TECNOLOGIAS DE AUTOMATIZACIONEJEMPLOS DE APLICACION

A. AUTOMATISMOS ELECTRICOS

Un automatismo eléctrico constará de uno o varios circuitos cuya finalidad es la de alimentar eléctricamente a actuadores encargados de realizar un trabajo. Este trabajo será típicamente mecánico aunque también podría ser calorífico, o generar un aviso luminoso, sonoro, etc. El resultado del actuador también podría ser la conexión de sistemas de potencia o generadores eléctricos.

Partes de un automatismo eléctricoCuando se pretende alimentar un actuador o sistema eléctrico permitiendo cierto grado de maniobra es conveniente separar el esquema eléctrico en:- Circuito principal o de potencia y- Circuito secundario, de mando o de control

El circuito de potencia será el encargado de transmitir la potencia al elemento accionado. Constará de tres o cuatro hilos o conductores en el caso de alimentación alterna trifásica o de dos hilos en caso de alimentación monofásica o de corriente continua y a los niveles adecuados de tensión.

El circuito de mando será el encargado de realizar las funciones de temporización, autorretención, enclavamiento, etc. que nos permitan un mayor control del proceso o dispositivo. Consta de dos hilos porque se trabaja generalmente con alimentación alterna monofásica (220V o menor) o alimentación continua (48V, 24V, 12V).

De este modo, al separar el circuito en dos, se consigue:- Simplificación en los esquemas, se trabaja con dos esquemas diferentes más sencillos.- Ahorro en cableado, el control se encarga a un circuito monofásico en vez de trifásico.- Ahorro en los elementos, a los elementos del circuito de mando no se les exigen las

mismas características que a los de potencia.

Elementos de un automatismo eléctricoLos principales elementos de los automatismos eléctricos son:

Dispositivos de maniobraContactorElectroválvula (neumática o hidráulica)

Dispositivos de protecciónFusibleInterruptor electromagnético (breaker)Relé térmicoRelé termomagnéticoGuardamotor (maniobra y protección)

Dispositivos de mandoPulsador (paro de emergencia, pulsador de marcha, pulsador de paro) y selectorInterruptor de posición o final de carreraDetector (inductivo, capacitivo, fotoeléctrico)PresóstatoTermostatoRelé auxiliarRelé temporizador

Dispositivos de señalizaciónOpticos (luz piloto)Acústico (zumbadores o timbres)

EJEMPLO DE APLICACION

Automatización de un pulper para celulosa

Descripción del procesoEl pulper de celulosa consta de las siguientes partes:- Pulper- Banda transportadora- Bomba de agua- Bomba de pasta- Dosificación de químicos

El proceso para la realización de pasta de papel es el siguiente:- El pulper almacenará agua en su recipiente así como los químicos correspondientes para

el despulpado de la celulosa.El agua se llenará por un tiempo de 5 minutos a través de una válvula de aguaLos químicos se dosificarán por un tiempo de 2 minutos a través de una bomba eléctrica

- La banda transportadora contendrá la cantidad de 500Kg de celulosaLa banda transportadora llevará la celulosa en un tiempo de 5 minutos hacia el pulper, esta podrá descargarse siempre y cuando el agua y la dosificación de químicos estén listos.

- El tiempo necesario para el despulpado de la celulosa será de 15 minutos- La transferencia de la pasta de papel se realizará hacia un tanque de almacenamiento

por medio de la bomba de pasta tardando un tiempo de 10 minutos.

EJERCICIOS PARA AUTOMATISMOS ELECTRICOS

En los siguientes ejercicios realizar los correspondientes circuitos de potencia y control.

1. En un paso de cebra se encuentra un semáforo para peatones (Figura 1). Mediante la actuación del pulsador se deberá desarrollar la conocida secuencia de “rojo” para vehículos y “verde” para peatones, y viceversa. Seleccionar los tiempos de manera que a los conductores de vehículos les corresponda una fase naranja de 3 segundos y 16 segundos para la fase roja. La fase verde para los peatones debe durar solamente 10 segundos.

2. Controlar la grúa representada en la Figura 2 para que realice los ciclos representados en dicha figura. Partiendo de la posición de reposo (la representada en la figura) realiza el ciclo 1, hasta llegar a la posición 2, donde permanecerá un tiempo determinado antes de realizar el ciclo número 2.Cuando vuelva a alcanzar la posición de reposo número 1, la grúa se parará.El sistema cuenta con un interruptor de control o arranque que tendrá que ser activado cada vez que deseemos que la grúa realice los dos ciclos.

Figura 1. Semáforo Figura 2. Grúa

3. El presostato P controla, entre límites predeterminados, la presión existente en el depósito 1. Cuando, a causa de insuficiente cantidad de agua en el depósito, la presión se hace inferior al límite establecido, deja de actuar el presostato, se cierra el contacto como consecuencia se pone en marcha el motor eléctrico, el cual acciona la bomba, que impulsa agua hacia el depósito, hasta que la presión de éste llega al límite establecido, en cuyo momento acciona el presostato P, abriendo el contacto el motor eléctrico se para, dejando de accionar la bomba. El ciclo se repite cada vez que la presión en el depósito es insuficiente, con lo que se consigue un mando de la bomba que es completamente automático y dependiente de la presión.

Figura 3. Bomba de agua

AUTOMATISMOS NEUMÁTICOS Y ELECTRONEUMÁTICOS

Los automatismos neumáticos y electroneumáticos son la utilización del aire comprimido y deprimido para la realización de un trabajo que generalmente son movimientos mecánicos lineales o rotatorios.

Los sistemas neumáticos son de gran importancia en la automatización como medio de control de potencia, ya que pueden se manejados fácilmente por elementos de control eléctricos o electrónicos.

La neumática puede ser la solución en procesos automáticos cuando se requieren grandes fuerzas en espacios reducidos, cuando el área de trabajo ofrece peligro de explosión o cuando se necesita un control preciso de un movimiento determinado.

Industrialmente el aire se puede comprimir hasta no más de 20 atm (290 PSI) sin embargo los compresores industriales para suministrar aire comprimido a las instalaciones trabajan normalmente con una presión de 8 atm (116 PSI), 12 atm (174 PSI).

La neumática también es empleada como transmisor de señales analógicas de variables físicas como temperatura, presión, humedad, etc. en plantas donde los sistemas eléctricos generan algún tipo de riesgo, especialmente de explosión. Los valores nominales para el transporte de señales por medios neumáticos es de 3 a 15 PSI.

ElectroneumáticaCuando las distancias a cubrir por las conducciones neumáticas son grandes, las señales se debilitan y retrasan sus efectos, debido a la pérdida de carga, por lo que ya no tiene la condición de rápidas y seguras. Por otro lado, las conducciones largas representan un consumo muy elevado de aire y los gastos que de ello se derivan pueden resultar muy altos.Por estas razones interesa combinar las ventajas del mando eléctrico con la simplicidad y eficacia de la neumática, lo que deriva en la electroneumática.

Elementos de un automatismo neumático y electroneumáticoLos sistemas neumáticos tienen los siguientes componentes principales:

Fuente de presiónCompresorUnidades de servicio

Actuadores neumáticosActuador neumático lineal (cilindro de simple efecto, cilindro de doble efecto)Actuador neumático rotatorio (motor neumático, válvula con actuador neumático)Actuador neumático especiales (pinzas)

Válvulas de controlClasificación según cantidad de puertos de entrada / salida y cantidad de posiciones de controlVálvula 2/2Válvula 3/2Válvula 4/2Válvula 4/3Válvula 5/2Válvula 5/3Electroválvulas (válvulas electromagnéticas son elementos mixtos que mediante una señal eléctrica exterior efectúan las funciones propias de las válvulas)

Válvulas de regulación y controlVálvula selectoraVálvula simultaneidadVálvula antirretorno

Válvula reguladora de presiónVálvula reguladora de caudal (estranguladora)Válvula de escape rápidoVálvula limitadora de presiónVálvula de secuenciaUnidades de retardo

Accesorios para neumáticaSilenciadorConectorManguera

EJEMPLO DE APLICACIÓN

EJERCICIOS PARA AUTOMATISMOS NEUMÄTICOS

Para los ejercicios propuestos realizar los correspondientes esquemas neumáticos y su control electroneumático.

1. Un elevador neumático (Figura 1) consta de una plataforma (1), provista de un cilindro empujador de simple efecto (2), y el cilindro elevador de doble efecto (3). Cuando el vástago del cilindro (3) llega a la altura máxima, el cilindro (2) empieza a empujar a la pieza hacia la rampa (4); después su vástago retrocede por acción del muelle interno. En este momento, el cilindro (3) hace descender la plataforma hasta la posición de partida donde termina el ciclo.

Figura 1. Elevador neumático

2. Elevador clasificador para paquetes.

Para la realización del esquema neumático y de control tenemos:• Cinco finales de carrera (A0, A1, B0, B1).• Dos detectores de posición (C0, C1).• Tres cilindros: dos de simple efecto (B y C) y uno de doble efecto (A).• Una báscula encargada de la clasificación de los paquetes.• Cuatro cintas transportadoras.• Dos luces indicadoras, que nos informarán sobre qué tipo de paquete estamos trabajando.

Descripción del procesoEl proceso se inicia con el transporte de uno de los paquetes a la báscula; una vez clasificado el paquete en la báscula, se encenderá una luz indicadora del tipo de paquete (luz 1 será paquete grande y luz 2 será paquete pequeño). A continuación el paquete es transportado por la cinta 1 hasta el plano elevador. El cilindro C eleva los paquetes. Acto seguido los paquetes son clasificados; los paquetes pequeños son colocados en la cinta 2 por el cilindro A, y los paquetes grandes son colocados en la cinta 3 por el cilindro B. El cilindro elevador C se recupera sólo cuando los cilindros A y B llegan a la posición final. En la figura 2. se ilustra el proceso que hay que automatizar.

Figura 1. Elevador clasificador de paquetes

AUTOMATISMOS HIDRÁULICOS Y ELECTROHIDRÁULICOS

Los automatismos hidráulicos y electrohidráulicos son aquellos sistemas donde se utiliza líquidos, especialmente agua o aceite a presión para la realización de un movimiento mecánico lineal o rotatorio. En esencia estos automatismos son similares a los neumáticos.

Prácticamente, los sistemas hidráulicos se usan cuando los movimientos necesitan mucha fuerza, especialmente donde los elementos neumáticos para producir dicha fuerza requieren de gran tamaño, como ejemplo tenemos inyectoras de plástico u otros materiales, levantar, mover o trasladar grandes pesos como son las grúas o brazos robotizados para grandes cargas.

En un sistema hidráulico la presión se genera a partir de una bomba hidráulica que impulsa el agua o aceite a través de un conducto. Posteriormente y a través de válvulas de control el agua o aceite a presión llega al actuador final y el fluido que regresa no se liberará a la atmósfera como en un sistema neumático sino que se envía de nuevo al compartimiento de líquido donde se vuelve a utilizar para un nuevo ciclo.

Industrialmente, la presión lograda en los sistemas hidráulicos dependerá exclusivamente del tipo de bomba hidráulica utilizada para impulsar el aceite a través del circuito hidráulico pudiéndose lograr presiones desde 2000 PSI hasta 10000 PSI.

En los circuitos hidráulicos no es la presión del aceite lo que ejerce la fuerza, el aceite no tiene presión como el aire porque, no es compresible. Podríamos decir que lo que hace el aceite es transmitir la fuerza de un motor que puede ser eléctrico, que dicha fuerza, convertida en empuje mediante una bomba adecuada para circuitos hidráulicos arrastra o empuja el aceite hidráulico y este, a su vez, también empujará al elemento que efectuará finalmente el trabajo, por ejemplo el émbolo de un cilindro. De hecho, en los circuitos hidráulicos no existe depósito de presión, como en el aire comprimido.

ElectrohidráulicaPara el control de un circuito hidráulico se emplea casi exclusivamente tecnología eléctrica o electrónica, con lo que las válvulas que se emplean son casi siempre electroválvulas, en las que no existe ninguna complicación ni en los circuitos ni en las conexiones, por lo que se puede representar un circuito hidráulico de potencia con el mismo sistema que si fuera neumático, solo que respetando las altas presiones que los circuitos hidráulicos comandan.

Elementos de un automatismo hidráulico y electrohidráulicoLos sistemas hidráulicos tienen los siguientes elementos principales:

Fuente de presiónBomba hidráulica

Actuadores hidráulicosActuador hidráulico linealActuador hidráulico rotatorio

Válvulas de controlVálvula 2/2Válvula 3/2Válvula 4/2Válvula 4/3Válvula 5/2Válvula 5/3Electroválvulas

Válvulas especialesVálvula reguladora de caudalVálvula antirretorno pilotadasVálvula de secuencia

Válvula selectoraVálvula limitadora de presión

Accesorios para hidráulicaConectorManguera

EJEMPLO DE APLICACIÓN

B. AUTOMATISMOS ELECTRÓNICOS

La electrónica industrial trata fundamentalmente con el estudio, desarrollo y aplicaciones de componentes, circuitos, equipos y métodos electrónicos al control y automatización de procesos industriales.

La electrónica industrial moderna es una disciplina integral y multidisciplinaria. En la misma convergen la electrónica y la microelectrónica en sus múltiples facetas (análoga, digital, comunicaciones, etc) con la computación, la electricidad, la mecánica, la neumática, la hidráulica, la física de los fluidos, la teoría del control, las matemáticas, y otras áreas del conocimiento humano.

Elementos de un automatismo electrónico

Dentro de los elementos más comunes de un automatismo electrónico tenemos:

Sensores y transmisoresDetector de proximidadTransmisor de movimiento mecánicoTransmisor de temperaturaTransmisor de presiónTransmisor de nivelTransmisor de caudalSensor humedadSensor magnéticoSensor ópticoSensor ultrasónicoSensor de gases

Unidad de controlControladores lógicos programables (PLC)Computador industrialControlador de proceso (PID)Controlador especial

ActuadorAccionamiento de motor DC y AC (drive)Válvula electrónica

EJEMPLO DE APLICACIÓN

El siguiente es un ejemplo de un control PID de proceso utilizado en un sistema de ventilación:

En un sistema de ventilación, la temperatura deberá poder ajustarse entre -5 °C y 35 °C con un potenciómetro de 0-10 V. La temperatura ajustada deberá mantenerse constante, para lo cual deberá emplearse el control de proceso.El control es de tipo inverso, lo que significa que cuando se incrementa la temperatura, también lo hace la velocidad de ventilación, con el fin de generar más aire. Cuando cae la temperatura, se reduce también la velocidad. El transmisor usado es un sensor de temperatura con un rango de funcionamiento de -10 °C a 40 °C, 4-20 mA. y una velocidad mín/máx de 300/1500 RPM.

EJERCICIOS PARA AUTOMATISMOS ELECTRONICOS (INSTRUMENTACIÓN)

Para los diagramas de procesos mostrados en la figura realizar los correspondientes diagramas de lazo de instrumentación.Para la correspondiente realización de los diagramas de control se deberán utilizar el controlador mostrado en la figura siguiente con la disposición de terminales mostrada:

1. Se dispone de un horno que es calentado mediante la combustión de bunker en una cámara de combustión, mostrándose su correspondiente diagrama de control de realimentación en la figura:

2. Se dispone de un horno que es calentado mediante la combustión de bunker en una cámara de combustión, mostrándose su correspondiente diagrama de control en cascada en la figura: