JHON STEVEN HERNÁNDEZ SERNA [email protected] …...1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE MÓDULO...
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1 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE MÓDULO ELECTRO NEUMÁTICO JHON STEVEN HERNÁNDEZ SERNA [email protected] JOSÉ NORBEY DÍAZ LÓPEZ [email protected] ALEJANDRO ALBERTO ARANGO ARISTIZABAL [email protected] ELKIN DARÍO PALACIO HENAO [email protected] ENIDH JOHANA BRAVO CIFUENTES [email protected] MAURICIO ALEXANDER BEDOYA AGUDELO [email protected] MAURICIO QUIJANO VILLADA [email protected] JUSSED IBRAIN ACOSTA RENGIFO [email protected] LUÍS FERNANDO CORREA GIRALDO [email protected] JONNY ALEXANDER VALENCIA ZAPATA [email protected] UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍA MEDELLÍN 2010
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE MÓDULO ELECTRO NEUMÁTICO
JHON STEVEN HERNÁNDEZ SERNA [email protected]
JOSÉ NORBEY DÍAZ LÓPEZ [email protected]
ALEJANDRO ALBERTO ARANGO ARISTIZABAL [email protected]
ELKIN DARÍO PALACIO HENAO [email protected]
ENIDH JOHANA BRAVO CIFUENTES [email protected]
MAURICIO ALEXANDER BEDOYA AGUDELO [email protected]
MAURICIO QUIJANO VILLADA [email protected]
JUSSED IBRAIN ACOSTA RENGIFO [email protected]
LUÍS FERNANDO CORREA GIRALDO [email protected]
JONNY ALEXANDER VALENCIA ZAPATA [email protected]
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERÍA
MEDELLÍN 2010
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE MÓDULO ELECTRO NEUMÁTICO
ASESOR: ANDRES MAURICIO CARDENAS TORRES
INGENIERO ELECTRÓNICO
PROYECTO DE GRADO PRESENTADOPARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIEROS ELECTRÓNICOS
UNIVERSIDAD DE SAN BIENAVENTURA SECCIONAL MEDELLÍN FACULTAD DE INGENIERIA
MEDELLÍN 2010
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CONTENIDO
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................... 6
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................................. 8
RESUMEN................................................................................................................................................... 9
ABSTRACT ............................................................................................................................................... 10
PALABRAS CLAVE ................................................................................................................................. 11
KEY WORDS ............................................................................................................................................ 11
JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................................................... 12
Referente Contextual ............................................................................................................................... 13
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 14
ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................................... 15
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................................. 17
PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA NEUMÁTICA ................................................................................... 18
1.1. La materia .................................................................................................................................. 18
1.1.3. Estado gaseoso .................................................................................................................... 18
1.2. La presión .................................................................................................................................. 20
1.3. Caudal ........................................................................................................................................ 25
1.4. Propiedades de los fluidos neumáticos ................................................................................ 27
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................................................. 29
2.1. Compresor ................................................................................................................................. 30
2.2. Unidades de Mantenimiento (FRL) ........................................................................................ 32
2.3. MANÓMETRO .......................................................................................................................... 33
2.4. Válvulas neumáticas ................................................................................................................ 35
2.4.1. Válvulas de control direccional ........................................................................................... 35
2.5. Cilindros neumáticos ............................................................................................................... 43
2.6. Ventosas .................................................................................................................................... 48
2.7. Sensores Neumáticos ............................................................................................................. 49
2.8. Accesorios ................................................................................................................................. 53
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................................................. 55
Un poco de historia .............................................................................................................................. 56
4
3.1. ¿Qué son los “PLC”? ............................................................................................................... 57
3.2. Componentes del PLC ............................................................................................................ 57
3.3. Entradas y salidas digitales y su conexión ........................................................................... 59
3.4. Comunicación en los “PLC” .................................................................................................... 61
3.5. Lenguajes de programación para los autómatas programables ....................................... 62
3.6. Marcas de memoria ................................................................................................................. 65
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................................................. 69
4.1. Diseño e Implementación de Módulo Electro-neumático ................................................... 70
4.2. Diseño y fabricación de módulo estructural electro neumático ......................................... 71
4.2.1. Especificaciones Técnicas .................................................................................................. 72
4.3. Materiales y herramientas ....................................................................................................... 73
4.4. Diseño de diagramas y planos electro neumáticos ............................................................ 74
4.5. Adquisición de elementos electro neumáticos .................................................................... 79
4.6. Montaje de piezas en banco electro neumático .................................................................. 79
4.7. Programación y control del PLC (Controlador Lógico Programable) para el
automatismo del módulo electro neumático .................................................................................... 82
4.8. Pruebas de implementación ................................................................................................... 83
4.9. Resultados................................................................................................................................. 86
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................................................. 87
Objetivos de las prácticas ................................................................................................................... 88
Convenciones a usar en las prácticas .............................................................................................. 88
Práctica Nº1 .......................................................................................................................................... 89
Práctica Nº2 .......................................................................................................................................... 93
Práctica Nº3 .......................................................................................................................................... 97
Práctica Nº4 ........................................................................................................................................ 101
Práctica Nº5 ........................................................................................................................................ 105
Práctica Nº6 ........................................................................................................................................ 109
Práctica Nº7 ........................................................................................................................................ 113
Práctica Nº8 ........................................................................................................................................ 118
Práctica Nº9 ........................................................................................................................................ 123
Práctica Nº10 ...................................................................................................................................... 128
TRABAJO FUTURO .............................................................................................................................. 133
5
RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 134
BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................... 135
ANEXOS ....................................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.
6
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1. ESTADO GASEOSO ..................................................................................................................................... 19
FIGURA 2. EL PLASMA ................................................................................................................................................. 19
FIGURA 3. DESCOMPOSICIÓN DE LA FUERZA .............................................................................................................. 21
FIGURA 4. ESCALA DE PRESIONES .............................................................................................................................. 23
FIGURA 5. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD ...................................................................................................................... 23
FIGURA 6. EL EFECTO VENTURI .................................................................................................................................. 24
FIGURA 7. LA PRENSA HIDRÁULICA ............................................................................................................................. 25
FIGURA 8. UNIDAD DE MANTENIMIENTO ...................................................................................................................... 33
FIGURA 9. MANÓMETRO DE BOURDON ....................................................................................................................... 34
FIGURA 10. MANÓMETRO DE COLUMNA LÍQUIDA ........................................................................................................ 34
FIGURA 11. MANÓMETRO DE TUBO INCLINADO .......................................................................................................... 35
FIGURA 12. NUMERO DE POSICIONES EN LAS VÁLVULAS DE VÍAS .............................................................................. 36
FIGURA 13. NÚMERO DE VÍAS ..................................................................................................................................... 36
FIGURA 14. VÁLVULA DE RETENCIÓN.......................................................................................................................... 40
FIGURA 15. VÁLVULA REGULADORA DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL ............................................................................ 40
FIGURA 16. REGULACIÓN A LA ENTRADA .................................................................................................................... 41
FIGURA 17. REGULACIÓN A LA SALIDA ........................................................................................................................ 42
FIGURA 18. VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESIÓN ................................................................................................... 43
FIGURA 19. CILINDRO DE SIMPLE EFECTO .................................................................................................................. 44
FIGURA 20. CILINDRO DE DOBLE EFECTO ................................................................................................................... 45
FIGURA 21. CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON AMORTIGUADOR ................................................................................ 45
FIGURA 22. CILINDRO DE DOBLE VÁSTAGO ................................................................................................................ 46
FIGURA 23. CILINDRO DE MEMBRANA ......................................................................................................................... 47
FIGURA 24. CILINDRO DE MEMBRANA ARROLLABLE ................................................................................................... 47
FIGURA 25. CILINDRO TÁNDEM ................................................................................................................................... 48
FIGURA 26. VENTOSA ESTÁNDAR ............................................................................................................................... 48
FIGURA 27. CAPTADOR DE OBTURACIÓN DE FUGA ..................................................................................................... 50
FIGURA 28. DETECTOR DE PASO ................................................................................................................................ 51
FIGURA 29. DETECTOR DE PASO DE HORQUILLA ........................................................................................................ 52
FIGURA 30. DETECTOR RÉFLEX ................................................................................................................................. 52
FIGURA 31. INTERRUPTOR DE PROXIMIDAD ................................................................................................................ 53
FIGURA 32. ESTRUCTURA DEL PLC KOYO ............................................................................................................... 59
FIGURA 33. CONEXIÓN DE SALIDA POR RELEVO ......................................................................................................... 60
FIGURA 34. CONCEPTO DE BIT, BYTE Y PALABRA ....................................................................................................... 63
FIGURA 35. OPERACIÓN AND .................................................................................................................................... 66
FIGURA 36. FUNCIÓN OR ........................................................................................................................................... 67
FIGURA 37. FUNCIONES SET Y RESET .................................................................................................................... 67
FIGURA 38. MÓDULO ELECTRO NEUMÁTICO ............................................................................................................... 72
FIGURA 39. ESQUEMA GENERAL DEL DISPOSITIVO..................................................................................................... 76
FIGURA 40. ENTRADAS DIGITALES V.0 ....................................................................................................................... 77
FIGURA 41. SALIDAS DIGITALES V.0 ........................................................................................................................... 78
FIGURA 42. MONTAJE DE PIEZAS EN LÁMINA PERFORADA ......................................................................................... 80
7
FIGURA 43. POSICIONADO DE ELEMENTOS Y RIEL DE CONEXIONADO ........................................................................ 81
FIGURA 44. UNIDAD DE MANTENIMIENTO .................................................................................................................... 81
FIGURA 45. PLC DIRECT 06 ....................................................................................................................................... 82
FIGURA 46. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 1 ........................................................................................................... 90
FIGURA 47. DIAGRAMA DE NEUMÁTICO PRÁCTICA 1 .................................................................................................. 91
FIGURA 48. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 2 ........................................................................................................... 94
FIGURA 49. SISTEMA DE EMPAQUETADO Y ALMACENAMIENTO DE PIEZAS ................................................................. 95
FIGURA 50. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 3 ........................................................................................................... 98
FIGURA 51. LLENADO DE BULTOS ............................................................................................................................... 99
FIGURA 52. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 4 ......................................................................................................... 102
FIGURA 53. SISTEMA DE LAVADO DE AUTOS ............................................................................................................. 103
FIGURA 54. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 5 ......................................................................................................... 106
FIGURA 55. SISTEMA DE TALADRADO DE PIEZAS ...................................................................................................... 107
FIGURA 56. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 6 ......................................................................................................... 110
FIGURA 57. SISTEMA DE LLENADO DE ENVASES ....................................................................................................... 111
FIGURA 58. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 7 ......................................................................................................... 115
FIGURA 59. SISTEMA DE APILADO DE BULTOS .......................................................................................................... 116
FIGURA 60. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 8 ......................................................................................................... 120
FIGURA 61. SISTEMA DE FABRICACIÓN DE LADRILLOS ............................................................................................. 121
FIGURA 62. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 9 ......................................................................................................... 125
FIGURA 63. SISTEMA DE FABRICACIÓN DE OLLAS .................................................................................................... 126
FIGURA 64. DIAGRAMA DE FLUJO PRÁCTICA 10 ....................................................................................................... 130
FIGURA 65. SISTEMA PARA COMPACTAR CARTÓN .................................................................................................... 131
8
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1. CONVERSIÓN DE UNIDADES DE PRESIÓN .................................................................................................... 22
TABLA 2. MÉTODOS DE MEDICIÓN ............................................................................................................................... 27
TABLA 3. IDENTIFICACIÓN DE ORIFICIOS ..................................................................................................................... 37
TABLA 4. ACCIONAMIENTOS PARA VÁLVULAS NEUMÁTICAS ....................................................................................... 39
TABLA 5. CÁLCULO DE LA FUERZA EN LAS VENTOSAS ................................................................................................ 49
TABLA 6. ACCESORIOS PARA LAS CONEXIONES NEUMÁTICAS.................................................................................... 54
TABLA 7. CONTACTOS N.A Y N.C ............................................................................................................................... 64
TABLA 8. SIMBOLOGÍA EQUIVALENTE EN LADDER ................................................................................................... 64
TABLA 9. TABLA DE VERDAD FUNCIÓN AND ............................................................................................................... 66
TABLA 10. TABLA DE VERDAD FUNCIÓN OR ............................................................................................................... 66
TABLA 11. LISTA DE ELEMENTOS ................................................................................................................................ 74
TABLA 12. LISTA DE CHEQUEO DEL SISTEMA ELÉCTRICO ........................................................................................... 84
TABLA 13. LISTA DE CHEQUEO DEL SISTEMA NEUMÁTICO .......................................................................................... 85
TABLA 14. CONVENCIÓN GENERAL ............................................................................................................................. 88
TABLA 15. SISTEMA DE AGRUPACIÓN Y DISPOSICIÓN DE PIEZAS SECUENCIAL PRÁCTICA 1 ..................................... 89
TABLA 16. SISTEMA DE AGRUPACIÓN Y DISPOSICIÓN DE PIEZAS SECUENCIAL PRÁCTICA 2 ..................................... 93
TABLA 17. ETAPAS DEL SISTEMA DE LLENADO DE BULTOS SECUENCIAL ................................................................... 97
TABLA 18. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE LAVADO DE AUTOS ........................................................................ 101
TABLA 19. ETAPAS EN SECUENCIALES SISTEMA DE LAVADO DE PIEZAS .................................................................. 105
TABLA 20. ETAPAS SECUENCIALES DE SISTEMA LLENADO DE ENVASES .................................................................. 109
TABLA 21. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE APILADO DE TUBOS ....................................................................... 113
TABLA 22. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE FABRICACIÓN DE LADRILLOS ........................................................ 119
TABLA 23. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE FABRICACIÓN DE OLLAS................................................................ 123
TABLA 24. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA COMPACTADOR DE CARTÓN .............................................................. 129
9
RESUMEN
Cuando se pretende reunir información referente a la neumática y electro neumática se
puede apreciar que existe poca información respecto a estos temas, encontrándose
abundante material comercial y técnico proporcionado por los fabricantes de esta clase
de dispositivos, lo que sugiere prestar especial atención y contribuir con la elaboración
de un manual que compile suficiente información para la comprensión de esta área.
Sumado a esta condición, los costos de adecuación de laboratorios, la necesidad de
las empresas en recibir profesionales que conozcan sobre la automatización de
procesos industriales, la economía creciente de Colombia y los futuros tratados de libre
comercio, plantean la necesidad de acercar a los alumnos a la dinámica que se
presenta en la industria y ante todo facilitar su desenvolvimiento en temas específicos
de estas. Esto motiva a desarrollar un sistema modular que les permita a los
estudiantes la interacción con algunos de los dispositivos eléctricos, mecánicos y
electrónicos que se utilizan en los procesos industriales.
El desarrollo del módulo planteó grandes retos, pues fue necesario definir el proceso
que se desarrollaría, los medios de interacción externos del dispositivo, la selección de
los dispositivos, las pruebas a desarrollar, la seguridad de los usuarios y a su vez la del
equipo y finalmente, procurar la supervivencia del equipo a largo plazo.
Debido a la gran utilidad de los sistemas neumáticos en la industria colombiana, se
decidió definir un módulo neumático que permitiera simular diferentes procesos
industriales. A partir de esto, estructuró un marco conceptual simple que contuviera las
bases teóricas de los conceptos que generalmente se necesitan en las aplicaciones
neumáticas, así mismo se analizaron las diferentes alternativas que existen para el
diseño de estos dispositivos y los desarrollos más importantes realizados utilizando la
neumática.
A partir del análisis bibliográfico se estructura el módulo neumático, bajo algunas
condiciones técnicas y de seguridad, y finalmente se definen algunas prácticas que
permitirán la programación en alto o bajo nivel utilizando LABview o lenguaje escalera
LADDER respectivamente, y la manipulación de cilindros neumáticos de simple o doble
efecto, según lo establezca la práctica. Esto permitirá al docente el acompañamiento de
los alumnos en su proceso de aprendizaje mediante el análisis de problemas y la
observación.
10
ABSTRACT
When one pretends to gather information concerning Pneumatics and Electro-
pneumatics, it can be appreciated the little existence of information regarding this
matters, being plentiful of commercial and technical material provided by the
manufacturers of this kind of devices, this suggests to pay special attention and
contribute with the elaboration of a manual that compiles enough information for the
understanding of this task. In addition to this, the costs of laboratories adaptation, the
need of enterprises to receive professionals who know about automation of Industrial
processes, the growing Colombian economy and the future free commercial trades,
demand the need to approach students to the present industry dynamics and first and
foremost to ease their self-assurance in specific topics of these areas. This motivates to
develop a modular system to allow students the interaction with electric, mechanical
and electronic devices used in industrial processes.
The development of the module set out big challenges, since it was necessary to define
the process that would be developed, the external interaction media of the devices, the
selection of the devices, the tests to be carried out, the user security protocols and
along it the module security and finally, to secure the survival of the equipment along
the time.
Due to the great use of pneumatic systems in the Colombian industry, it was decided to
define a pneumatics module to allow the simulation of different industrial processes.
From this point on, the idea structured a simple concept map it contained the basic
theory of the concepts that are normally needed in pneumatics applications, in the same
way the different existing alternatives to the design of these devices design and the
most important developments realized using pneumatics were analyzed.
From the bibliographic analysis is the pneumatics module structured, following some
technical and security conditions, and finally some practices are defined to allow the
programming in high or low level, using LABview or ladder language, respectively, and
the manipulation of pneumatic simple or double-effect cylinders, according to the
practice demands. This will allow the teacher the coaching of students in their learning
process through the problem analysis and observation
11
PALABRAS CLAVE
Neumática, Electro neumática, Módulo neumático, Controlador Lógico Programable,
PLC, Control neumático, Interfaz gráfica, Circuitos secuenciales, OPC.
KEY WORDS
Pneumatics, Electro-pneumatics, Pneumatic module, Programmable Logic Controller,
Pneumatic control, Graphic Interface, Sequential circuits, OPC.
12
JUSTIFICACIÓN
La electro-neumática es una disciplina de uso extendido dentro de la industria
moderna, ya que sus características de reducción en los costos de operación,
seguridad, limpieza, versatilidad y fácil implementación, hacen de ésta una de las
técnicas más adoptadas para las tareas de automatización dentro de la industria
manufacturera y de procesos. Perspectiva desde la cual se hace necesario que los
programas de ingeniería, afines a la industria, contemplen esta importante disciplina. La
ingeniería electrónica no debe ser ajena a este campo y teniendo en cuenta que en la
universidad existe la falencia de laboratorios para esta área, entre otros aspectos, se
propone el diseño e implementación de un módulo electro neumático que permita la
realización de prácticas que propicien el acercamiento e interacción con los
dispositivos, a la vez que afiance los conocimientos en electro neumática como
preparación para una posible área de desempeño laboral.
13
Referente
Contextual
14
INTRODUCCIÓN
La ausencia de laboratorios para el desarrollo de prácticas electro-neumáticas en la
universidad de San Buenaventura, sede San Benito Medellín, así como la exigencia de
la industria en personal capacitado en conceptos de automatización industrial y a los
altos estándares de calidad y producción que plantea a las industrias colombianas, los
futuros tratados de libre comercio, promovieron la realización de un sistema electro-
neumático, que permitiera a los estudiantes, desarrollar las habilidades técnicas y
metodológicas que les permita interactuar fácilmente con esta tecnología cuando se
encuentren en el campo laboral. Este desarrollo permite a su vez, la generación de
nuevo conocimiento y el aprovechamiento óptimo de los recursos destinados para la
adecuación de los laboratorios.
Para el módulo bajo las anteriores circunstancias y teniendo en cuenta las
implicaciones de diseño para el uso por estudiantes, se plantearon 4 puntos clave en la
definición del Módulo Electro-Neumático. La primera fase está compuesta por la
creación de un manual didáctico electro neumático, el cual contiene toda la información
relevante para la introducción a las áreas de aplicación, en este se compila importante
literatura que proporcionará la aprehensión por parte del estudiante de los conceptos
básicos que le permitan afianzar su conocimiento, acompañado de diversas actividades
propuestas que le faciliten la interacción con el módulo.
La segunda fase está compuesta por la comunicación e interacción gráfica con
LABview. Aquí se programan y enlazan los dispositivos de hardware con el software.
La tercera fase se describe como la elaboración de los diferentes circuitos en lenguaje
escalera (LADDER) para ser grabados en la memoria del PLC y por último el módulo
electro-neumático que contiene el montaje físico de un circuito neumático listo para ser
utilizado en forma didáctica.
15
ESTADO DEL ARTE
Con el fin de crear un contexto actual, que permita enmarcar el diseño e
implementación del módulo electro-neumático con interfaz de comunicación en
LABview, al cual hace referencia el presente trabajo, se hace la recopilación de la
información acerca de los módulos y sistemas para el aprendizaje de la técnica electro
neumática proporcionada por los fabricantes de esta clase de equipos.
La compañía Parker Hannifin, ofrece diversos módulos para el aprendizaje de la
electro-neumática. En el folleto 1003-5 BR-E, se presenta un banco de entrenamiento
compuesto por unidad de mantenimiento, electroválvulas direccionales de 3/2 vías y
5/2 vías, fuente de voltaje de 24 Vcc, sensores de proximidad, distribuidor eléctrico de 8
salidas, temporizador eléctrico con retardo a la conexión, juego de cables con pines de
4mm, interruptores de final de carrera, contactores, con contactos normalmente
abiertos y normalmente cerrados .con este módulo se realiza el control mediante lógica
cableada usando los contactores para este fin, los componentes neumáticos reposan
sobre rieles de aluminio, de los cuales pueden ser removidos, las conexiones de las
mangueras neumáticas se realizan mediante conectores de acople rápido .El módulo
permite una interacción didáctica, facilitando el aprendizaje de la electro neumática.
La compañía I.T.P software Ltda., presenta el módulo ITP 3810/5, para el
entrenamiento en las áreas de electro neumática y PLC, que integra además de los
componentes neumáticos básicos presentes en la mayoría de módulos didácticos, un
micro PLC Simatic S7-200 de 8 entradas y 6 salidas digitales, lo que permite la
realización del control de las secuencias, mediante la programación del software Step 7
Microwin, el cual puede comunicarse e intercambiar datos con Excel, Visualc++,y
Photoshop, mediante el software Simatic Microcomputing. La ventaja presente en este
módulo es la integración de la neumática con el PLC, lo que permite un entrenamiento
de los estudiantes en temas muy actuales dentro de la industria.
El sistema didáctico para el aprendizaje de la neumática, modelo 6081 presentado por
LAB-VOLT, está constituido por 6 subsistemas: fundamentos de neumática,
aplicaciones de neumática, electro-neumática, PLC, servo control de sistemas
neumáticos y detección de fallas. Además el módulo se encuentra en formato
electrónico, lo que permite el aprendizaje virtual desde el computador, mediante la
interacción con el software de simulación en neumática (LVSIM®-PNEU), lo cual hace
16
del módulo un potencial laboratorio virtual para la enseñanza a distancia de la técnica
electro-neumática.
17
CAPÍTULO 1
Marco
Conceptual
18
PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA NEUMÁTICA
1.1. La materia
La materia está representada por todo aquello que posee masa y volumen, por
ejemplo las estrellas, los planetas, los automóviles, los edificios, el océano, él
oxígeno, etc. Cada uno tiene propiedades físicas que los enmarcan en uno o varios
de los estados. A la actualidad se han determinado seis posibles estados de la
materia: solido, liquido, gaseoso, plasma, condensado de Bose-Einstein,
condensado de Fermi, y súper solido; este último considerado como un posible
nuevo estado. Cada uno de ellos posee características físicas que lo diferencian de
los otros, posibilitando la identificación de la materia y sus características.
1.1.1. Estado solido
Caracterizado por su dureza y forma definida proporcionada por la
cohesión presente entre sus moléculas, formando lazos estrechamente
ligados con poca o nula movilidad, lo que define el grado de dureza y
rigidez del material, algunos ejemplos son los metales, el hormigón, la
roca.
1.1.2. Estado líquido
Los cambios en el incremento de la temperatura generan actividad
molecular, lo que permite que estas se separen lo suficiente para
alcanzar una velocidad, guardando una distancia apenas inferior a la del
estado sólido, suficiente para conservar el volumen del material y permitir
la fluidez y adaptabilidad al recipiente o entorno que lo contenga. Su
compresibilidad es casi nula por la cercanía entre las moléculas, como
ejemplo de este estado tenemos el agua.
1.1.3. Estado gaseoso
A temperaturas elevadas las moléculas presentan poca o nula cohesión,
lo que permite facilidad para expandirse y ocupar grandes e irregulares
volúmenes, las moléculas se encuentran tan separadas entre sí que
facilitan la dispersión del material. El estado gaseoso se caracteriza por
permitir la compresión debido a su baja densidad. Ejemplo, nitrógeno, aire
19
comprimido, humo de las fábricas. La Figura 1 muestra el estado gaseoso
de un líquido sometido a temperatura elevada.
Figura 1. Estado gaseoso
1
1.1.4. El plasma
Se forma bajo condiciones extremas de temperatura y alta energía, esto
permite la liberación de moléculas de sus átomos, el gas se ioniza y se
carga con iones positivos, ocasionando la presencia de átomos altamente
conductores, luego, la alta temperatura excita violentamente los átomos
que se mueven libremente generando el cuarto estado de la materia. La
Figura 2 muestra un estado de plasma. Un claro ejemplo para este estado
es el sol.
Figura 2. El plasma2
1 Imagen Tomada de Cadena, disponible en:http://cccg90.blogspot.com/2009/11/gaseoso.html. Consultado en:
27/Noviembre/2010. 2 Imagen tomada de Justin Davey, disponible en:www.tvsnob.com/archives/cat_plasma.phpConsultado en:
27/Noviembre de 2010.
20
1.1.5. Condensado de Bose-Einstein
Este se conoce como el quinto estado de la materia, fue desarrollado en
laboratorio por los físicos Eric Cornell, Wulfgan Ketterle, y Carl Wieman
con base en la teoría elaborada por los físicos Einstein y Bose en 1924.
Los científicos lograron enfriar los átomos a un estado cercano al cero
absoluto, desarrollando un súper fluido que se caracteriza por contener
átomos libres de fricción mecánica y alcanzando idéntico estado cuántico
y un nivel energético reducido.
1.1.6. Condensado de Fermi
Estado de la materia creado en la universidad de colorado en el año
1999, sus características principales son la súper fluidez obtenida a
temperaturas cercanas al cero absoluto, está formado por partículas
fermionicas, a diferencia del condensado de Bose–Einstein formado por
partículas bosonicas. Las moléculas de gas fermionico se comportan
como ondas debido a que su estabilidad es temporal.
1.1.7. El súper solido: posible nuevo estado
Los átomos de helio-4 son enfriados a una temperatura cercana al cero
absoluto, lo que ocasiona que la materia se comporte como un súper
solido formado por una película rígida aunque en su interior los átomos se
mueven libremente, permitiendo que la materia simultáneamente se
comporte como súper líquido alcanzando el mismo estado cuántico.
1.2. La presión
Se denomina presión a la magnitud que relaciona la intensidad de la fuerza que actúa
sobre un área, con la unidad de superficie. Se calcula dividiendo la intensidad de la
fuerza por el área sobre la cual actúa.
(1)
En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de presión es el pascal (PA), el
cual es equivalente a una fuerza de un Newton aplicada sobre una superficie de un
metro cuadrado.
21
(2)
En la práctica es de uso extendido la unidad de presión del sistema inglés (PSI), que es
equivalente a una fuerza de una libra aplicada sobre una superficie de una pulgada al
cuadrado, sin embargo en el documento anexo, la Tabla 1 enseña una aproximación
para la conversión de unidades a fin de facilitar el trabajo con las mismas.
(3)
Es de anotar que la intensidad de la fuerza que se toma para el cálculo de la presión es
la que actúa sobre la superficie.
Figura 3. Descomposición de la fuerza
Para el caso de la Figura 3, se calcula la presión con la intensidad de la componente
perpendicular, ya que esta es la que actúa sobre la superficie.
A continuación se hace una descripción detallada de los tipos de presión en los cuales
se hace posible la aplicación de las anteriores ecuaciones.
1.2.1. Presión atmosférica
Se define como la fuerza que ejerce el aire de la atmosfera sobre
cualquier punto de la superficie terrestre, esto quiere decir que todo ser u
objeto en la tierra experimenta el peso del aire, ahora bien, ya que todo
este peso se distribuye uniformemente sobre todos los puntos y en todas
las direcciones, no es posible percibirlo. A medida que la altitud aumenta,
la densidad del aire disminuye, así que la presión atmosférica varía de
forma inversamente proporcional con la altitud sobre el nivel del mar, de
esta forma, el nivel del mar se ha establecido como punto de referencia.
22
1.2.2. El experimento de Torricelli
En el año 1643, el físico italiano Evangelista Torricelli, descubrió una
forma de medir la presión atmosférica. Tomó un tubo de vidrio de un
metro de altura, luego de llenarlo de mercurio lo volteó sobre una cubeta
llena del mismo fluido, así descubrió que la columna de mercurio bajó
hasta alcanzar una altura de 760 mm. Debido a que el experimento fue
llevado a cabo a nivel del mar, se determinó que la presión en este punto
es equivalente a 760mmHg, unidad equivalente a una atmosfera (atm),
como se puede observar en Tabla 1.
UNIDAD PSI mmHg Atm 1mBAR KPA
0,1450 7,5000 9,869e10-3 10 1
0,0145 0,7500 9,869e10-4 1
14,66 760 1 1013 101,3
1,93e10-2 1 1,31e10-3 1,3332 0,1333
1 51,715 0,680 68,947 6,8947 Tabla 1. Conversión de unidades de presión
1.2.3. Presión absoluta, atmosférica y manométrica
Al realizar mediciones de presión es normal que estas se relacionen con
una presión de referencia. La presión de referencia normalmente utilizada
es la atmosférica, por lo cual algunos instrumentos para medir presión,
tienen el cero en la presión atmosférica.
En general a la presión que se mide con el manómetro, se le denomina
presión manométrica. La presión absoluta se obtiene midiendo con el
manómetro respecto al vacío absoluto y a esta medición se le suma la
presión atmosférica. Una forma de relacionar estas presiones está dada
mediante (4).
(4)
Donde define la presión manométrica, la presión absoluta y
la presión atmosférica.
Se debe tener en cuenta que la presión absoluta siempre es positiva, una
presión manométrica menor que la atmosférica es negativa, y en
ocasiones es llamada vacío. La Figura 4 expresa gráficamente la escala
de presiones.
23
Figura 4. Escala de presiones
El punto cero de la presión manométrica, corresponde a la presión
atmosférica. Por otro lado, para la presión absoluta el punto cero
corresponde al vacío absoluto.
1.2.4. Principio de continuidad en los fluidos
Considérese que en la tubería graficada en la Figura 5, fluye un líquido
incompresible y de densidad constante. Por cada sección del tubo pasa el
mismo volumen por unidad de tiempo, es decir el mismo caudal.
Figura 5. Principio de continuidad
La ecuación (5) expresa el caudal en cada uno de los trayectos, como el
producto de la velocidad del fluido (V), por el área de la sección
transversal (A).
(5)
Teniendo en cuenta el principio de continuidad para los fluidos, de la Figura 5 se puede encontrar el caudal se conservará igual en ambos
24
trayectos, esto permite determinar que para un incremento en el área, se presenta una caída de velocidad ya que el producto entre estas dos variables se conserva igual. De igual forma en el caso en que se presente una reducción en el área, se generará un incremento de velocidad conservando igual el caudal en ambos trayectos.
1.2.5. Efecto Venturi
El físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822), demostró que para
un fluido en movimiento, al pasar por una reducción de sección
transversal, su presión disminuye y su velocidad aumenta. Esto puede
explicarse al Utilizar el principio de continuidad, con el cual se puede
establecer que debido a que caudal permanece igual en todos los puntos
de la tubería, al reducirse la sección, necesariamente la velocidad debe
aumentar y así mantener el sistema en equilibrio. Adicionalmente el
Teorema de Bernoulli establece que al aumentarse la energía cinética,
debido al incremento de velocidad, debe disminuir la energía generada
por la presión, y así mantener el balance de energía.
En la Figura 6, se puede observar el efecto Venturi. En el punto de
estrechamiento de la tubería se presenta una caída de presión, por lo
tanto el diferencial de altura h cambia. Este efecto es comúnmente
utilizado en las ventosas industriales para aplicaciones como la sujeción
de piezas.
Figura 6. El efecto Venturi3
Dentro de las aplicaciones del efecto Venturi, se encuentran los
medidores de caudal basados en el efecto, incremento de velocidad en
algunos fluidos, ventosas, carburadores de los vehículos, en la
aeronáutica entre otros.
3 Imagen tomada de HTMLPUBLIC, disponible en: http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/404832 Consultado
en: 27/Noviembre de 2010.
25
1.2.6. Principio de Pascal
Es una ley enunciada por el físico y matemático francés BLAISE PASCAL
(1623-1662). El principio de Pascal afirma que la presión aplicada sobre
el fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas las
direcciones y a todas partes del recipiente. Este principio se puede
comprobar con una esfera hueca, perforada en diferente lugares y
provisto de un embolo, se observa que el agua sale por todos los
agujeros con la misma presión. La Figura 7 muestra La prensa hidráulica,
que constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal.
Figura 7. La prensa hidráulica
Si se ejerce una fuerza (F1) mediante el pistón pequeño sobre el líquido,
de acuerdo al principio de pascal, la presión se transmite a todos los
puntos de este, de manera uniforme. El pistón grande (A2) experimenta
una fuerza (F2), de manera que mientras el pistón pequeño baja, el
grande se dirige hacia arriba. La presión es la misma en ambos cilindros,
y en consecuencia, si se igualan las presiones, es posible observar que la
fuerza que se aplica en el pistón grande es igual a (F1), multiplicada por el
factor (A2/A1) como se observa en (7).
1.3. Caudal
Es conocido también como flujo o caudal volumétrico. Esta variable determina el
Volumen que circula por un ducto en la unidad de tiempo. Es de vital importancia
dentro de la industria de procesos, y para la aplicación particular en los circuitos
(7)
26
neumáticos, está en estrecha relación con la velocidad de los cilindros, que varía de
forma directamente proporcional con el caudal, como será estudiado con mayor detalle
en el CAPÍTULO 2.
1.3.1. Unidades de caudal
Están dadas en unidades de volumen sobre unidades de tiempo, dentro
del sistema internacional la más utilizada es m3/s, además dentro de la
industria son de uso extendido las unidades de gl/min y lt/min. En la Tabla
1 se muestran los factores de conversión para esta variable.
1.3.2. Caudal Másico (gasto)
Conocido también como flujo másico. Determina la masa que atraviesa
una tubería en la unidad de tiempo. Es una unidad de uso extendido en
instrumentación de sistemas termodinámicos Ya que el flujo másico
determina la variación de la masa en la unidad de tiempo, la unidad de
medida dentro del sistema internacional es, Kg/s, dentro del sistema
ingles la unidades más usuales, Lb/min.
1.3.3. Medición de caudal
Uno de los más importantes aspectos dentro del control de procesos
industriales, es la medición del caudal en los fluidos, y de acuerdo al tipo
de fluido, se utiliza el método más apropiado. Este método puede ser
aplicable a líquidos, a gases y vapores, o a todos ellos.
En el momento de seleccionar el método más apropiado para la medición,
se deben tener en cuenta las condiciones del proceso, el principio de
operación y las características de funcionamiento de los diferentes
medidores de flujo disponibles.
Las aplicaciones más habituales encontradas en la industria son: la
medición de las cantidades de gases o líquidos utilizados en un proceso
dado, controlar las cantidades adicionales de determinadas sustancias
aportadas en ciertas fases del proceso, mantener una proporción dada
entre dos fluidos y medir el reparto de vapor en una planta.
De acuerdo al principio de operación, los medidores de flujo pueden ser
clasificados como medidores diferenciales, medidores de desplazamiento
positivo, medidores de área variable y medidores volumétricos. A
27
continuación se presentan los instrumentos más conocidos dentro de la
industria para la medición de caudal.
1.3.3.1. Caudalímetro
Instrumento que sirve para medir el caudal o cantidad de
fluidos en movimiento que fluye por un conducto cerrado o
abierto. Constituye uno de los instrumentos industriales de
mayor uso, debido a la importancia de esta variable. La Tabla 2
muestra la instrumentación usada en la industria para la
medición de caudal.
INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN DE CAUDAL
Tipo de Medida Características
Volumen de agua (Flujo volumétrico)
Directos o Por desplazamiento positivo.
Indirectos o Por presión diferencial.
Platina de orificio. Codo. Tobera. Venturi
o De turget Ultrasónico
Doppler
T. Tránsito Canal abierto
Vertedero
Canaleta
Masa de agua (Flujo Másico)
Efecto Coriolis
Térmicos
Indirectos o De la misma manera que la
medición de flujo volumétrico.
Tabla 2. Métodos de medición
1.4. Propiedades de los fluidos neumáticos
Los circuitos y dispositivos neumáticos están diseñados para trabajar mediante la
presión del aire, el cual circula por las líneas y equipamiento neumático, a la vez que es
tratado en su trayectoria para garantizar la correcta operación de los circuitos. El aire,
28
se caracteriza por su abundancia en el planeta, la facilidad para su tratamiento, la
limpieza en las operaciones y bajo costo. Entre las propiedades físicas del aire se
encuentran: la compresibilidad, difusibilidad, elasticidad, y expansibilidad, estas
propiedades se explicaran a continuación.
1.4.1. Compresibilidad
Propiedad particular de los gases que permite mediante aplicación de
presión y variación de temperatura la compresión del gas, permitiendo
confinarlo en envases para aplicaciones específicas. La poca cohesión
presente entre las moléculas en el estado gaseoso permite que estas se
desplacen libremente y sin forma determinada, generando espacios entre
ellas, el cual es aprovechado para lograr la compresión mediante la
aplicación de presión.
1.4.2. Difusibilidad
La mezcla del aire con otros gases no saturados en compañía de los
olores característicos propios de cada uno gases y el desplazamiento por
el ambiente, permiten su detección mediante el sentido del olfato, esta
fusión que puede presentarse parcial o completamente se conoce como
Difusibilidad.
1.4.3. Elasticidad
Mediante la aplicación de fuerzas externas aplicadas al aire, se logra
obtener la compresión del mismo, una vez se retira esta fuerza el aire
tiene la propiedad de regresar a su estado inicial o natural, esta fase se
denomina elasticidad.
1.4.4. Expansibilidad
La poca cohesión presente entre las moléculas del aire permite que este
se expanda ocupando grandes espacios, o llenando por completo el
volumen del recipiente que los contenga.
29
CAPÍTULO 2
ELEMENTOS DE LAS
INSTALACIONES
NEUMATICAS
30
2.1. Compresor
El compresor es clasificado dentro de la mecánica como una máquina térmica, es muy
utilizado en la industria para diferentes procesos. Internamente se encuentra
conformado por pistones, bombas de lubricación, anillos de presión, cigüeñal y cárter,
entre otros elementos que varían de acuerdo al tipo constructivo. La acción conjunta de
todos estos elementos hacen del compresor, una máquina capaz de hacer que los
fluidos comprensibles tales como los vapores o gases, incrementen su energía, la cual
se puede llamar energía de flujo, ya que la energía ganada por la sustancia fluye con
mayor presión y aumenta su energía cinética.
El compresor recoge el aire con una presión atmosférica dada y le aumenta o le da
mayor presión, empleándose este en los diferentes equipos neumáticos conocidos en
el comercio, industria, aires acondicionados, motores de aviación y producción de
energía eléctrica.
En la actualidad, dentro de la industria se cuenta con diversos tipos de compresores,
los cuales se eligen de acuerdo a las necesidades que presente la aplicación específica
y teniendo en cuenta criterios de capacidad, espacio, presión de trabajo, cálculo del
ciclo de trabajo, caudal, instalación rendimiento, mantenimiento, el tipo de gas, entre
otros. A continuación se presentan los tipos de compresores más utilizados, partiendo
de una clasificación de acurdo al tipo constructivo, a partir de esto se distinguen dos
grandes grupos, los compresores de desplazamiento positivo y los compresores
dinámicos.
2.1.1. Compresor de desplazamiento positivo
En los compresores de desplazamiento positivo, los gases son
comprimidos en un espacio cerrado reduciendo su volumen mediante la
acción de un pistón o rotor, con lo cual se logra un incremento de presión
en la descarga. Estos se usan para condiciones de alta presión y poco
volumen. A continuación se presentan los principales compresores de
desplazamiento positivo.
2.1.2. Compresor rotativo de lóbulos
Este tipo de compresor, que por su baja presión tiene limitadas
aplicaciones dentro de la neumática, posee dos rotores simétricos en
paralelo, los cuales son sincronizados por engranajes. Es un sistema
simple cuyo funcionamiento es similar al de la bomba de aceite del motor
de un automóvil, en el cual se requiere un flujo constante. Posee pocas
31
piezas en movimiento, lo que disminuye las pérdidas de energía por
fricción.
2.1.3. Compresor rotativo tipo tornillo
Poseen dos tornillos engranados que rotan paralelamente con una luz
mínima y están sellados por una mezcla de aire y aceite. Son silenciosos,
de tamaño reducido, de bajo costo, de fácil mantenimiento, flujo de aire
continuo, volúmenes y presiones moderadas.
2.1.4. Compresor rotativo tipo paletas
Su eje gira con alta velocidad mientras la fuerza centrífuga desplaza las
paletas hacia el estator. Un ejemplo es la bomba de la dirección hidráulica
de un vehículo. Es reducido en su tamaño, silencioso, con flujo continuo
de aire, buen comportamiento en frio, son sensibles a partículas y de fácil
mantenimiento.
2.1.5. Compresor alternativo tipo pistón
Es semejante al motor de un automóvil, que puede ser de efecto simple
para bajas presiones o doble para altas presiones. Los pistones, válvulas
y cojinetes requieren lubricación, son de gran tamaño, ruidosos, con fluido
intermitente de aire, temperatura de funcionamiento en caliente a 220ºC,
requiere de un mantenimiento periódico y de alto costo, con muy alta
presión y poco volumen. Dentro de esta categoría se pueden encontrar
los compresores de Efecto simple, que se usan normalmente en talleres
de pintura para soplar, para el manejo de herramientas neumáticas y el
inflado de neumáticos y los de Efecto doble (dúplex) son utilizados en
sistemas de altas presiones de compresión de gases.
2.1.6. Compresor dinámico
Los compresores dinámicos imprimen energía cinética al aire mediante la
alta velocidad de rotación de los impulsores, parte de esta energía se
convierte en presión a la descarga. Es utilizado cuando se requiere
mucho volumen de aire y presión baja, un ejemplo es el ventilador de
alavés utilizado para secado en la industria. Se dividen en radiales y de
flujo axial, ambos tienen una ventaja en común, el flujo continuo, además
tienen pocas piezas en movimiento que disminuyen perdidas de energía
por fricción y calentamiento.
32
2.1.7. Compresor Centrífugo
Este tipo de compresor es similar a una turbina, su funcionamiento está
basado en la compresión de aire por fuerza centrífuga. Consta de aspas
que giran en un solo eje tomando aire o gas por una entrada de mayor
diámetro que se acelera por la fuerza centrífuga y lo vota por una salida
de menor diámetro. El gas o el aire que toma, sale libre de aceites y
contaminantes. Su funcionamiento es en seco. Dentro de los
inconvenientes que presentan este tipo de compresores, se encuentra su
robustez y el alto ruido que generan.
2.1.8. Compresor de flujo axial
En los compresores de flujo axial, el aire fluye en la dirección del eje.
Consta de una serie de aspas móviles ancladas al eje como un abanico y
alabes fijos anclados a la carcasa. Este tipo de compresores pocas veces
es utilizado dentro de la neumática industrial ya que proporcionan un alto
caudal pero a muy bajas presiones.
2.2. Unidades de Mantenimiento (FRL)
De una buena calidad del aire comprimido depende el buen funcionamiento y duración
de equipos e instalaciones neumáticas. Para lograr este objetivo, el aire se debe
someter a tres operaciones; filtración, regulación y lubricación, esto se logra con el
conjunto FRL que compone la unidad de mantenimiento, formado por un secador, un
filtro, la regulación de presión prevista por un manómetro, el lubricador y la válvula de
escape.
33
Figura 8. Unidad de mantenimiento
4
Cada uno de estos elementos pueden ser visualizados en la Figura 8, los cuales se
encargan de funciones específicas, esto es, el secador; reduce la cantidad de vapor de
agua que se encuentra en el aire, el filtro; somete al aire a un proceso de centrifugado
de modo que las impurezas líquidas o solidas que este contiene, son disparadas contra
las paredes del filtro y se depositan en una cámara, luego el aire pasa a través de un
cartucho filtrante y se completa el proceso de limpieza. El regulador mantiene una
presión estable de aire en el circuito neumático la cuales mostrada en el manómetro, el
lubricador; incorpora aceite nebulizado al aire comprimido para evitar la corrosión o la
oxidación de los componentes del circuito y garantiza el deslizamiento óptimo de partes
móviles, finalmente, la válvula de escape se encarga de expulsar al exterior el aire
cuando la presión supera el límite permitido.
2.3. MANÓMETRO
Instrumento que se utiliza para medición de presión de fluidos y que procede
determinando diferencias entre la presión del fluido y la presión local. Las presiones
medidas con este instrumento pueden variar y tener distintos rangos. Existen diversos
tipos que sirven para determinar diferentes presiones: Absoluta, Diferencial y Vacío, los
cuales se describen a continuación.
4 Imagen tomada de Airon Tools, disponible en: http://www.airontools.com/mantenimiento.htm consultado en:
27/Noviembre de 2010.
34
2.3.1. Manómetro Bourdon
Instrumento mecánico de medición compuesto por un tubo de metal
curvado o torcido y de sección transversal aplanada, uno de los
extremos de dicho tubo permanece cerrado, por tal razón la presión a
medir se aplica al otro extremo. A medida que la presión aumenta este
tubo comienza a tomar forma circular y a enderezarse, lo que es
aprovechado para fijar la aguja y tomar la medición.
Figura 9. Manómetro de Bourdon5
2.3.2. Manómetro de columna líquida
Consta de una columna líquida empleada en mediciones diferenciales de
las presiones de ambos fluidos.
Figura 10. Manómetro de columna líquida6
5
Imagen tomada de www.leitenberger.de/ dt/001-002_e.htm, disponible en: webdelprofesor.ula.ve/.../manometros.html consultado en: 29/Noviembre de 2010.
35
2.3.3. Manómetro de tubo inclinado
Empleado para medir presiones manométricas inferiores a 250mm de
columna de agua.
Figura 11. Manómetro de tubo inclinado
7
2.4. Válvulas neumáticas
Dentro de los circuitos neumáticos, se hace necesario alimentar, descargar los
actuadores, direccionar el flujo de aire, regular el flujo y la presión en el momento
indicado, de acuerdo al control que se quiera ejercer. Todas estas funciones son
realizadas por diversos tipos de válvulas neumáticas.
Según el tipo de trabajo que realizan, las válvulas neumáticas se clasifican como
válvulas de control direccional, válvulas anti retorno, válvulas reguladoras de presión y
válvulas reguladoras de caudal. A continuación se presentan cada una de estas.
2.4.1. Válvulas de control direccional
Son las válvulas que dirigen el flujo de aire a través de los diferentes
conductos del circuito, con el fin de controlar la actuación y paro de los
cilindros o motores neumáticos. Los datos que permiten un completo
conocimiento de estas válvulas son el número de posiciones, el número
de vías, la posición en reposo, el tipo de accionamiento, el tipo de retorno
y el Caudal. A continuación se explica cada uno de los datos que
describen las válvulas direccionales.
6 Imagen tomada de www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/h12/, consultado en: 29/Noviembre de 2010.
7 Imagen tomada dewww.hellopro.es/HK_instruments-2102-noprofil-..., consultada en: 29/Noviembre de 2010.
36
2.4.1.1. Número de posiciones
Por simbología, las válvulas neumáticas están representadas por
grupos de cuadrados adyacentes que forman un rectángulo. El
número de cuadrados determina cuántas posiciones o maniobras
puede realizar la válvula, es decir los estados que caracterizan a la
válvula. La información acerca del número de posiciones se
presenta en la Figura 12.
Figura 12. Numero de posiciones en las válvulas de vías
2.4.1.2. Número de vías
Determina el número de conexiones que posee la válvula. Solo se
cuentan las conexiones en una de las posiciones. Para cada
posición la válvula posee el mismo número de conexiones, pero
con direcciones de flujo distintas. Son consideradas como vías, las
entradas de aire, conexiones de utilización y los escapes.
Un método adecuado para determinar el número de vías, consiste
en contar el número de veces que los elementos internos tocan el
extremo de un cuadrado o posición. La Figura 13 muestra como
determinar el número de vías.
Figura 13. Número de vías
37
2.4.1.3. Identificación de los orificios de las válvulas
La identificación de los orificios de las válvulas depende de cada
fabricante, sin embargo se presentan dos tipos de identificación,
una literal presentada por la norma DIN 24300, y una forma de
identificación numérica, presentada por la norma ISO1219. La Tabla
3 muestra la identificación mediante las dos normas.
Acción NORMA DIN 24300 NORMA ISO 1219
Presión p 1
Utilización A B C 2 4 6
Escape R S T 3 5 7
Pilotaje X Y Z 10 12 14 Tabla 3. Identificación de orificios
De la tabla se pueden identificar cada acción como presión;
alimentación de fuente de aire comprimido, utilización; orificios de
utilización para diversas válvulas, escape; drenaje de aire
canalizados o libres y pilotaje; líneas para transmisión de energía
del tipo de comando.
2.4.1.4. Tipo de accionamiento
Las válvulas requieren de algún tipo de mecanismo, interno o
externo, que realice la conmutación entre una posición a otra, con
lo cual se genere el cambio en las direcciones del flujo de aire, de
acuerdo a la aplicación específica.
Dentro de los diversos accionamientos pueden distinguirse Los
accionamientos manuales, los accionamientos mecánicos, los
accionamientos neumáticos, los eléctricos y los combinados.
La Tabla 4 presenta los tipos de accionamiento más utilizados y la
simbología que los representa.
38
GRUPO TIPO DE
ACCIONAMIENTO SIMBOLOGÍA DESCRIPCIÓN
MANUAL
Botón
También denominados accionamientos musculares.
Son accionados por el operador del sistema,
proporcionan seguridad y son de amplio uso en
accionamientos o paros de emergencia.
Palanca
Pedal
MECANICO
Pin
También denominadas válvulas de fin de curso o de
final de carrera. Nacen a partir del avance en
automatización, donde se hace útil que el
accionamiento se realice mediante el contacto
mecánico con partes móviles de la máquina,
permitiendo así que se ejecute la secuencia sin
necesidad de la intervención de un operador.
Rodillo
Gatillo
39
NEUMÁTICO
Piloto positivo
En las válvulas de accionamiento neumático, la
conmutación se da mediante el uso de una señal de
aire comprimido, proveniente de otro punto del
circuito. Son de gran utilidad en ambientes
clasificados donde el uso de señales eléctricas
constituye un peligro potencial, como lo son las
plantas con solventes, combustibles y explosivos,
entre otras.
En las válvulas de piloto positivo, se produce la
conmutación cuando un impulso de presión es
aplicada sobre esta.
En las de piloto negativo se produce la conmutación
cuando se genera la despresurización de los pilotos.
Piloto negativo
Diafragma
ELECTRICO Solenoide
Comúnmente llamadas electroválvulas. En estas, la
conmutación se da mediante señales eléctricas,
provenientes de controladores lógicos programables,
temporizadores, contactores, relés, presostatos,
entre otros. Dentro de sus ventajas se cuenta la
velocidad de respuesta, y la posibilidad de construir
complejas secuencias de control.
COMBINADO
Solenoide y piloto
Este tipo de válvulas también recibe el nombre de
accionamiento por servo pilotó, permiten la
conmutación mediante varios tipos de
accionamientos, siendo útil en el caso en que se
produzca una falla en la señal eléctrica, en el
momento de probar el circuito sin alimentación, o en
un paro de emergencia.
Solenoide, botón y piloto
Tabla 4. Accionamientos para válvulas neumáticas
40
2.4.2. Válvulas de retención
Este tipo de válvulas permiten el paso de aire comprimido en un sentido, y
lo impiden en el sentido contrario. Su principio de funcionamiento se basa
generalmente en la acción de un resorte que mantiene asentado un cono
sobre su tope, en sentido de flujo el aire vence la contrapresión ejercida
por el resorte, permitiendo así el flujo de aire, en el sentido contrario el
resorte mantiene el cono contra el tope, impidiendo su paso.
Figura 14. Válvula de retención
2.4.3. Válvulas de control de flujo
En muchas ocasiones dentro de los circuitos neumáticos, se hace
necesario regular el caudal que pasa por cierto trayecto, generalmente
cuando se quiere regular la velocidad de avance o retroceso en un
cilindro, ya que esta es función del caudal de alimentación, o para realizar
funciones de temporización neumática. Las válvulas utilizadas para tales
fines son denominadas de control de flujo o válvulas de control de caudal.
A continuación la Figura 15 presenta el símbolo utilizado para una válvula
reguladora de caudal unidireccional, con válvula de retención para el
sentido contrario al flujo.
Figura 15. Válvula reguladora de caudal unidireccional
41
Cuando dentro de un circuito neumático se requiere controlar la velocidad
de un cilindro, se cuenta con dos técnicas, regulación a la entrada y
regulación a la salida.
2.4.3.1. Regulación a la entrada
La regulación a la entrada consiste en restringir el flujo de aire
a la entrada del cilindro, y expulsarlo libremente a la atmosfera.
En este tipo de control se tendrá una velocidad poco regular
debido a que depende de la oposición que genera la carga, por
tanto si la carga fuera retirada, el pistón aceleraría súbitamente.
Este tipo de control no es recomendable cuando se traslada
una carga y existen exigencias de velocidad uniforme y valores
de desplazamiento precisos.
Figura 16. Regulación a la entrada
2.4.3.2. Regulación a la salida
Cuando se requiere velocidad uniforme y valores de
desplazamiento precisos, es necesario realizar el control
mediante la regulación del flujo de aire a la salida del cilindro.
Mediante esta técnica además de garantizarse un avance
uniforme, no se presentarán aceleraciones abruptas en el
momento en que el cilindro venza la oposición generada por la
carga, lo que redundará además en mejores condiciones de
operación para los componentes del circuito.
42
Figura 17. Regulación a la salida
2.4.4. Válvulas de presión
Dentro de los circuitos neumáticos, se hace necesario ejercer control
sobre la presión de mando y ejecutar secuencias a partir de ciertos
valores de presión, para el logro de tales fines se pueden distinguir los
siguientes tipos de válvulas de presión:
2.4.4.1. Válvulas reguladoras de presión
Se denominan válvulas manorreductoras o válvulas
reguladoras de presión a las encargadas de mantener
constante una presión de funcionamiento pre-ajustada dentro
de un trayecto en un circuito neumático. Cuando la presión de
entrada aumenta, la válvula cierra, bajando su pistón contra el
asiento, permitiendo el escape de la presión excedente a través
de una serie de orificios. Cuando se alcanza la presión ajustada
el pistón vuelve a subir cerrando los orificios, con lo cual se
mantiene la presión constante. Generalmente las unidades de
mantenimiento traen incluida una válvula reguladora de
presión, que permite ajustarla en el punto de funcionamiento
que requiera la aplicación específica. La Figura 18 presenta el
plano en corte y la simbología para las válvulas reguladoras de
presión.
43
Figura 18. Válvulas reguladoras de presión
2.4.4.2. Válvulas limitadoras de presión
También son denominadas válvulas de seguridad o de
sobrepresión. Debido a que dentro de los circuitos neumáticos
pueden producirse picos de presión momentáneos,
generalmente cuando se presentan cargas de oposición
elevadas y fuera de lo normal, se hace necesario utilizar
válvulas que limiten la presión a un punto máximo admisible,
para tal fin se cuenta con las válvulas limitadoras de presión.
2.5. Cilindros neumáticos
Las diversas aplicaciones industriales han contribuido al desarrollo de deferentes
cilindros neumáticos que proporcionan adaptabilidad y maniobrabilidad en el campo
industrial. Mediante la aplicación de fuerza generada por la presión de aire se obtiene
el desplazamiento del vástago el cual es aprovechado para la ejecución de diferentes
aplicaciones.
44
2.5.1. Cilindro de simple efecto
Este dispositivo ha sido diseñado y fabricado para actuar con una
alimentación por manguera de aire. El trabajo que realiza cuando el flujo
de aire es inyectado a través del orificio de entrada, se define como
desplazamiento del vástago. Este convierte la energía aplicada en trabajo
mecánico, el retroceso del mismo es logrado a través de un fuelle o
resorte calculado específicamente de acuerdo al tamaño y longitud de la
carrera del vástago; la carrera del vástago es la longitud expresada en
milímetros del pistón. El trabajo o energía entregado por un cilindro de
simple efecto solo puede ser aprovechado en un solo sentido, ya que el
retroceso del mismo no contiene energía suficiente para su
aprovechamiento. En la Figura 19 puede observarse un cilindro de simple
efecto.
Figura 19. Cilindro de simple efecto
2.5.2. Cilindro de doble efecto
Dispositivo diseñado para realizar trabajo mecánico de doble sentido, la
fuerza es obtenida mediante la aplicación de flujo de aire a través de las
dos cámaras u orificios de entrada. La carrera del vástago en posición de
avance es lograda mediante la aplicación de aire por una de las cámaras,
y el retroceso del mismo cuando se aplica el aire en la otra cámara. Este
cilindro es ideal para realizar trabajos que requieran aplicación de fuerza
en ambos sentidos. La Figura 20 presenta cada una de las partes que
componen un cilindro neumático de doble efecto.
45
Figura 20. Cilindro de doble efecto
8
2.5.3. Cilindro de doble efecto con amortiguador
La amortiguación en los cilindros de doble efecto está constituida por una
cámara de aire dentro del dispositivo que permite al pistón un retroceso
controlado permitiendo una amortiguación al final de la carrera del
vástago, las características de construcción son similares al cilindro de
doble efecto convencional, con la diferencia que la carrera del vástago en
el retroceso para un cilindro con amortiguación es menor, debido al
espacio ocupado por la cámara de aire. El plano en corte del cilindro de
doble efecto con amortiguador puede observarse en la Figura 21.
Figura 21. Cilindro de doble efecto con amortiguador
9
2.5.4. Cilindro de doble efecto con doble vástago
Cilindro construido con diseño especial de doble guía que permite la
estabilidad del vástago tanto en el avance como en el retroceso, las
entradas de aire se encuentran ubicadas en cada extremo del cilindro,
además está provisto de juntas especialmente diseñadas para restringir el
acceso de suciedades u otros agentes externos que Puedan interferir con
el correcto desempeño del cilindro, es ideal para aplicaciones que
8 Imagen tomada de http://sitioniche.nichese.com/cilindros-dobles.html. consultada en: 27/Noviembre de 2010.
9 Imagen tomada de http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm consultada en: 27/Noviembre de
2010.
46
requieren aplicación de fuerza en ambos sentidos ya que el vástago se
encuentra reforzado a ambos lados por las dos guías. La Figura 22
permite observar la estructura interna del cilindro de doble vástago.
Figura 22. Cilindro de doble vástago
10
2.5.5. Cilindro de simple efecto telescópico
Construcción mediante camisas huecas que contienen cada una un
cilindro de menor diámetro, su funcionamiento consiste en la extracción
de cilindros en orden ascendente comenzando por el cilindro de mayor
diámetro y terminando con el más pequeño, el cual es rígido y compacto,
este tipo de cilindro es ideal para aplicaciones que cuentan con poco
espacio. El principio físico de funcionamiento es idéntico al cilindro de
simple efecto.
2.5.6. Cilindro de embolo
De características similares al cilindro de simple efecto con retorno por
muelle, el pistón de este cilindro está recubierto con un material plástico
llamado Perbunano, el cual permite un deslizamiento lento del pistón, su
principal ventaja es el frenado instantáneo del vástago permitiendo un
agarre rápido y seguro.
2.5.7. Cilindro de membrana
Dispositivo creado con una membrana interna que actúa por efecto de la
energía aplicada externamente, desplazando el vástago por rozamiento
por efecto de la dilatación del material de la membrana, entre los que se
encuentran: el metal, la goma o el plástico. La Figura 23 presenta algunos
de los cilindros de membrana utilizados en la industria.
10
Imagen tomada de http://sitioniche.nichese.com/cilindros-dobles.html.. consultada en 27/Noviembre de 2010.
47
Figura 23. Cilindro de membrana
11
2.5.8. Cilindros de membrana arrollable
De construcción similar al cilindro de membrana, con la característica
particular de generar menos rozamiento internó de materiales, este
dispositivo actúa sobre el vástago desplazándolo completamente
mediante el des arrollamiento de la membrana. La Figura 24 presenta un
diagrama esquemático del cilindro de membrana arrollable.
Figura 24. Cilindro de membrana arrollable
12
2.5.9. Cilindro tándem
Construido con dos cilindros cada uno de doble efecto, posee dos
émbolos montados sobre un mismo vástago lo que traduce mayor fuerza
aplicada simultáneamente a través de las cámaras de entrada de aire, es
un cilindro ideal para montajes que cuentan con poco espacio y requieren
la aplicación de fuerzas mayores. En la Figura 25 puede observarse un
diagrama en corte del cilindro tándem.
11
Imagen tomada de http://www.google.com/imgres?imgurl=http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/cilindro-de-membrana... Consultada en 29/Noviembre de 2010. 12
Imagen tomada de: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm.. Consultada en 29/Noviembre de 2010.
48
Figura 25. Cilindro Tándem
13
2.6. Ventosas
Son dispositivos fabricados especialmente para el levantamiento de cargas. El material
con el que están fabricadas proporciona excelente fijación además de proteger las
superficies que son transportadas, las cuales pueden presentar diferentes formas y
aéreas. La eficiencia de operatividad de las ventosas es alcanzada cuando se genera
vacío bajo el área de está y el contacto con la superficie. Los estudios y pruebas
demuestran que para lograr un trabajo óptimo y seguro con ventosas el ideal de vacío
que se requiere es de 75% de vacio absoluto, lo cual equivale en presión negativa a -
0.75 Kgf/cm². En la Figura 26 se muestran las ventosas estándar, unas de las más
utilizadas en la industria por su fácil manejo, bajo costo y de fácil reemplazo.
Figura 26. Ventosa estándar
14
13
Imagen tomada de: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm.. Consultada en: 29/Noviembre de 2010. 14
Imagen tomada de: Neumática Industrial Parker [1]_ Parker Hannifin Corporation.
49
En la Tabla 5 se caracterizan las propiedades de las ventosas determinadas por su
tamaño, capacidad o fuerza de levantamiento expresadas en Newton y en Kilogramos
fuerza, para un vacío de 75%.
Ø de Ventosa en mm Área en cm2 Fuerza de Levantamiento
N KgF N KgF
5 0.19 0.69 0.071 0.35 0.036
10 0.78 2.86 0.292 1.43 0.146
15 1.76 6.47 0.66 3.23 0.33
20 3.14 11.54 1.177 5.76 0.588
25 4.90 18.02 1.837 9.00 0.918
30 7.06 25.96 2.647 12.97 1.323
35 9.61 35.34 3.603 17.66 1.801
40 12.56 46.20 4.71 23.05 2.35
45 15.89 58.44 5.958 29.22 2.979
50 19.62 72.17 7.357 36.08 3.678
55 23.74 87.32 8.902 43.66 4.451
60 28.26 103.95 10.595 51.97 5.298
65 33.16 121.98 12.435 60.98 6.217
70 38.46 141.47 14.422 70.73 7.211
75 44.15 162.41 16.556 81.20 8.278
80 50.24 184.82 18.84 92.41 9.42
85 56.71 208.61 21.266 104.30 10.633
90 63.58 233.89 23.842 116.94 11.921
95 70.84 260.60 26.565 130.29 13.282
100 78.54 288.92 29.452 144.46 14.726
120 113.04 415.84 42.39 207.92 21.195
150 176.62 649.73 66.131 324.86 33.116
200 314.00 1155.12 117.75 577.56 58.875
300 706.86 2600.35 265.076 1300.17 132.536 Tabla 5. Cálculo de la fuerza en las ventosas
2.7. Sensores Neumáticos
La utilización de sensores en la industria constituyen un avance en el control y
automatización de los procesos, con estos dispositivos es posible obtener información
vital y oportuna que facilita el manejo de los sistemas automáticos. Los sensores
actúan como los órganos de los sentidos para las máquinas, proporcionando mayor
efectividad en la ejecución de tareas, seguridad y precisión para los procesos. En
50
general el avance tecnológico ha permitido a las diferentes disciplinas la
implementación de sensores específicos que contribuyen enormemente al correcto
desempeño de los dispositivos. A continuación se presentan los diversos sensores
utilizados dentro de la neumática.
2.7.1. Presostatos
Dispositivo clasificado como transductor, que convierte una señal
neumática en una señal eléctrica, la cual puede ser direccionada para el
cambio de estado de un motor, electroválvula o cualquier dispositivo que
responda a la variación o cambio de potencial.
2.7.2. Captador de umbral de presión
Caracterizado por emitir presión en la salida cuando no existe presión en
la entrada, cumple con la función lógica de negación, activando con la
señal eléctrica un relevo, permitiendo diversas aplicaciones.
2.7.3. Captador de fuga
Son sensores utilizados ampliamente como finales de carrera por tener
contacto directo con la pieza, es también denominado captador por
obturación de fuga, en la Figura 27 se puede observar que cuenta con un
estrangulador de aire al ingreso P, en el momento que la fuga está
totalmente cerrada circula aire por la salida A logrando la estabilidad de la
presión interna respecto a la entrada P.
Figura 27. Captador de obturación de fuga
51
2.7.4. Detector de paso
El principio de funcionamiento de este sensor de proximidad es la
circulación de aire continuo enfrentadas ambas toberas, las cuales actúan
como emisor-receptor, el aire entregado por cada una de ellas forma una
turbulencia, la cual es interrumpida por el paso o interferencia de un
objeto entre ellas, esta acción permite el cambio de estado de la señal
eléctrica convirtiendo en cero lógico la que antes se encontraba en uno
lógico, este cambio de estado es aprovechado para realizar cambios en el
sistema.
Figura 28. Detector de paso
2.7.5. Detector de paso de horquilla
Dispositivo de similar funcionamiento al detector de paso, pero con
diferenciación en la construcción interna del dispositivo, en este caso el
aire ingresa por P y realiza un recorrido interno hasta la salida x, si en
esta trayectoria no se encuentran obstáculos o perturbaciones, aparece
una salida de aire que es interpretada como señal de salida, por el
contrario si encuentra obstáculos la señal de salida desaparece, estos
cambios de estado en las señales son aprovechados para conmutar
electroválvulas, ver la Figura 29 para identificar funcionamiento.
52
Figura 29. Detector de paso de horquilla
2.7.6. Detector réflex
En este dispositivo el emisor P y el receptor X tienen las boquillas hacia la
misma dirección y conforman una sola unidad, el aire expulsado por la
tobera emisora es expulsado a la atmosfera, si se presenta una
interrupción por acción externa se genera una sobrepresión en la tobera
receptora, la cual se encuentra dotada con una restricción que garantiza
una salida eficaz de la señal, la misma que se utiliza para activar o
desactivar las electroválvulas. La Figura 30 ilustra el principio de
funcionamiento del detector réflex.
Figura 30. Detector Réflex
2.7.7. Interruptor neumático de proximidad
Denominado comúnmente como barrera neumática por su estructura de
funcionamiento y construcción, este dispositivo está dotado por una
lengüeta interna que permite el paso de aire a través del conducto P, el
aire fluye libremente cuando la lengüeta es atraída por un imán instalado
en el actuador, permitiendo la salida del mismo por el conducto A, esta
53
señal debe ser amplificada para que produzca los efectos requeridos de a
cuerdo a la aplicación.
Figura 31. Interruptor de proximidad
2.8. Accesorios
Dentro del ejercicio de la técnica neumática son utilizados diferentes accesorios que
permiten conectar entre sí a los cilindros, válvulas, compresores y demás elementos
que conforman un circuito. A estos accesorios se les denomina racores de tubería. A
continuación dentro de la Tabla 6 se presentan los accesorios de mayor uso dentro de
las instalaciones neumáticas.
Tipo de accesorio Imagen Descripción
Racor rosca macho
rectocónico rosca
cubierta con PTFE.
Se utiliza para instalar en la misma
dirección desde la rosca hembra y es de
acoplamiento rápido para mayor facilidad
en las conexiones de las mangueras, este
es instalado en los cilindros o válvulas.
Conector recto.
Se utiliza para realizar la conexión de dos mangueras y realizar extensiones.
Conector cruz.
Se utiliza para derivar líneas diferentes
dirección a 90º.Es de acoplamiento rápido
para facilitar las conexiones.
54
Racor rosca macho
en L - cilíndrico
giratorio con junta
de estancamiento.
Se utiliza para derivar una línea en la
misma dirección desde la rosca hembra y
en direcciones a 90º.
Conector en T.
Se utiliza para derivar una línea en la
misma dirección desde las conexiones y en
direcciones a 90º.
Acoplamiento de cierre.
Se utiliza para cerrar el paso de aire en una manguera dentro un circuito.
Distribuidor macho roscado.
Se utiliza para realizar distribuciones desde una válvula para diferentes puntos del sistema.
Conector en codo.
Se utiliza para realizar conexiones en
ángulo recto con mangueras.
Conector en Y.
Se utiliza para realizar una derivación en el
sistema.
Tabla 6. Accesorios para las conexiones neumáticas15
15
Las imágenes de la tabla 5 son tomadas de: http://neumatica-es.timmer-pneumatik.de/pneumatik.html... Consultadas en 12/Noviembre de 2010.
55
CAPÍTULO 3
EL PLC CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE
56
Un poco de historia
Antes del surgimiento de los PLC, el control dentro de los procesos industriales era
realizado mediante lógica cableada, es decir haciendo uso de contactores, relés,
temporizadores y complejos circuitos electrónicos de potencia. Este tipo de dispositivos
permitían realizar el control de los procesos industriales, pero presentaban muy poca
versatilidad, ya que en el momento de realizar modificaciones, modernizaciones en los
procesos, o simplemente cambiar una secuencia lógica, se requería un gran número de
cambios en las conexiones, generando altos costos por el uso de un gran despliegue
de personal técnico, además de tiempos exagerados de paro en las líneas de
producción, disminuyendo la eficiencia y la productividad. Otros de los factores que han
impulsado el desplazamiento gradual de la lógica cableada son los altos costos de
mantenimiento, y los grandes espacios que ocupan los gabinetes de control basados
en este tipo de control.
A mediados de los años 80 surgen en el mercado de la automatización, los
Controladores Lógicos Programables “PLC”, los cuales son dispositivos electrónicos
que sustituyen todas las tareas realizables mediante la lógica cableada, además de
aplicaciones de mayor complejidad.
57
3.1. ¿Qué son los “PLC”?
Los controladores lógicos programables “PLC”, también denominados autómatas
programables, son dispositivos electrónicos de control de amplio uso industrial, los
cuales monitorean el estado de las entradas y con base en la lógica de control
programada, controla las salidas. Las entradas y salidas de los autómatas pueden ser
análogas y digitales, lo que lo hace apto para realizar todo tipo de control de variables
dentro de los procesos industriales. Con los software de programación de los PLC, es
posible generar módulos internos de temporización, conteo, comparación, marcas de
memoria, módulos de control PID, entre otras funciones que hacen de estos elementos
una alternativa de uso extendido para tareas de automatización dentro de la industria y
aún dentro del sector comercial, y la automatización de tareas domésticas. Dentro de
las ventajas que presentan el uso de los autómatas programables en tareas de
automatización pueden observarse las siguientes:
Versatilidad, la realización de cambios dentro de una lógica de control solo implica realizar cambios en el programa.
Gran capacidad de memoria, es posible almacenar varios programas que permiten ejecutar diversas operaciones en forma individual o simultáneamente.
Disminución de costos para industria debidos al mantenimiento de equipos.
Seguridad en los procesos, ya que estos se realizan con un control inteligente a prueba de fallas.
Se puede realizar el control de procesos complejos y de gran tamaño, así como la automatización de secuencias simples de control.
Es posible realizar cambios al programa sin necesidad de realizar cambios a los periféricos o dispositivos externos.
Permite hacer control y vigilancia continuos de variables.
Permite la conectividad con otros dispositivos, lo que facilita el acceso desde una estación remota.
Tiene varias alternativas de programación, lo que facilita su utilización.
El tiempo para la ejecución de las tareas es muy reducido, lo que permite la optimización de los procesos.
3.2. Componentes del PLC
Los PLC están integrados por una serie de componentes, que permiten su
funcionamiento, a continuación se presentan los que se encuentran, en general, dentro
de la mayoría de autómatas de las diversas marcas. La Figura 32, permite observar
cada una de las partes que componen un autómata KOYO.
58
3.2.1. Entrada de potencia
Borneras para alimentación del dispositivo, de estas se derivan internamente en alimentación para la CPU, las tarjetas inteligentes, módulos de memoria, unidad de programación, dispositivos de entrada y salida.
3.2.2. Unidad de Procesamiento Central CPU
Es considerado el cerebro del dispositivo, esta unidad está compuesta por memorias, temporizadores, contadores, control de procesos para las entradas y salidas, almacenamiento de programas, etc. La función de la CPU es realizar revisión continua del estado de las entradas y salidas, y ejecutar el programa determinado por el programador.
3.2.3. Interfaces de entrada y de salida
Establecen la conectividad para el intercambio de información entre el dispositivo y los periféricos a los que se encuentre enlazado, estos módulos o interfaces pueden ser de tipo analógico o digital según la aplicación.
3.2.4. Memoria
Existen diferentes tipos de memoria dentro de la CPU, las cuales serán descritas a continuación:
Memoria del programa de usuario: área destinada para almacenar el programa cargado por el usuario para ejecutar labores específicas; esta memoria puede ser de tipo EPROM, EEPROM ó FLASH.
Memoria de tabla de datos: almacenamiento de información referente a temporizadores, contadores, etc. esenciales para una correcta ejecución del programa.
Memoria del sistema: contiene el software embebido del dispositivo en lenguaje binario, el cual se encarga de realizar verificación continua de todos los dispositivos que conforman el PLC.
3.2.5. Unidades de entrada y salida
Operan en lenguaje binario, especificando el estado de los dispositivos, el tamaño de la trama es de 8-16 Bytes para las señales análogas y del orden de Bit para las señales digitales.
59
3.2.6. Unidades de programación
Existen en la actualidad dos formas de programar los PLC, la primera es la consola de programación; puede compararse con un teclado alfanumérico, y la segunda alternativa y más utilizada es el PC; a través del cual se inserta la programación establecida, además de proporcionar conectividad.
3.2.7. Periféricos
Son empleados para proporcionar expansibilidad al dispositivo, entre los periféricos más usuales se encuentran los módulos auxiliares de entrada/salida, adaptabilidad de memorias adicionales, conexión externa con otros dispositivos para optimizar el proceso.
3.2.8. Barra de LED’s
Especifican el estado de las entradas y salidas del PLC, es decir si se encuentran activas o no.
Figura 32. Estructura del PLC KOYO
3.3. Entradas y salidas digitales y su conexión
Las entradas y salidas digitales están caracterizadas por voltajes de cero voltios constituidos como un cero lógico y por 24 voltios representando un uno lógico, y son. Generalmente nombradas como I o X y Q o Y respectivamente. Las entradas digitales
60
permiten conocer los pulsos emitidos por los sensores y micro-suiches, con lo cual se determina constantemente el estado de los mismos y así procesar las señales según el programa que se esté ejecutando en el PLC. Para lograr una lectura de señal que sea interpretada por el dispositivo, el PLC contiene internamente un acoplamiento galvánico generalmente construido con optoaisladores, los cuales interpretan el voltaje de entrada como una señal digital.
Las entradas de AC/DC son señales análogas. Las entradas de tipo AC son rectificadas internamente, posteriormente son filtradas para garantizar la eliminación de rizado, luego pasan a través de un detector de umbral; el cual identifica el estado de la señal, seguidamente la señal pasa por un optoaislador; circuito en el cual la alta tensión es acoplada para ser enviada al circuito lógico. Las tensiones convencionales para estos dispositivos están comprendidas por 24V, 48V, 120V y 230V.
La salida digital del PLC está determinada por contactos normalmente abiertos o por
salidas transistorizadas hacia los dispositivos externos. Las salidas cuentan con
aislamiento galvánico y externamente poseen un LED para indicar su estado, en
algunos modelos se pueden apreciar protecciones contra sobre-corrientes en caso que
la corriente de carga sea mayor que la entregada por el dispositivo, en la Figura 33 se
puede observar un ejemplo de conexión de salida con sus cargas respectivas.
Figura 33. Conexión de salida por relevo
3.3.1. Salidas TTL
Este tipo de salidas están asignadas específicamente para la conexión de
dispositivos externos compatibles con tecnología TTL; familia de
dispositivos electrónicos transistorizados con tensiones comprendidas
entre 4 y 5 voltios. Un ejemplo claro que tiene gran aplicación en la
industria es el display de segmentos.
61
3.4. Comunicación en los “PLC”
El diseño y arquitectura de los PLC están pensados para el automatismo de los
procesos, con el objeto de mejorar el rendimiento, garantizar seguridad en la ejecución
de los mismos, mejorar la calidad de los procesos, y muchas otras ventajas que
permiten operario, con gran precisión y en poco tiempo, tener un dominio total sobre las
actividades que ejecuta el sistema. De igual forma estos dispositivos permiten la
intercomunicación con elementos o equipos externos a través de interfaces de
comunicación para optimizar sus aplicaciones. Algunos ejemplos de dispositivos
externos son: Impresoras, Scanner, CPU, Modem, controladores programables, etc.
Para realizar la implementación de estas unidades externas existen diferentes
interfaces de comunicación, las cuales se mencionan a continuación:
3.4.1. Interface Punto-Punto
El PLC está dotado con un puerto de salida con conexión DB9 o DB25 por
el cual se establece la comunicación con los dispositivos periféricos
adaptables a esta estructura, el aprovechamiento de este puerto permite
crear una pequeña red de control para el PLC en interacción con los
demás dispositivos, se establece comunicación vía protocolo de
comunicación RS232 o RS 485.
3.4.2. Interface Multipunto
La utilización de esta interfaz de comunicación permite hacer conexión de
hasta cuatro dispositivos externos simultáneamente por el mismo puerto,
lo que facilita la administración en una red mediana. La velocidad de
transmisión es de 187,5 Kbps; otra característica importante es el envío
de paquetes de datos con una capacidad hasta de 22 bits.
3.4.3. Profibus DP
Interfaz de gran aceptación por sus características de interacción con
otros autómatas, lo que permite establecer un red de datos global, el
control del automatismo se hace realmente óptimo con la utilización de
esta, la red utilizada para en el enlace de los dispositivos se conoce como
red LAN. Una característica especial de esta interfaz es que permite el
conexionado del PLC en forma de esclavo o como maestro con el objeto
de generar flexibilidad al sistema.
62
3.4.4. Interfaz Hombre Máquina
La utilización de la tecnología es pieza clave para la industria y los
procesos en general, para lograr buenos resultados es esencial identificar
las necesidades, objeto de evaluación que permite hacer una adecuada
selección de los recursos tecnológicos de modo que en la implementación
se pueda apreciar fácilmente con un solo vistazo el estado del proceso,
realizar control y disposición de variables, vigilar continuamente el estado
de las alarmas, en general una interfaz hombre-máquina busca la
consonancia entre la tecnología y las necesidades del hombre, permite la
comunicación entre el operador y la máquina.
3.5. Lenguajes de programación para los autómatas programables
Los controladores lógicos programables surgen, inicialmente, como reemplazo de la
lógica cableada, la cual hace uso de contactores, relés y temporizadores; de ahí que
los lenguajes de contactos o lenguaje de escalera, guardan estrecha similitud con los
diagramas de control cableado utilizados por los electricistas.
Con la evolución de los controladores lógicos y el surgimiento de nuevas aplicaciones
se crearon otros tipo de lenguajes como el lenguaje de lista de instrucciones;
compuesto por una serie de líneas de programa que contiene las instrucciones a
ejecutar por el PLC, el lenguaje de gráficos de control de secuencias de programación
GRAFCET; los cuales son muy utilizados para atacar problemas de control secuencial
y los lenguajes de funciones; los cuales resultan de gran utilidad para quienes han
estado asociados al desarrollo de circuitos mediante compuertas lógicas, pues su
esquema general se asemeja a este tipo de lógica.
En el presente capítulo se estudian algunas definiciones básicas para entender los
conceptos de direccionamiento y almacenamiento, y algunos aspectos generales de los
lenguajes escalera, ya que el autómata KOYO tiene asociado este tipo de
programación para el desarrollo del control.
3.5.1. Concepto de bit, Byte y palabra
Un bit es un digito binario que puede tomar los valores de “0” o “1”, los
cuales pueden interpretarse respectivamente como “OFF” o “ON”. Un byte
está compuesto por 8 bits, cada uno de los cuales puede tomar el valor 0
o 1. A su vez una palabra está compuesta por 2 bytes. Esto puede ser
verificado gráficamente mediante la Figura 34.
63
Figura 34. Concepto de bit, byte y palabra
3.5.2. Direccionamiento de entradas y salidas
Para realizar un correcto direccionamiento, es necesario identificar las
variables de entrada, salida o marcas de memoria que tiene disponible el
PLC, las cuales se designan mediante una letra; que indica el tipo de
variable, un número; que indica el byte al que se hace referencia, luego un
punto separador y finalmente un número que indica el bit.
Para entender más fácilmente se establece el siguiente ejemplo.
Ejemplo 1. Indicar el direccionamiento para el bit 1 del Byte 0 de la
entrada “E”.
Solución: Para realizar el direccionamiento correcto en el PLC, según los
requerimientos, se establece la ruta E 0.1
Para el ejemplo anterior se escogió la variable E para la entrada, sin
embargo es necesario tener en cuenta que el formato utilizado y las letras
que se usan, varían entre los distintos software. Por esto se debe tener en
cuenta que generalmente para las salidas se utilizan las letras A, Q e Y, y
para las entradas se usan I, E y X.
3.5.3. Contactos abiertos y cerrados
El controlador lógico programable consulta el valor de sus entradas, es
decir si existe o no tensión, en caso de haber tensión asigna un 1 a la
entrada, en caso de no haber tensión corresponde un 0 a esa entrada. Es
importante tener en cuenta que el PLC no tiene la posibilidad de detectar
si está conectado un contacto normalmente cerrado o uno normalmente
abierto, tan solo conoce si existe o no tensión, lo cual puede darse con
cualquiera de los dos casos.
Si en una entrada se conecta un contacto normalmente abierto, se
presentará el estado de señal “1” cuando se accione el contacto. De otra
forma, si a la entrada se conecta un contacto normalmente cerrado, se
64
presentará el estado de señal “0” cuando se accione el contacto. En la
Tabla 7 puede observarse este concepto de manera gráfica.
Tipo de contacto
Esquema Eléctrico
Estado del contacto
Existe tensión
Estado de señal
Normalmente Abierto
(NA)
Accionado Si 1
No accionado No 0
Normalmente Cerrado
(NC)
Accionado No 0
No accionado Si 1
Tabla 7. Contactos N.A y N.C
3.5.4. Simbología básica del Lenguaje de escalera
El lenguaje de escalera presenta gran similitud con los diagramas
eléctricos de la lógica cableada, por tal razón es de fácil entendimiento por
personas con algún contacto previo con las áreas eléctrica o electrónica.
La Tabla 8 presenta la equivalencia entre algunos de los símbolos de la
lógica cableada y los símbolos del lenguaje de escalera.
Tipo de Contacto Eléctrico
Tipo de Contacto LADDER
Esquema Eléctrico
Esquema (LADDER)
Contacto Normalmente
Abierto
(NA)
Entrada Normalmente
Abierta
(NA)
Contacto Normalmente
Cerrado
(NC)
Entrada Normalmente
Cerrada
(NC)
Bobina Salida
Tabla 8. Simbología equivalente en LADDER
65
3.6. Marcas de memoria
En el momento en que se está realizando la programación del PLC, y se trabaja a nivel
de operaciones lógicas con bits, es posible que se presente la necesidad de almacenar
el resultado lógico obtenido en un momento determinado en una línea del programa,
para luego utilizarlo en otro punto del programa. Para tal fin dentro de la CPU de los
autómatas programables, se cuenta con un espacio destinado para las marcas de
memoria. Cada autómata programable cuenta con un número determinado de marcas
de byte, de palabra y de doble palabra. Generalmente se direccionan comenzando con
la letra M seguido de dos números que indican el byte y el bit respectivamente.
Para entender más fácilmente se establece el siguiente ejemplo:
Ejemplo 2: Direccionar en memoria el bit 0 del Byte 0.
Solución: Para esto se debe escribir M 0.0.
El direccionamiento en memoria se realiza de igual manera que el direccionamiento de
entradas y salidas.
3.6.1. Operaciones básicas con bits
En el momento de realizar tareas simples de automatización con entradas
y salidas digitales, las operaciones entre bits son de vital importancia, ya
que mediante este tipo de operaciones se pueden realizar comparaciones,
conteos, temporizaciones, operaciones lógicas entre otras. A continuación
se presentan algunas de las operaciones básicas realizables en los
autómatas programables:
3.6.1.1. Operación AND
Para activar la bobina deben estar en 1 todas las entradas. Si
se realiza el símil con un diagrama de control eléctrico, para
que la corriente fluya a través de la bobina es necesario que los
dos contactos se cierren. En términos eléctricos, esta se
denomina conexión serie. A continuación la Tabla 9 presenta la
tabla de verdad que explica la función and en términos de
lógica digital.
E 0.1 E 0.2 A 4.0
0 0 0
66
1 0 0
0 1 0
1 1 1 Tabla 9. Tabla de verdad función AND
La Figura 35 muestra la equivalencia entre la línea de código
LADDER para la función and y la misma función desarrollada
mediante lógica cableada. Puede observarse que para
energizar la salida A4.0, es necesario tener activadas las
entradas E.01 y E.02 simultáneamente.
Figura 35. Operación AND
3.6.1.2. Operación OR
Para activar la salida debe ponerse en 1 cualquiera de las dos
entradas. En el momento en que se cierre uno de los contactos
la bobina se activará. En términos eléctricos está se denomina
conexión paralelo. A continuación la Tabla 10 presenta la tabla
de verdad que explica la función OR en términos de lógica
digital.
E 0.1 E 0.2 A 4.0
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 1 Tabla 10. Tabla de verdad función OR
67
Puede observarse en la Figura 36 que si se hace el símil con
un diagrama eléctrico de control, la corriente tiene la posibilidad
de fluir a través de cualquiera de los trayectos.
Figura 36. Función OR
3.6.1.3. Bobinas SET y RESET
Las funciones SET y RESET, esto es un “1” o un “0” lógico en
la salida, son utilizadas frecuentemente cuando se requiere
mantener activada o desactivada cualquier entrada, salida o
marca. Ya que estas funciones imponen un dato, permiten
realizar enclavamientos, es decir, mantener la salida activada
aunque se desactive la entrada.
Debe tenerse en cuenta que a cada SET siempre va asociado
un RESET que lo desactiva, pues si una marca o salida está
puesta en “1” permanecerá en este estado hasta que sea
puesta a cero por la función RESET. La Figura 37 presenta la
estructura utilizada en algunos software para las funciones SET
y RESET.
Figura 37. Funciones SET y RESET
3.6.1.4. Temporizadores
Dentro de los autómatas programables se cuenta con
temporizadores internos, que hacen parte de los módulos o
68
instrucciones de programación. Estos son de gran utilidad
cuando se requiere hacer conteos de tiempo, retardos,
activación o desactivación de salidas durante tiempos
establecidos entre otras opciones que dependen de la
necesidad del programador. Cada software presenta
características particulares para los módulos de temporización,
pero en general se pueden diferenciar, temporizadores de
retardo a la conexión y temporizadores de retardo a la
desconexión. La estructura general de los temporizadores
consta de un bloque con una entrada y una salida, además
puede configurarse el tiempo. La forma de configuración
depende de cada programa.
3.6.1.4.1. Temporizadores de retardo a la conexión
En el momento en que se presenta un flanco de subida
en la entrada, el temporizador comienza a contar el
tiempo preestablecido, cuando se cumple este tiempo el
temporizador activa la salida y permanece activada
mientras lo esté también la entrada.
3.6.1.4.2. Temporizador de retardo a la desconexión
Cuando se presenta un flanco de subida en la entrada, la
salida del temporizador se activa, en el momento en que
la entrada pasa d5e 1 a 0, el temporizador comienza a
contar el tiempo que fue configurado, cuando se cumple
el tiempo la salida del temporizador se desactiva.
3.6.1.5. Contadores
Cuando se requiere realizar el conteo de eventos dentro de un
sistema automatizado mediante autómatas programables, se
puede recurrir a los diversos contadores que poseen los
diferentes programas. Dentro de los más conocidos se
encuentran los contadores hacia adelante y contadores hacia
atrás. Todos cuentan con una entrada que detecta el flanco
positivo, es decir la transición de 0 a 1, y cuando esta se
presenta, el contador incrementa o decremento el bit de conteo
de acuerdo al contador que se tenga.
69
CAPÍTULO 4
METODOLOGÍA Y
HERRAMIENTAS
70
4.1. Diseño e Implementación de Módulo Electro-neumático
Basados en el análisis realizado por los estudiantes, de ingeniería electrónica de la
Universidad san Buenaventura Medellín, respecto a las falencias actuales en los
laboratorios de electrónica y automatización, se elabora una propuesta académica
presentada al coordinador de proyectos del área de electrónica en la USB, el objetivo
principal es consolidar el diseño e implementación física de un banco electro neumático
que proporcione espacios y recursos adecuados para los estudiantes de ingeniería en
la adquisición del conocimiento específico en el área de automatización y electro
neumática.
El banco electro neumático es una reproducción a escala de los posibles procesos y
aplicaciones industriales presentes en las industrias actualmente, con este proyecto se
proporcionan las herramientas básicas necesarias que permiten al estudiante la
adquisición de conocimiento relacionado con electro neumática y automatización.
Mediante información contenida en el manual de uso, desarrollado y adicionado al
proyecto para el adecuado manejo del dispositivo. El estudiante está en capacidad para
realizar los montajes de las prácticas propuestas, a la vez que estimula el diseño y
posterior montaje de nuevas prácticas electro-neumáticas. La utilización de dispositivos
mecánicos, eléctricos, electrónicos, en asocio con los sistemas de comunicación e
integración con diferentes software de aplicación.
Para dar inicio al desarrollo del proyecto se conforma un grupo de trabajo compuesto
por diez estudiantes de ingeniería, los cuales tienen la tarea de investigar respecto a
diferentes trabajos presentados en otras universidades de similares o idénticas
características y realizar y búsqueda de propuestas comerciales de módulos similares
ofertados por proveedores de insumos neumáticos con el objeto de aportar
favorablemente en el estado del arte, a su vez son los responsables del diseño e
implementación del módulo electro neumático.
Se da inicio al proceso con la búsqueda de información pertinente que conlleve al
hallazgo de las herramientas adecuadas en el desarrollo del proyecto, para este objeto
se subdivide el grupo de integrantes en tres subgrupos de trabajo encargados cada uno
de la aprehensión de conocimientos que conlleven a un correcto desarrollo del
proyecto. Basados en lo aprendido durante la investigación se comienza por estructurar
el anteproyecto con el objeto de identificar el alcance y finalidad, así como los recursos
71
necesarios que permitan finalizar tangible y objetivamente la propuesta. Revisado y
aprobado el anteproyecto, se procede con la búsqueda de los recursos en el mercado,
esta tarea se realiza mediante visitas a proveedores de insumos electro neumáticos en
la ciudad, solicitud de cotizaciones vía correos electrónicos tanto a nivel nacional como
internacional y aportes de insumos propios de los participantes para el desarrollo del
proyecto, adicionalmente se realizan visitas a entidades de educación superior con el
objeto de referenciar la metodología existente.
Centrados en los objetivos, el alcance, y un estimado del costo total del proyecto se
procede con la ejecución del cronograma de tareas, herramienta indispensable que
aporta orden y presentación para en proyecto, en este se especifican las tareas
asignadas a cada participante del grupo, los recursos que requiere para ejecución y el
tiempo calculado para la entrega de tareas asignadas. Una vez aprobado el
cronograma se da inicio formal al desarrollo del proyecto, cada integrante tiene claro su
objetivo y se comienza a estructurar las tareas, es de anotar que para la asignación de
estas tareas se tienen en cuenta las fortalezas de cada estudiante considerando que
todos los integrantes del grupo son tecnólogos electrónicos y afines a esta disciplina y
que todos se encuentran ejerciendo su profesión.
4.2. Diseño y fabricación de módulo estructural electro neumático
Inicialmente se realiza un bosquejo a mano alzada del módulo, cuando es aprobado
por todo el grupo se procede con la elaboración en formato digital adicionando las
cotas, una vez definido y aprobado se buscan diferentes alternativas respecto al
material a utilizar para la fabricación, siendo consecuentes con las normas de
seguridad se concluye que el módulo debe ser manufacturado en lámina con
recubrimiento de pintura para evitar riesgos de incendio y deterioro por humedad.
Definido el diseño y los materiales para la construcción se procede con la búsqueda del
fabricante, para esto se pidieron varias cotizaciones y la selección final se realizó
mediante criterios de precios, calidad y tiempo de entrega. Las especificaciones y
modelo digital se pueden apreciar en la Figura 38.
72
Figura 38. Módulo electro neumático
4.2.1. Especificaciones Técnicas
Banco de pruebas dimensiones de 180X120X30 con bandeja perforada vertical
para el montaje de los dispositivos electro neumáticos, superficie plana que se
utiliza como soporte central del banco y estación transitoria de los dispositivos, la
parte superior está provista un compartimento de 20X120X30 espacio interno
utilizado para realizar el conexionado entre los elementos electro neumáticos, la
fuente y el PLC, en la parte inferior del módulo se adicionan tres cajoneras sin
cerradura para mayor comodidad en la manipulación de los dispositivos, los
73
laterales pueden ser removidos para efectos de instalación interna de cableado y
tubería neumática, el módulo cuenta además con cuatro rodachinas de 2
pulgadas, lo que permite el desplazamiento del módulo dentro y fuera del
laboratorio.
4.3. Materiales y herramientas
Luego del diseño del prototipo, se adquirieron los diferentes equipos eléctricos,
electrónicos y neumáticos para la construcción del módulo electro-neumático.
DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS
ELEMENTO REFERENCIA
PLC KOYO D0-06DD1-D
SOFTWARE
Software PLC Direc SOFT V 5.2
Software OPC AutomationDirect V 4.201.359
Software Gráfico LABview 6.1
DISPOSITIVOS NEUMÁTICOS
Compresor de aire KTC 431-OL-2006 (1.5 Caballos)
3 Cilindros doble efecto MECMAN (D=20mm Carrera=50mm)
3 Cilindros simple efecto MINDMAN (D=20mm Carrera=50mm)
3 Electroválvulas 3:2 MVSD-180-3E1-NC
3 Electroválvulas 5:2 CHECKMAN4V-210-08
Unidad de Mantenimiento MINDMAN MAFR200
SISTEMA ELÉCTRICO
Fuente de Voltaje MEANWELL (24Vdc a 6.5Amp)
Relevadores FINDED (24Vdc)
Protección eléctrica 2 BRAKERS SNEIDER
Fusible 250Vdc a 500mAmp
12 Microsuiche final de carrera N/A
HERRAMIENTAS
Taladro eléctrico N/A
Cortadora eléctrica N/A
Destornillador de pala N/A
Destornillador de estrella N/A
Extensión eléctrica N/A
Brocas para metal N/A
Broca espada N/A
Destornillador Perillero pala y estrella N/A
Bisturí N/A
Pinza eléctrica N/A
74
Cautín eléctrico N/A
Ponchadora para terminal eléctrica N/A
Soldadura de estaño N/A
Cautín eléctrico N/A
Alicate N/A
OTROS
Banco metálico con lámina perforada, cajoneras, ruedas
N/A
Válvula distribuidora N/A
Unión en codo N/A
Unión en T N/A
Racores N/A
Borneras N/A
Riel metálico para conexiones N/A
Borneras eléctricas N/A
Soporte para cilindro N/A
Riel omega para elementos eléctricos N/A
Manguera neumática de 4mm N/A
Cable eléctrico # 16 y # 18 N/A
Tornillos N/A
Tuercas N/A
Arandelas N/A
Buges N/A
Terminales eléctricas N/A
Terminales de bornera N/A
Conector tipo banana N/A
Unión tipo peine N/A
Pasa muros 4OD N/A
Canaleta plástica N/A
Freno de bornera N/A
Lamina calibre 14 N/A Tabla 11. Lista de elementos
4.4. Diseño de diagramas y planos electro neumáticos
Para el diseño de los diagramas neumáticos se contó con un software de simulación
llamado FLUIDSIM de la firma FESTO, el cual tiene una versión libre en internet en la
cual el estudiante puede utilizar gran porcentaje de las librerías, herramientas que
permiten hacer el diseño y simulación de los diagramas neumáticos incluidas las
conexiones eléctricas además del programa en LADDER , lenguaje interpretado por el
PLC, el cual determina el estado de los actuadores mediante la activación de las
electro válvulas, los diagramas neumáticos pueden ser observados en el ¡Error! No se
75
ncuentra el origen de la referencia., prácticas electro neumáticas. Una vez realizados los
diagramas se procede con la elaboración de los planos electro neumáticos para el
conexionado en el módulo. Para estos planos se utilizó el Excel, herramienta poli
funcional del sistema operativo Windows en el paquete de office, se realizaron 2
revisiones y se concluye con el plano mostrado en la Figura 39, Figura 40, Figura 41.
76
Figura 39. Esquema general del dispositivo
77
Figura 40. Entradas digitales V.0
78
Figura 41. Salidas digitales V.0
79
4.5. Adquisición de elementos electro neumáticos
Como se mencionó anteriormente para la búsqueda de elementos electro neumáticos y
otros insumos requeridos para el desarrollo del proyecto se buscaron diferentes
alternativas con varios proveedores de insumos, la decisión final en consenso con
todos los integrantes del proyecto es utilizar insumos de excelente calidad para
garantizar una vida útil prolongada en asocio con los mantenimientos preventivos
realizados a los dispositivos. La adquisición de los insumos se realizó en diferentes
lugares tanto nacionales como internacionales. El PLC con las licencias de
funcionamiento respectivas se adquirió en México con la compañía Sd/Industrial, la
búsqueda del producto, el contacto con el proveedor y la negociación fue realizada por
los integrantes del grupo, a petición de los Estudiantes de ingeniería el proveedor
emitió la garantía a nombre de la universidad, ya que el proyecto completo se entrega
en calidad de donación a la universidad San Buenaventura. Para la adquisición de los
demás insumos se realizó una valoración costo –beneficio que asociara la calidad, el
bajo costo y la correcta utilización del módulo. Los costos totales de proyecto son
declarados y entregados al igual que las garantías de los dispositivos en documento
dirigido a la coordinación de proyectos de la universidad.
4.6. Montaje de piezas en banco electro neumático
Para realizar el montaje de los elementos en la lámina perforada inicialmente se
presentó una dificultad que consistió en la altura del dispositivo respecto a la lámina
perforada, esto para permitir el libre desplazamiento del vástago el cual acciona los
micro switch o finales de carrera, esta dificultad se resolvió construyendo placas de
acrílico posicionadas en el módulo con racores y tornillos pasantes, sobre estas placas
se montan los dispositivos aportando beneficio y presentación al desarrollo. El diseño
inicial del módulo fue modificado en la parte superior agregando lámina interna que
sirve de doble pared para el montaje de la fuente de voltaje y las borneras de conexión
eléctrica. Las electroválvulas, cilindros y final de carrera son ensamblados en la lámina
sobre las placas de acrílico mencionadas anteriormente, la Figura 42 es un ejemplo
claro del montaje.
80
Figura 42. Montaje de piezas en lámina perforada
Los elementos electro neumáticos son distribuidos en la placa de tal forma que
proporcione un óptimo desempeño de las prácticas, cada actuador tiene asociada una
electroválvula con las respectivas conexiones eléctricas y neumáticas, así como las
señales de entradas al PLC que para estas prácticas están representadas con los
micro swiches o finales de carrera, la disposición final de los elementos se determina
de acuerdo a las especificaciones de funcionalidad y espacio en el módulo, la Figura
43, Figura 44 y Figura 45 representan la distribución mencionada anteriormente así
como la bornera superior para conexión de cableado externo que lleva las señales al
PLC.
81
Figura 43. Posicionado de elementos y riel de conexionado
Figura 44. Unidad de mantenimiento
82
Figura 45. PLC Direct 06
4.7. Programación y control del PLC (Controlador Lógico Programable)
para el automatismo del módulo electro neumático
Para el proyecto de Diseño e Implementación del Módulo electro-neumático se
comienza trabajando con un PLC KOYO de la familia DLO6. El software utilizado para
la programación del PLC, es el DirectSOFT, un software de Automation Direct que
soporta los PLCs de ésta familia. Inicialmente se instala en programa en un sistema
operativo Windows NT, XP, Vista ó 7 (siendo la última opción, la menos recomendada
debido a posibles problemas de comunicación). Una vez instalado se accede al
programa, se crea un Nuevo proyecto y se procede a programar en LADDER (lenguaje
escalera) en base al tipo de contactores usados.
83
4.8. Pruebas de implementación
Luego de la implementación de los elementos eléctricos y neumáticos en el módulo, y tras el desarrollo del software, se realizaron pruebas de conexión eléctrica y de aire, para asegurar que los instrumentos estuviesen conectados de la forma correcta y así minimizar la probabilidad de fugas y descargas eléctricas
CABLE TIPO DESDE HASTA NOTAS Y REFERENCIAS
No AWG ELEMENTO BORNE PLANO ELEMENTO BORNE PLANO
1 18 PLC: DI C1 N/A Bornera 24Vdc 12 N/A Cosido común (-) entradas digitales
2 18 PLC: DI C1 N/A PLC: DI C2 N/A Cosido común (-) entradas digitales
3 18 PLC: DI C2 N/A PLC: DI C3 N/A Cosido común (-) entradas digitales
4 18 PLC: DI C3 N/A PLC: DI C4 N/A Cosido común (-) entradas digitales
5 18 PLC: DI X4 N/A Bornera Banana 25 N/A Entrada digital final de carrera 1
6 18 PLC: DI X5 N/A Bornera Banana 26 N/A Entrada digital final de carrera 2
7 18 PLC: DI X6 N/A Bornera Banana 27 N/A Entrada digital final de carrera 3
8 18 PLC: DI X7 N/A Bornera Banana 28 N/A Entrada digital final de carrera 4
9 18 PLC: DI X10 N/A Bornera Banana 29 N/A Entrada digital final de carrera 5
10 18 PLC: DI X11 N/A Bornera Banana 30 N/A Entrada digital final de carrera 6
11 18 PLC: DI X12 N/A Bornera Banana 31 N/A Entrada digital final de carrera 7
12 18 PLC: DI X13 N/A Bornera Banana 32 N/A Entrada digital final de carrera 8
13 18 PLC: DI X14 N/A Bornera Banana 33 N/A Entrada digital final de carrera 9
14 18 PLC: DI X15 N/A Bornera Banana 34 N/A Entrada digital final de carrera 10
15 18 PLC: DI X16 N/A Bornera Banana 35 N/A Entrada digital final de carrera 11
16 18 PLC: DI X17 N/A Bornera Banana 36 N/A Entrada digital final de carrera 12
17 18 PLC: DO (-) N/A PLC: DO C0 N/A Cosido común (-) salidas digitales
18 18 PLC: DO C0 N/A PLC: DO C1 N/A Cosido común (-) salidas digitales
19 18 PLC: DO Y2 N/A Relé 1 A2 N/A Salida digital electroválvula 1
20 18 PLC: DO Y3 N/A Relé 2 A2 N/A Salida digital electroválvula 2
84
21 18 PLC: DO Y4 N/A Relé 3 A2 N/A Salida digital electroválvula 3
22 18 PLC: DO Y5 N/A Relé 4 A2 N/A Salida digital electroválvula 4
23 18 PLC: DO Y6 N/A Relé 5 A2 N/A Salida digital electroválvula 5
24 18 PLC: DO Y7 N/A Relé 6 A2 N/A Salida digital electroválvula 6
25 N/A Bornera 24Vdc 1 N/A Relé 6 A1 N/A Cosido (+) Relés
26 N/A Relé 6 A1 N/A Relé 5 A1 N/A Cosido (+) Relés
27 N/A Relé 5 A1 N/A Relé 4 A1 N/A Cosido (+) Relés
28 N/A Relé 4 A1 N/A Relé 3 A1 N/A Cosido (+) Relés
29 N/A Relé 3 A1 N/A Relé 2 A1 N/A Cosido (+) Relés
30 N/A Relé 2 A1 N/A Relé 1 A1 N/A Cosido (+) Relés
31 N/A Relé 1 13 N/A Bornera 24Vdc 1(+) N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele1
32 N/A Relé 2 13 N/A Bornera 24Vdc 2 (+) N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele2
33 N/A Relé 3 13 N/A Bornera 24Vdc 3 (+) N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele3
34 N/A Relé 4 13 N/A Bornera 24Vdc 4 (+) N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele4
35 N/A Relé 5 13 N/A Bornera 24Vdc 5 (+) N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele5
36 N/A Relé 6 13 N/A Bornera 24Vdc 6 (+) N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele6
37 N/A Relé 1 14 N/A Bornera Banana 37 N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele1
38 N/A Relé 2 14 N/A Bornera Banana 38 N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele2
39 N/A Relé 3 14 N/A Bornera Banana 39 N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele3
40 N/A Relé 4 14 N/A Bornera Banana 40 N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele4
41 N/A Relé 5 14 N/A Bornera Banana 41 N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele5
42 N/A Relé 6 14 N/A Bornera Banana 42 N/A Positivo (+) contacto auxiliar NO rele6
43 N/A Bornera 24Vdc 1 (-) N/A Bornera Banana 48 N/A Cosido (-) Relés
44 N/A Bornera Banana 48 N/A Bornera Banana 47 N/A Cosido (-) Relés
45 N/A Bornera Banana 47 N/A Bornera Banana 46 N/A Cosido (-) Relés
46 N/A Bornera Banana 46 N/A Bornera Banana 45 N/A Cosido (-) Relés
47 N/A Bornera Banana 45 N/A Bornera Banana 44 N/A Cosido (-) Relés
48 N/A Bornera Banana 44 N/A Bornera Banana 43 N/A Cosido (-) Relés
No DETALLE APROBÓ FECHA DIGITO
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA PROYECTO
1 OK AMCT 17/11/2010 EQUIPO RELACIONADO COORDINADOR Andrés M. Cárdenas
2 OK AMCT 12/02/2011 ELABORO Mauricio Quijano
TABLERO ELECTRO NEUMÁTICO ARCHIVO
FECHA Nov. 17 de 2010
Tabla 12. Lista de chequeo del sistema eléctrico
85
Al obtener los resultados vistos en la Tabla 12, se realizó la verificación de los instrumentos neumáticos.
Elemento Ubicación Estado Acción NO PASA OK
-Procedimiento CILINDRO SIMPLE EFECTO 1 TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERIFICAR FUGAS DEL CILINDRO X
CILINDRO SIMPLE EFECTO 2 TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERIFICAR FUGAS DEL CILINDRO X
CILINDRO SIMPLE EFECTO 3 TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERIFICAR FUGAS DEL CILINDRO X
CILINDRO DOBLE EFECTO 4 TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERFICAR FUGAS DEL CILINDRO X
CILINDRO DOBLE EFECTO 5 TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERIFICAR FUGAS DEL CILINDRO X
CILINDRO DOBLE EFECTO 6 TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERFICAR FUGAS DEL CILINDRO X
ELECTROVALVULA 3/2 - 24V (1) TABLERO ELECTRO-NEUMÁTICA ENERGIZADO VERIFICAR ACTIVACION DE SOLENOIDE X
RACORES ELECTROVALVULA PRESURIZADO VERIFICAR FUGAS EN RACORES X
ELECTROVALVULA 3/2 - 24V (2) TABLERO ELECTRO-NEUMÁTICA ENERGIZADO VERIFICAR ACTIVACION DE SOLENIDE X
RACORES ELECTROVALVULAS PRESURIZADO VERIFICAR FUGAS EN RACORES X
ELECTROVALVULA 3/2 - 24V (3) TABLERO ELECTONEUMÁTICO ENERGIZADO VERIFICAR ACTIVACION DE SOLENOIDE X
RACORES ELECTROVALVULAS PRESURIZADO VERIFICAR FUGAS EN RACORES X
ELECTROVALVULA 5/2 - 24V (4) TABLERO ELECTRONEUMÁTICO ENERGIZADO VERIFICAR ACTIVACION DE SOLENOIDE X
RACORES ELECTROVALVULAS PRESURIZADO VERIFICACION FUGAS EN RACORES X
ELECTROVALVULA 5/2 - 24V (5) TABLERO ELECTRONEUMÁTICO ENERGIZADO VERIFICAR ACTIVACION DE SOLENOIDE X
RACORES ELECTRO-NEUMÁTICA PRESURIZADO VERIFICACION DE FUGAS EN RACORES X
ELECTROVALVULA 5/2 - 24V (6) TABLERO ELECTRONEUMÁTICO ENERGIZADO VERIFICAR ACTIVACION DE SOLENOIDE X
RACORES ELECTROVALVULAS PRESURIZADO VERIFICACION DE FUGAS EN RACORES X
MODULO DE ELECTROVALVULAS 5/2 TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERIFCACION DE FUGAS X
FUENTE DE VOLTAJE 24V TABLERO ELECTRONEUMÁTICO ENERGIZADO VERIFICAR 24V SALIDA X
UNIDAD DE MANTENIMIENTO TABLERO ELECTRONEUMÁTICO PRESURIZADO VERIFICACION DE FUGAS X
Tabla 13. Lista de chequeo del sistema neumático
86
4.9. Resultados
El programa presenta ciertas dificultades de programación con la plataforma Windows 7; y no es soportado por Linux (algunos de nosotros manejamos Macintosh).
En el momento de la instalación, durante la compilación de los archivos al computador, existen opciones que no se muestran en los manuales pero que deben ser seleccionadas para el óptimo funcionamiento del software.
Cuando se elige el Puerto de comunicaciones COM, se debe seleccionar None para el bit de paridad. Pero cuando se está configurando el Kepdirect (programa para la comunicación del PLC con LABview), debe elegirse la opción Odd para el bit de paridad, de otra manera no se establecerá la comunicación entre éstos dos elementos.
Al comienzo del proyecto se utiliza un OPC server llamado DS Data (Data server), el cual requería que en LABview se usara el DATA SOCKET. Al realizar la adquisición del PLC, se aprecia que el OPC server que se estaba utilizando, se encuentra obsoleto en el Mercado, por lo que fue necesario adquirir un software diferente, Kepdirect. Al usar éste programa se da continuidad programando como se hacía con el previo software en LABview, el resultado arrojó errores de comunicación y la falta de adquisición de datos desde el LABview hacia el PLC. Hallar el error fue una tarea que tardo alrededor de una semana, éste nuevo software de Automatización DIrect no necesita la ayuda del Data Socket para la lectura, interpretación y escritura de datos desde el LABview hacia el PLC, y viceversa.
87
CAPÍTULO 5
PRÁCTICAS ELECTRO-NEUMÁTICAS
88
A continuación se describen diez prácticas a desarrollar en un módulo Electro-
neumático. Cada una de ellas da cuenta de un proceso industrial, su desarrollo, los
elementos físicos usados en cada una, una tabla de etapas y secuencias y un
diagrama de flujo que ilustra el proceso secuencialmente.
Objetivos de las prácticas
Describir diferentes secuencias donde se puedan usar los actuadores que se incluyen
dentro del módulo electro-neumático.
Ilustrar ejemplos industriales reales donde pueden usarse cilindros de simple y doble
efecto.
Brindar al estudiante conocimientos sobre diferentes prácticas industriales y permitirles
desarrollarlas.
Diseñar códigos en LADDER para el PLC, como controlador de las secuencias
realizables en el módulo.
Convenciones a usar en las prácticas
Para el desarrollo de las prácticas, se establecieron las siguientes convenciones.
Tipo de Variable Valor
Entrada +
Cilindro CX(1,…,6)
Secuencia , Tabla 14. Convención general
89
Práctica Nº1
Proceso de Agrupación y Disposición de Piezas
Una banda transportadora mueve unas piezas dispuestas en serie organizadamente.
La banda realiza su recorrido y se detiene al contar tres piezas, luego a cada una de
ellas, se le estampan marcas y continúan su marcha. Al final del recorrido las tres
piezas son recogidas por unas ventosas y posteriormente soltadas en una caja
dispuesta en una matriz de 3x3, para su almacenamiento.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro de estampación.
C2: Cilindro de sujeción vertical para recolección y disposición de piezas.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 SECUENCIA
1 +; - Sale y entra cilindro de estampación. Se efectúa estampación simultánea de tres piezas.
2 + Sale sistema de sujeción de piezas, el cual es accionado por un cilindro neumático.
3 - Entra sistema y suelta las piezas sobre un compartimiento.
Tabla 15. Sistema de agrupación y disposición de piezas secuencial Práctica 1
La Tabla 15 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para la agrupación y disposición de piezas en cada una de las
etapas 1,2 y 3.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
90
Diagrama de flujo práctica Nº1
Figura 46. Diagrama de flujo Práctica 1
91
Diagrama neumático práctica Nº1
Figura 47. Diagrama de neumático Práctica 1
2
1 3
4 2
5
1
3
92
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
1 cilindro de simple efecto
1 cilindro de doble efecto
1 electro válvula 3/2 vías
1 electroválvula 5/3 vías
2 finales de carrera
2 principio de carrera
93
Práctica Nº2
Sistema de Empaquetado y Almacenamiento de Piezas
En un sistema de alimentación de piezas, las piezas deben tener un peso específico.
Las piezas provienen de un depósito y caen en una báscula. Una vez allí la pieza es
pesada. Si ésta cumple con el peso requerido la aleta de la báscula abre el paso para
que dicha pieza caiga. Si el peso es debido, la pieza se empuja hacia una banda
transportadora donde posteriormente cae en una bolsa que requiere ser sellada por
calentamiento. Finalmente la pieza cae a una unidad de levantamiento para ser llevada,
dispuesta y almacenada.
Elementos de Trabajo
C1: Aleta basculante actuada por cilindro.
C2: Cilindro de empuje.
C3: Cilindro de Sellado
C4: Cilindro de Levantamiento
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 C4 C1 C2 SECUENCIA
1 + + La pieza es empujada hacia la banda.
2 - - Entra el vástago.
3 + Sale cilindro que se encarga de sellar las bolsas.
4 - Entra el vástago del cilindro de sellado.
5 + Sale cilindro de levantamiento para llevar piezas a almacenaje.
6 - Entra el vástago del cilindro de levantamiento.
Tabla 16. Sistema de agrupación y disposición de piezas secuencial Práctica 2
La Tabla 16 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el empaquetado y almacenamiento de piezas en cada una de
las etapas; 1, 2, 3, 4,5 y 6.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
94
Diagrama de Flujo
Figura 48. Diagrama de flujo Práctica 2
95
Diagrama neumático práctica Nº2
Figura 49. Sistema de empaquetado y almacenamiento de piezas
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
2
1 3
96
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
2 cilindro de simple efecto
2 cilindro de doble efecto
1 electro válvula 3/2 vías
2 electroválvula 5/3 vías
4 finales de carrera
4 principio de carrera
97
Práctica Nº3
Llenado de Bultos
En un proceso de empaque de almidón se tiene una máquina empacadora de una
boquilla para bultos de 50 Kg, la alimentación de los sacos en la máquina se hace de
manera manual.
El operario monta el bulto vacío en la boquilla y da arranque a la máquina. De un
tanque de almacenamiento sale almidón hacia los sacos hasta alcanzar el peso
deseado. Se cierra la salida del tanque y se finaliza el proceso con la descarga de los
mismos.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro sujetador.
C2: Cilindro de la Guillotina
C3: Cilindro de descarga
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 PROCESO
1 + C1 sujeta el saco
2 + Sale cilindro para abrir válvula guillotina del tanque.
3 - - Se cierra el cilindro cuando el peso al interior del saco es de 50 Kg. Entra C1.
4 + Sale C3 para descargar el saco
5 + Entra C3 luego de 10 segundos tras haber descargado el saco.
Tabla 17. Etapas del sistema de llenado de bultos secuencial
La Tabla 17 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el llenado de bultos en cada una de las etapas; 1, 2, 3 ,4 y 5.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
98
Diagrama de Flujo
Figura 50. Diagrama de flujo Práctica 3
99
Diagrama neumático práctica Nº3
Figura 51. Llenado de bultos
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
100
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
3 cilindro de doble efecto
3 electroválvula 5/3 vías
3 finales de carrera
3 principio de carrera
101
Práctica Nº4
Sistema Lavado de Autos
En un sistema de lavado de autos se tienen cuatro secuencias. Una primera secuencia
corresponde al sistema de rocío de agua y jabón de los autos. Una segunda secuencia
corresponde a los cepillos que limpian la superficie de los vehículos. La tercera
secuencia es el enjuague final de los autos a través de rocío de agua. En la cuarta
secuencia se tiene el secado por medio de un secador dispuesto sobre el paso del
auto.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro del aspersor de agua y jabón.
C2: Cilindro de los cepillos.
C3: Cilindro del aspersor de agua.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 SECUENCIA
1 + Sale cilindro que sostiene el aspersor 1 (rocío con agua y jabón).
2 - Entra el aspersor después de 60 segundos de rocío.
3 + Sale cilindro que sostiene los cepillos.
4 - El automóvil avanza lentamente mientras es cepillado. El tiempo de duración del proceso es de tres minutos.
5 + Sale cilindro que sostiene el aspersor 2 (rocío con agua limpia).
6 - Entra el aspersor después de 70 segundos de rocío. Tabla 18. Etapas secuenciales sistema de lavado de autos
La Tabla 18 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el lavado de autos en cada una de las etapas; 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
102
Diagrama de Flujo
Figura 52. Diagrama de flujo Práctica 4
103
Diagrama neumático práctica Nº4
Figura 53. Sistema de lavado de autos
2
1 3
2
1 3
2
1 3
104
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
3 cilindro de simple efecto
3 electroválvula 3/2 vías
3 finales de carrera
3 principio de carrera
105
Práctica Nº5
Sistema de Taladrado de Piezas
En una empresa donde se requiera taladrar una pieza en un punto específico, se
tendrá un cilindro elevador para ubicar la pieza, dos cilindros de tope para sostener fija
la base de la misma, y un taladro automático, el cual es accionado por un cilindro y que
perfora la pieza.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro elevador.
C2: Cilindro de sujeción horizontal.
C3: Cilindro del taladro.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 SECUENCIA
1 + Sale cilindro del elevador.
2 + Salen cilindros de sujeción horizontal.
3 + Baja taladro y perfora la pieza.
4 - Entra taladro.
5 - Entran cilindros de sujeción una vez se ha terminado el taladrado.
6 - Entra cilindro del elevador una vez esté suelta la pieza. Tabla 19. Etapas en secuenciales sistema de lavado de piezas
La Tabla 19 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el taladrado de piezas en cada una de las etapas; 1, 2, 3, 4, 5 y
6.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
106
Diagrama de Flujo
Figura 54. Diagrama de flujo Práctica 5
107
Diagrama neumático práctica Nº5
Figura 55. Sistema de taladrado de piezas
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
2
1 3
108
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
1 cilindro de simple efecto
2 cilindro de doble efecto
1 electroválvula 3/2 vías
2 electroválvula 5/3 vías
3 finales de carrera
3 principio de carrera
109
Práctica Nº6
Sistema de Llenado de Envases
En una embotelladora se tienen tres procesos. Los envases vacíos viajan por una
banda transportadora en grupos de cuatro. Un sistema de llenado con cuatro boquillas
se acciona cada cierto tiempo. Al terminar éste proceso las botellas llenas de líquido
continúan su desplazamiento por la banda, para ser posteriormente tapadas y en un
tercer proceso etiquetadas con fecha de vencimiento.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro de sistema de llenado.
C2: Cilindro del mecanismo de tapado.
C3: Cilindro de etiquetamiento.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 SECUENCIA
1 + Sale cilindro de sistema de llenado.
2 - Entra cilindro sistema de llenado luego de 10 segundos de proceso
3 + ; - Sale cilindro sistema de tapado y entra luego de un segundo.
4 + ; - Sale cilindro de proceso de etiquetado. Tabla 20. Etapas secuenciales de sistema llenado de envases
La Tabla 20 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el taladrado de piezas en cada una de las etapas; 1, 2, 3 y 4.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
110
Diagrama de Flujo
Figura 56. Diagrama de flujo Práctica 6
111
Diagrama neumático práctica Nº6
Figura 57. Sistema de llenado de envases
2
1 3
2
1 3
4 2
5
1
3
112
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
2 cilindro de simple efecto
1 cilindro de doble efecto
2 electroválvula 3/2 vías
1 electroválvula 5/3 vías
3 finales de carrera
3 principio de carrera
113
Práctica Nº7
Sistema de Apilado de Bultos
En un sistema de apilado de bultos de cemento se cuenta con un distribuidor de sacos,
el cual se encarga, junto con dos desviadores de saco de formar capas de cinco sacos
y así lograr un apilado seguro y uniforme. Una vez se forma la capa, entra un
dispositivo que lleva uno a uno los sacos hasta una mesa de depósito, la cual cuenta
con dos compuertas que se abren automáticamente y dejan caer los bultos en una
estiba; ésta última iniciará un descenso vertical hasta completar ocho tramas de cinco
bultos cada una.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro distribuidor de sacos.
C2: Cilindro desviador de sacos 1.
C3: Cilindro desviador de sacos 2.
C4: Cilindro empujador de sacos.
C5: Cilindro guillotina.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 C4 C5 SECUENCIA
1 + El cilindro distribuidor de sacos toma una posición favorable para el envío de sacos al desviador 1.
2 + Sale el cilindro desviador de sacos 1 y completa la secuencia de tres sacos.
3 - - El cilindro distribuidor de sacos toma una posición favorable para el envío de sacos al desviador 2. Entra el desviador de sacos 1.
4 + Una vez se ha logrado una capa de cinco bultos, entra el empujador de capas. Los bultos son desplazados hasta la mesa de depósito.
5 - - Entran dos cilindros guillotina para dejar caer los bultos en una estiba. Sale el empujador de capas.
6 + Salen los cilindros guillotina cinco segundos después de haber descargado la capa de bultos.
7 + Sale el cilindro desviador de sacos 2 y completa la secuencia de tres sacos.
8 - Entra el cilindro y se repite de nuevo el ciclo. Tabla 21. Etapas secuenciales sistema de apilado de tubos
114
La Tabla 21 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el taladrado de piezas en cada una de las etapas; 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7 y 8.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
115
Diagrama de Flujo
Figura 58. Diagrama de flujo Práctica 7
116
Diagrama neumático práctica Nº7
Figura 59. Sistema de apilado de bultos
2
1 3
2
1 3
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
117
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
2 cilindro de simple efecto
3 cilindro de doble efecto
2 electroválvula 3/2 vías
3 electroválvula 5/3 vías
5 finales de carrera
5 principio de carrera
118
Práctica Nº8
Sistema de Fabricación de Ladrillos
En un proceso de fabricación de ladrillos de cemento se tiene una banda que
transporta el cemento hasta una tolva donde es almacenado. Una vez llena, se abre
una compuerta por medio de un cilindro y deja caer el material a un recipiente que
posee un sensor; cuando el material llega hasta el tope permitido la compuerta se
cierra, sale un cilindro de empuje y lleva el recipiente hasta la mesa de moldeado. El
cilindro se agita dos veces, deja el recipiente sobre la mesa y vuelve a su estado inicial.
Una vez en la mesa, baja un cilindro pisador y forma tres ladrillos, en el proceso
interviene un agitador que ayuda a unificar los materiales con los cuales se fabricarán
los ladrillos. Al terminar ésta secuencia, entra el cilindro pisador, sube un cilindro
desmoldador para liberar los ladrillos recién formados, un cepillo entra a retirar la
rebaba en los ladrillos y realiza una secuencia de cepillado de 5 segundos. Finalmente
sale un brazo a retirar los ladrillos de la mesa.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro de compuerta de la tolva.
C2: Cilindro horizontal de empuje.
C3: Cilindro vertical pisador.
C4: Cilindro de desmolde.
C5: Cepillo horizontal.
C6: Brazo horizontal.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 C4 C5 C6 SECUENCIA
1 + Sale cilindro de compuerta de la tolva y deja caer cemento en un recipiente.
2 - El tope de llenado es alcanzado en el recipiente. Entra el cilindro de la compuerta de la tolva.
3 + ; - + ; -
Sale cilindro horizontal de empuje. Realiza una doble secuencia y entra.
4 +
Sale cilindro pisador y sostiene el material compactándolo. Un sistema entra simultáneamente a agitar los materiales.
119
5 - Entra cilindro pisador después de ocho segundos.
6 + Sale cilindro de desmolde y libera los ladrillos.
7 + ; -
Sale cepillo y elimina exceso de cemento en los ladrillos. Luego de una secuencia de cinco segundos regresa a su posición inicial.
8 + ; - Sale brazo horizontal y retira los ladrillos de la mesa.
9 - Entra cilindro de desmolde. Tabla 22. Etapas secuenciales sistema de fabricación de ladrillos
La Tabla 22 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el taladrado de piezas en cada una de las etapas; 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8 y 9.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
120
Diagrama de Flujo
Figura 60. Diagrama de flujo Práctica 8
121
Diagrama neumático práctica Nº8
Figura 61. Sistema de fabricación de ladrillos
2
1 3
2
1 3
2
1 3
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
122
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
3 cilindro de simple efecto
3 cilindro de doble efecto
3 electroválvula 3/2 vías
3 electroválvula 5/3 vías
6 finales de carrera
6 principio de carrera
123
Práctica Nº9
Sistema de Fabricación de Ollas
En un proceso de fabricación de ollas se tiene un troquel con la forma de la olla
deseada y sobre éste una lámina de acero. Un cilindro de embutido profundo
posicionado verticalmente baja a doblar la lámina dándole la forma del troquel. Un
brazo horizontal con tres ventosas baja cada seis segundos recogiendo moldes listos y
viajando horizontalmente. El molde es llevado a un nuevo troquel para realizar el
mismo proceso, ésta vez con un molde más pequeño. El molde es llevado ahora a un
cilindro de giro para realizar el acabado de los bordes.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro de embutido profundo.
C2: Cilindro desmoldador.
C3: Cilindro de posicionamiento 1.
C4: Cilindro de posicionamiento 2.
C5: Cilindro reductor.
C6: Cilindro de giro.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 C4 C5 C6 SECUENCIA
1 + ; - Sale cilindro de embutido profundo. Moldea lámina y regresa a su posición inicial.
2 - Entra cilindro desmoldador.
3
+ Sale cilindro de posicionamiento con ventosas, baja, toma la olla y avanza hacia adelante.
4 - + ; -
Sale cilindro de posicionamiento 2, para en una nueva posición y baja para posicionar la olla sobre un nuevo troquel. Entra cilindro C3.
5 + Sale cilindro desmoldador.
6 + ; - Sale cilindro reductor. Moldea la olla y regresa a su posición inicial.
7 + ; - Sale cilindro de giro y da forma a los bordes. Luego de 20 segundos regresa a su posición.
Tabla 23. Etapas secuenciales sistema de fabricación de ollas
124
La Tabla 23 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el taladrado de piezas en cada una de las etapas; 1, 2, 3, 4, 5,
6 y 7.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema.
125
Diagrama de Flujo
Figura 62. Diagrama de flujo Práctica 9
126
Diagrama neumático práctica Nº9
Figura 63. Sistema de fabricación de ollas
2
1 3
2
1 3
2
1 3
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
4 2
5
1
3
127
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
3 cilindro de simple efecto
3 cilindro de doble efecto
3 electroválvula 3/2 vías
3 electroválvula 5/3 vías
6 finales de carrera
6 principio de carrera
128
Práctica Nº10
Sistema para Compactar Cartón
En un proceso industrial para compactar cartón se tiene una tolva para contener el
material. Una vez se encuentra llena, se abre una compuerta y deja caer el cartón a un
cajón, en éste entran dos placas de zunchos, se amarra y compacta el cartón en
paquetes para ser almacenados.
Elementos de Trabajo
C1: Cilindro de apertura de la tolva.
C2: Cilindro pisador.
C3: Cilindro de placa de zunchos.
C4: Cilindros de empuje 1.
C5: Cilindro de empuje 2.
C6: Cilindro de ubicación.
ETAPA ACTUADOR
C1 C2 C3 C4 C5 C6 SECUENCIA
1 + ; - Sale cilindro de apertura de la tolva. Se queda abierto durante 10 segundos y se cierra de nuevo.
2 + Sale cilindro pisador y comprime cartones al interior del cajón.
3
+ Sale cilindro de placa de zunchos y se posiciona justo delante de la posición del pisador.
4 +
Salen cilindros de empuje 1, atraviesan ranuras en la placa de zunchos y un operario introduce zunchos metálicos por sus orificios.
5 +
Un operario introduce en los orificios de los cilindros de empuje 2 zunchos. Dichos cilindros salen en el extremo opuesto a la placa de zunchos. El operario une los extremos y realiza el zunchado para formar un paquete de cartón.
6 - Entra el cilindro pisador.
7 - - Entra los cilindros de empuje 1 y 2.
8 - Entra cilindro placa de zunchos.
129
9 + ; -
Sale cilindro de ubicación y empuja el paquete recién formado de cartón hasta una banda transportadora. Seis segundos después entra y vuelve a su posición inicial.
Tabla 24. Etapas secuenciales sistema compactador de cartón
La Tabla 24 muestra los movimientos de entrada y salida de los cilindros involucrados
en las secuencias, para el taladrado de piezas en cada una de las etapas; 1, 2, 3, 4, 5,
6, 7, 8 y 9.
Para la comprensión de las convenciones referirse a la Tabla 14.
El siguiente diagrama de flujo muestra en detalle la manera en la que fluyen los
procesos en el sistema
130
Diagrama De Flujo
Figura 64. Diagrama de flujo Práctica 10
131
Diagrama neumático práctica Nº10
Figura 65. Sistema para compactar cartón
4 2
5
1
3
2
1 3
4 2
5
1
3
2
1 3
4 2
5
1
3
2
1 3
132
Materiales
Para desarrollar esta práctica, el estudiante deberá utilizar los siguientes materiales.
1 compresor
1 unidad de mantenimiento
3 cilindro de simple efecto
3 cilindro de doble efecto
3 electroválvula 3/2 vías
3 electroválvula 5/3 vías
6 finales de carrera
6 principio de carrera
133
TRABAJO FUTURO
A partir del diseño e implementación del módulo electro-neumático con interfaz de
Comunicación en LABVIEW, se crea la oportunidad de trabajar en una serie de
implementaciones que además de aportar mayor valor al módulo, propician el estudio
de diversas áreas afines y propias de la ingeniería electrónica. A continuación se
presentan algunas de las posibles ampliaciones realizables en el módulo:
Se propone la implementación de válvulas de servo control, y el diseño de servo
controladores de sistemas neumáticos, para ampliar el espectro de aplicaciones, a
sistemas que requieran de control de presión, velocidad y posicionamiento con lazos
cerrados de control.
Diseño e implementación de manipuladores neumáticos que permitan el
posicionamiento de piezas en el espacio, mediante el uso de actuadores como
ventosas y pinzas
El módulo didáctico en electro-neumática constituye una potencial aplicación para la
práctica con sensores de proximidad, ya que pueden incluirse sensores inductivos y
capacitivos como reemplazo de los finales de carrera electromecánicos que
actualmente posee el módulo.
134
RECOMENDACIONES
Se presentan los cuidados específicos, las recomendaciones de seguridad y
mantenimiento para el módulo didáctico.
Para prevenir la corrosión del tanque del compresor, debe drenarse cada
semana abriendo la válvula de purga.
No debe excederse una presión de 145 psi.
En el momento de realizarse conexiones eléctricas y neumáticas debe contarse
con la supervisión del docente capacitado en el manejo del módulo.
Verifique que la fuente de alimentación externa se encuentre ajustada a 24Vdc.
El regulador de aire de la unidad de mantenimiento debe encontrarse ajustada
en 60 psi, para garantizar el funcionamiento de los actuadores.
Verificar que el nivel de aceite del lubricador de la unidad de mantenimiento se
encuentre entre la mitad del tanque y la marca de máximo nivel.
Verificar que al activar los microsuiches se encienda el LED correspondiente en
la entrada del PLC, con lo cual verifica que corresponde a la entrada
direccionada en el programa, y que se está energizando.
135
BIBLIOGRAFÍA
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Beater, P. (2007). Pneumatic Drives: System Design, Modelling and Control. Alemania:
Springer.
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Carulla, M., & Lladonosa, V. (1998). Circuitos Básicos de Neumática. Barcelona,
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