S. Foramontanos

Ejemplos resueltos

7.6 Marcado de piezas En una máquina especial han de marcarse unas piezas. La alimentación de las piezas es a través de un depósito de caída, siendo empujadas contra un tope y sujetadas mediante el cilindro 1A, marcadas mediante el cilindro 2A y expulsadas mediante el cilindro 3A. El desarrollo de las fases ha de realizarse automáticamente con la posibilidad de elección entre ciclo único y ciclo continuo. La puesta en marcha se efectuará a través de un pulsador. Un final de carrera detectará la existencia de piezas en el depósito. Cuando ya no hay piezas en el depósito, debe pararse la máquina en la posición inicial y quedar bloqueada contra una nueva puesta en marcha. Después del accionamiento del pulsador de PARO DE EMERGENCIA han de retornar los émbolos de los cilindros de inmediato a la posición inicial.

Figura 7-12

Diagrama espacio-fase

1A 2A

1S2

2S2

1S1 2S1

3S2

3A


7-17

I.E.S. Foramontanos

Neumática

La secuencia de nuestro proceso es la que se puede apreciar en el diagrama espacio fase de arriba. 1A+ 2A+ 2A- 1A- 3A+ 3A-. 1A

1S1

2A

1S2

1V

2S1

3A

2S2

3S1

3S2

3V

2V

Figura 7-13

Si comenzamos con la elaboración del esquema, se tiene de inicio los tres actuadores con sus respectivas válvulas de gobierno y sus respectivos elementos de señal principio y final de carrera. (Figura 7-13). La secuencia dividida en grupos resulta: GRUPO 1: 1A+ 2A+ GRUPO 2: 2A- 1A- 3A+ GRUPO 3: 3AAsí pues se necesitarán 3 líneas de salida del montaje en cascada una para cada uno de los grupos. Dentro de cada grupo se puede disponer los elementos de señal correspondientes para poder terminar la pequeña secuencia correspondiente a cada grupo. Es decir tomando la primera línea correcpondiente al primer grupo, se puede conectar a ella el elemento 1S2 para que quede definida la secuencia 1A+, 2A+. (Figura 7-14).

7-18


I.E.S. Foramontanos

Ejemplos resueltos 1A

1S1

2A

1S2

1V

2S1

2S2

2A

2V

3S1

3S2

3V

2S1

1S1

1S2

GRUPO1 GRUPO2 GRUPO3

Figura 7-14

Seguidamente se define la colocación de las 2 válvulas conmutadoras en cascada (figura 7-15). S1 S2 S3 e1

e3

e2

Figura 7-15

Finalmente se definen los elementos de entrada a nuestro bloque “en cascada” que son las señales que son activadas al final de cada grupo en que se ha divido la secuencia. Es decir, e1 será el pulsador de marcha, e2 será el final de carrera que se activa al final del grupo1 (2S2) y e3 será el que se activa al final del grupo 2 (3S2). Como es preceptivo dichos elementos de señal se deben alimentar del aire proviniente del grupo de secuencia anterior (e1 de S3, e2 de S1 y e3 de S2). Después de incluir los elementos adicionales para el paro de emergencia el esquema será el de la figura 7-16 de la página siguiente.


7-19

Ejemplos resueltos

1S1

1S2

2S1

1A

2S2 3S1

2A 1V1

1V2

2V1

2S1

2V2

S1 S2 S3 0V4

0V3 0V2

MARCHA

0S1

0S3 C. C.

C. U.

PARO EMERGENCIA

2S2

0S2 3S1

Figura 7-16 7-20

3V1

1S1

1S2

PARO EMERGENCIA

0V1

3S2

3A

3S2

3V2

Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

8. Electroneumática. 8.1 Introducción La neumática básica o pura, como se ha explicado en los capítulos precedentes, produce la fuerza mediante los actuadores o motores neumáticos, lineales o rotativos, pero además el gobierno de éstos y la introducción de señales, fines de carrera, sensores y captadores, se efectúa mediante válvulas exclusivamente neumáticas, es decir el mando, la regulación y la automatización se realiza de manera totalmente neumática. Pues bien, esta manera de proceder en estos momentos se reserva a circuitos neumáticos muy sencillos y a casos en que, por cuestiones de seguridad, no se pueden admitir elementos eléctricos. En la electroneumática los actuadores siguen siendo neumáticos, los mismos que en la neumática básica, pero las válvulas de gobierno mandadas neumáticamente son sustituidas pos electroválvulas activadas con electroimanes en lugar de pilotadas con aire comprimido. Las electroválvulas no son otra cosa que convertidores electroneumáticos que transforman una señal eléctrica en una actuación neumática. Por otra parte los sensores, fines de carrera y captadores de información son elementos eléctricos, con lo que la regulación y la automatización son, por tanto, eléctricas o electrónicas. Las ventajas de la electroneumática sobre la neumática puras son obvias y se concretan en la capacidad que tienen la electricidad y la electrónica para emitir, combinar, transportar y secuenciar señales, que las hacen extraordinariamente idóneas para cumplir tales fines. Se suele decir que la neumática es la fuerza y la electricidad los nervios del sistema. Teniendo en cuenta lo anterior se puede definir la electroneumática como la tecnología que trata sobre la producción y transmisión de movimientos y esfuerzos mediante el aire comprimido y su control por medios eléctricos y electrónicos.


8-1

I.E.S. Foramontanos

Neumática

La electroneumática es un paso intermedio entre la neumática básica y los autómatas programables que se estudian más adelante, donde estos por si solos controlan el sistema con las ventajas singulares que conllevan. No es estrictamente necesario saber electricidad y electrónica para entender la electroneumática, pues basta tomar los elementos eléctricos como cajas negras, de los que se conoce que con unos determinados estímulos proporciona unas respuestas concretas, es decir que ciertas entradas producen tales salidas. Sin embargo saber electricidad y electrónica es extraordinariamente útil pues la electroneumática es una simbiosis donde se mezcla la neumática y la automática, con cierta preponderancia de ésta sobre aquella. En la electroneumática la energía eléctrica (energía de mando y de trabajo) es introducida, procesada y cursada por elementos muy determinados. Por razones de simplicidad y vistosidad estos elementos figuran en los esquemas como símbolos que facilitan el diseño, la instalación y el mantenimiento. Pero no es suficiente sólo la comprensión de los símbolos existentes en los esquemas de los circuitos electroneumáticos y el funcionamiento de los elementos que en él figuran para garantizar el correcto dimensionado de mandos y la rápida localización de errores o anomalías cuando aparecen, sino que el especialista en mandos debe conocer también las cuestiones y elementos más importantes y usuales de la electricidad y la electrónica. Un sistema electroneumático consta de un circuito neumático simple y en paralelo circuitos eléctricos, en ocasiones bastante complejos, donde tiene una gran importancia

la forma de representación de cada elemento. El circuito

eléctrico está formado por: •

Elementos eléctricos para la entrada de señales

•

Elementos eléctricos o electrónicos para el procesamiento de señales

Los cuales se explican en los apartados siguientes. 8.2 Entradas de señal Estos elementos tienen el cometido de introducir las señales eléctricas procedentes de diferentes puntos con distintos tipos y tiempos de accionamiento.

8-2


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Cuando el control de tales elementos sucede por la unión de contactos eléctricos, se habla de mando por contacto, en caso contrario de mando sin contacto o electrónico. En cuanto a la función se distingue entre los de contacto de cierre, de apertura y de conmutación. El contacto de cierre tiene el cometido de cerrar el circuito, el de apertura ha de abrirlo y el de conmutación abre o cierra el mismo. En la figura 8.1 se indican sus respectivos símbolos de representación. Obsérvese la numeración de los contactos. 3

Contacto de cierre

4

Contacto de apertura

1

2

Contacto conmutación

2

4

1

Figura 8-1 Símbolos de representación de las entradas de señal

El contacto de conmutación es un ensamblaje constructivo de contacto de cierre y de apertura. Ambos contactos tienen un elemento móvil de conexión. Este elemento de conexión, en posición de reposo tiene contacto siempre sólo con una conexión. El accionamiento de estos elementos puede tener lugar manual o mecánicamente o bien por mando a distancia, con energía de mando eléctrica o neumática. La introducción de la señal puede hacerse con pulsador o con interruptor. El pulsador (figura 8-2) realiza una determinada conexión solamente mientras existe el accionamiento del mismo. Al soltarlo vuelve a ocupar la posición inicial. Sustituye a las válvulas neumáticas con reposición por muelle o monoestables. El interruptor también realiza una determinada conexión, pero para mantener dicha posición no hace falta un accionamiento continuo del interruptor. Autor : Rafael Sancho Cayuso

8-3

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Este interruptor incorpora casi siempre un enclavamiento mecánico. Sólo por un nuevo accionamiento regresa el interruptor a la posición inicial. Se corresponde con las válvulas neumáticas biestables.

Figura 8-2 Pulsadores normalmente abierto y normalmente cerrado

La figura 8-2 muestra un pulsador con contacto de cierre y otro con contacto de apertura, lo que en neumática se denominaba normalmente abierto y normalmente cerrado respectivamente. Al accionar el pulsador, actúa el elemento móvil de conexión en contra de la fuerza del muelle, uniendo los contactos (contacto de cierre) o separándolos (contacto de apertura). Haciendo esto el circuito queda cerrado o interrumpido. Al soltar el pulsador se vuelve a la posición inicial gracias al muelle. En la figura 8-3, ambas funciones, es decir contacto de cierre y de apertura, están ubicadas en un solo cuerpo. Accionando el pulsador quedan libres los contactos del contacto de apertura e interrumpen un circuito mientras se cierra el otro. Soltando el pulsador el muelle lleva los elementos de conexión a la posición inicial, invirtiendo los contactos. En neumática no existe una válvula que realice de una manera simple la conmutación.

8-4


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Figura 8-3 Pulsador con doble contacto

Los pulsadores o interruptores son necesarios en todos aquellos casos donde han de comenzar ciclos de trabajo o deban alcanzarse determinados desarrollos funcionales por la introducción de señales o donde haga falta un accionamiento continuo por razones de seguridad. En la realización de un circuito juega un papel importante la elección de estos elementos, ya sea como contacto de cierre o de apertura o contacto de cierre y apertura juntos. Las industrias eléctricas ofrecen los más diversos pulsadores, interruptores y conmutadores. Un único elemento puede estar equipado también con varios contactos, por ejemplo 2 contactos de cierre y 2 de apertura. apertura. A menudo ofrece el comercio los pulsadores equipados con una lámpara de señal. La parte frontal de los interruptores debe reflejar la posición del contacto, es usual hacerlo como sigue: CONECTADO

⏐ (raya)

DESCONECTADO

′ (circulo)

o con las palabras CON, DES / SUBIR, BAJAR

Este símbolo puede encontrarse al lado o sobre los botones. Si la interrupción se realiza con botones:

Figura 8-4


8-5

I.E.S. Foramontanos

Neumática

En botones adyacentes, el botón de desconexión está situado siempre a la izquierda.

Figura 8-5

En botones subyacentes, el botón de desconexión está situado siempre abajo. El marcaje en color de los botones no está prescrito, pero si se efectúa un marcaje en color, el botón de peligro, por lo general el botón de desconexión, está marcado en rojo. Los elementos eléctricos para la introducción de señales pueden estar dotados de diferentes accionamientos, como por ejemplo el mostrado en la figura 8-6.

Figura 8-6 Interruptor basculante

8.3 Finales de carrera Cuando un vástago de un cilindro o bien una determinada pieza movida por él alcanzan una determinada posición, normalmente su fin de carrera, anterior o posterior, activan frecuentemente un elemento, denominado final de carrera que a su vez actuará sobre otro elemento. Estos finales de carrera pueden activarse por contacto mediante una actuación mecánica o bien sin contacto con otros medios.

8-6


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

En la elección de tales elementos introductores de señales es preciso atender especialmente la solicitación mecánica, la seguridad de contacto y la exactitud del punto de conmutación. En su ejecución normal estos interruptores de fin de carrera son conmutadores. En ejecución especial son posibles otras combinaciones de conexión. Los finales de carrera se distinguen también según la introducción de contactos: Contacto lento o contacto rápido. En el contacto lento, la velocidad de apertura o cierre de los contactos es idéntica a la del accionamiento del pulsador (apropiado para bajas velocidades de acceso). En el contacto rápido no tiene importancia la velocidad de acceso, ya que en un punto muy determinado, el conmutado tiene lugar bruscamente. Para el montaje y el accionamiento de los finales de carrera hay que fijarse en las indicaciones del fabricante. 8.3.1 Finales de carrera mecánicos El accionamiento del final de carrera se realiza por una pieza sobre un taqué, leva, palanca, rodillo, rodillo articulado o elemento similar. En la figura 8-7 se observa un ejemplo.

Figura 8-7 Final de carrera mecánico

8.3.2 Finales de carrera sin contacto. Pueden ser magnéticos, inductivos, capacitivos y ópticos. 8.3.2.1 Contacto magnetosensible (tipo Reed) Los finales de carrera sin contacto se pueden accionar magnéticamente. Son especialmente ventajosos cuando hace falta un alto número de maniobras. También encuentran aplicación cuando no existe sitio para el montaje de un interruptor final mecánico o cuando lo exigen determinadas influencias ambientales (polvo, arena, humedad).


8-7

I.E.S. Foramontanos

Neumática

En un bloque de resina sintética están inyectados dos contactos, junto con un tubito de vidrio lleno de gas protector. Por la proximidad de un émbolo u otro elemento con un imán permanente, los extremos de las lengüetas solapadas de contacto se atraen y conectan (figura 8-8). El alejamiento del imán produce la separación de las lengüetas de contacto. Obviamente se podría alojar un contacto de apertura o un conmutador.

Figura 8-8 Finales de carrera magnéticos

Los cilindros con interruptores de proximidad de accionamiento magnético no deben montarse en lugares con fuertes campos magnéticos (p. ej. máquinas de soldadura por resistencia). Por otra parte no todos los cilindros son aptos para la aplicación de estos finales de carrera sin contacto. Los relés con los contactos en gas protector tienen una larga duración y están exentos de mantenimiento. Sus tiempos de conmutación son cortos (0,2 ms aprox.). El máximo número de maniobras por segundo es de unas 400. No obstante, la sensibilidad de respuesta alcanzable está limitada por su construcción.

8-8


Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

8.3.2.2 Sensores inductivos

Figura 8-9 Diagrama de bloques de un sensor inductivo

Son sensores que advierten la presencia de un material metálico. Los componentes más importantes de un sensor de proximidad inductivo son un oscilador (circuito resonante LC), un rectificador demodulador, un amplificador biestable y una etapa de salida. El campo magnético, que es dirigido hacia el exterior, es generado por medio del núcleo de ferrita semiabierto de una bobina osciladora y de un apantallado adicional. Esto crea un área limitada a lo largo de la superficie activa del sensor de proximidad inductivo, la cual se conoce como zona activa de conmutación. Cuando se aplica una tensión al sensor, el oscilador se activa y fluye una corriente de reposo definida. Si un objeto conductor de electricidad se introduce en la zona activa de conmutación, se crean unas corrientes parásitas que restan energía al oscilador. La oscilación se atenúa y esto produce un cambio en el consumo de corriente del sensor de proximidad. Los dos estados de oscilación atenuada y sin atenuar se evalúan electrónicamente.


8-9

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 8-10 Método de funcionamiento de un sensor inductivo

Por medio de los sensores de proximidad inductivos, solo pueden detectarse materiales conductores de electricidad. Dependiendo

del

tipo

de

conmutación

(normalmente

cerrado

o

normalmente abierto), la etapa final es conectada o interrumpida si se presenta un objeto metálico en la zona activa de conmutación. La distancia del área activa, donde se produce un cambio en la señal de salida, se conoce como distancia de conmutación. Por ello, un criterio importante para seleccionar los sensores de proximidad inductivos es el tamaño de la bobina incorporada en la cabeza del sensor. Cuanto más grande sea la bobina, mayor será la distancia de conmutación activa. Pueden alcanzarse distancias de hasta 250 mm. Para determinar la distancia de conmutación de los sensores de proximidad inductivos, se utiliza una placa de calibración estandarizado. Solamente así pueden hacerse comparaciones válidas de las distancias de conmutación de diferentes sensores de proximidad inductivos. La placa de medición estándar está hecha de acero dulce (Fe 360 según los Eurostandars 25 y 27 o ISO 630), de 1 mm de grueso. Tiene forma cuadrada y la longitud del lado es igual a: el diámetro de la superficie activa del sensor o bien tres veces la distancia de conmutación nominal.

8-10


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Se utilizará el mayor de ambos valores como longitud del lado de la placa de calibración estándar. La utilización de placas con superficies mayores no conduce a cambios significativos en la distancia de conmutación medida. Sin embargo, si se utilizan placas menores, se obtiene una disminución de la distancia de detección. Asimismo, la utilización de diferentes materiales conduce a una reducción de la distancia de conmutación efectiva. En la tabla inferior, se indican los factores de reducción para diferentes materiales. Material Acero dulce

Factor de reducción 1.0

Níquel cromo

0.70 - 0.90

Latón

0.35 - 0.50

Aluminio

0.35 - 0.50

Cobre

0.25 - 0.40

Tabla Valores indicativos para el factor de reducción

La tabla indica que las mayores distancias de detección se alcanzan con materiales magnéticos. Las distancias alcanzabas con materiales no magnéticos (latón, aluminio, cobre) son netamente inferiores. +24V

BN= MARRON

BK= NEGRO BU= AZUL

L= CARGA

0V

Figura 8-11 Símbolo de un sensor inductivo

La designación de las conexiones de los sensores de proximidad inductivos están estandarizadas. Muchos de los sensores de proximidad inductivos que se ofrecen actualmente en el mercado tienen las siguientes características de protección para garantizar un manejo sencillo y un funcionamiento seguro: Autor : Rafael Sancho Cayuso

8-11

I.E.S. Foramontanos

Neumática •

Protección contra polaridad inversa (contra daños causados como resultado de invertir las conexiones)

•

Protección contra cortocircuito (protege el cortocircuito de la salida contra el tierra)

•

Protección contra picos de tensión (contra sobretensiones transitorias)

•

Protección contra rotura de cable (la salida se bloquea si la línea de alimentación se desconecta). Si los sensores de proximidad inductivos se montan en alojamientos

metálicos, debe tenerse cuidado de no alterar las características del sensor. Debe distinguirse entre dos tipos de sensores de proximidad: los de montaje enrasado y los de montaje no enrasado.

Figura 8-12 Montaje enrasado de sensores inductivos

Allí donde los sensores deban montarse completamente enrasados en metal, deberán instalarse de forma que el campo electromagnético esté dirigido desde la zona activa hacia adelante. De esta forma, las características del sensor de proximidad no serán influidas por el método de montaje. En el caso de montaje adyacente de sensores de proximidad debe respetarse una distancia mínima entre ellos en relación con su diámetro. Esto es esencial para evitar que los sensores de proximidad influyan unos con otros. La zona libre frente al sensor de proximidad debe ser por lo menos de tres veces la distancia de conmutación nominal del sensor utilizado. La zona libre es la distancia entre el sensor de proximidad y un objeto situado enfrente. La ventaja de los sensores de proximidad de montaje enrasado es que son muy sencillos de instalar y ahorran espacio. La desventaja en comparación con 8-12


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

los de montaje no enrasado en que aunque el diámetro exterior del cuerpo del sensor sea idéntico, la distancia de detección es inferior.

Figura 8-13 Montaje no enrasado

Los sensores de proximidad no enrasables que se montan sobre materiales que influyen en sus características (metales), requieren una zona libre que circunde toda el área activa. Sin embargo, estos sensores de proximidad pueden montarse embebidos en plásticos, madera u otros materiales no metálicos sin que se vean afectadas las características del sensor. Este tipo de sensores pueden reconocerse a menudo por la cabeza de la bobina que forma una protuberancia en el cuerpo del sensor de proximidad. 8.3.2.3 Sensores capacitivos

Figura 8-14 Diagrama de bloques de un sensor capacitivo


8-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Estos sensores detectan la presencia de cualquier material. El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material. En un sensor de proximidad capacitivo, entre un electrodo "activo" y uno puesto a tierra, se crea un campo electrostático disperso. Generalmente también se halla presente un tercer electrodo para compensación de las influencias que pueda ocasionar la humedad en el sensor de proximidad. Si un objeto o un medio (metal, plástico, vidrio, madera, agua), irrumpe en la zona activa de conmutación, la capacitancia del circuito resonante se altera. Este cambio en la capacitancia depende esencialmente de los siguientes parámetros: la distancia entre el medio y la superficie activa, las dimensiones del medio y su constante dieléctrica. La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores de proximidad capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro. De esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios. Por ejemplo, es posible determinar el nivel de un líquido a través de la pared de vidrio de su recipiente. La máxima distancia de detección de un sensor de proximidad capacitivo viene determinada por medio de una placa de metal puesta a tierra. La tabla inferior muestra las variaciones de las distancias del punto de conmutación con respecto a diferentes materiales. La máxima distancia de conmutación que puede obtenerse en los sensores de proximidad capacitivos industriales es de unos 60 mm.

8-14


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Grueso del material

Distancia de conmutación

1.5 mm

⎯

3.0 mm

0.2 mm

4.5 mm

1.0 mm

6.0 mm

2.0 mm

7.5 mm

2.3 mm

9.0 mm

2.5 mm

10.5 mm

2.5 mm

Variación de la distancia de conmutación en función del grueso del material, utilizando una tira de cartón (ancho = 30 mm) Con sensores de proximidad capacitivos, debe observarse que la distancia de conmutación es una función resultante del tipo, longitud lateral y grosor del material utilizado. Muchos metales producen aproximadamente el mismo valor. A continuación se indican valores para diferentes tipos de materiales. Material

Factor de reducción

Todos los metales

1.0

Agua

1.0

Vidrio

0.3-0.5

Plástico

0.3-0.6

Cartón

0.3-0.5

Madera (depende de la humedad)

0.2-0.7

Aceite

0.1-0.3 Valores indicados para el factor de reducción

Al igual que con los sensores de proximidad inductivos, debe distinguirse entre los sensores de proximidad capacitivos enrasables y no enrasables. Es más, debe observarse que este tipo de sensores es más sensible a perturbaciones. Asimismo, su sensibilidad en lo que respecto a la humedad es muy elevada debido a la elevada constante dieléctrica del agua (F = 81). Por otro lado, pueden utilizarse para detectar objetos a través de una pared no metálica. En este caso, Autor : Rafael Sancho Cayuso

8-15

Neumática

I.E.S. Foramontanos

el grosor de la pared debe ser inferior a 4 mm y la constante dieléctrica del material a detectar debe ser por lo menos 4 veces el de la pared. Debido a esta propiedad de reaccionar ante una amplia gama de materiales, el sensor de proximidad capacitivo es más universal en aplicaciones que el sensor de proximidad inductivo. Por otro lado, los sensores de proximidad capacitivos son sensibles a los efectos de la humedad en la zona activa de detección. Muchos fabricantes utilizan un electrodo auxiliar para compensar los efectos de la humedad, rocío o hielo, reduciendo así estas perturbaciones. Por razones de coste, en la detección de objetos metálicos se prefieren generalmente los sensores de proximidad inductivos a los capacitivos En la detección de objetos no metálicos, también compiten como alternativa viable los sensores de proximidad ópticos Los sensores de proximidad capacitivos son adecuados, por ejemplo, para supervisar los niveles de llenado en contenedores de almacenamiento. Otras áreas de aplicación incluyen la detección de materiales no metálicos. Los objetos de goma, cuero, plástico y otros materiales, son difíciles de detectar por sensores ópticos de reflexión directa y, en según que aplicaciones, la utilización de sensores ultrasónicos puede resultar excesivamente costosa. No se hace mención en estos apuntes a los sensores ópticos o ultrasónicos debido a que no se van a usar en las prácticas y se deja para otra materia el estudio de los mismos.

8-16


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

8.4 Relés Antes se utilizaba el relé principalmente como amplificador en la telecomunicación. Hoy en día se recurre a los relés para cometidos de mando o regulación en máquinas e instalaciones. En la práctica los relés satisfacen determinadas exigencias, como: •

Ampliamente exento de mantenimiento.

•

Alta frecuencia de conexiones.

•

Conexión tanto de muy pequeñas, como también de relativamente altas intensidades y tensiones.

•

Alta velocidad funcional, es decir tiempos de conmutación cortos.

Los relés son elementos que conectan y mandan con un coste energético relativamente bajo; se aplican preferentemente al procesamiento de señales. El relé se puede contemplar como un interruptor accionado electromagnéticamente, para determinadas potencias de ruptura. En la práctica existen múltiples y diferentes tipos de relés, sin embargo el principio de funcionamiento es idéntico en todos los casos.

Figura 8-15 Corte de un relé

Aplicando tensión a la bobina (entre A1 y A2), circula corriente eléctrica por el enrollamiento (5) y se crea un campo magnético, por lo que la armadura (3) es atraída al núcleo (7) de la bobina. Dicha armadura, a su vez, está unida mecánicamente a los contactos (1, 2, 4), que se abren o cierran. Esta posición de Autor : Rafael Sancho Cayuso

8-17

I.E.S. Foramontanos

Neumática

conexión durará, mientras esté aplicada la tensión, una vez eliminada se desplaza la armadura a la posición inicial, debido a la fuerza del resorte (6). En la práctica se utilizan símbolos para los relés, para facilitar mediante una representación sencilla la lectura de esquemas de circuitos. A1

13

23

33

43

A2

14

24

34

44

K1

Figura 8-16

El relé se denomina K1,sindo sus conexiones

A1 y A2 .El relé

esquematizado tiene 4 contactos de cierre, la figura lo muestra claramente. Con relación a la numeración de los contactos que arrastra el relé la primera cifra es una numeración continua de los contactos. La segunda cifra, en el presente ejemplo, siempre 3 4, indica que se trata de un contacto de cierre. A1

11

21

31

41

A2

12

22

32

42

K1

Figura 8-17

En la figura mostrada arriba se trata de un relé también con 4 contactos, pero esta vez de apertura. También aquí se efectúa la numeración continua d la primera cifra, la segunda 1 y 2 indica que se trata de contactos de apertura. A1

14 12 24 22 34

32 44 42

K1

A2

11

21

31

41

Figura 8-18

Cuando hacen falta contactos distintos, se emplean relés con contactos de apertura, de cierre o de conmutación en un mismo elemento. La designación numérica es una gran ayuda en la práctica facilita considerablemente la conexión de relés. Existen razones de peso para que el relé tenga todavía su sitio en el mercado, pese a la era electrónica, ya que posee las siguientes ventajas: •

8-18

Adaptación fácil para diferentes tensiones de servicio.


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática •

En gran medida térmicamente independientes frente a su entorno. A temperaturas de 353 °K (80°C) hasta 233 °K (-40°C) aprox trabajan los relés todavía con seguridad.

•

Resistencia

relativamente

alta

entre

los

contactos

de

trabajo

desconectados. •

Permite la conexión de varios circuitos independientes.

•

Existe una separación galvánica entre el circuito de mando y el circuito principal. Dado que todas estas características positivas de un relé son deseables en

la práctica y quedan cumplidas, ocupará el relé, como elemento de conexión en electrotecnia, un sitio importante en el futuro. No obstante, el relé, como todo elemento, tiene sus inconvenientes •

Abrasión de los contactos de trabajo por arco voltaico y también oxidación de los contactos.

•

El espacio necesariamente mayor en comparación con los transistores.

•

Ruidos en el proceso de conmutación.

•

Velocidad de conmutación limitada de 3 ms a 17 ms.

•

Influencias por suciedades (polvo) en los contactos.

8.5 Relés de tiempo o temporizadores Este tipo de relés tiene el cometido de -transcurrido un tiempo ajustable determinado- conectar o desconectar determinados contactos, tanto si son de apertura como de cierre. Existen dos tipos de temporizadores, con retardo a la excitación o con retardo a la desexcitación. Vamos a contemplar el relé con retardo a la excitación (o conexión). Al aplicar tensión, es decir al accionar el pulsador S, empieza la cuenta del tiempo ajustado.


8-19

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 8-19 Esquema de un relé con retardo a la conexión.

Una vez alcanzado el tiempo ajustado, tiene lugar, en este caso, la conmutación por medio de las conexiones 16 y 18. Una señal de salida determina la progresión del mando. La figura 8-20 explica como se lleva a efecto el retardo: cerrando el contacto S pasa la corriente por la resistencia R1, que es ajustable. La corriente no tomará el camino hacia el relé K1, sino que llegará a través del conmutador de K1 hacia el condensador C. El condensador se cargará y excitará al relé K1, una vez alcanzada la tensión de atracción.

Figura 8-20 Funcionamiento de un relé temporizador

El tiempo depende de la resistencia ajustable R1. A la conexión del relé K1 queda el circuito cerrado en la conexión 18. El contacto conmutador en el condensador cierra el circuito a través de la resistencia R2, por lo que puede descargarse éste. El proceso puede comenzar de nuevo. Este ejemplo induce a la comparación con un órgano temporizador neumático (ver la figura).

8-20


Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

En el relé temporizador con retardo de desexcitación al cierre del pulsador S aparece de inmediato una señal de salida (ver diagrama de funcionamiento).

Figura 8-21 Relé temporizador con retardo a la desexcitación

Sólo una vez anulada la tensión de mando o la señal de entrada, comienza la cuenta atrás del tiempo de retardo ajustado. ¿Qué aspecto tiene aquí el comportamiento del órgano temporizador? La figura siguiente lo explica:

Figura 8-22 Analogía de un relé con retardo a la desexcitación

Al accionar el pulsador S, el relé K1 puede atraer y lo hará, suministrando una señal. El condensador C ha sido cargado a través de la resistencia R2, después de que el contacto conmutador de K1 ha creado la unión entre ambos elementos. Pero una vez conectado el relé K1, el contacto K1 conmutará.


8-21

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Este estado queda mantenido. Sólo cuando el pulsador S vuelve a interrumpir el circuito, se descarga el condensador C a través de la resistencia ajustable R1 y del relé K1. Haciendo esto permanece el relé K1 aún en estado conectado, mientras el condensador se descarga. Sólo entonces vuelve a establecerse la posición inicial. Este caso también permite una comparación con la neumática.

8-22


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

8.6 Electroválvulas 8.6.1 Generalidades Las válvulas distribuidoras controlan el recorrido del aire en un circuito neumático. Las válvulas distribuidoras se utilizan para dirigir o bloquear el flujo de aire a determinadas líneas y/o descargar el aire a la atmósfera a través de sus escapes. Una válvula distribuidora se describe por su número de vías o conexiones de trabajo (orificios que tiene para conectar con el exterior), su número de posiciones de conmutación y por su método de accionamiento. La

forma

constructiva

es

importante

cuando

se

consideran

las

características de funcionamiento de la válvula, tales como el caudal, pérdida de presión y velocidad de conmutación para una determinada aplicación. El símbolo utilizado para representar la válvula, muestra las características generales de funcionamiento del componente. El mismo símbolo puede representar diferentes ejecuciones, métodos de construcción o características del funcionamiento. 8.6.2 Formas constructivas La forma constructiva de la válvula influye en su vida útil, fuerza de accionamiento requerida, tiempo de conmutación, método de accionamiento y dimensiones físicas. Las formas constructivas se clasifican como sigue: •

•

Válvulas de asiento: •

Válvulas de asiento de bola

•

Válvulas de asiento de disco

Válvulas de corredera: •

Válvulas de corredera longitudinal

•

Válvulas de corredera plana

•

Válvulas de corredera de disco

Las válvulas de asiento abren y cierran por medio de bolas, discos o conos. Los asientos de válvulas, generalmente tienen simples juntas de plástico. Las Autor : Rafael Sancho Cayuso

8-23

I.E.S. Foramontanos

Neumática

ejecuciones más sencillas tienen pocas piezas de desgaste y por lo tanto una larga vida útil. Son robustas e insensibles a la suciedad. Debe tenerse en cuenta la relativamente elevada fuerza para superar la acción del muelle y la oposición de la presión del aire. La válvula de asiento de disco tiene la ventaja de permitir el paso de grandes caudales de aire debido a su gran superficie. Las válvulas de corredera longitudinal se construyen o bien con una estricta tolerancia entre la corredera y el cuerpo, o con juntas en "O" para proporcionar una estanqueidad efectiva. Sin embargo, las de disco suspendido tienen las ventajas de tener una carrera relativamente corta y un bajo desgaste propio de las válvulas de asiento. 8.6.3 Métodos de accionamiento El método de accionamiento de las válvulas distribuidoras depende de los requerimientos de la tarea. Los métodos de accionamiento incluyen diversos métodos: manuales, mecánicos y eléctricos. También pueden combinarse los diversos accionamientos, por ejemplo: una válvula con accionamiento eléctrico puede incorporar un accionamiento manual auxiliar para activarla, si es necesario, en caso de fallo de tensión. Además del método de accionamiento también debe tenerse en cuenta el método de reposición. Un ejemplo es la válvula que utiliza un solenoide como medio de accionamiento y un muelle de retorno para regresar a su posición inicial o de partida. Accionamiento inicial por solenoide

2

Retorno por muelle 1 3

Figura 8-23 Accionamientos en una válvula monoestable

Las electroválvulas reúnen las ventajas de la electricidad y de la neumática y pueden ser consideradas convertidores electroneumáticos. Constan de una válvula neumática como medio de generar una señal de salida, y de un accionamiento eléctrico denominado solenoide. La aplicación de una corriente al solenoide genera una fuerza electromagnética que mueve la armadura conectada a la leva de la válvula.

8-24


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Cuando se corta la corriente que alimenta el solenoide, cesa su fuerza, permitiendo que un muelle interno devuelva la leva de la válvula a su posición inicial. 8.6.4 Electroválvula de 3/2 vías simple bobina, normalmente cerrada Esta válvula de asiento, normalmente cerrada (NC) es actuada directamente por un solenoide y devuelta a su posición de reposo por un muelle. En esta válvula, la armadura del solenoide y la leva de la válvula forman una sola pieza que suele denominarse cabezal (el cabezal es hueco). La abertura del cabezal conectado con el exterior se denomina escape. Cuando una corriente eléctrica (señal) se aplica a la bobina, se genera una fuerza electromotriz (FEM) que levanta la leva del asiento de la válvula cerrando el escape. El aire comprimido fluye desde 1 hacia 2 ya que 3 se halla cerrado por la parte superior de la leva. La leva está forzada contra el asiento de escape. En estado de reposo, la rotación del tornillo excéntrico levantando la leva, proporciona la posibilidad de un accionamiento manual. Según su construcción, puede tener diferentes opciones de accionamiento. Es importante dejarlo en posición neutra para que pueda actuar el solenoide.

Figura 8-24 Electroválvula 3/2


8-25

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Las aplicaciones típicas para este tipo de válvulas incluyen el control directo de pequeños cilindros de simple efecto, el pilotaje indirecto de otras válvulas mayores y la interrupción y descarga de líneas de aire en sistemas de control. 8.6.5 Electroválvula de 3/2 vías simple bobina, normalmente abierta Esta válvula es idéntica a la normalmente cerrada excepto que se ha conectado de forma diferente para que esté abierta en reposo. En esta disposición, la alimentación 1 está conectada al cabezal. Al aplicar una señal eléctrica se levanta la leva, cerrando el asiento superior y con ello la alimentación. Al mismo tiempo, el asiento inferior libera el aire de la salida 2 hacia el escape 3. Muchas válvulas puede utilizarse indistintamente como NC y NA. Esta configuración (NA) es útil cuando se precisa una señal neumática sin que exista señal eléctrica, o cuando un cilindro de simple efecto debe tener el vástago extendido en su posición inicial. Esta configuración realiza la función lógica NOT. Si la señal en el solenoide no está activa (lógica 0), se produce una señal neumática de aire (lógica l). También se denomina inversión o negación. 8.6.6 Válvulas pilotadas Utilizando el control por pilotaje, puede reducirse el tamaño del solenoide. Desde el punto de vista mecánico, esto tiene dos ventajas principales: •

Reduce el consumo de energía

•

Reduce la generación de calor

La señal se aplica al solenoide que actúa la válvula auxiliar de pilotaje y ésta genera la señal para la válvula principal. Abajo se muestra el funcionamiento de un pilotaje.

8-26


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

SEÑAL ELECTRICA APLICADA AL SOLENOIDE

EL SOLENOIDE ACTIVA A LA VÁLVULA

LA PILOTO ACTIVA LA VÁLVULA PRINCIPAL

Figura 8-25 Pilotaje de una válvula 3/2

8.6.7 Electroválvula de 3/2 vías, pilotada La diferencia entre esta válvula y la de control directo es la adición de un pilotaje interno. La válvula piloto puede considerarse como un amplificador, ya que la fuerza que genera el solenoide es amplificada por la válvula piloto, proporcionando una mayor fuerza de actuación. En estado de reposo, la alimentación en 1 actúa sobre el disco de asiento forzándolo contra la junta y bloqueando el paso hacia 2. La utilización 2 se halla descargada a la atmósfera a través del escape 3. La aplicación de una señal eléctrica levanta la leva del pilotaje abriendo el paso del aire 1 a través del conducto piloto hacia el émbolo de accionamiento de la válvula. Dada la diferencia de presiones entre el embolo y el asiento, la válvula se abre. El aire fluye desde 1 hacia 2. Al mismo tiempo se cierra el escape 3 por la junta superior.


8-27

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Figura 8-26 Válvula 3/2 servopilotada

Cuando la bobina queda sin tensión, el aire del pilotaje se descarga a través de la armadura del solenoide. La presión 1 se bloquea y se conecta 2 con 3. Observar: es importante asegurarse que el escape del pilotaje esté libre, para permitir que la válvula regrese a su posición inicial. 8.6.8 Electroválvula de 5/2 vías, pilotada La válvula de 5/2 vías realiza una función parecida a la de 4/2 vías. La diferencia es que tiene dos escapes independientes, mientras que la 4/2 tiene un único escape. En posición inicial, el muelle fuerza al disco de junta bloqueando el paso de 1 hacia 3. El muelle también fuerza otro disco impidiendo la salida de 1 hacia 4. La junta opuesta (lado del solenoide) permite la descarga de 4 hacia 5. El disco central permite el paso de 1 hacia 2. La activación del solenoide permite el paso

8-28


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

de aire de pilotaje. Al recibir presión en el lado derecho se desplazan todas las juntas internas de la válvula, resultando: •

El aire escapa de 2 hacia 3

•

El escape 5 se bloquea

•

El aire fluye ahora de 1 hacia 4

Figura 8-27 Válvula 5/2 monoestable

Dado el corto recorrido de actuación, las bajas fuerzas de fricción y el accionamiento por pilotaje, esta ejecución puede utilizar un solenoide pequeño, lo cual le proporciona un breve tiempo de respuesta. 8.6.9 Válvula de 5/2 vías, doble pilotaje Las válvulas mencionadas anteriormente utilizan un muelle para devolver la válvula a su estado inicial, es decir, el solenoide acciona la válvula en un sentido y Autor : Rafael Sancho Cayuso

8-29

I.E.S. Foramontanos

Neumática

el muelle lo hace en sentido opuesto. Por descontado, esto significa que al quedar sin tensión la bobina, la válvula regresa a su posición inicial. Esto debe considerarse al diseñar un circuito. Con válvulas de doble solenoide, el muelle se sustituye por otro solenoide. Suponiendo que la última señal aplicada fuera a 1Y1, el aire fluye de 1 hacia 2 mientras que 4 se descarga por 5. Al quitar la señal de Y1 la válvula permanece estable y no se producen cambios. Al aplicar una señal en Y2, la válvula invierte y el aire fluye de 1 a 4 y 2 se descarga por 3.

Figura 8-28 Válvula 5/2 Biestable

A diferencia de la válvula con retorno por muelle, ésta permanece en posición estable incluso en caso de fallo de tensión, esto significa que la válvula es biestable, es decir, tiene un comportamiento memorizante. En circuitos electroneumáticos, esta característica tiene varias ventajas, entre ellas que basta un pulso de 10 ... 25 ms para disparar la válvula. La potencia eléctrica puede 8-30


Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

reducirse al mínimo. En circuitos con secuencias complejas, pueden mantenerse las posiciones de las válvulas y cilindros sin necesidad de recurrir a complicados enclavamientos del circuito. 8.6.10 Fiabilidad de las válvulas En la práctica, los componentes de un circuito electroneumático, a menudo alcanzan duraciones extremadamente largas y un número elevado de ciclos de conmutación. Los componentes neumáticos son muy robustos y si han sido seleccionados correctamente en la etapa de diseño, darán una larga vida útil. Adicionalmente, la fiabilidad se incrementa con la correcta preparación del aire comprimido, instalaciones que permitan un fácil acceso, alineación correcta, control de las condiciones ambientales tales como calor y daños mecánicos, así como con un mantenimiento regular. Las válvulas de potencia que accionan dispositivos tales como actuadores lineales y rotativos, tienen como exigencia fundamental que permitan una rápida inversión del actuador cuando se aplica una señal al solenoide. Por eso, la válvula debe situarse lo más cerca posible del actuador. Esto reduce la longitud de los tubos así como los tiempos de respuesta. Idealmente, la válvula de potencia debería fijarse directamente con el actuador. Esto tiene la ventaja adicional de ahorrar en racordaje, tuberías y tiempo de montaje.

8.6.11 Características de conmutación de las válvulas En todos los circuitos de control, particularmente aquellos con muchos actuadores y secuencias complejas, el control de los estados de conmutación de las válvulas es una consideración clave. Por eso es importante comprender las características de conmutación de las válvulas. Estas características tienen un efecto decisivo en la efectividad y simplicidad del diseño del circuito. Una forma de clasificar las válvulas es atendiendo a sus características de retención o comportamiento memorizante: •

Válvulas monoestables

•

Válvulas biestables


8-31

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Las válvulas distribuidores monoestables en electroneumática, son generalmente las que utilizan un solenoide como acción primaria y un muelle de retorno para devolver la válvula a su posición inicial. Las válvulas monoestables no tienen comportamiento memorizante. 0 sea que cuando cae la tensión, vuelven a su posición inicial. Las

válvulas

distribuidores

biestables

tiene

un

comportamiento

memorizante y generalmente son del tipo 4/2 ó 5/2 vías, con doble solenoide. Sus características de conmutación son: •

Para alcanzar una nueva posición, sólo debe haber tensión en una de las bobinas

•

Permanece la última posición. La válvula puede conmutarse con un breve pulso (10 - 25 ms) aplicado a una de las bobinas, y mantener este estado indefinidamente

•

La posición alcanzada se mantiene hasta que se aplique un señal opuesta. Las válvulas biestables se denominan también válvulas de memoria. Monoestable 2

1

Biestable 4

3

5 1

2

3

Figura 8-29

8.7 Simbología eléctrica

Contacto normalmente abierto NA

Contacto NC

8-32

normalmente

cerrado

Relé electromecánico retardo a la desconexión

con

Actuador de una válvula con solenoide


Electroneumática

Contacto conmutador

I.E.S. Foramontanos

Sensor de magnético

Pulsador con contacto de cierre, accionamiento manual por pulsado.

Sensor inductivo.

Interruptor manual. Contacto con enclavamiento.

Sensor capacitivo

accionamiento

Accionamiento en general: relés, contactores.

Sensor fotoeléctrico

Relé electromecánico con retardo a la conexión

Solenoide con servopilotaje y accionamiento manual


8-33

I.E.S. Foramontanos

Neumática

8.8 Circuitos básicos (electroneumática). 8.8.1 Mando de un cilindro de simple efecto. El vástago de un cilindro de simple efecto ha de salir al ser accionado de un pulsador. Al soltar el pulsador, el émbolo ha de regresar a la posición final trasera.

1A +24V +24V

1Y

S1

S1

1Y

K1

0V

K1

1Y

0V

Solución 1

Solución 2

Figura 8-30 Mando de un cilindro de simple efecto.

Solución 1 Por el contacto del pulsador S1, el circuito queda cerrado. En la bobina 1Y se genera un campo magnético. La armadura en la bobina invierte la válvula y franquea el paso para el aire comprimido. Este fluye de (1) hacia (2) llegando al cilindro, cuyo émbolo es enviado a la posición de salida del vástago. Soltando el pulsador S1, el circuito queda interrumpido. El (1Y) campo magnético en la bobina desaparece, la válvula distribuidora 3/2 vuelve a la posición inicial, el émbolo regresa a la posición retraída. Solución 2 En la segunda solución, un relé K1 es pilotado por el pulsador S1. A través de un contacto de cierre de K1 queda pilotada la bobina 1Y (pilotaje indirecto). Por lo demás el desarrollo es idéntico a la solución 1.

8-34


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

La solución 2 es preciso aplicarla cuando la potencia de ruptura de los transmisores de señales (S1) no basta para conmutar la bobina 1Y, o cuando el trabajo siguiente sucede con otra tensión (220 V). Por lo demás es precisa la conexión a través de relés, cuando hacen falta combinaciones y enclavamientos. En mandos con varios accionamientos K1, K2, K3, etc. resulta más fácil la lectura de esquemas y la localización de errores, al indicar en qué circuito se encuentran los contactos de apertura o de cierre de los accionamientos. En los siguientes mandos se exponen siempre ambas posibilidades. 8.8.2 Mando de un cilindro de doble efecto. El vástago de un cilindro de doble efecto ha de salir, como en el caso anterior, accionando un pulsador; soltando el pulsador ha de regresar a la posición inicial.

+24V

1Y

S1

1Y 0V

Figura 8-31 Mando de un cilindro de doble efecto

Solución: El mando del cilindro de doble efecto tiene lugar a través de una válvula distribuidora 5/2. Por el accionamiento del pulsador S1, la bobina 1Y se excita. A través de un servopilotaje por aire comprimido es gobernada la válvula distribuidora. El émbolo marcha a la posición final delantera. Al soltar S1 surte


8-35

I.E.S. Foramontanos

Neumática

efecto el muelle recuperador de la válvula distribuidora. El émbolo regresa a la posición inicial. 8.8.3 Conexión en paralelo “o” (cilindro de simple ó de doble efecto). La posición base del cilindro es con el vástago fuera. El envío del émbolo a la posición de inicio ha de ser posible desde dos puntos.

1Y

1Y

+24V

+24V

S2

S1

S1

K1

1Y 0V

S2

K1

1Y

0V

Figura 8-32 Conexión en paralelo

Solución: Por el accionamiento del pulsador S1 ó S2 queda excitada la bobina 1Y. La válvula distribuidora (3/2 ó 5/2) conmuta, el émbolo retrocede hasta la inicio de carrera. Soltando el o los pulsadores accionados queda anulada la señal en 1Y, la válvula conmuta y el émbolo vuelve a la posición inicial.

8-36


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

8.8.4 Conexión en serie “Y” (cilindro de simple ó de doble efecto). La posición base del cilindro es la entrada. Un vástago debe salir, estando accionados dos pulsadores.

1Y

1Y

+24V +24V

S1 S1

K1

S2 S2

1Y K1 0V

1Y

0V

Figura 8-33 Conexión en serie

Solución: Al accionar los pulsadores S1 y S2, el circuito se cierra. Queda excitada la bobina 1Y. La válvula distribuidora (3/2 ó 4/2) conmuta, el émbolo se mueve hacia la posición final delantera. Soltando el o los pulsadores accionados queda anulada la señal en 1Y, la válvula conmuta y el émbolo vuelve a la posición inicial.


8-37

I.E.S. Foramontanos

Neumática

8.8.5 Mando indirecto en ambos lados El émbolo del cilindro ha de avanzar a la posición final delantera previo accionamiento del pulsador S1. Allí ha de permanecer hasta que es accionada la carrera de retroceso a través del pulsador S2.

1Y2

1Y1

+24V

1Y2

1Y1

+24V

S1

S2

S1

S2

K1

K2

1Y1

1Y2

K1

K2

1Y1

1Y2

0V

0V

Figura 8-34 Mando indirecto

Solución: Al accionar el pulsador S1, la bobina 1Y1 se excita. La válvula se invierte y permanece en esta posición hasta que a través del pulsador S2 actúa una señal sobre la bobina 1Y2. El vástago sale. Cuando la bobina 1Y2 se excita, la válvula distribuidora 3/2 ó 5/2 vuelve a la posición de dibujo y el émbolo regresa a la posición inicial (inicio de carrera).

8-38


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

8.8.6 Retorno automático de un cilindro El émbolo ha de avanzar a la posición final delantera previo accionamiento de un pulsador. Una vez alcanzada esta situación debe volver nuevamente a la posición base.

1S

1Y1

+24V

S1

1Y1

1Y2

+24V

1S

S1

1Y2

0V

K1

1S

K2

K1

1Y1

K2

1Y2

0V

Figura 8-35 Esquema electroneumático

Solución: Por el accionamiento del pulsador S1 queda excitada la bobina 1Y1. La válvula se invierte. El émbolo avanza a la posición final delantera. Una vez ha alcanzado la posición final, accionará el final de carrera 1S ubicado allí. Este final de carrera 1S excita a la bobina 1Y2 la válvula vuelve a la posición de dibujo y el émbolo puede regresar a su posición base. La condición es, que el pulsador S1 no esté presionado.


8-39

I.E.S. Foramontanos

Neumática

8.8.7 Movimiento oscilante de un cilindro de doble efecto Después de conectado un interruptor ha de salir y entrar el vástago continuamente, hasta que vuelva a quedar desconectado el interruptor. El émbolo ha de volver a ocupar su posición inicial (inicio de carrera). 1S1

1Y1

+24V

1Y2

+24V

S1

S2

S1

1Y1

1S2

K1

K2

1Y1

1Y2

1S1

1S1

0V

1S2

1Y2

K1

K2

0V

Figura 8-36

Solución: En ambas posiciones finales del vástago se encuentran finales de carrera S1 y S2, accionados mecánicamente. Estos emiten respectivamente una señal para la carrera de avance y de retroceso al quedar alcanzados. Pero el pulsador S1 actúa solamente, si el interruptor S3 está conectado. El émbolo por consiguiente ejecuta un movimiento de vaivén. Al volver a quedar desconectado el interruptor S3, ninguna señal puede alcanzar a la bobina 1Y1, es decir el émbolo permanece parado en la posición inicio de carrera.

8-40


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

8.9 Circuito de autorretención Los

circuitos

de

autorretención

son

necesarios

en

mandos

electroneumáticos, cuando determinadas señales eléctricas han de quedar memorizadas. El memorizado de señales, en determinados casos, puede realizarse mediante válvulas neumáticas con reposición por muelle (monoestables). En los mandos más amplios (cadenas rítmicas) puede aplicarse la función de memoria tanto en la parte neumática como en la eléctrica, según constitución, y también en ambos ámbitos. En la técnica de mando se habla de dos circuitos de autorretención, con conexión (CON dominante) o desconexión (DES dominante). +24V

CON

+24V

2

1

K1

K1

1

K1

CON

DES

DES

1Y

0V

2

K1

K1

K1

1Y

0V

CON dominante

DES dominante

Figura 8-37 Tipos de autorretención.

Funcionamiento del circuito de autorretención: En el circuito 1, a través del pulsador CON queda excitado el relé K1 que activa la válvula 1Y. Para que al soltar el pulsador CON permanezca excitado el relé ha de quedar conectado, en paralelo al circuito 1, un contacto de cierre de K1 (circuito 2). Por esta conexión en paralelo se logra que al soltar el pulsador CON no quede desactivado el relé K1. Para que el circuito de autorretención pueda quedar nuevamente borrado, es preciso montar un pulsador DES. Este pulsador DES se encuentra en la solución “CON dominante” en el circuito 2.


8-41

I.E.S. Foramontanos

Neumática

En la solución desconexión dominante el pulsador DES se ubica dentro del circuito 1 tal como se observa en la figura 127. Por lo tanto para que domine CON ó DES es determinante la posición de montaje del pulsador DES. Si el pulsador DES está conectado en serie con el contacto de cierre K1, siempre es dominante la señal CON. Si el pulsador DES está conectado en serie con el pulsador CON , el comportamiento del circuito es DES dominante. 8.9.1 Retroceso automático de un cilindro con un final de carrera El vástago de un cilindro de simple o de doble efecto ha de salir y permanecer en la posición delantera, hasta que una segunda señal lleva al émbolo a la posición inicial.

1Y

1Y

1

+24V

S1

2 K1

3 K1

S2

K1

1Y

0V

Figura 8-38

Solución: A través del pulsador S1 (CON) es excitado el relé K1. Paralelo a este circuito 1 está montado, en el circuito 2, un contacto de cierre del relé K1, que

8-42


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

mantiene la alimentación de corriente para el relé K1. El contacto de cierre K1, en el circuito 3 hace que se excite la bobina 1Y. El émbolo avanza a la posición final delantera. A través del pulsador S2 (DES) queda interrumpido el circuito hacia el relé K1. Todas las funciones del relé K1 retornan a la posición inicial. Por ello también está interrumpido el circuito hacia la bobina 1Y. El muelle en la válvula distribuidora la hace retornar y el émbolo regresará también a la posición inicial. 8.10 Mandos con comportamiento temporizado Los mandos, que tienen prescritos un desarrollo cronológico muy determinado, deben estar equipados con relés temporizadores eléctricos. Existen mandos únicamente influidos por el tiempo o por combinaciones de la consulta del espacio y el tiempo. Estos relés de tiempo, que se utilizan hoy predominantemente como relés temporizadores

electrónicos,

tienen

dos

comportamientos

temporales

fundamentales: Relé temporizador con retardo de excitación Relé temporizador con retardo de desexcitación. 8.10.1 Mando de un cilindro de doble efecto con temporización (retardo de excitación). El émbolo tiene que avanzar previo accionamiento del pulsador S1. En el final de carrera debe parar 10 segundos y luego regresar automáticamente. La posición final delantera es asegurada a través del final de carrera 1S.


8-43

I.E.S. Foramontanos

Neumática

1S

+24V 1Y1

1Y2

S1

K1

1S

K2

K1

1Y1

K2

1Y2

0V

Figura 8-39

Solución: Por el accionamiento del pulsador manual S1, el relé K1 se excita. El contacto de cierre 13, 14 del relé K1 está unido con la bobina 1Y. Por la conexión del contacto de cierre, la electroválvula queda invertida. El cilindro avanza a la posición final de carrera. En esta posición queda accionado el final de carrera S2. Este final de carrera conecta el relé temporizador K2 (con retardo de excitación). Transcurridos 10 segundos el contacto de cierre 15, 18 del relé temporizador excita la bobina 1Y2 de la válvula distribuidora. La válvula retorna a su posición inicial, por lo que el émbolo regresa a la posición de inicio de carrera. 8.10.2 Mando de un cilindro de doble efecto con temporización (retardo de desexcitación). El émbolo tiene que avanzar previo accionamiento del pulsador S1. En el final de carrera debe parar 10 segundos y luego regresar automáticamente. La posición final delantera es asegurada a través del final de carrera S2.

8-44


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática 1S

+24V 1Y1

1Y2 S1

K1

1S

K2

K1

1Y1

K2

1Y2

0V

Figura 8-40

Solución: Por medio del pulsador de marcha S1, el relé K1 queda excitado. El contacto de cierre 13, 14 del relé K1 conecta la bobina 1Y1. Debido al impulso, la válvula distribuidora 5/2 invierte y el émbolo del cilindro avanza a la posición final de carrera. La bobina 1Y2 está sin corriente, porque el contacto de apertura 15, 16 del relé temporizador K2 desconecta debido a la conexión de la tensión. La señal de entrada desaparece cuando se acciona el final de carrera 1S. Transcurrido el tiempo ajustado de 10 segundos, el contacto de apertura 15, 16 del relé temporizador K2 conecta la bobina 1Y2, por lo que la válvula distribuidora 5/2 manda el émbolo del cilindro de doble efecto a la posición de inicio.


8-45

I.E.S. Foramontanos

Neumática

8.11 Ejemplos de circuitos La posibilidad de realización de esquemas se puede subdividir en dos campos: 1. El método puramente intuitivo. 2. El método sistemático. Para ambos métodos es necesario que previamente se establezca el enunciado del problema, es decir se planteen los requerimientos del proceso a resolver. En el primer método se acomete el problema únicamente apoyándose en la intuición o en la experiencia. Cuando se trata de automatismos complejos se requiere en la realización de los mandos cierta experiencia y también tiempo. El segundo método, apoyándose en directrices determinadas, supone una realización sistemática de los mandos, siguiendo determinadas directrices. Ambos métodos deberán conducir a un mando de funcionamiento seguro. No obstante, en el proyecto de mandos electroneumáticos se recomienda el segundo método, que al observar las directrices y los sistemas, garantiza una cierta seguridad en el desarrollo funcional y proporciona una mejor visión de conjunto de los esquemas de circuito. A continuación se describe la elaboración de un circuito de forma sistemática. 8.11.1 Ejemplo 1: Manipulación de paquetes Los paquetes son alimentados desde el cargador por gravedad por el cilindro 1A que lo lleva hasta la posición dónde es empujado por el cilindro 2A para el llenado de la caja donde van embalados.

8-46


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática


1A 2A

La solución del mando ha de quedar efectuada tanto con memorización eléctrica como neumática. Solución 1 (memoria neumática) Paso 1 Disposición de los cilindros 1A y 2A con válvulas distribuidoras 5/2 de accionamiento eléctrico bilateral. Designación de la posición de los finales de carrera eléctricos. 1S1

1A

4

1Y1

1S2

2

5

2S1

2A

4

3

1Y2

2Y1

2S2

2

5

3

2Y2

1

1

Figura 8-41


8-47

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Paso 2 Trazado de los circuitos de mando y principal. En el circuito de mando, el relé K1 es excitado a través del pulsador S1 y a través de la “consulta” por medio del final de carrera 2S1. Se denomina “consulta” a conocer de alguna manera si se ha producido un hecho antes de verificarse el siguiente. En este caso se trata de saber si el vástago de 2A ha retornado a su posición inicial antes de que salga el de 1A. En el circuito principal, el contacto de cierre de K1 cierra el circuito. La bobina 1Y1 se excita, invierte la válvula y el vástago del cilindro 1A sale. Principal

Mando +24V

1

5

S1

K1

2S1

1Y1

K1

0V

5

Figura 8-42

Paso 3 Trazado del 2º circuito en los circuitos de mando y principal (2 y 6). En la posición final del cilindro 1A es accionado el final de carrera 1S2. A través de éste se excita el relé K2. Un contacto de cierre de K2 excita la bobina 2Y1, la válvula se invierte, el vástago del cilindro 2A sale.

8-48


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

+24V

Mando

1

S1

2

5

1S2

K1

K2

1Y1

Principal

6

K2

2S1

K1

2Y1

0V

5

6

Figura 8-43

Paso 4 Trazado del 3er circuito en el circuito principal y en el de mando (3 y 7). El cilindro 2A ha empujado el paquete hacia la rampa. En su posición final el cilindro 2A acciona y cierra el final de carrera 2S2, se excita el relé K3 y el contacto de cierre de K3 conecta la bobina 1Y2. El émbolo del cilindro 1A puede regresar nuevamente. 1A

1S1

4

1Y1

2A

1S2

2

5

4

3

1Y2

1


2Y1

2S2

2S1

2

5

3

2Y2

1

8-49

I.E.S. Foramontanos

Neumática

+24V

1

2

S1

3

1S2

2S2

K2

K3

5

6

7

K1

K2

K3

1Y1

2Y1

1Y2

2S1

K1

0V

5

6

7

Figura 8-44

Paso 5 Trazado del 4º circuito en los circuitos principal y de mando(4 y 8). Por el cilindro 1A es accionado el final de carrera 1S1 situado en la posición final trasera. Se excita el relé K4. El contacto de cierre de K4 conecta a la bobina 2Y2. El cilindro 2A regresa y vuelve a accionar el final de carrera 2S1. Al llegar un nuevo paquete todo se encuentra como al principio dispuesto a comenzar un nuevo ciclo cuando se pulse S1. +24V

1

2

S1

3

4

1S2

2S2

1S1

K2

K3

K4

5

6

7

8

K1

K2

K3

K4

1Y1

2Y1

1Y2

2Y2

2S1

K1

0V

5

6

7

8

Figura 8-45

8-50


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Solución 2 (memoria eléctrica) Paso 1 Trazado de los cilindros 1A y 2A con válvulas distribuidoras 5/2 monoestables (con una bobina). Determinación de la posición de los finales de carrera eléctricos. 1S1

2B1

1S2

1A

2A

1Y

2Y

2B2

Figura 8-46

Paso 2: objetivo 1A+ (salida del vástago de 1A). Trazado del circuito de mando y del circuito principal para el primer relé K1 y para la bobina 1Y1. A través del final de carrera 2B1 (sensor de posición tipo reed) que está activado ya que el cilindro 2A está en el inicio de carrera, así como del pulsador de marcha S1 queda cerrado el circuito con el relé K1. En paralelo a este circuito es tendido otro, precisamente con un contacto de cierre K1. De este modo se autorretiene el relé K1. Un contacto de cierre de k1, unido en el circuito principal con la bobina 1Y, efectúa la inversión de la válvula distribuidora 5/2. El vástago del cilindro 1A sale. +24V

1

2

3

K1

K1

2B1 S1

K1

1Y

0V

Figura 8-47 Paso 3: objetivo 2A+ (salida del vástago de 2A).


8-51

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Trazado del 2º circuito en el circuito principal con el relé K2 y la bobina 2Y. El cilindro 1A, en la posición final de carrera acciona 1S2 que efectúa la excitación en el circuito de mando de K2. En paralelo a esto se encuentra la autorretención para el relé K2 a través de un contacto de cierre de K2. En el circuito principal, por el cierre del contacto de cierre K2 queda excitada la bobina 2Y, la válvula distribuidora 5/2 conmuta, el vástago del cilindro 2A sale. +24V

1

2 K1

1S2

K2

7

6

4

3

K1

K2

1B1 S1

K1

K1

K2

1Y

2Y

0V

Figura 8-48

Paso 4: objetivo 1ADesconexión del relé K1. En este paso se tiene que hacer volver el cilindro A, para lo cual se debe desconectar el relé K1. Cuando el cilindro 2A llega al final de carrera acciona 2B2 (final de carrera tipo reed), con la señal de dicho sensor se cierra el tercer circuito de mando accionando el relé 3. Por medio de un contacto inicialmente cerrado de dicho relé colocado en serie en la primera línea de mando se puede hacer desconectar la memoria eléctrica, al abrir dicho contacto la línea.

8-52


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

1S1

2B1

1S2 2A

1A

1Y

+24V

2B2

2Y

1

2 K1

1S2

2B1

S1

5

4

3 K2

7

6 K1

2B2

K2

K1

K3

K1

K2

K2

1Y

K3

2Y

0V

Figura 8-49

Paso 5: objetivo 2ADesconexión del relé K2. En este paso se tiene que hacer volver el cilindro 2A para lo cual se debe desconectar el relé K2. Cuando el cilindro 1A llega al inicio de carrera acciona el contacto 1S1. Por medio de un contacto inicialmente cerrado de dicho 1S1 colocado en serie en la segunda línea de mando se puede hacer desconectar la memoria eléctrica de K2, al abrir dicho contacto la línea 3. 2B1 1S1 1A

1S2

2A

1V

2V

1Y1

2Y1


2B2

8-53

I.E.S. Foramontanos

Neumática

+24V

2

1 K1

4

3 1S2

5

K2

7

6 2B2

K1

K2

1Y1

2Y1

2B1 S1

K1

K3

K1

1S1

K2

K2

K3

0V

Figura 8-50

8.12 Interferencias de señales Se denomina interferencia de señales al caso en que cuando se desea efectuar un movimiento se sigue actuando sobre aquel elemento que produjo el efecto contrario, es decir se está produciendo una señal indeseada que interfiere. En el caso de producirse una interferencia el circuito llega a ese punto y se para, pues no se produce el movimiento deseado. Para que no se produzca interferencia es necesario que entre dos movimientos del mismo cilindro (A+, 1A- ) exista el movimiento contrario al que produjo el primero de los dos movimientos (A+). Por ejemplo en la secuencia (A+, 2A+ , 1A- , 2A-) entre 1A+ y 1A- existe el movimiento 2A+ que es el movimiento contrario al que produjo 1A+ (2A-). Además entre 2A+ y 2A- existe el movimiento 1A- que es el contrario al que produjo 2A+ (A+)

Por otra parte hay que tener en cuenta que un proceso no acaba con su secuencia, sino que esta vuelve a empezar, por ello la secuencia anterior debe ser estudiada completa, es decir: (A+, 2A+ , 1A- , 2A-, 1A+ , 2A+ , 1A- , 2A-, …). En esta secuencia tampoco hay interferencia entre 1A- y 1A+ ni entre 2A- y 2A+ por análogas razones a las mencionadas. Si, a la inversa, no existe entre dos movimientos contrarios el contrario al que produjo el primero de los dos movimientos, se forma una interferencia que será preciso eliminarla de alguna manera.

8-54


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Por ejemplo en la secuencia (A+, 2A+ , 2A-, 1A- ) entre 2A+ y 2A- no hay ningún movimiento por lo que no se encuentra el movimiento necesario para que no exista interferencia (A-), luego la habrá. Si tomamos la secuencia completa (A+, 2A+ , 2A-, 1A- , 1A+ , 2A+ , 2A-, 1A- ,…) entre 1A- y 1A+ se producirá otra interferencia por análogas razones. Otro caso: (A-, 2A+ , 2A-, 1A+ , 3A+, 3A-, 1A- , 2A+ , 2A-, 1A+ , 3A+, 3A-, …) existirán interferencias entre 2A+ y 2A-, entre 3A+ y 3A- y entre 1A- y 1A+ por análogas razones a las ya mencionadas. 8.12.1 Ejemplo 1: Fresadora. Sobre una fresadora han de realizarse ranuras en marcos de madera. El marco de madera es sujetado con un cilindro neumático. El avance de la mesa de la fresadora es efectuado con una unidad de avance neumática-hidráulica.

Figura 8-51


8-55

I.E.S. Foramontanos

Neumática


1A 2A Diagrama de mando 1S1 1S2 2S1 2S2 S1

S1+1S1 = 1A+ 1S2= 2A+ 2S2= 2A2S1 = 1ADel diagrama de mando se desprende, dónde se encuentra una interferencia de señales. Comparando el movimiento 1A+ y 1A- resulta una interferencia en la fase 1. El final de carrera 2S1 lleva señal, por lo que no puede surtir efecto la señal de 1S1 y S1. Comparando el movimiento 2A+ y 2A- resulta una interferencia en la fase 3. El final de carrera 2S2 emite una señal, ésta no puede surtir efecto, porque todavía existe la señal del final de carrera 1S2. Por tanto es preciso efectuar una anulación de señales en los finales de carrera 2S1 y 1S2. La

representación

simbólica

constituye

otra

posibilidad

para

el

reconocimiento de la interferencia de señales. En esto se anota el movimiento de los cilindros de acuerdo con el desarrollo secuencial, con + avance y - retroceso. Para el ejemplo rige: 8-56


Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

1A+, 2A+ , 2A-, 1ADivisión en grupos Estos movimientos es preciso separarlos de manera, que en un grupo se encuentre siempre sólo un movimiento de un cilindro, igual si es + ó -. Según el ejemplo: 1A+ , 2A+ / 2A-, 1Agrupo 1 grupo 2 La anulación de señales tiene lugar después del movimiento 2A+ y del movimiento 1A- . En estos puntos es preciso incorporar elementos temporizadores o circuitos de autorretención (memorias). Una vez cumplidas estas prescripciones y conocidas las interferencias de señales, puede comenzarse con el trazado del esquema de circuito. Por el accionamiento de marcha S1 y del final de carrera 1S1 (accionamiento por el cilindro 1A) queda cerrado el circuito a través del relé K1. El contacto de cierre de K1, conectado en paralelo, recibe la función de autorretención en el circuito de mando. En el circuito principal, dos líneas 1 y 2 quedan unidas con un contacto de cierre y de apertura de K1. Cuando el relé K1 ha conectado, está la línea 1 bajo corriente, la línea 2 queda desconectada. La bobina magnética 1Y1 lleva corriente, la válvula conmuta, el vástago del cilindro 1A sale. Trazado de la parte neumática de trabajo con la colocación de los finales de carrera eléctricos.


8-57

I.E.S. Foramontanos

Neumática

1A

1S1

2A

1S2

1V

2S2

2V 1Y2

1Y1

2S1

2Y2

2Y1

0V 0Z

Figura 8-52

Trazado de la parte eléctrica. 1

+24V

3

2

S1

K1

4

K1

K1

Marcha 1

1S1

2

K1

1Y1

0V

Figura 8-53

1

+24V S1

3

2

K1

K1

Marcha 1S1

1S2

K1

1Y1

2Y1

0V

Figura 8-54 8-58


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

El émbolo del cilindro 1A avanza a la posición final delantera, quedando accionado el final de carrera 1S2. Este pulsador final ha de accionar el movimiento 2A+ . El final de carrera es incorporado entre la línea 1 y la bobina 2Y1 y hace, que a través de 2Y1 conmute la válvula distribuidora 5/2 y salga el vástago del cilindro 2A. Analizando el diagrama de mando o la representación simbólica aparece aquí una interferencia de señales. En este punto hay que efectuar, pues, una anulación de señales. 1

+24V S1

2

3 K1

K1

Marcha 1S1

K1

1 2

1S2

2S2

K1

4

1Y1

2Y1

2Y2

0V Figura 8-55

El final de carrera 2S2 queda accionado por el cilindro 2A. Este final de carrera 2S2 ha de efectuar la anulación de señales, razón por la que es incorporado como contacto de apertura en el primer circuito del circuito de mando. Debido al accionado de 2S2 queda borrado el circuito de autorretención de K1. Esto significa en el circuito principal, que la línea 1 vuelve a quedar sin corriente debido al contacto de cierre K1 y que la línea 2 vuelve a estar alimentada a través del contacto de apertura K1. Por esta conmutación de las líneas 1 y 2, la bobina 2Y1 ya no tiene corriente. A través de la bobina 2Y2 puede la válvula conmutar y el émbolo del cilindro 2A regresa a la posición final trasera.


8-59

I.E.S. Foramontanos

Neumática

1A

1S1

2A

1S2

2S1

1V

2V 1Y2

1Y1

2S2

2Y2

2Y1

0V 0Z

1

+24V S1

Marcha

2

K1

3

4

K1

K1

1S1

1S2

2S2

2S1 2Y2

K1

1Y1

2Y1

1Y2

0V Figura 8-56

8-60


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

8.12.2 Ejemplo 2: Dispositivo de cortar. Se trata de cortar un fleje o tira de chapa mediante una cuchilla, para ello primero se ha de sujetar el fleje, después de cortarlo y luego de empujarlo para echarlo en un cestón. La tira de chapa es colocada en el dispositivo y sujetada por el cilindro 1A. El cilindro 2A corta con la cuchilla la tira de chapa. El cilindro A elimina la sujeción el cilindro 3A la expulsa.

Figura 8-57 Esquema del proceso. Diagrama espacio-fase

1A 2A 3A

Secuencia 1A- , 2A+ , 2A-, 1A+ , 3A+, 3A-


8-61

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Paso 1: Diseño del circuito neumático Disposición de los cilindros 1A, 2A y 3A con válvulas distribuidoras 5/2 biestables. Designación de la posición de los finales de carrera eléctricos. La válvula 1V deberá tener una posición inicial contraria a las otras 2 para que el vástago de 1A esté en posición inicial en su final de carrera. 1A

1S1

2A

1S2

1V 1Y1

2S1

3A

2S2

2V 1Y2

2Y1

3S1

3S2

3V 2Y2

3Y1

3Y2

Figura 8-58 Disposición circuito neumático.

Paso 2: Primera línea de mando y principal (1A- 2A+ ) del circuito eléctrico Trazado de los circuitos de mando y principal hasta el primer problema de interferencia. En el circuito de mando, el relé K1 es excitado a través del pulsador S1 y a través de la “consulta” por medio del final de carrera 3S1. Se trata de saber si el vástago de 3A ha retornado a su posición inicial antes de que vuelva el de 1A. Además el contacto K1 en paralelo realiza la autorretención que será eliminada posteriormente por el contacto (K2) inicialmente cerrado de un relé.

8-62


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática +24V

MANDO S1

K1

PRINCIPAL K1

3S1

1S1

K2

1Y2

K1

2Y1

0V 1A-

2A+

Figura 8-59 Esquema eléctrico: primer grupo.

En el circuito principal, el contacto de cierre de K1 cierra el circuito. La bobina 1Y2 se excita, invierte la válvula y el vástago del cilindro 1A entra. En el momento en que el vástago llega al inicio de carrera acciona el interruptor 1S1 que al cerrar acciona la bobina 2Y1 que invierte la válvula y hace que el vástago de 2A salga.


8-63

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Paso 3: Segunda línea de la “cascada” (2A- 1A+ 3A+) +24V

1 S1

K1

3S1

K2

K1

3

2 2S2

4 K2

K1

K2

K1

K2

2S1

1S1

K3

1Y2

2Y1

2Y2

1Y1

1S2

3Y1

0V 1A-

2A+

2A-

1A+

3A+

Figura 8-60 Esquema eléctrico: segundo grupo.

En la posición final del cilindro 2A es accionado el final de carrera 2S2. A través de éste se excita el relé K2 (K1 está cerrado del paso anterior y K3 es un contacto cerrado inicialmente que no se abrirá hasta que se excite el relé K3). Como consecuencia de excitarse K2 sucede lo siguiente: 1. Se retroalimenta por el contacto en paralelo por lo que K2 permanecerá activado hasta que se active el relé K3. 2. Se desactiva K1 debido a que el contacto K2 (inicialmente cerrado de la línea 1 de mando) se abre eliminando la autorretención. Se elimina así el pilotaje de las válvulas producido por 1Y2 e 2Y1. 3. Se cierra el contacto inicialmente abierto de la línea principal por lo que se activa la bobina 2Y2. Esto hace invertir la válvula de gobierno 2V y el vástago del cilindro 2A vuelve a entrar. Al llegar a la posición inicio de carrera se cierra 2S1 que hace activar 1Y1 que a su vez invierte la válvula 1V y por lo tanto vuelve a salir el vástago de 1A. Por último al llegar 1A a su final de carrera acciona 1S2 que hace activar la bobina 3Y1, se invierte 3V y el vástago de 3A sale

8-64


I.E.S. Foramontanos

Electroneumática

Paso 4: Tercera línea de cascada (3A-) +24V

S1

K1

3S1

2S2

K1

K2

K1

K2

3S3

K1

K2

K3

K2

K3

K2

K3

3S1

K1

K3

1Y2

2Y1

2Y2

2S1

1S2

1Y1

3Y1

3Y2

0V

1A-

2A+

2A-

1A+

3A+

3A-

Figura 8-61 Esquema eléctrico final.

Para evitar la nueva interferencia se necesita una nueva línea. De esta forma, siguiendo el orden cronológico desde el punto en que se ha dejado en el paso anterior, 3A al salir accionará su final de carrera (3S3) que hará excitar el relé K3. Esto traerá dos consecuencias: 1. K2 se desactivará por el contacto K3 inicialmente cerrado que hemos visto en el paso anterior y que al activarse K3 abrirá el circuito. Al desactivarse K2 la segunda línea de la cascada se desactivará. 2. En la línea principal otro contacto de K3 inicialmente abierto, se cerrará, activando la bobina 3Y2 que invertirá la válvula 3V, que hará volver al vástago de 3A. Para finalizar K3 se desactivará cuando se vuelva a activar K1 en el ciclo siguiente.


8-65

Neumática

I.E.S. Foramontanos

8.12.3 Ejemplo 3: Taladradora En un alojamiento son colocadas a mano piezas para taladrar. Al accionar el pulsador de marcha, el cilindro A fija la pieza. Sólo cuando la pieza está en la posición correcta, saldrá el vástago del cilindro B para sujetarla. Cuando el cilindro B se encuentra en posición de sujeción, la unidad de mecanizado avanza y mecaniza la pieza. Una vez concluido el proceso de trabajo, la unidad de mecanizado es mandada a la posición inicial a través de un final de carrera. A continuación afloja el cilindro de fijación A y sólo entonces abre el cilindro de sujeción B. Croquis de situación:

Diagrama espacio – fase:

8-66


Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

Otra forma para resolver este problema de la taladradora consiste en una cadena de mando paso a paso, encontrándose la totalidad del memorizado en la parte eléctrica. En esto se habla de una cadena de mando paso a paso vertical. Encontrándose la memorización en la parte eléctrica, se emplean elementos de mando neumáticos (válvulas distribuidoras 4/2 ó 5/2) con reposicíonamiento mecánico (muelle). La realización del esquema de circuito para este método — cadena de mando paso a paso vertical — también se pasa a explicar a continuación, en el ejemplo de la taladradora: Trazado de la parte neumática de trabajo con coordinación de los finales de carrera eléctricos.


8-67

I.E.S. Foramontanos

Neumática

De la primera función de conexión se vuelve a encargar el relé K1. En este mando se vuelven a emplear 6 relés en la parte de procesamiento. Una vez accionados el pulsador marcha S7 y el final de carrera S3, y no habiendo conmutado el contacto de apertura de K6, el relé K1 puede actuar. El contacto de cierre de K1, que está conectado en paralelo, mantiene la autorretención. En el circuito principal, el contacto de cierre de K1 hace que la bobina magnética Y1 se excite; El vástago del cilindro A sale.

En su posición final delantera acciona el cilindro A el final de carrera S2, que, junto con el ya cerrado contacto de cierre de K1, conecta el relé. A través del contacto de cierre de K2 se realiza la autorretención del relé. El contacto de cierre K2, en el circuito principal, conecta la bobina magnética Y2; el vástago del cilindro B sale. Del circuito de mando se desprende, que la primera cadena de mando K1 no queda desconectada por la segunda cadena de mando K2. Las cadenas de mando K1 -K6 permanecen conectadas hasta el final.

8-68


Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

Alcanzada por el cilindro B la posición final delantera, queda accionado el final de carrera S4. El circuito queda cerrado, cuando está conectado el relé k2 y cuando transmite señal el contacto de cierre de K2 a través del final de carrera S4. El contacto de cierre de K3, que está conectado en paralelo, se vuelve a encargar de la autorretención. El relé K2 no queda desconectado. El contacto de cierre de K3, en el circuito principal, conecta la bobina Y3; la unidad de mecanizado avanza a la posición final delantera.


8-69

Neumática

I.E.S. Foramontanos

La unidad de mecanizado C acciona el final de carrera S6. El final de carrera 36 y el contacto de cierre de K3 conectan el relé K4. La señal del relé K4 es preciso memorizarla, esta es la razón de la conexión en paralelo del contacto de cierre K4. El relé K4 tiene el cometido de hacer regresar a la unidad de mecanizado. En el circuito principal ha de quedar desconectada la bobina Y3. Por ello es preciso montar un contacto de apertura de K4, que desconecte la bobina Y3.

La unidad de mecanizado C acciona el final de carrera S5.EI relé K4 ha conectado ya, por consiguiente está cerrado el circuito con el relé K5. La autorretención vuelve a quedar efectuada con el contacto de cierre K5. En el circuito principal ha de quedar desconectada la bobina Y1, esto lo hace el contacto de apertura de K5; el vástago del cilindro A regresa a la posición inicial.

8-70


Electroneumática

I.E.S. Foramontanos

El cilindro A acciona el final de carrera Si. En combinación con el contacto de cierre de K5 tiene lugar la activación del relé. En este caso ya no hace falta el circuito de autorretención. El cilindro B debe alcanzar la posición final trasera y la totalidad del mando ha de encontrarse en la posición inicial. El contacto de apertura de K6 cuida de que quede desconectada la primera cadena de mando. De este modo quedan desconectados todos los demás relés y el vástago del cilindro B regresa a su posición inicial.


8-71

Automatización con autómatas programables

I.E.S. Foramontanos

9. Automatización con autómatas programables. 9.1 INTRODUCCIÓN 9.1.1 ¿Qué es un autómata programable? Hasta no hace mucho tiempo el control de procesos industriales se venia haciendo de forma cableada por medio de contactores y relés. Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exigía tener altos conocimientos mantenerlas.

técnicos

para

poder

realizarlas

y

posteriormente

Además cualquier variación en el proceso suponía modificar

físicamente gran parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran esfuerzo técnico y un mayor desembolso económico. En la actualidad no se puede entender un proceso complejo de alto nivel

desarrollado por técnicas cableadas. El ordenador y los autómatas

programables ha intervenido de forma considerable para que este tipo de instalaciones se hayan visto sustituidas por otras controladas de forma programada. El Autómata Programable Industrial (API) nació como solución al control de circuitos complejos de automatización. Por lo tanto se puede decir que un API no es más que un aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas automáticos. A él se conectan los captadores (finales de carrera, pulsadores,...) por una parte, y los actuadores (bobinas de contactores, lámparas, pequeños receptores,...) por otra.

Veamos un típico circuito de automatismos. Un arrancador Estrella/Triángulo con temporizador.


9-1

Neumática

I.E.S. Foramontanos

La figura (A) muestra como es la técnica cableada. Por una parte tenemos el circuito de fuerza, que alimenta el motor, y por otra el circuito auxiliar o de mando, que realiza la maniobra de arranque de dicho motor.

La figura B muestra como se realiza el mismo montaje de forma programada. El circuito de fuerza es exactamente el mismo que en la técnica cableada. Sin embargo, el de mando será sustituido por un autómata programable, al cual se unen eléctricamente los pulsadores y las bobinas de los contactores. La maniobra de arranque la realizara el programa que previamente se ha transferido al autómata.

9-2



I.E.S. Foramontanos

9.1.2 Definición de autómata programable Se entiende por controlador lógico programable (PLC), o autómata programable, a toda máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial procesos secuenciales. Esta definición se está quedando un poco desfasada, ya que han aparecido los micro-plc's, destinados a pequeñas necesidades y al alcance de cualquier persona. 9.1.3 Campos de aplicación Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidades: •

Espacio reducido.

•

Procesos de producción periódicamente cambiantes.

•

Procesos secuenciales.

•

Maquinaria de procesos variables.

•

Instalaciones de procesos complejos y amplios.

•

Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso.

Aplicaciones generales: •

Maniobra de máquinas.

•

Maniobra de instalaciones.

•

Señalización y control.

Tal y como digimos anteriormente, esto se refiere a los autómatas programables industriales, dejando de lado los pequeños autómatas para uso más personal (que se pueden emplear, incluso, para automatizar procesos en el hogar, como la puerta de un cochera o las luces de la casa).


9-3

I.E.S. Foramontanos

Neumática

9.1.4 Ventajas e inconvenientes de los PLC's Entre la ventajas tenemos: •

Menor tiempo de elaboración de proyectos.

•

Posibilidad de añadir modificaciones sin costo añadido en otros componentes.

•

Mínimo espacio de ocupación.

•

Menor costo de mano de obra.

•

Mantenimiento económico.

•

Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata.

•

Menor tiempo de puesta en funcionamiento.

•

Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción.

Y entre los inconvenientes: •

Adiestramiento de técnicos.

•

Costo.

A dia de hoy los inconvenientes se han hecho nulos, ya que todas las carreras de ingeniería incluyen la automatización como una de sus asignaturas. En cuanto al costo tampoco hay problema, ya que hay autómatas para todas las necesidades y a precios ajustados (tenemos desde pequeños autómatas por poco más de 10.000 pts. hasta PLC's que alcanzan cifras escandalosas).

9-4



I.E.S. Foramontanos

9.1.4.1 Pequeña reseña histórica Los PLC's se introdujeron por primera vez en la industria en 1960 aproximadamente. La razón principal de tal hecho fué la necesidad de eliminar el gran costo que se producía al reemplazar el complejo sistema de control basado en relés y contactores. Bedford Associates propuso algo denominado Controlador Digital Modular (MODICON, MOdular DIgital CONtroler) a un gran fabricante de coches. Otras compañias propusieron a la vez esquemas basados en ordenador, uno de los cuales estaba basado en el PDP-8. El MODICON 084 resultó ser el primer PLC del mundo en ser producido comercialmente. El problema de los relés era que cuando los requerimientos de producción cambiaban también lo hacía el sistema de control. Esto comenzó a resultar bastante caro cuando los cambios fueron frecuentes. Dado que los relés son dispositivos mecánicos y poseen una vida limitada se requería una estricta manutención planificada. Por otra parte, a veces se debían realizar conexiones entre cientos o miles de relés, lo que implicaba un enorme esfuerzo de diseño y mantenimiento. Los "nuevos controladores" debían ser fácilmente programables por ingenieros de planta o personal de mantenimiento. El tiempo de vida debía ser largo y los cambios en el programa tenían que realizarse de forma sencilla. Finalmente se imponía que trabajaran sin problemas en entornos industriales adversos. La solución fué el empleo de una técnica de programación familiar y reemplazar los relés mecánicos por relés de estado sólido. A mediados de los 70 las tecnologías dominantes de los PLC eran máquinas de estado secuenciales y CPU basadas en desplazamiento de bit. Los AMD 2901 y 2903 fueron muy populares en el Modicon y PLC's A-B. Los microprocesadores convencionales cedieron la potencia necesaria para resolver de forma rápida y completa la lógica de los pequeños PLC's. Por cada modelo de microprocesador había un modelo de PLC basado en el mismo. No obstante, el 2903 fué de los más utilizados. Las habilidades de comunicación comenzaron a aparecer en 1973 aproximadamente. El primer sistema fué el bus Modicon (Modbus). El PLC podía ahora dialogar con otros PLC's y en conjunto podían estar aislados de las máquinas que controlaban. Tambien podían enviar y recibir señales de tensión variables, entrando en el mundo analógico. Desafortunadamente, la falta de un estándar acompañado con un continuo cambio tecnológico ha hecho que la comunicación de PLC's sea un maremagnum de sistemas físcicos y protocolos incompatibles entre si. No obstante fué una gran decada para los PLC's.


9-5

Neumática

I.E.S. Foramontanos

En los 80 se produjo un intento de estandarización de las comunicaciones con el protocolo MAP (Manufacturing Automation Protocol) de General Motor's. También fué un tiempo en el que se redujeron las dimensiones del PLC y se pasó a programar con programación simbólica a través de ordenadores personales en vez de los clásicos terminales de programación. Hoy día el PLC más pequeño es del tamaño de un simple relé. Los 90 han mostrado una gradual reducción en el número de nuevos protocolos, y en la modernización de las capas físicas de los protocolos más populares que sobrevivieron a los 80. El último estándar (IEC 1131-3) intenta unificar el sistema de programación de todos los PLC en un único estándar internacional. Ahora disponemos de PLC's que pueden ser programados en diagramas de bloques, lista de instrucciones y texto estructurado al mismo tiempo. Los PC están comenzando a reemplazar al PLC en algunas aplicaciones, incluso la compañía que introdujo el Modicon 084 ha cambiado al control basado en PC. Por lo cual, no sería de extrañar que en un futuro no muy lejano el PLC desaparezca frente al cada vez más potente PC, debido a las posibilidades que los ordenadores pueden proporcionar.

9.1.5 Estructura de los autómatas programables La mejor opción para el control de procesos industriales es el empleo de autómatas programables. Estos aparatos se basan en el empleo de un microcontrolador para el manejo de las entradas y salidas. La memoria del aparato contendrá tanto el programa de usuario que le introduzcamos como el sistema operativo que permite ejecutar secuencialmente las instrucciones del programa. Opcionalmente, en la mayoría de los autómatas, también se incluyen una serie de funciones pre-implementadas de uso general (como reguladores PID). La mayor ventaja es que si hay que variar el proceso basta con cambiar el programa introducido en el autómata(en la mayoría de los casos). Otra ventaja es que el autómata también nos permite saber el estado del proceso, incluyendo la adquisición de datos para un posterior estudio.

9.1.5.1 ESTRUCTURA EXTERNA Todos los autómatas programables, poseen una de las siguientes estructuras: •

Compacta: en un solo bloque están todos lo elementos.

•

Modular: o Estructura americana: separa las E/S del resto del autómata.

9-6



I.E.S. Foramontanos

o Estructura europea: cada módulo es una función (fuente de alimentación, CPU, E/S, etc.). Exteriormente nos encontraremos con cajas que contienen una de estas estructuras, las cuales poseen indicadores y conectores en función del modelo y fabricante. Para el caso de una estructura modular se dispone de la posibilidad de fijar los distintos módulos en railes normalizados, para que el conjunto sea compacto y resistente. Los micro-autómatas suelen venir sin caja, en formato kit, ya que su empleo no es determinado y se suele incluir dentro de un conjunto más grande de control o dentro de la misma maquinaria que se debe controlar. 9.1.5.2 ESTRUCTURA INTERNA

Los elementos esenciales, que todo autómata programable posee como mínimo, son: •

Sección de entradas: se trata de líneas de entrada, las cuales pueden ser de tipo digital o analógico. En ambos casos tenemos unos rangos de tensión característicos, los cuales se encuentran en las hojas de características del fabricante. A estas líneas conectaremos los sensores.

•

Sección de salidas: son una serie de líneas de salida, que también pueden ser de carácter digital o analógico. A estas líneas conectaremos los actuadores.


9-7

I.E.S. Foramontanos

Neumática •

Unidad central de proceso (CPU): se encarga de procesar el programa de usuario que le introduciremos. Para ello disponemos de diversas zonas de memoria, registros, e instrucciones de programa.

Adicionalmente, en determinados modelos más avanzados, podemos disponer de funciones ya integradas en la CPU; como reguladores PID, control de posición, etc.

Tanto las entradas como las salidas están aisladas de la CPU según el tipo de autómata que utilicemos. Normalmente se suelen emplear opto acopladores en las entradas y relés / opto acopladores en las salidas. Aparte de estos elementos podemos disponer de los siguientes: •

Unidad de alimentación (algunas CPU la llevan incluida).

•

Unidad o consola de programación: que nos permitirá introducir, modificar y supervisar el programa de usuario.

•

Dispositivos periféricos: como nuevas unidades de E/S, más memoria, unidades de comunicación en red, etc.

•

Interfaces: facilitan la comunicación del autómata mediante enlace serie con otros dispositivos (como un PC).

En los siguientes apartados comentaremos la estructura de cada elemento.

9-8



I.E.S. Foramontanos

9.2 CONEXIÓN DEL AUTÓMATA A LA MÁQUINA NEUMÁTICA. Haciendo una analogía entre el funcionamiento de una máquina neumática con el cuerpo humano, se puede decir que en la máquina neumática el cerebro es el autómata programable o PLC mientras que el músculo o la parte que se encarga de realizar el trabajo mecánico son los actuadores.

TRANSMISIÓN PROGRAMA RS232

ACTUADORES

F.A 24VDC

CPU PLC

ENTRADAS SALIDAS

PLC

PLC

SENSORES

ELECTROVÁLVULA 5/2 GOBIERNO DE LOS ACTUADORES

Figura 9-1 Esquema de un proceso con elementos neumáticos

En los mecanismos neumáticos entran en juego los siguientes elementos: 1.

ACTUADORES NEUMÁTICOS: Cilindros, actuadores de giro, generadores de vacío, actuadores lineales (cilindros sin vástago). Son los encargados de realizar el trabajo mecánico.

2.

GOBIERNO

DE

LOS

ACTUADORES:

Electroválvulas

5/2

monoestables y biestables. Gobiernan el paso del aire comprimido hacia los actuadores, determinando así su movimiento. Pueden ser monoestables, con solo una posición estable (con una bobina eléctrica y reposición por muelle), o bien biestables (con dos bobina eléctricas). Se conectan a las salidas del autómata. 3.

SENSORES: Controlan en cierta forma el proceso. Detectan principio y final de carrera de los actuadores, si hay o no pieza, si la


9-9

I.E.S. Foramontanos

Neumática

pieza es metálica o no, si es grande o pequeña ect. Son las entradas al autómata. 4.

MANDO: Autómata programable o PLC. Recibe un programa realizado, bien con la consola de programación o bien con el PC y su software correspondiente. Dicho programa establece la relación entre las entradas y salidas en una secuencia ordenada de pasos. Se compone de una parte fundamental que es la CPU, dónde está la memoria del PLC y donde se alojan los programas, a la que se le añaden los módulos de entradas y salidas para la comunicación con los

elementos

de

la

máquina

(sensores

y

electroválvulas

fundamentalmente). En las máquinas con elementos neumáticos conectados a autómatas programables o PLC’s siempre se debe seguir un orden en el conexionado que debe ser representado en un esquema como se verá más adelante en los ejemplos incluidos en la programación de prácticas Como el objetivo de este texto es introducir al lector en aspectos relativos a la neumática y oleohidráulica pero no en otros campos se va a incluir detalles sobre el conexionado quizá obvios para una persona docta en el campo de la electricidad pero que conviene recordar para no cometer errores que lleven a dañar los diferentes elementos de la instalación. 24 V DC

+

ENTRADAS PLC

-

SALIDAS PLC

COM

COM

CABLE ROJO O MARRON 1S1 SENSOR FIN DE CARRERA

NEGRO

1Y

ELECTROVÁLVULA

AZUL

Figura 9-2 Conexión del autómata con elementos neumáticos

Si se sigue el esquema de la figura 9-2 se puede observar como toda la potencia eléctrica va a venir de la fuente de alimentación del autómata, con una 9-10



I.E.S. Foramontanos

tensión de 24 V de corriente continua. Hacia el + (positivo) irán conectados cables de color rojo o marrón (por convenio). Hacia el – (negativo) irán conectados cables de color azul. Los módulos de salidas irán conectados al terminal que indica COM (común) desde el + (positivo de la fuente de alimentación). Ejemplos de salidas van a ser en el caso de un sistema neumático fundamentalmente las bobinas de las electroválvulas. De tal forma que cada una de las bobinas de las electroválvulas irá conectada por un lado hacia una salida determinada del módulo y por otro lado al – (negativo de la fuente de alimentación). Los módulos de entradas irán conectados desde el COM al – (negativo de la fuente de alimentación). Ejemplos de entradas pueden ser cada uno de los sensores principio y final de carrera de los cilindros neumáticos. Dichos sensores pueden tener dos o tres cables. En el caso de tres cables, el cable marrón o rojo irá conectado hacia el positivo de la fuente de alimentación, el cable azul hacia el negativo de la fuente y el cable negro hacia su entrada correspondiente en el módulo. Si el sensor o el pulsador tiene dos cables, entonces el cable rojo o marrón irá hacia el polo + y el cable azul hacia la entrada correspondiente. Es muy importante para el correcto conexionado como para el posterior mantenimiento de la máquina que se realice un esquema claro de conexionado dónde cada elemento lleve una denominación que se ajuste a las normas. De esta forma las bobinas de las electroválvulas llevan la letra Y llevando delante el número del actuador que gobiernan. Los sensores y pulsadores llevan la letra S (B en el caso de sensores magnéticos). Se remite al lector a los ejemplos del cuaderno de prácticas. 9.3 COMPONENTES DEL AUTÓMATA 9.3.1 Unidad central de proceso (CPU): La CPU es el corazón del autómata programable. Es la encargada de ejecutar el programa de usuario mediante el programa del sistema (es decir, el programa de usuario es interpretado por el programa del sistema). Sus funciones son:


9-11

I.E.S. Foramontanos

Neumática •

Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no excede un determinado tiempo máximo (tiempo de ciclo máximo). A esta función se le suele denominar Watchdog (perro guardián).

•

Ejecutar el programa de usuario.

•

Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas.

•

Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario.

•

Chequeo del sistema.

Para ello el autómata va a poseer un ciclo de trabajo, que ejecutará de forma continua: Imagen de las entradas

Entradas

Ejecución del programa de usuario

Imagen de las salidas

Salidas

WATCHDOG

El autómata va a ejecutar nuestro programa de usuario en un tiempo determinado, el cual va a depender sobre todo de la longitud del programa. Esto es debido a que cada instrucción tarda un tiempo determinado en ejecutarse, por lo que en procesos rápidos será un factor crítico. En un sistema de control mediante autómata programable tendremos los siguientes tiempos: 1. 2. 3. 4. 5.

9-12

Retardo de entrada. Vigilancia y exploración de las entradas. Ejecución del programa de usuario. Transmisión de las salidas. Retardo en salidas. Autor : Rafael Sancho Cayuso

I.E.S. Foramontanos


Los puntos 2,3 y 4 sumados dan como total el tiempo de ciclo del autómata. Tras este ciclo es cuando se modifican las salidas, por lo que si varían durante la ejecución del programa tomarán como valor el último que se haya asignado. Esto es así debido a que no se manejan directamente las entradas y las salidas, sino una imagen en memoria de las mismas que se adquiere al comienzo del ciclo (2) y se modifica al final de éste (retardo). En la etapa de vigilancia (watchdog) se comprueba si se sobrepasó el tiempo máximo

de

ciclo,

activándose

en

caso

afirmativo

la

señal

de

error

correspondiente. En las tareas que realiza la unidad central tiene lugar un intercambio continuo de información entre los distintos componentes de la misma, que se explican a continuación: •

Procesador: Encargado de la adquisición y actualización de los estados de las entradas y salidas, en base a la interpretación de las instrucciones de la memoria del programa, o de usuario, y funciones internas.

•

Memoria: Dentro de la CPU vamos a disponer de un área de memoria, la cual emplearemos para diversas funciones: o Memoria del programa de usuario: aquí introduciremos el programa que el autómata va a ejecutar cíclicamente. o Memoria de la tabla de datos: se suele subdividir en zonas según el tipo

de

datos

(como

marcas

de

memoria,

temporizadores,

contadores, etc.). o Memoria del sistema: aquí se encuentra el programa en código máquina que monitoriza el sistema (programa del sistema o firmware). Este programa es ejecutado directamente por el microprocesador/microcontrolador que posea el autómata. o Memoria de almacenamiento: se trata de memoria externa que empleamos para almacenar el programa de usuario, y en ciertos casos parte de la memoria de la tabla de datos. Suele ser de uno de los siguientes tipos: EPROM, EEPROM, o FLASH. Autor : Rafael Sancho Cayuso

9-13

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Cada autómata divide su memoria de esta forma genérica, haciendo subdivisiones específicas según el modelo y fabricante. •

Interconexión de E/S: establece la comunicación efectiva entre la CPU y el sistema de E/S.

•

Interconexión a periféricos: establece la comunicación efectiva entre la CPU y los equipos periféricos de programación.

9.3.2 Sistemas de entradas/salidas: El control efectivo de una máquina o proceso se basa en un continuo intercambio de información entre el equipo de control y dicho proceso. La información que se recoge del proceso recibe el nombre genérico de ENTRADAS, mientras que las acciones de control sobre la máquina o proceso se denominan SALIDAS. El sistema de E/S de un autómata programable industrial está formado por un conjunto de módulos, también denominadas tarjetas, y estructuras de soporte de los módulos o bastidores de montaje, que tienen las siguientes funciones: •

Adaptar la tensión de trabajo de los dispositivos de campo a la de los elementos electrónicos del autómata y viceversa.

•

Proporcionar una adecuada separación eléctrica entre los circuitos lógicos y los de potencia.

•

Permitir, mediante el soporte físico del direccionado, la identificación de los dispositivos de E/S para la correcta realización de las secuencias de control programadas.

La mayor parte de los miniautómatas se presentan en una configuración compacta que incluye la CPU y parte del sistema de E/S en una sola envolvente, pero son expansibles mediante unidades compactas o módulos de E/S. A continuación se explican determinados tipos de entradas y salidas: Generalmente vamos a disponer de dos tipos de E/S:

9-14

•

Digital.

•

Analógica. Autor : Rafael Sancho Cayuso


I.E.S. Foramontanos

Las E/S digitales se basan en el principio de todo o nada, es decir o no conducen señal alguna o poseen un nivel mínimo de tensión. Estas E/S se manejan a nivel de bit dentro del programa de usuario. Las E/S analógicas pueden poseer cualquier valor dentro de un rango determinado especificado por el fabricante. Se basan en conversores A/D y D/A aislados de la CPU (ópticamente o por etapa de potencia). Estas señales se manejan a nivel de byte o palabra (8/16 bits) dentro del programa de usuario. Las E/S son leidas y escritas dependiendo del modelo y del fabricante, es decir pueden estar incluidas sus imágenes dentro del área de memoria o ser manejadas a través de instrucciones específicas de E/S. •

Módulos de entrada: Son circuitos o agrupaciones de circuitos en tarjetas electrónicas de E/S que en su parte frontal disponen de una regleta de bornes enchufables para el conexionado de los dispositivos de entrada, y un conjunto de indicadores luminosos de presencia de señal de entrada. La información recibida en él, es enviada a la CPU para ser procesada de acuerdo la programación residente. Capatadores pasivos

Captadores Activos

.

Se pueden diferenciar dos tipos de captadores conectables al módulo de entradas: los Pasivos y los Activos.


9-15

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Los Captadores Pasivos son aquellos que cambian su estado lógico, activado no activado, por medio de una acción mecánica. Estos son los Interruptores, pulsadores, finales de carrera, etc. Los Captadores Activos son dispositivos electrónicos que necesitan ser alimentados por una tensión para que varíen su estado lógico. Este es el caso de los diferentes tipos de detectores (Inductivos, Capacitivos, Fotoeléctricos). Muchos de estos aparatos pueden ser alimentados por la propia fuente de alimentación del autómata. El que conoce circuitos de automatismos industriales realizados por contactores, sabrá que puede utilizar, como captadores, contactos eléctricamente abiertos o eléctricamente cerrados dependiendo de su función en el circuito. Como ejemplo podemos ver un simple arrancador paro/marcha. En él se distingue el contacto usado como pulsador de marcha que es normalmente abierto y el usado como pulsador de parada que es normalmente cerrado. Sin embargo en circuitos automatizados por autómatas, los captadores son generalmente abiertos. El mismo arrancador paro/marcha realizado con un autómata es el de la figura 6. En él se ve que ambos pulsadores y el relé térmico auxiliar son abiertos.

Figura : 6

9-16


Automatización con autómatas programables •

I.E.S. Foramontanos

Módulos de salida: Son tarjetas electrónicas que, al igual que las de entrada disponen de una regleta de bornes enchufables y de indicadores luminosos para la visualización del estado de la salida. En general incorporan algún tipo de protección de la etapa de potencia, que puede ser un circuito de detección de sobrecarga o un circuito fusible. La situación de sobrecarga o fusible fundido también se recoge en un indicador, bien individual o por grupo de salidas. En nuestro caso el conexionado del módulo de salida está dirigido fundamentalmente hacia las electroválvulas . Según el tipo de proceso a controlar por el autómata, podemos utilizar diferentes módulos de salidas. Existen tres tipo bien diferenciados: •

A relés.

•

A triac.

•

A transistores.

Módulos de salidas a relés. Son usados en circuitos de corriente continua y alterna. Están basados en la conmutación mecánica, por la bobina del relé, de un contacto eléctrico normalmente abierto. . . .

Módulos de salidas a Triacs Se utilizan en circuitos de corriente continua y corriente alterna que necesiten maniobras de conmutación muy rápidas.


9-17

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Módulos de salidas a Transistores a colector abierto. El uso del este tipo de módulos es exclusivo de los circuitos de c.c. Igualmente que en los de Triacs, es utilizado en circuitos que necesiten maniobras de conexión/desconexión muy rápidas.

La forma de conectar los actuadores a los módulos de salidas, dependerá del tipo de módulo utilizado. Estos son algunos ejemplos: ..

•

Entradas/Salidas analógicas: Son módulos destinados a la conversión de una magnitud analógica en un valor digital. La medida analógica, tensión o corriente, la recibe de un sensor que a su vez correspondiente a la medida de una magnitud física (temperatura, caudal, presión, etc.), que varía sin solución de continuidad.

9-18



I.E.S. Foramontanos

Entradas/Salidas especiales: Son casos particulares como E/S de termopares, controladores de motores paso a paso, servo controladores. No se van a utilizar en esta asignatura.

9.4 FUNCIONAMIENTO DEL AUTÓMATA Como ya se ha explicado con anterioridad, la automatización de los procesos industriales utilizando autómatas se basa en determinados flujos de información desde los captadores hasta el sistema de control, y desde éste a los actuadores. El paso de la información y su interpretación por la CPU dependerá del tipo de automatismo que empleemos. En una lógica cableada, la que emplea diodos, transistores, interruptores, etc.,

el tratamiento de la información se hace en

paralelo. Los estados de las variables se combinan entre sí y con las variables internas, de forma simultánea en todos los circuitos que realizan las ecuaciones lógicas del sistema. Los equipos programables emplean un procesador binario que es capaz de interpretar una serie de códigos o instrucciones que especifican las acciones a realizar en función del estado de las variables del sistema. El procesador puede interpretar una sola instrucción en cada instante, aunque lo hace a gran velocidad, es decir, trata la información secuencialmente. En el autómata las instrucciones se almacenan en una “memoria de programa”. El procesador recoge los estados de las señales de entrada y los almacena en otra memoria denominada tabla E/S, para su posterior empleo. Inicia entonces el acceso una tras otra a las instrucciones, que especifican un operando (una variable) y la operación lógica a efectuar; en el curso de esta escrutación de la memoria del programa se obtienen los resultados de las ecuaciones lógicas del sistema y van siendo almacenados también en la tabla E/S. Una vez finalizada la lectura del programa tiene lugar la “actualización” de estados de E/S para lo que se transfieren a las salidas los resultados obtenidos de la escrutación de instrucciones, y se vuelven a almacenar los estados de las entradas. Este proceso se repite de forma indefinida mientras el equipo esté operativo.


9-19

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Durante la resolución del problema el equipo ignora la evolución externa de la máquina o proceso. En ciertas aplicaciones de evolución muy rápida esto podrá ser un problema ya que podría perderse información. 9.5 PROGRAMACIÓN DEL AUTÓMATA Todo autómata tiene por lo menos un microprocesador. El microprocesador hace lo que le dicen, siempre y cuando se lo digan con absoluta precisión. Si se tuviera que programar el autómata (decirle lo que se quiere que haga), programando directamente su microprocesador, se habría de utilizar el lenguaje específico que determina el fabricante del microprocesador, denominado Assembler y característico de cada tipo de microprocesador. Este lenguaje es bastante complejo y está orientado al funcionamiento interno del microprocesador, es decir, sus instrucciones no están directamente relacionadas con las entradas, salidas, temporizadores, etc. de un automatismo. Esto dificultaría enormemente la programación, y solo estaría justificado en casos muy especiales. Para facilitar la programación del microprocesador que lleva el autómata, y para utilizar un lenguaje más cercano al automatismo que se pretende mandar, se han creado otros lenguajes de programación, más orientados a la aplicación. En este caso, tratándose de autómatas programables, el lenguaje está más relacionado con las operaciones propias de un proceso automatizado. 9.5.1 Equipos o unidades de programación El autómata debe disponer de alguna forma de programación, la cual se suele realizar empleando alguno de los siguientes elementos: •

Unidad de programación: suele ser en forma de calculadora. Es la forma más simple de programar el autómata, y se suele reservar para pequeñas modificaciones del programa o la lectura de datos en el lugar de colocación del autómata.

•

Consola de programación: es un terminal a modo de ordenador que proporciona una forma más cómoda de realizar el programa de usuario y observar parámetros internos del autómata. Desfasado actualmente.

9-20



I.E.S. Foramontanos

PC: es el modo más potente y empleado en la actualidad. Permite programar desde un ordenador personal estándar, con todo lo que ello supone: herramientas más potentes, posibilidad de almacenamiento en soporte magnético, impresión, transferencia de datos, monitorización mediante software SCADA, etc.

Para cada caso el fabricante proporciona lo necesario, bien el equipo o el software/cables adecuados. Cada equipo, dependiendo del modelo y fabricante, puede poseer una conexión a uno o varios de los elementos anteriores. En el caso de los micro-plc se escoge la programación por PC o por unidad de programación integrada en la propia CPU.

Terminal de programación portatil

Terminal de programación compatible PC

9.5.2 Lenguajes de programación Cuando surgieron los autómatas programables, lo hicieron con la necesidad de sustituir a los enormes cuadros de maniobra construidos con contactores y relés. Por lo tanto, la comunicación hombre-maquina debería ser similar a la utilizada hasta ese momento. El lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación. Estos lenguajes han evolucionado, en los últimos tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el típico plano eléctrico a relés. 9.5.2.1 Lenguaje a contactos. (Ladder diagram) ó (LD) El diagrama de contactos (ladder diagram LD) es un lenguaje que utiliza un juego estandarizado de símbolos de programación. En el estándar IEC los símbolos han sido racionalizados (se ha reducido su número).


9-21

I.E.S. Foramontanos

Neumática

Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar cuadros de automatismos. Muchos autómatas incluyen módulos especiales de software para poder programar gráficamente de esta forma.

9.5.2.2 Lenguaje por Lista de Instrucciones. (Nemónico) ó (IL) ó (AWL) En los autómatas de gama baja, es el único modo de programación. Consiste en elaborar una lista de instrucciones o nemónicos que se asocian a los símbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos. También decir, que este tipo de lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida de programación e incluso la más potente.

9.5.2.3 GRAFCET. (SFC) El gráfico secuencial de funciones (SFC o Grafcet) es un lenguaje gráfico que proporciona una representación en forma de diagrama de las secuencias del programa. Soporta selecciones alternativas de secuencia y secuencias paralelas. Los elementos básicos son pasos y transiciones. Los pasos consisten de piezas de programa que son inhibidas hasta que una condición especificada por las transisciones es conocida. Como consecuencia de que las aplicaciones industriales funcionan en forma de pasos, el SFC es la forma lógica de especificar y programar el más alto nivel de un programa para PLC.

9-22



I.E.S. Foramontanos

La Asociación Francesa para la Cibernética, Economía y Técnica (AFCET), emprendió hace tiempo una importante reflexión sobre la unificación en la representación-descripción de un automatismo. El sistema propuesto para la descripción de automatismos recibe el nombre de GRAFCET (Gráfiico de Control Etapa-Transición). El GRAFCET es un diagrama funcional que describe los procesos a automatizar, teniendo en cuenta las acciones a realizar, y los procesos intermedios que provocan estas acciones. Este método de representación es aceptado en Europa y homologado por varios países, entre ellos Francia por la norma NFC-03-190 y en Alemania por DIN.

REGLAS DEL GRAFCET. Un GRAFCET está compuesto de: •

ETAPA : define un estado en el que se encuentra el automatismo. Las etapas de inicio se marcan con un doble cuadrado.

•

ACCIÓN ASOCIADA : define la acción que va a realizar la etapa, por ejemplo conectar un contactor, desconectar una bobina, etc.

•

TRANSICIÓN : es la condición o condiciones que, conjuntamente con la etapa anterior, hacen evolucionar el GRAFCET de una etapa a la siguiente, por ejemplo un pulsador, un detector, un temporizador, etc.

La descripción del sistema GRAFCET obliga a dividir los sistemas de automatismos en dos partes: •

Parte de mando (también llamada autómata o sistema lógico).

•

Parte operativa (también llamada de potencia).


9-23

I.E.S. Foramontanos

Neumática

El funcionamiento del automatismo puede representarse por un conjunto de: •

Etapas (fases) a las cuales se asocian unas ACCIONES.

•

Transiciones que se asocian a los receptores.

•

Uniones orientadas que conectas las etapas a las transiciones.

Parte Operativa: •

Mordaza con mando de apertura-cierre neumático.

•

Taladradora mediante broca accionada por motor eléctrico.

•

El desplazamiento de la broca se hace por medio de un cilindro neumático.

El ciclo detallado de trabajo es el siguiente: 1. En el inicio la taladradora se encuentra en su posición más elevada. 2. La mordaza se encuentra abierta. 3. El operario situa una pieza de madera entre los mordientes. 4. Se cierra la mordaza. 5. Desciende la taladradora suavemente. 6. Cuando la broca ha completado su recorrido, la taladradora se eleva rápidamente. 7. La mordaza se abre cuando la máquina taladradora llega a su posición más elevada. Estas acciones se consiguen cuando el mando lógico proporciona las órdenes oportunas en el momento deseado. Los movimientos deseados se determinan según los datos facilitados por la parte operativa. Parte de mando: Se dice que un mando permanece en una "etapa" mientras que su comportamiento es constante y permanece en ella hasta que recibe la orden de pasar a la siguiente etapa; este cambio se hace a través de la transición. La representación de la parte de mando se presenta como una sucesión alternada de etapas y transiciones. En consecuencia, se asocia: •

9-24

A cada etapa la acción a efectuar.



I.E.S. Foramontanos

A cada transición las informaciones que permiten su evolución o condición lógica Suele llamarse receptividad.

1 Etapa inicial

Colocación del taco en mordaza Taco colocado e inicio de ciclo

2

Cierre de mordaza Mordaza cerrada

Etapas

3 Uniones orientadas

Avance lento del taladro Broca alcanza profundidad deseada

4

Retorno rápido del taladro Taladradora en posición superior

Receptividades asociadas

5

APERTURA de mordaza Percepción visual de taco suelto

6

RETIRADA del Taco Hueco de mordaza vacío

GRAFCET nivel 1 de máquina taladradora con mordaza neumática. Las acciones están asociadas con las etapas. El funcionamiento de la parte de mando necesaria para el sistema de taladrado se describirá como sigue: Etapa 1

– Acción

Colocación del taco en la mordaza

Transición 1-2

- Receptividad

Taco colocado e inicio de ciclo

Etapa 2

- Acción

Cierre de mordaza

Transición 2-3

- Receptividad

Mordaza cerrada

Etapa 3

- Acción

Avance lento del taladro

Transición 3-4

- Receptividad

Broca a la profundidad deseada

Etapa 4

- Acción

Retorno rápido de la broca

Transición 4-5

- Receptividad

Taladro en posición superior

Etapa 5

- Acción

Apertura de mordaza


9-25

I.E.S. Foramontanos

Neumática Transición 5-6

- Receptividad

Percepción visual de taco suelto

Etapa 6

- Acción

Retirada del taco

El GRAFCET muestra: •

La unión de la etapa a la transición y de la transición a la etapa

•

Las etapas y sus acciones asociadas

•

Las transiciones y su receptividad asociada.

El GRAFCET nivel 1 tiene el aspecto funcional sin descripciones tecnológicas, ya que no sabemos físicamente cómo se dan las órdenes. Vamos a describir cómo se pasa a GRAFCET nivel 2 sobre la idea de la figura siguiente (parte izquierda): GRAFCET nivel 2. Disposición de la máquina común a todos los ejemplos de diagrama. V

1 P

A 2 A-

A+

B+ S4

S

A+

3 S2

S S

4

S

AS1

V B B+

B-

5 S3

6

B-

Extracción manual

P 1. El operario coloca manualmente el taco en la mordaza. 2. Los movimientos de subir y bajar el taladro así como los de abrir y cerrar la mordaza se efectúan por medio de cilindros neumáticos: A y B. 3. Las posiciones de los cilindros neumáticos se controlan por medio de finales de carrera: S1, S2, S3 y S4

9-26



I.E.S. Foramontanos

Las órdenes son las siguientes: A+

Descenso de taladro

A-

Subida de taladro

B+

Cierre de mordaza

B-

Apertura de mordaza.

Señales hacia el medio exterior y operario: V

Zona de colocación de pieza en posición vacío.

Las informaciones son: P

Autorización de inicio de ciclo

S1

Taladro en posición superior

S2

Taladro en posición inferior

S3

Mordaza abierta

S4

Mordaza cerrada.

Algunos datos complementarios de notación: •

El cuadrado de la etapa de inicio se efectúa en línea doble.

•

Las acciones a efectuar cuando la etapa está en activo pueden ser muy variadas y se indican de forma literal: "abrir válvula Y", "parar motor M", "excitar electro válvula V6", etc.

•

Las transiciones de receptividades también pueden ser variadas: o Actuación de un final de carrera. o Alcanzar una temperatura prefijada. o Finalizar una temporización prefijada a partir de una activación determinada.


9-27

I.E.S. Foramontanos

Neumática

9.5.2.4 Plano de funciones. (FBD) El plano de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la simbología usada en ambos es equivalente. El diagrama de funciones (function block diagram o FBD) es un lenguaje gráfico que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados entre si de forma análoga al esquema de un circuito. FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o datos entre componentes de control.

9.5.2.5 Dispositivos periféricos El autómata programable, en la mayoría de los casos, puede ser ampliable. Las ampliaciones abarcan un gran abanico de posibilidades, que van desde las redes internas (LAN, etc.), módulos auxiliares de E/S, memoria adicional... hasta la conexión con otros autómatas del mismo modelo. Cada fabricante facilita las posibilidades de ampliación de sus modelos, los cuales pueden variar incluso entre modelos de la misma serie. Los periféricos no intervienen directamente en el funcionamiento del autómata, pero sin embargo facilitan la labor del operario. Los más utilizados son: •

Grabadoras a cassettes.

•

Impresoras.

•

Cartuchos de memoria EEPROM.

•

Visualizadores y paneles de operación OP Simplificando se puede decir que el programa lo que trata es de establecer

la relación que se desea exista entre los estados de las entradas y las salidas. 9-28



I.E.S. Foramontanos

Como existe un manual de programación donde se explican todas las funciones de programación al detalle y como de todas las funciones solo se van a usar unas cuantas, y se darán apuntes específicos según autómata usado. 9.6 ESTÁNDAR IEC1131-3 La incremente complejidad en la programación de los autómatas programables requiere más que nunca de la estandarización de la misma. Bajo la dirección del IEC el estándar IEC 1131-3 (IEC 65) para la programación de PLC's ha sido definida. Alcanzó el estado de Estándar Internacional en Agosto de 1992. Los lenguajes gráficos y textuales definidos en el estándar son una fuerte base para entornos de programación potentes en PLC's. Con la idea de hacer el estándar adecuado para un gran abanico de aplicaciones, cinco lenguajes han sido definidos en total: •

Gráfico secuencial de funciones (grafcet)

•

Lista de instrucciones (LDI o AWL)

•

Texto estructurado

•

Diagrama de flujo

•

Diagrama de contactos

Gráfico secuencial de funciones (grafcet) El gráfico secuencial de funciones (SFC o Grafcet) es un lenguaje gráfico que proporciona una representación en forma de diagrama de las secuencias del programa. Soporta selecciones alternativas de secuencia y secuencias paralelas. Los elementos básicos son pasos y transiciones. Los pasos consisten de piezas de programa que son inhibidas hasta que una condición especificada por las transisciones es conocida. Como consecuencia de que las aplicaciones industriales funcionan en forma de pasos, el SFC es la forma lógica de especificar y programar el más alto nivel de un programa para PLC. Lista de instrucciones La lista de instrucciones (IL o AWL) es un lenguaje de bajo nivel, similar al lenguaje ensamblador. Con IL solo una operación es permitida por línea (ej. almacenar un valor en un registro). Este lenguaje es adecuado para pequeñas aplicaciones y para optimizar partes de una aplicación.


9-29

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Texto estructurado El texto estructurado (structured text o ST) es un lenguaje de alto nivel estructurado por bloques que posee una sintaxis parecida al PASCAL. El ST puede ser empleado para realizar rápidamente sentencias complejas que manejen variables con un amplio rango de diferentes tipos de datos, incluyendo valores analógicos y digitales. También se especifica tipos de datos para el manejo de horas, fechas y temporizaciones, algo importante en procesos industriales. El lenguaje posee soporte para bucles iterantes como REPEAR UNTIL, ejecuciones condicionales empleando sentencias IF-THEN-ELSE y funciones como SQRT() y SIN(). Diagrama de contactos El diagrama de contactos (ladder diagram LD) es un lenguaje que utiliza un juego estandarizado de símbolos de programación. En el estándar IEC los símbolos han sido racionalizados (se ha reducido su número). Diagrama de funciones El diagrama de funciones (function block diagram o FBD) es un lenguaje gráfico que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados entre si de forma análoga al esquema de un circuito. FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o datos entre componentes de control. Organización de tareas El estándar también define una nueva arquitectura para la organización e interacción de tareas con PLC's. Una tarea controla la ejecución de un programa ejecutandolo periódicamente o en respuesta a un específico evento. Para optimizar los recursos del controlador, una aplicación puede ser fragmentada en un número de pequeños programas concretos. Cada programa está bajo el control de una tarea que se ejecuta a la velocidad que requiera la E/S asociada. Bloques de funciones Los bloques de funciones (FB's) son bloques estándar que ejecutan algoritmos como reguladores PID. El estándar IEC asegura que los FB's son definidos empleando una metodología estándar. Hay controles empleando parámetros externos, mientras que los algoritmos internos permanecen ocultos empleando Programación Orientada a Objetos. Entradas y salidas •

9-30

Salvo excepciones y ampliaciones, los autómatas presentab 8 entradas (E) normales de 1bit: E32.0 ... E32.7 y 2 entradas especiales de 1bit: E33.0 y E33.1. Estas últimas tienen la peculiaridad de funcionar como entradas digitales o como entrada de alarma (E33.0) y entrada rápida (E33.1). Autor : Rafael Sancho Cayuso


I.E.S. Foramontanos

Hay 6 salidas (A), de 1bit cada una: A32.0 ... A32.5

Marcas de memoria También son denominadas como variables de memoria. Son de propósito general, es decir, podremos emplearlas en lo que deseemos. Se distinguen dos tipos de marcas de memoria: •

Remanentes: Estas marcas permanecerán en memoria aunque apaguemos el autómata. En total hay 64 bytes de memoria para estas marcas, por lo que tendremos 512 marcas remanentes de 1 bit cada una: M0.0 ... M63.7.

•

No remanentes: Estas marcas se borrarán en cuanto apaguemos el autómata. También tenemos 64 bytes destinados a estas marcas, por lo que tendremos 512 marcas no remanentes de 1 bit cada una: M64.0 ... M127.7.

Hay que destacar que las marcas se ponen a cero cada vez que reseteamos el autómata. Esta característica nos puede ser de mucha utilidad en algunos casos. Registros y acumuladores Todas las operaciones que hagamos con las entradas y las salidas se deben efectuar en algún sitio. Para ello, se definen: •

Registro de estado (VKE): Su tamaño es de 1 bit. Aquí es donde efectuaremos las instrucciones combinacionales, la carga de entradas y la asignación de salidas a nivel de bit.

•

Acumuladores (AKKU1 y AKKU2): Sus tamaños son de 16 bits cada uno. Cada vez que carguemos un dato en los acumuladores se seguirá la siguiente secuencia: Contenido de AKKU2 ===> Se pierde el contenido Contenido de AKKU1 ===> AKKU2 DATO ===> AKKU1

A su vez, cuando realicemos una operación entre AKKU's (como suma o resta) el resultado se introducirá en el AKKU1, perdiéndose el valor antes allí contenido. Temporizadores y contadores Varían en función de marcas y modelos, pero los más usados suelen incorporar 32 temporizadores: T0 ... T31 y 32 contadores: Z0 ... Z31 De los 32 contadores, 8 no se borran al desconectar el autómata (son remanentes), dichos contadores son Z0 a Z7. Para consultar el estado de cada Autor : Rafael Sancho Cayuso

9-31

I.E.S. Foramontanos

Neumática

uno de ellos podremos usarlos como si fueran entradas (mediante operaciones combinacionales) o introduciendo su valor en los AKKU. Constantes A la hora de cargar datos en acumuladores, temporizadores, registros, etc. tendremos varias posibilidades en la forma de introducir el dato: • • • • • • • •

KB: 8 bits (0 a 255 en decimal). KC: 8 bits (2 caracteres alfanuméricos). KF: 16 bits (nº en coma fija, +32768 a -32768). KH: 16 bits (nº hexadecimal, 0000 a FFFF). KM: 16 bits (binario natural). KY: 16 bits (2 bytes, 0 a 255 en decimal cada uno). KT: 16 bits (valor de preselección de temporizadores, 0.0 a 999.3 en decimal). KZ: 16 bits (valor de preselección de contadores, 0 a 999 en decimal).

Estructura del programa Vamos a tener dos opciones para escribir el programa: •

Lineal: Se emplea un único módulo de programa (OB1). Este módulo se procesa cíclicamente, es decir, tras la última instrucción se volverá a ejecutar la primera. Si la tarea a controlar es simple esta es la mejor forma.

•

Estructurada: Para el caso de tareas complejas es más conveniente dividir el programa en módulos. Mediante esta forma logramos un programa más claro y adquirimos la posibilidad de poder llamar a un módulo desde distintas partes del programa (lo que evita repetir código).

+-----+ | | | | | | | OB1 | | | | | | | | | | | +-----+ •

9-32

===> +-----+ | | <=== +-----+ ===> +-----+ | | ===> +-----+ | | | | | | <=== +-----+ <=== +-----+

En la programación estructurada se comienza y termina en el módulo OB1, desde el cual saltaremos y retornaremos a los módulos que nos interesen. Por supuesto se podrá saltar desde un módulo a otro (anidado), siempre que no superemos los 16 niveles de salto que permite como máximo el autómata. Otras limitaciones son:



I.E.S. Foramontanos

•

El salto de un módulo a otro debe ser siempre hacia adelante (ej. Se podrá saltar de PB1 a PB2, pero no a la inversa).

•

No se pueden dar dos saltos a un mismo módulo desde el módulo actual. (ej. No se podrá saltar dos veces a PB3 desde PB2, pero si puede saltarse a PB3 desde distintos módulos).

•

Tanto en la programación lineal como en la estructurada los módulos acabarán mediante la instrucción BE.

•

La memoria del autómata S5-90U está limitada a 2K bytes. Cada instrucción ocupa generalmente 2 bytes, por lo que dispondremos de 1000 lineas de programa aproximadamente.

Tipos de módulos Generalmente, existen cuatro tipos de módulos en cualquier autómata programable: •

Módulos de organización (OB): Son los que gestionan el programa de usuario. Numerados OB1, OB3, OB21 y OB22. Destacar el OB1, que es el módulo del programa principal, el OB3, que es el que contiene el programa controlado por alarma, y el OB13, que es el módulo para programas controlados por tiempo. El OB22 es empleado por el sistema operativo.

•

Módulos de programa (PB): Son los que incluyen el programa de usuario dividido, normalmente, según aspectos funcionales o tecnológicos. PB0 ... PB63

•

Módulos funcionales (FB): Son módulos de programa especiales. Aquí se introducen las partes de programa que aparecen con frecuencia o poseen gran complejidad. Poseen un juego de instrucciones ampliado. FB0 ... FB63

•

Módulos de datos (DB): En ellos se almacenan datos para la ejecución del programa, como valores reales, textos, etc. Adoptan los valores: DB0 ... DB63 Los módulos DB1 y DB2 se emplean para definir las condiciones internas del autómata, por lo que no deben emplearse.

•

256 palabras de datos. Para emplear un módulo de datos es necesario activarlo previamente (como se verá más adelante).

La mayor ventaja que aportan es la facilidad para variar el proceso que controlan, ya que basta con cambiar el programa introducido en el autómata (en la mayoría de los casos). Otra ventaja es que el autómata también nos permite saber el estado del proceso, incluyendo la adquisición de datos para un posterior estudio.


9-33

Neumática proporcional

I.E.S. Foramontanos

10. Neumática proporcional 10.1 Introducción La técnica proporcional es una técnica novedosa en su aplicación neumática aunque no tanto en el campo de la oleohidráulica. Está basada en el uso de válvulas proporcionales bien sean estas de caudal o de presión. ¿Qué se entiende por válvula proporcional?. Válvula proporcional es aquella en la que la magnitud física (caudal o presión) del fluido a su salida es proporcional a una señal eléctrica analógica de entrada. P=K⋅V. Donde P es presión o caudal; K es una constante de proporcionalidad y V es la señal analógica de tensión continua que introducimos en la válvula en Voltios. No se envía hacia las válvulas 0V o 24V si no que se enviará una señal que puede variar en un rango determinado (por ejemplo de 0 a 10 V). 10.2 Válvula proporcional de caudal 5/3 La válvula proporcional que se usa en las prácticas es la MPYE-5-1/8 de FESTO. 10.2.1 Diseño y características

Figura 10-1 Válvula proporcional de caudal


10-1

I.E.S. Foramontanos

Neumática

4

0-5 V

2

5

3

Señal de retorno del sensor HALL

5-10V

1

Consigna

Figura 10-2 Esquema funcional de la válvula La válvula proporcional MPYE-5-1/8 es una válvula de corredera de 5/3 vías con centro cerrado. Se puede controlar la salida y entrada de un actuador de doble efecto con la particularidad adicional, de disponer de la posibilidad de modificar el corte transversal de apertura al aire de la corredera, en proporción a una señal eléctrica de entrada, de forma continua y con una respuesta rápida. En términos generales la válvula se compone de las siguientes partes (ver figura 10-1): 1. Cuerpo de una válvula 5/3 de centros cerrados 2. Posicionador de la corredera de la válvula. 3. Sensor inductivo de posición de la válvula. 4. Electrónica Integrada de control. 5. Conector eléctrico. 6. Tapón de mantenimiento de la corredera. Hay que destacar que la corredera difiere de las de una válvula 5/3 convencional en que carece de juntas para ofrecer una mejor respuesta dinámica. Por contra siempre hay una fuga hacia los escapes de la válvula 3 y 5. 10.2.2 Funcionamiento La válvula proporcional convierte una señal eléctrica analógica de entrada en una apropiada apertura de la sección transversal del paso de aire a través de la corredera. Para 5 V la válvula se coloca en la posición intermedia con centros cerrados. No hay paso de aire más que la mínima fuga natural por la forma constructiva de la válvula. A 10V y a 0V la corredera de la válvula se coloca en

10-2


I.E.S. Foramontanos


sus posiciones finales bien hacia un extremo dejando pasar el máximo caudal desde la vía 1 a la 2 bien en el otro, dejando pasar el máximo caudal de 1 a 4. Un inducido actúa directamente sobre la corredera de la válvula como un transductor electromecánico de posición. Un control electrónico integrado de la posición de la corredera (realimentación del control de posición) permite obtener buenas respuestas estáticas y dinámicas, que quedan reflejadas en la baja histéresis (por debajo del 0,3%), bajo tiempo de respuesta (5 ms) y alta frecuencia máxima (100 Hz). La válvula es así particularmente apropiada para el uso como un elemento final de control, además de un controlador de posición de un cilindro neumático de primer orden. Diagrama V-Q de la válvula proporcional

Caudal Q (l/m in) 700

600

500

400

300

200

100

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tensión (V)

Figura 10-3 Gráfica tensión – caudal


10-3

I.E.S. Foramontanos

Neumática

10.3 Simbología Sensor de presión (símbolo eléctrico)

Sensor de presión (símbolo neumático) 4

2

Válvula proporcional (símbolo neumático) 5

3 1

Válvula proporcional (símbolo eléctrico)

10V

Potenciómetro lineal (sensor de posición)

10.4 Válvula proporcional de presión 10.4.1.1 Diseño y características

Figura 10-4 Valvula proporcional de presión

10-4


I.E.S. Foramontanos


10.4.2 Funcionamiento Al crear una señal eléctrica de entrada el piezoeléctrico de la lengüeta 1 produce una flexión en la misma y hace que cierre la tobera 2 como consecuencia la contrapresión en la cámara de la tobera 3 actúa sobre el diafragma 4 y empuja a la válvula de escape 5 hacia abajo haciendo que la válvula principal 6 se abra y deje pasar el aire hacia la salida. Esta presión de salida es detectada por el sensor de presión 8 que la convierte en señal eléctrica que realimenta al circuito de control 9. El contraolador realizará un balance entre la señal de mando y la de realimentación consiguiendo que la presión de salida permanezca proporcional a la señal de mando. Alimentación Entrada de señal

LáminaTobera

Controlador

Presión de salida

Válvula piloto

Diafragma

Sensor de presión de realimentación Figura 10-5 Diagrama de bloques Linealidad 10 9

Presión de salida (bar)

8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

Señal de mando (V CC)

Figura 10-6 Gráfica tensión - presión


10-5

I.E.S. Foramontanos

Neumática

10.5 Prácticas a realizar 10.5.1 Control de la velocidad de desplazamiento de un cilindro en lazo abierto. REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN CILINDRO

VÁLVULA PROPORCIONAL

CONSIGNA (0-10 Voltios)

ACTUADOR

+24V

+10V 4

Rojo

2

Negro

5

3 1

Blanco

Azul

0V

Figura 10-7 Esquemas neumático y eléctrico El objetivo de esta práctica es hacer funcionar la válvula proporcional como un regulador de velocidad del cilindro. Para ello, se debe tener en cuenta el diagrama tensión-caudal de la página anterior. Como es sabido la velocidad del cilindro dependerá del caudal de aire y como este es función de la tensión en voltios que introduzcamos a la válvula, se obtiene que la velocidad del cilindro será función de la tensión que introduzcamos en la válvula. Es necesario tener presente que de 0 a 5 V el sentido del caudal de aire será hacia una de las entradas del cilindro y por lo tanto se moverá en un sentido determinado mientras que de 5 a 10 V el cilindro se moverá en sentido inverso. La entrada en voltios (consigna) hacia la válvula la haremos desde un PC por medio de salida de un convertidor A/D. Para los no iniciados en este tema conviene que traten esto como si el ordenador funcionara como un potenciómetro que da una salida de corriente continua entre 0 y 10 V.

10-6


I.E.S. Foramontanos


Como actuador usaremos un cilindro sin vástago que tiene la ventaja de poseer la misma sección efectiva en un sentido y en otro. 10.5.2 Ejemplo 2: Control de la presión de un cilindro CONTROL PROPORCIONAL DE LA PRESIÓN DE AIRE

+ CONSIGNA (Voltios)


CONTROL -

PRESIÓN DE AIRE (Bar)

SENSOR DE PRESIÓN bar → Voltios

Figura 10-8 Diagrama de bloques

2

4

5

3 1

Figura 10-9 Esquéma neumático

Figura 10-10 Conexiones eléctricas


10-7

Neumática

I.E.S. Foramontanos

En esta práctica se trata de controlar la presión de trabajo de un cilindro de simple efecto. Se debe conectar todos los elementos tal y como se indica en los esquemas de arriba. Como consigna, igual que en el caso anterior usaremos una salida del convertidor A/D del PC. Como control usamos la caja PID (control Proporcional, Integral, Derivativo). Una vez más para los no iniciados en temas de control hay que indicar que en esta caja lo que se hace es que el control sea más preciso, responda más rápidamente, etc. modificando los valores de las constantes Kp , KI y Kd . Como elemento final de control usamos la válvula proporcional y como actuador un cilindro de simple efecto. Para realimentar el bucle de control se dispone de un sensor de presión que pasa la presión en bar a una señal eléctrica analógica de corriente continua de entre 0 y 10 V que se corresponde con una presión de entre 0 y 10 bar. Las conexiones neumáticas son como se indican en la correspondiente figura de la página anterior. Se debe de taponar una de las vías de la válvula proporcional. Se recomienda la inclusión de un manómetro. La figura de abajo en la página anterior representa las conexiones con la caja PID. No es muy importante no entender los símbolos que hay dentro de ella. Pero lo que se quiere destacar es la conexión del sensor de presión a la izquierda, así como la de la válvula proporcional a la derecha. El sensor de presión debe llevar el cable rojo a +15 V , el azul a la tierra analógica (analog ground), el negro hacia la conexión de realimentación del PID. Es necesario conectar la otra borna de dicha conexión hacia la tierra analógica mediante un cable. El cable blanco del sensor no se utiliza por lo que conviene colocarlo donde no moleste. La electroválvula lleva conectado el cable rojo hacia +24V el azul a - 0V, el cable negro con hacia la salida de la caja PID y el blanco hacia la tierra analógica. 10.5.3 Control de la posición de un cilindro. Se trata de controlar la posición de un actuador neumático. Para ello se deben seguir las conexiones que se indican en los esquemas de las figuras 10-12 y 10-13.

10-8


I.E.S. Foramontanos


Como consigna, igual que en el caso anterior usaremos una salida del convertidor A/D del PC que corresponda a una posición en milímetros de la carrera del cilindro. Como control usamos la caja control proporcional en el que podemos introducir constantes proporcionales a la posición velocidad y aceleración del actuador. Como elemento final de control usamos la válvula proporcional y como actuador un actuador lineal sin vástago. Para realimentar el bucle de control se dispone de un potenciómetro lineal que actúa como sensor de posición. Las conexiones neumáticas son como se indican en la correspondiente figura de la página anterior. El potenciómetro se debe conectar de la siguiente manera: el cable rojo a +15 V , el azul a la tierra analógica (analog ground), el negro y el blanco hacia la conexión de realimentación del control. Como su longitud efectiva son 225 mm y su tensión de salida va de 0 a 10 V. La constante de proporcionalidad para pasar los voltios a mm será de 22,5. De está forma si el potenciómetro nos da una señal de 1 V quiere decir que el cilindro está en la posición 22,5 mm. CONTROL PROPORCIONAL DE LA POSICIÓN DE UN CILINDRO

+ CONSIGNA (Voltios)


CONTROL

Cilindro

POTENCIOMETRO LINEAL mm→ Voltios

Figura 10-11 Diagrama de bloques

4

2

5

3 1

Figura 10-12 Esquema neumatico


10-9

Neumática

I.E.S. Foramontanos

Figura 10-13 Conexioes eléctricas La electroválvula lleva conectado el cable rojo hacia +24V el azul a - 0V, el cable negro hacia la salida de la caja del control y el blanco hacia la tierra analógica.

10-10


Bibliografia 11.

I.E.S. Foramontanos

Bibliografía A continuación se adjuntan la bibliografía recomendada para neumática

como para oleohidráulica. No obstante se recomienda especialmente la consulta de catálogos comerciales en los que aparecen las últimas novedades de los elementos, además de todos los aspectos a tener en cuenta a la hora de la selección de componentes. NEUMÁTICA

Meixner, H.– Kobler, R., Introduccion en la Neumatica (Manual de estudio), Ed FESTO 1988. Neumatica. Nivel Basico Tp 101 Manual De Estudio, 1991- Ed FESTO. Neumatica. Coleccion de ejercicios con soluciones. Nivel Avanzado Tp102, 1990- Ed FESTO. Meixner, H. – Kobler, R., Neumatica - Iniciacion Al Personal De Montaje Y Mantenimiento.Manual De Estudio, 1980 Ed FESTO. Sistema Para Enseñanza De La Tecnica De Mando Controles Logicos Programables Nivel Basico, 1988 Ed FESTO. Controles Logicos Programables, Nivel Basico, 1988- Ed FESTO Electroneumatica. Coleccion De Ejercicios Con Soluciones. Nievel Basico, 1990- Ed FESTO Introduccion A La Electroneumatica, 1990- Ed FESTO Introduccion a la tecnica Neumatica de mando (Manual de estudio), 1982Ed FESTO


11-1

libro neumatica i v2.pdf

Recommend Documents