Fundamentos de control automático

Control es un término genérico que alude a las acciones de vigilancia, supervisión, manipulación, manejo, etc. Se trata de una palabra de amplio uso, en lo que sigue se dará la información necesaria para entender el control en el sentido del manejo de plantas industriales que realizan otros sistemas artificiales.

El control supone la interacción entre dos sistemas: el controlador y el sistema controlado, ambos forman el sistema bajo control. La interacción ocurre cuando el controlador usa sus salidas como estímulos para el sistema controlado; a su vez la respuesta de este sirve como entrada al controlador.

A veces es posible que ambos sistemas formen físicamente un todo, en tal caso se dice que el sistema en global presenta un control interno o auto control.

El hombre en sí mismo es un sistema auto controlado que puede controlar a otros sistemas. Tal clase de control se llama manual. Con el desarrollo de la ciencia e ingeniería estos sistemas productivos artificiales han llegado a niveles de perfección y complejidad muy altos, el control manual se torna inadecuado en muchos casos y se hace necesario lograr mejores medios de control de los procesos productivos. La solución moderna a lo recién señalado es el desarrollo de los sistemas de control automático.

1.1 El sistema de Control Automático

Para poder controlar la planta y los procesos que ocurren en ella, es necesario instrumentarla agregando los actuadores y sensores necesarios.

Se llama sistema de control automático al conjunto dado por el controlador, los sensores y sistemas actuadores.

Se llama sistema bajo control al conjunto dado por la planta y el sistema de control automático

El controlador es un instrumento que acepta como entradas posibles a señales del estado real del proceso que proviene de terreno a través de los transmisores y las señales de ordenes que provienen del operador (set point local) y las señales de ordenes que provienen de otros instrumentos (set point remoto). Los instrumentos de terreno funcionan como los ojos del sistema de control automático, transformando las variables vigiladas en señales admisibles para la inteligencia del controlador. A su vez este instrumento tiene la tarea de determinar por si solo (sobre la base de un programa o algoritmo) la señal de corrección que debe enviar al actuador para compensar el efecto de cargas (externas) o inestabilidades (desajustes internos).

El controlador genera el mando al actuador; este funciona como un amplificador de poder al transformar la señal manipulada m en una fuerte variable de actuación X capaz de influir en el desempeño del proceso.

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Lo descrito en el párrafo anterior es una forma de plantar la primera ley de oro del control, la que se enuncia en su forma negativa

Primera ley de oro del control: No es posible controlar un proceso si no se puede influir en el con la energía necesaria para cambiar su desarrollo.

1.2.-El problema del Regulador.

Considérese una planta industrial y más especifico aun, un proceso que ocurre en ella.

Una situación deseable para el proceso es que una variable importante Y sea constante. Esta salida puede estar variando en forma indeseada debido a fluctuaciones de potencia de la carga (L), o por cargas no controladas llamadas perturbaciones. La salida ya podría estar cambiando también por desajustes internos del proceso (inestabilidad).

Las desviaciones de la salida actual respecto a la salida deseada son perjudiciales, desmejoran la calidad del producto o del servicio generado.

En muchos procesos, la ausencia de un sistema de control automático, significa perdidas de materias primas y energía.

Se puede resumir que: el sistema de control automático debe permitir que la planta industrial alcance su objetivo (realizar adecuadamente sus procesos). Para poder establecer este sistema de control automático es necesario trabajar a nivel de la estructura material (instrumentación) y a nivel de organización (estrategia de control).

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L VARIABLEDE CARGA

Y VARIABLEDE CONTROLX VARIABLE

DEACTUACIÓN

PROCESO

Figura 2.1.- Modelo X_L_Y

2.-SISTEMAS

Los sistemas tienen una existencia propia, y se comportan según sus leyes, el responsable de la operación puede no estar consciente de esto y muchos de los problemas de los procesos industriales tienen su origen en el funcionamiento defectuoso de algún sistema y no se percibe que la causa de la falla reside en la estructura y no en el dispositivo que parece fallar. Por ello es altamente conveniente tener una visión de sistema al enfrentar una falla de operación. Esta unidad esta dedicada a los procesos industriales vistos como sistemas

Definición :

Un sistema es una colección de elementos organizados de tal modo que su interacción tiene un sentido y que como un todo puede responder a los estímulos provenientes del medio que lo rodea.

Una familia forma un sistema; un grupo de trabajo forma un sistema; los componentes de un automóvil forman un sistema, etc.. Es importante señalar que muchas actividades de la ingeniería se relacionan con sistemas que incluyen a individuos y procedimientos. Sin embargo, la gran mayoría de los sistemas con que se relaciona la ingeniería, son sistemas artificiales.

Definición:

Una planta industrial es un conjunto de elementos que cumplen con las normas respectivas y que como conjunto está destinada a realizar Procesos.

Definición:Se llama proceso a cualquier transformación de la materia o energía (o

ambos).

Ejemplo de sistema: Los siguientes elementos forman en conjunto un sistema llamado Caldera: un quemador, el estanque de petróleo, las tuberías, las válvulas, las bombas (de agua y petróleo), él depósito de agua, el domo, el conjunto de tubos, el hogar; la electrónica de ignición y control, los instrumentos de vigilancia y protección.

A su vez, el estanque de petróleo, las tuberías, las válvulas y la bomba impulsora forman el sistema de suministro de combustible.

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Definición:

Un proceso industrial, es una transformación controlada de la materia o de la energía (o ambos) que ocurre en un sistema llamado planta industrial.

En una planta industrial (sistema) pueden ocurrir varios procesos. Lo que se controla son los procesos.

2.1.-Control y sistema de control

Los sistemas artificiales se han construido con un fin específico. Usualmente son operados por personas, lo que significa que reciben comandos (causas) para generar respuestas (efectos).

Las plantas industriales deben funcionar de modo que sean técnicas y económicamente adecuadas; en realidad el aspecto tecnológico debe evolucionar de modo que la producción sea rentable. Esto último supone economías de materiales, energía y calidad de sus productos.

Lo anterior, se logra haciendo interactuar al sistema A, con otro sistema dual llamado sistema de control para A.

El concepto de control se refiere a la interacción entre dos sistemas, entre los que se establece una relación muestreo - esclavo. El sistema maestro asume un rol controlador del sistema esclavo. El objetivo de esta interconexión es lograr que el sistema esclavo opere en una forma satisfactoria y alcance por tanto su sentido final.

3.-MODELOS

Introducción.

En una planta se procesan materiales y energías con objeto de producir bienes de consumo. Se acostumbra a llamar planta a la estructura física y proceso al conjunto de transformaciones que en ella ocurren.

La práctica ha demostrado que no es conveniente trabajar directamente con los sistemas reales cuando se tiene el propósito de mejorar sus cualidades. Usualmente, una modificación o mejora del sistema requiere un estudio previo. Se estudian los sistemas en forma indirecta, analizando una representación de este llamada modelo.

Existe la necesidad de medir los atributos físicos que intervienen en los procesos. Al ser cambiantes con la ocurrencia del mismo se les identifica como “variables de proceso”. En la

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evolución de las variables se refleja la estructura del proceso. Para comprender la organización del proceso se necesita relacionar las variables del mismo.

Definición : Un modelo es un objeto abstracto que representa al sistema real en algún

aspecto que interesa.

Un mismo sistema puede generar muchos modelos según el interés del estudio que se requiere.

Por otra parte, existen formas abstractas generales que pueden representar a sistemas distintos a estas formas se les denomina modelos básicos.

3.1.-Modelos Matemáticos De Procesos

Al trabajo intelectual y experimental que logra relacionar las cualidades de un proceso se llama modelación.

La modelación se desarrolla de la siguiente manera:

El sistema posee atributos o cualidades medibles que se relacionan con su propósito final.

Quien modela debe tener la experiencia suficiente como para seleccionar dentro de estos atributos medibles los más relevantes para el propósito final.

Luego los atributos deben clasificarse en parámetros y variables.

A continuación se deben encontrar las relaciones entre las variables y orientarlas bajo la perspectiva de causa y efecto. Cuando se ha logrado esto, se tiene el modelo matemático del sistema.

Variables.

Definición:Una variable es una función matemática V(t) del tiempo y cuyo

valor(o amplitud instantánea) representa la magnitud del atributo a la que se refiere.

Por ejemplo: La altura de un estanque es una magnitud física de longitud que puede cambiar con el efecto de llenarlo o vaciarlo.Definición:

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Variable controlada es aquella que el sistema debe controlar, generalmente es una magnitud física, nivel, temperatura, velocidad, humedad, presión, caudal, velocidad, etc.

Definición:

Variable manipulada es aquella que debe modificarse para mantener a la variable controlada dentro de los rangos preestablecidos.

Definición:

Parámetro es un atributo o propiedad de la materia o energía que permanece invariable en el tiempo o, que su variación en el tiempo es despreciable respecto de las escalas de magnitud de un proceso.

Definición:Una señal es una especial clase de variable capaz de representar a

otras variables y que se obtiene a través de un instrumento.

Por lo general la señal está asociada a la salida de un instrumento de transducción. Lo esencial de una señal es que es una variable que se presta para representar a otras variables gracias a su facilidad para ser captada, almacenada y procesada. En control e instrumentación, finalmente se han establecido rangos de magnitud física que permiten hablar de señales estándares de control. Esos rangos son: corriente de 4 - 20 [mA]; voltaje de 1 - 5 [volts] y presión de aire comprimido de 3 - 15 [bar].

Algunas variables afectan el comportamiento del sistema desde el exterior trayendo o quitando energía en forma indeseada, se llaman perturbaciones.

Definición:Perturbación Variable de fuerza no controlada y cuya aparición no

es deseada y que a lo más puede tener una cierta probabilidad de ocurrencia.

Otras variables que también afectan el comportamiento del sistema desde el exterior trayendo o quitando energía constituyen la razón de ser del proceso . A tales variables se les llama cargas.

Definición:

Variables de carga son aquellas que modifican a la variable controlada pero no es una variable manipulada.

Algunas señales afectan el comportamiento del sistema desde el exterior trayendo información no valida, se llaman ruidos.

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Definición:Ruido es señal no deseada e inmanejable desde el punto de vista

de su generación y que puede afectar la información que porta una señal.

3.2.-Variables y señales.

Hay variables que representan directamente el nivel de energía del elemento

3.2.1.- Clasificación de variables.

Las variables admiten una clasificación según como esté definida su existencia en el tiempo y el valor de la amplitud que pueda tomar.

a. Variable análogaEsta definida en todo instante de tiempo. Puede tomar cualquier valor de amplitud dentro de un rango (a, b).

b. Variable de amplitud discretaEsta definida en todo instante de tiempo; pero su amplitud sólo puede tomar valores discretos de un intervalo; es decir, puede asumir cualquiera de los valores de AO, A1,

A2;........ AN.

Las más conocidas de estas variables corresponden a los casos de AO = -M; A1 = M que genera típicamente la salida de un relaz on-off o bien cuando Ao= -M; A1=tM que corresponde a la salida de un relaz con inversión de polaridad.

c. Variables muestreadaEste tipo de variable está definida en estrechos intervalos (ancho del pulso) que están separados entre sí.

La amplitud puede ser cualquiera valor dentro de un intervalo (son de amplitud continua).

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A

t

b

a

Figura 1.2.- Variable análoga

A

t

M

0

Figura 1.4.- Variable on-off

A

tA 0

A 1

A 2

A 3

A 4

Figura 1.3.- Variable de amplitud discreta

Si los intervalos de separación entre muestreo y muestreo es constante; entonces se habla de una variable muestreada sincrona y cada muestreo se identifica con un número entero que indica la cardinalidad del mismo.

Cuando los intervalos de muestreo son irregulares, se habla de una variable muestreada asíncrona.

d. Variables digitales generales

Se obtienen manteniendo el valor muestreado hasta el próximo instante de muestreo,

Se obtiene así, una variable que sólo puede cambiar su amplitud es cualquiera dentro de un intervalo.

e. Variables binariasSe trata de variables digitales tales que su amplitud se codifican mediante una base binaria y se almacena su valor en registros de una palabra de largo (16 bits).

Es interesante observar que tanto las variables muestreadas y digitalizadas en base binaria son las variables más empleadas en las controladores inteligentes.

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A

tn

1

n

2

n

3

................. nk

Figura 1.6.- Variable muestreada.

A

M

t

-M

Figura 1.5.- Variable discreta con inversión de polaridad

V

t1 2 3 4

V m

t1 2 3 4

V D

t1 2 3 4

Muestreador RetenedorV V m V D

Figura 1.7.- Generación de una variable digital

4.- INSTRUMENTACIÓN DE PLANTAS INDUSTRIALES

Los sistemas de control industriales son modulares y los módulos son en realidad instrumentos. Definición :

Un instrumento es cualquier dispositivo que permite medir, registrar y controlar variables. Un instrumento también puede obtener la información asociada a una variable, procesarla y convertirla en otra variable o señal ; por ello es capaz de actuar sobre otras variables con fines de seguridad o control automático. El termino de instrumento no debe aplicarse a partes como resistencias, baterías, ejes, ..etc.

Definición :La instrumentación es la actividad profesional que se centra en dotar de instrumentos a

las plantas industriales.

La arquitectura de los sistemas bajo control se representa mediante planos; para el dibujo de estos se usan normas; en instrumentación la norma más aceptada es la dada por la ISA (Instrument Society of América), y que es la que se usa en este texto.

Los sistemas de control automático están estructurados en base a la interconexión de los siguientes instrumentos: Transmisor; actuador; controlador.

En términos generales los sistemas de control cuentan con interfaces para comunicarse desde y hacia el humano a cargo. En las figuras de este texto se ha omitido la representación de tales interfaces, así, todas las variables y señales allí representadas corresponden al dominio exclusivo de las maquinas.

A continuación se presenta un conjunto de definiciones necesarias para la comprensión del funcionamiento de los sistemas de control automático

4.1.- Definiciones sobre Instrumentos de medición.

Sensor:

Nombre global de un instrumento capaz de detectar una variable, cambiarla en escala de magnitud física, amplificarla, linealizarla, filtrarla y acondicionarla como señal estándar de manera predeterminada. El sensor es un instrumento que puede ser separado o integrado con otros elementos de un lazo de control. El nombre sensor se asocia a variables análogas. El instrumento equivalente en señales discretas (on-off) se acostumbra a llamar detector.

Elemento primario:

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Parte del sensor que efectúa la captura de la información asociada a la variable bajo medición. También, es el que efectúa la primera transducción de variable física a señal. En algunos casos el elemento primario por su complejidad o importancia se considera un instrumento.

Transmisor:

Instrumento que obtiene una variable de proceso por medio de un elemento primario y que tiene como salida variados valores que son sólo una función, predeterminada, de la variable de proceso. Este instrumento puede, o no, estar integrado con el elemento primario. El Transmisor es capaz de comunicar a distancia el estado de una variable bajo observación.

Transductor:

El término, en general, se refiere a un instrumento que recibe información de una o más variables físicas, modifica la información y/o su forma, si es requerido, y produce en la salida la señal resultante. Dependiendo de la aplicación, el transductor puede ser un elemento primario, un transmisor, relay, conversor u otro aparato.

Alcance (Span)

El alcance (o "span" en ingles), es la diferencia algebraica entre los valores máximos y mínimos del rango del instrumento . Según la Figura 1.3, el “span” es de 400-100 = 300º C.Campo de Medida (Range)

El campo de medida (o "range" en ingles), es el rango de posibles valores que el instrumento es capaz de captar con un porcentaje de error aceptable, donde su magnitud está comprendida entre el máximo y mínimo detectables por un sensor (transmisor). Para el ejemplo expuesto en la Figura 1.3, el rango será de 100 a 400º C.

En algunos textos, el rango también se conoce como la “dinámica de medida” o “rangeabilidad (rangeability)”, que resulta ser el cuociente entre el valor máximo y mínimo que permita medir el instrumento. Para el caso anterior, la rangeabilidad sería de 400/100 = 4.

Precisión (Accurary)

La precisión (o "accuracy" en ingles), se define como la desviación máxima entre lo obtenido por el sensor (transmisor) en determinadas condiciones y el valor teórico de dicha salida que debería tener, todo lo anterior considerando idénticas condiciones de medición.

Existen ciertas formas en las que se puede expresar la precisión, como por ejemplo:

Tanto por ciento del alcance, donde según el ejemplo de la Figura 1.3, para una lectura de 200º C y una precisión de 0.5 % el valor real de la temperatura estará comprendido entre 200 1 * 300 / 100 = 200 3, es decir entre 197 y 203º C.

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Directamente en unidades de la variable medida. Por ejemplo; el instrumento posee una precisión de 2º C.

En un cierto porcentaje de la lectura efectuada. Por ejemplo; para una precisión de 1 % de 200º C, es decir, a 200º C en instrumento posee una precisión de 2º C.

En un cierto porcentaje del máximo valor del campo de medida. Por ejemplo; para una precisión de 0.5 % de 400º C = 2º C.

En un cierto porcentaje de la longitud de la escala. Por ejemplo; si la longitud de la escala del instrumento (Figura 1.3) es de 200 [mm], la precisión de 0.5 % representará 1.0 [mm] en la escala.

Repetibilidad (Repeatibility)

La repetibilidad (o "repeatibility" en ingles), es la capacidad de poder reproducir la misma señal entregada por el instrumento al medirla repetidamente y en idénticas condiciones de servicio siguiendo el mismo sentido de variación de la variable sensada. En la repetibilidad, se considera un valor máximo (repetibilidad máxima) y esta se expresa como un porcentaje del alcance. Notar que en la repetibilidad no se considera al ciclo de histéresis (ver Figura 1.5).

Resolución

Indica la capacidad para discernir entre valores muy próximos de la variable de entrada. Esta variable, se mide por la mínima diferencia que es capaz de discriminar el instrumento, la que se puede indicar en términos del Valor Absoluto de la variable física de medida o en Porcentaje con respecto a la de escala empleada (no confundir Resolución con Precisión).

Linealidad

Se dice que un elemento es lineal, si existe una constante de proporcionalidad única que relaciona los incrementos de señal de entrada, en todo el campo de medida. La NO linealidad se mide por una máxima desviación entre la respuesta lineal y la característica puramente lineal, referida al fondo de escala.

Figura 1.4.- Respuestas de los sistemas.

Sensibilidad (Sensitivity)

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La sensibilidad (o "sensitivity" en ingles), es la característica que indica la mayor o menor variación de la salida por unidad de la magnitud de entrada. Un sensor (transmisor) es tanto más sensible cuanto mayor sea la variación de entrada. La sensibilidad se mide por la relación:

donde representa la diferencia entre dos valores de una misma variable.

Obsérvese que para transductores lineales esta relación es constante en todo el campo de medida, mientras que en transductores NO lineales, depende del punto en que se mida.

Ruido

Se entiende por “ruido” cualquier perturbación aleatoria del propio instrumento o del sistema, que produce una desviación de la salida con respecto al valor teórico.

Se dice que un transductor presenta histéresis (o "hysteresis" en ingles), cuando, a igualdad de la magnitud de entrada, la salida depende de sí dicha entrada se alcanzó con aumentos en sentido creciente o decreciente de la señal medida. Se suele medir en términos del valor absoluto de la variable física o en porcentaje (%) sobre el alcance del instrumento. Notar que la histéresis puede no ser constante en todo el rango de medida (ver Figura 1.5).

Observar la clara diferencia entre los términos Resolución, Precisión, Repetibilidad y Sensibilidad, términos que suelen confundirse muchas veces, incluso en algunas bibliografías.

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Zona Muerta (Dead Zone o Dead Band)

Es el rango de valores de la variable medida, que no logra hacer variar la indicación o la señal de salida del instrumento, es decir, no afecta su respuesta. Suele estar dada en porcentaje (%) del alcance. Por ejemplo: en el instrumento de la Figura 1.3, la zona muerta es de 0.1 %, o sea, es de 0.1 * 300 / 100 = 0.3º C.

Elevación de Cero

Es el rango de valores que está comprendido entre el mínimo que entregue el instrumento y el cero del mismo (ver Figura 1.3), todo lo anterior siguiendo una escala ascendente de valores. Esta magnitud puede expresarse en unidades de la variable de medida o en cierto porcentaje (%) del alcance.

Supresión de Cero

Es el rango de valores que está comprendido entre el cero y el mínimo valor que entregue el instrumento (ver Figura 1.3), todo lo anterior siguiendo una escala ascendente de valores. Esta magnitud puede expresarse en unidades de la variable de medida o en cierto porcentaje (%) del alcance.

4.2.-Definiciones sobre instrumentos de actuación.

Actuador:

Nombre global del sistema que permite influir en el proceso con fines de control. En otro sentido, el actuador es el sistema de influencia sobre el proceso. Por ejemplo, sistemas eléctricos para la calefacción o un circuito hidráulico para el suministro de caudal , etc. Este sistema , es capaz de suministrar energía modulada al sistema para su evolución. El actuador capta la energía desde redes estándares de suministros (eléctricas, neumáticas, etc.) y la modula en base a una señal débil de mando proveniente de un controlador. El actuador puede incluir instrumentos como válvula de control , conversores, etc.

Elemento final de control:

Dispositivo que funcionalmente modula la materia o energía inyectada o extraída del proceso. Por ejemplo, una válvula de control. En otras palabras, parte del actuador encargado de suministrar la fuerza, energía y potencia al proceso.

Red de energía:

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Sistema capaz de suministrar energía en condiciones estándar de funcionamiento. Por ejemplo, redes eléctricas, neumáticas, petróleo, aceite comprimido, etc. Las redes de energía funcionan a un valor de gradiente constante, por ejemplo: voltaje constante de 220 VAC, 24 VDC; presión de aire constante 120 psi; presión de vapor constante 150 psi.

4.3.-Definiciones sobre Instrumentos de control.

Controlador:

Instrumento que realiza la función de controlar.

Controlador digital:

Instrumento basado en microprocesadores capas de implementar uno o más lazos de control digital.

Control digital:

Estrategia de control basada en el muestreo sincrónico de la variable bajo control para su corrección. Las acciones de control se toman en dichos instantes y se mantiene la salida de control hasta el próximo período de muestreo.

Muestreo:

Acción de tomar valores, de una manera predeterminada, de un número de variables en forma intermitente. La función de un dispositivo muestreador, es obtener frecuentemente el estado o valor de una variable.

Set-point

Una variable de entrada, que coloca el valor deseado de una variable bajo control. El set-point puede ser colocado en forma manual, automática o programada.

Soft-controller:

Es un controlador implementado por software.

Hard-controller:

Es un controlador implementado por dispositivos físicos.

Controlador de lógica programable (PLC):

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Un controlador, usualmente, con múltiples entradas y salidas que contiene un programa que se puede modificar y que básicamente, desarrolla control lógico.

Programa:

Una secuencia de acciones que definen el estado de la salida como una relación fijada por un set de entradas.

Automatización:

Se llama automatización al proceso de incorporar autómatas a la tarea en cuestión.

Autómata:

Un autómata es un sistema artificial construido con un objetivo definido. Para cumplir con su tarea, el autómata está dotado de los recursos de hardware y software adecuados, dispone del suministro de energía suficiente para su funcionamiento. Además, sí el objetivo final es el control, entonces, el autómata debe estar conectado al sistema, de modo que puede recibir y dar las señales que se necesitan para controlarlo.

Sistema de control automático:

Un sistema de control automático es un autómata que ha sido diseñado y construido para implementar un tipo de estrategia de control.

Estrategia de control:

Una estrategia de control es un principio conceptual que llevado a cabo permite efectuar el control de otro sistema.

4.4.- Definiciones sobre otros instrumentos.

Monitor:

En general, es un instrumento o sistemas de instrumentos usados para medir o sensar el estado o magnitud de una o más variables con el propósito de obtener información de éstas. El término monitor es muy poco específico, a veces es tomado como analizador, indicador o alarma. Incluso puede ser usado como un verbo (monitorear).

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Panel:

Una estructura que tiene un grupo de instrumentos montados en él asequible al operador de proceso, teniendo cada uno única designación. El panel puede constar con una o más secciones, consolas, etc.

Luz piloto:

Una luz que indica la existencia de una condición normal de un sistema o de un dispositivo. La luz piloto NO es una luz de alarma. La luz de alarma debe destacarse y tiene que actuar en forma intermitente.

Relay:

Dispositivo que produce cambios de estados, de salida, en sí mismo por acción directa de alguna variable de entrada. Por ejemplo, relay electromecánico (variable: corriente), relay térmico (variable: temperatura), presostato (variable: presión), límite de carrera (variable: desplazamiento), etc.

Hard-display:

Dispositivo destinado a desplegar información acerca del control del proceso por un número de avisos en el comando del operador.

Soft-display :

Dispositivo que entrega información acerca del proceso de control por medio de un software.

Switch:

Dispositivo que conecta, desconecta, selecciona, o transforma uno o más circuitos y que no está diseñado como un controlador, relay o válvula de control.

5.-REPRESENTACIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN DE PLANTAS INDUSTRIALES

5.1.-Representación de la instrumentación.

El conocimiento que se tiene sobre la instrumentación de un proceso se vierte en el plano llamado diagrama de proceso e instrumentación. En Chile se usa de factor la simbología de la norma ISA-S5.1 para construir dicho plano.

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En general, al realizar un plano de instrumentación, a cada instrumento, se le asigna un icono consistente en un círculo que contiene un código alfanumérico llamado "TAG NUMBER", el cual debe cumplir con ciertas características, que se señalan a continuación en el punto “Identificación funcional de instrumentos”. ISA recomienda utilizar ciertas clases de líneas para representar flujos de proceso y señales de instrumentos. Además, define símbolos para válvulas, actuadores y otros; deja libertad para representar equipos de proceso. Una versión resumida de esta simbología se encuentra en la Figura 2.2.

5.2.-Identificación Funcional Del Instrumento

Para establecer la identificación funcional del instrumento deben considerarse los siguientes puntos

Todas las letras de la identificación funcional deben ser MAYÚSCULAS.

Las letras a emplear no deben ser más de cinco.

La identificación de un instrumento o función equivalente está conformada de letras tomadas desde la tabla 2.1 que incluye una PRIMERA LETRA, para designar la variable bajo medida, y una o más letras que permiten establecer la función que ejecuta el instrumento.

Por lo general, la identificación funcional se realiza con la siguiente secuencia: La primera letra es la variable bajo medición, a la que puede acompañar una letra modificadora, por ejemplo TD significa una variable diferencial de temperatura. La segunda letra es la FUNCIÓN SECUNDARIA DEL INSTRUMENTO y la tercera letra la FUNCIÓN PRINCIPAL a las que puede acompañar una letra modificadora; por ejemplo TSH indica que la función principal del instrumento es un switch que actúa por valor alto de la temperatura, otro ejemplo, TDAL contiene dos modificaciones. La letra D cambia la variable medida T en una nueva variable "diferencial de temperatura". La letra L restringe la función pasiva A, alarma, para representar sólo una alarma de nivel "bajo" de diferencial de temperatura.

En todo caso la letra modificadora siempre esta a continuación de la letra a la que modifica; y no hay posibilidad de error porque no se emplea la misma letra para designar una función y también para modificar.

Sí un para instrumento es necesario indicar más funciones (no bastan las 4 letras), se debe representar con dos círculos tocándose y estableciendo sus funciones. Por ejemplo LIC/LSL indica a un controlador de nivel que indica el valor de la medida y, además, posee un switch que actúa por nivel bajo. Se puede simbolizar un dispositivo de múltiples funciones por tantas secuencias como variables medidas, salidas y/o funciones tenga. Por ejemplo, un controlador de temperatura con un switch puede ser identificado por TIC-3 o TSH-3. El instrumento sería designado como TIC/TSH-3 para todos los usos en escrituras o referencias. Si se desea, sin

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embargo, la abreviatura TIC-3 puede servir para la identificación general o para su compra. Mientras, TSH-3 puede ser usado para el diagrama del circuito eléctrico.

La identificación funcional de un instrumento se hace acorde a la función de éste y NO acorde a su construcción. Por ejemplo, un indicador de presión conectado al fondo de un estanque se identifica por LI, debido a que está relacionado con la detección del nivel por medio de la presión.

En un lazo de instrumentos, la primera letra, de identificación funcional, se selecciona acorde a la variable medida y NO a la variable manipulada. Por ejemplo, una controlador que varia el flujo para alcanzar un cierto nivel, se considera de acuerdo a lo dictado por la norma como un controlador de nivel y se designa por LC y no por FC.

El número de letras funcionales agrupadas para un instrumento, debería ser mantenido al mínimo de acuerdo al juicio del usuario. El total de letras en un grupo de identificación no debería exceder las CUATRO. El número de letras en un grupo puede ser mantenido en un mínimo de dos maneras:

I) Arreglando las letras funcionales en subgrupos para cuando el dispositivo posee múltiples funciones, entradas o mide más de una variable.

II) Omitiendo la letra I (indicador) si un instrumento indica y registra la misma variable medida.

5.3.- Identificación de lazos según su función.

Los lazos pueden clasificarse según su propósito, así una estación manual de control y una válvula de control forman un lazo de control manual. Un transmisor y un indicador forman un lazo de medición manual. En este texto interesan los lazos involucrados en el automatismo de procesos.

Definición:

Se define un lazo de medición a la conexión de instrumentos que nacen en una variable de proceso y terminan en un instrumento que puede procesar la señal original (por ejemplo registrar o controlar).

Definición:

Se define un lazo de actuación a la conexión de instrumentos que nacen en un controlador y terminan en un elemento final de control (por ejemplo una válvula de control).

Definición:

Se define un lazo de control a la conexión de instrumentos que nacen en una señal de control y terminan modificando una variable del sistema bajo control. Un lazo de control puede

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ser una unión de lazos de medición y lazos de actuación.

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Representación de instrumentos

Lógica de trabajo relativa al instrumento

Función realizada por software en dispositivo

inteligente

Instrumento descrito por

hardware

i

CUERPOS DE VÁLVULAS

Válvula mariposa

Válvula de bola

Cuerpo general

Válvula de globo

Válvula normal abierta (ISA)

Válvula normalabierta (común)

Válvula normal cerrada (ISA)

Válvula normal cerrada (común)

ACTUADORES

Manual Diafragma neumático

Solenoide

s

Cilindro contra resorte

Cilindro doble acción

Motorizado

M

Tubería de proceso (línea de proceso)

Señal neumática

Señal eléctrica

REPRESENTACIÓN DE LINEAS

Señal hidráulica

Señal acústica o electromagnética (calor, radio, ondas o luz)

Figura 3.- Principales símbolos de la ISA

Tabla 2.1.- Letras para la identificación funcional de instrumentos

PRIMERA LETRA LETRAS SIGUIENTES

VARIABLE MEDIDA O INICIO DE

INFORMACIÓN(3)

LETRA MODIFICANTE

FUNCIÓN DE LECTURA PASIVA

FUNCIÓN DE SALIDA LETRA MODIFICANTE

A ANÁLISIS (4) ALARMA

B FLAMA O QUEMADOR

LIBRE (1) LIBRE (1) LIBRE (1)

C CONDUCTIVIDAD (ELÉCTRICA)

CONTROL

D DENSIDAD O PESO ESPECÍFICO

DIFERENCIAL (3)

E VOLTAJE ELEMENTO PRIMARIO (SENSOR)

F FLUJO RAZÓN, FRACCIÓN (3)

G CALIBRE (ESPESOR)

VISOR (8)

H MANUAL ALTO(6)(13)(14)

I CORRIENTE INDICACION(9)

J POTENCIA EXPLORACIÓN(SCAN) (6)

K TIEMPO ESTACIÓN DE CONTROL

L NIVEL LUZ PILOTO (10) BAJO(6)(13)(14)

M HUMEDAD (6)(13) MEDIO O INTERMEDIO

N LIBRE (1) LIBRE LIBRE LIBRE

O LIBRE (1) ORIFICIO / RESTRICCIÓN

P PRESION O VACÍO PUNTO DE PRUEBA

Q CANTIDAD INTEGRAR O TOTALIZAR (3)

R RADIACTIVIDAD REGISTRAR

S VELOCIDAD O FRECUENCIA

SEGURIDAD (7) INTERRUPTOR

U MULTIVARIABLE (5)

MULTIFUNCIÓN (11) MULTIFUNCIÓN (11) MULTIFUNCIÓN (11)

V VISCOSIDAD VÁLVULA

W PESO O FUERZA TERMOPOZO (RTD, TERMOCUPLA, ETC)

X SIN CLASIFICAR (2)

SIN CLASIFICAR SIN CLASIFICAR SIN CLASIFICAR

Y LIBRE (1) (12 RELÉ, CONVERSOR, COMPUTADOR)

Z POSICIÓN ACTUAR, OPERAR O ELEMENTO FINAL DE CONTROL

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6.- MODELOS DE PROCESOS INDUSTRIALES.

6.1.- Modelos con fines de control.

Una vez instrumentada la planta, se requiere establecer la arquitectura del sistema de control automático que se debe emplear. Esto depende principalmente de la estrategia de control a utilizar, y a su vez esto depende del conocimiento que se tiene del proceso.

Lo descrito en el párrafo anterior es una forma de plantar la segunda ley de oro del control, la que se enuncia en su forma negativa.

Segunda ley de oro del control: No es posible controlar un proceso que no se conoce.

Esta ley obvia justifica la importancia de la modelación con fines de control, un modelo

para control automático debe ser simple y aproximado.

6.2.- Un modelo básico general de procesos con fines de control

Una planta industrial puede entenderse como aquella estructura material que acepta flujos de entrada en materia y energía. Como producto de las transformaciones que se generan en su interior (proceso) se generan flujos de salida de materia y energía.

Al plantear su modelo en diagrama de bloques, se identifica la variable que debe controlarse. Esta variable si se controla adecuadamente, garantiza el buen resultado del proceso. Se llama a esta variable “salida de control “, designándola con Y.

A continuación, se debe identificar la variable de fuerzas que puede ser manejada por el sistema de control a través del actuador.

Se llama a esta variable “variable de actuación “, designándola con X.

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Energía liberadaMateria de

entrada Materia de salida

Energía consumida

Figura 2.3.- Modelo de flujos de un proceso en términos de flujos de materia

y energía

PROCESO

L VARIABLE DECARGA O

PERTURBACIÓN

X VARIABLE DE ACTUACIÓN

Y VARIABLE SALIDA DE CONTROL

PROCESO

Por último debe identificarse a las variables que no son manejables por el sistema de control.

Se llama a esta variable “variable de carga o perturbación“, designándola con la letra L.

7.- ESTRATEGIAS DE CONTROL

Se puede decir que el problema central del control es decir, el cómo controlar el proceso consiste en como generar la señal de mando al actuador, de modo que la variable de control evolucione adecuadamente.

En la actualidad existen varias formas de como controlar un sistema. En todas ellas se hace interactuar la planta con un controlador, se llama estrategia de control la forma de generar la variable manipulada para anular los efectos de las cargas o inestabilidades en la variable de salida de control.

La instrumentación de control se debe adaptar a la estrategia de control. Un poco más adelante se mencionan los principios de control que permiten construir estrategias de control clásicas.

A continuación se estudian 5 estrategias de control de uso frecuente en la industria que buscan resolver distintos problemas que se presentan en la solución del problema recién enunciado.

7.1.-. Sistema de control en lazo abierto.

El diagrama de bloques que representa a esta estrategia es una cadena directa de transformaciones de señales y variables.

En esta estrategia se busca proveer una curva X(t), según el conocimiento de la demanda de carga L(t). Por tanto se trata de una programación temporal.

Usualmente, el valor de X esta relacionado con el flujo de energía o el flujo de materias al proceso. La idea detrás de un control en lazo abierto es la confianza y el equilibrio, es decir, se supone que las condiciones de diseño se mantienen y, por lo tanto, los aportes de energía al sistema se programan según una condición de equilibrio dada.

Esta estrategia debe tomarse como la primera aproximación al problema de lograr que Y(t) tenga una trayectoria definida en el tiempo. Se trata de una solución simple, apropiada para el manejo de muchas variables simultáneas, adecuada al caso de consumos L(t) estables y bien definidos.

La principal ventaja de esta estrategia es que los sistemas que la llevan a cabo son simples, fáciles de comprender y mantener. En cambio, su principal desventaja es una alta sensibilidad al cambio de las condiciones de diseño, por lo que el conjunto no puede compensar el efecto de perturbaciones no consideradas.

El problema de fondo consiste en que el programador no se entera del resultado de su acción y no tiene incorporado una forma de corrección.

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Ejemplos:

E11: Considérese una lavadora automática, en su programador se cargan varios programas de

limpieza. El usuario selecciona el más adecuado según su experiencia, el programa se ejecuta independiente si la ropa está más sucia o más limpia.

E12:Se tiene que controlar el nivel de un estanque que es difícil de medir, pero en el que se

conoce el consumo diario promedio que este tiene, se programa su reposición. Queda claro que si hubiera un cambio en el consumo de agua de este estanque, se perderá el nivel deseado.

E13: En un edificio inteligente se programa el encendido y apagado de las luces según el

calendario (control de la iluminación). También se programa el encendido y apagado de los acondicionadores de aire por oficina según el calendario (control del clima). Para ello el programador debe contar con un canal de tiempo real y un algoritmo lógico que constituye su estrategia de control. Queda claro que si hubiera un cambio en las condiciones ambientales ( y las hay ) tanto la iluminación como el confort del clima no serían satisfactorios.

7.2.-Sistema de control en lazo cerrado.

Esta estrategia aparece como una evolución natural del control en lazo abierto. En su implementación, el programador se cambia por un controlador de lazo cerrado y se agrega un sensor. La estrategia del lazo cerrado es la desconfianza, se duda que lo calculado y ejecutado alcancen lo que se desea. Además, utiliza la desviación del valor actual de la salida Y con el valor deseado de la misma para corregir la evolución del sistema. Este método es conocido como el principio de control por realimentación. Al observar el diagrama de bloques que le corresponde, se aprecia que la Información sigue una cadena cerrada; por tal razón se le conoce por sistema de control en lazo cerrado

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REFERENCIA O SET POINT CONTROLADOR ACTUADOR PROCESO

X VARIABLE DE ACTUACIÓN

Figura 2.5.- Diagrama de bloques de la estrategia en lazo abierto.

L VARIABLE DE CARGA O PERTURBACIÓN

Y VARIABLE DE SALIDA BAJOCONTROL

M MANDO

Cabe señalar, que todo sistema de control realimentado se diseña a partir de una condición calculada en lazo abierto; lo que corresponde a un diseño estático de trabajo; a este esquema se superpone una realimentación.

El controlador de un sistema realimentado, puede ser definido como un autómata diseñado para mantener la señal de error e (e = r- c) en cero todo el tiempo que sea posible.

En este tipo de estrategia, el controlador le cree en un 100% al sensor por lo que este debe ser lineal, instantáneo y de muy buena calidad constructiva.

En resumen, la estrategia de realimentación esta construida para corregir en términos de la desviación actual e instantánea entre lo que se desea y lo que esta ocurriendo; sin embargo, a pesar de ello el proceso puede ser perturbado y estar fuera del rango aceptable para la salida (fuera de control) una cantidad de tiempo significativa.

Ejemplo de aplicación A modo de ilustración se desarrolla a

continuación el control en lazo cerrado del nivel de un estanque que se representa en la Figura 2.7. Se ha dispuesto que el consumo se represente por una válvula manual , la reposición se efectúa mediante una bomba centrifuga y una válvula de control. La curva de la bomba se muestra en la Figura 2.8. Se observa que la presión de salida de la bomba corresponde a y que el caudal Q corresponde a X.

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r SET-POINT

cSEÑAL DE PROCESO

CONTROLADOR ACTUADOR

SENSOR

X VARIABLE DE ACTUACIÓN

mSEÑAL DE

MANIPULACIÓN

L VARIABLE DE CARGA O

PERTURBACIÓN

Figura 2.6.- Diagrama de bloques de la estrategia en lazo cerrado.

Y VARIABLE DE SALIDA BAJO

CONTROL

PROCESO

H

L X BOMBA

P1P2

Figura 2.7.- Planta de acumulación de flujo

7.3.-CONTROL DE NIVEL

En la Figura 2.19 se muestran las estrategias de control aplicadas al control de nivel

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Figura 2.19.- Lazos de control de nivel.

7.4. CONTROL DE FLUJO

En la Figura 2.20 se muestran las estrategias de control aplicadas al control de nivel

A.- CONTROL REALIMENTADO

B.- CONTROL REALIMENTADO MÁS LA PRESIÓN DE SUMINISTRO

C.- CONTROL REALIMENTADO MANEJANDO EN CASCADA LA VELOCIDAD DE LA BOMBA

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FC 21

I/P

PT20

L

YPresión de suministro

FT20

FC 20Σ

X=+ Δp -

SP

M SC20

FC 20

FT 20

L

Y

Motor trifásico

X

SPSP

FC 10

I/P

FT 10

L

Presión de suministro

Y

X= + Δp -

SP

+ Δp -

Figura 2.19.- Lazos de control de presión.

7.5.- CONTROL DE PRESIÓN

En la Figura 2.20 se muestran las estrategias de control aplicadas al control de presión

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Figura 2.20.- Lazos de control de presión.

y

I/P

P

T

2

0

P

C

2

0

L

+X=Δp

-

SP

DEPÓSITO A.- CONTROL REALIMENTADO CON REGULACIÓN PARALELA

y

+X=Δp

-

I/P

PT 30

PC 30

Σ

F

T

3

1P

C

3

1

LSP

DEPÓSITO

C.- CONTROL REALIMENTADO CON REGULACIÓN PARALELA

CON EL FLUJO DE CONSUMO

PC 10

I/P

PT 10

Bomba

L

yX=

+ Δp - = presión de salida

SP

DEPÓSITO

7.6.-CONTROL DE TEMPERATURA.

En la Figura 2.21 se muestran las estrategias de control aplicadas.

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C.- CONTROL DE TEMPERATURA EN CALENTADOR CON LAZO DE CONTROL REALIMENTADO Y LAZO DE CONTROL EN CASCADA

I/P

FC32

PT33

FT32

TT32

Σ

TC32

TC33

TT30

TC30

FT31

TC31

SP

SP

VAPORAgua fría

Agua caliente

Condensado

T

C

2

1

TC20

FT20

TT20

Σ

I/P

VAPOR

Agua fría

Al

condensador

Flujo de agua calienteL

X

SP Y Temperatura del agua caliente

B.- CONTROL REALIMENTADO CON ACCIÓN DE DEL FLUJO A CALENTAR

gas

L

I/P

TC 10

TT 10

+ Δp - X

fe

fs

SP

8.- CONTROL CONTINUO Y DISCRETO

8.1.- El control 0n-0ff y el control continuo

Los controladores 0n-0ff se clasifican en dos categorías principales:

a. Controladores de dos posiciones 0n-0ff:En estos controladores, el elemento de control final, se mueve a una u otra de sus posiciones extremas. Este tipo elemental de controladores es llamado controlador 0n-0ff puro.

b. Controladores tres posiciones 0n-0ff: Donde la válvula motorizada u otro elemento del control final, se mueve lentamente y en etapas hacia uno u otro lado de sus posiciones extremas, dependiendo si la posición del controlador está arriba o abajo de un punto fijo. Se denomina a este tipo de control “Control de posición de motor” o también control cuasi continuo.

El controlador continuo tiene como salida una señal análoga, con ello puede permitir que el elemento final de control adopte cualquier posición entre completamente abierto o totalmente cerrado. Esto significa que la acción de control de un controlador continuo es más fina y puede, bajo ciertas circunstancias, ser más exacta.

Existen aplicaciones donde sólo se debe emplear control continuo, por ejemplo, debido al hecho que el tiempo de respuesta de estos controladores es generalmente más corto que el de los controladores 0n-0ff equivalentes acoplados a una válvula motorizada. En algunos casos, es más fácil diseñar esquemas de controladores más complejos utilizando controladores continuos, por cuanto es más fácil su adaptación a computadores de control.

En otros casos es, generalmente, posible diseñar un sistema de control 0n-0ff que haga el mismo trabajo de un sistema continuo, por la mitad de precio.

Comparando, por ejemplo, el control cuasi continuo y el control continuo, uno puede decir que en general un controlador de posición de motor es la solución más económica para todos aquellos procesos en donde las perturbaciones son de duración breve y no llegan a influir en la válvula de control.

En general, el control continuo es considerado como el mejor. El control “on-off” y el control cuasi continuo se desarrollaron desde un punto de vista práctico y la experiencia con este tipo de control es empírica. Una predicción teórica del comportamiento de un control del tipo “on-off” cerrado (“loop”) es prácticamente imposible. Por otra parte, con un control continuo es posible predecir el comportamiento de un “loop” de control en forma matemática. De esto

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resulta que en Universidad e Institutos de Educación Superior (“Colleges”) técnicos, el control continuo forma la base de todos los ejercicios teóricos. Sin dudas, que los ingenieros jóvenes sin entrenamiento práctico, tienden a adoptar el control continuo más bien que el control “on-off”. Fundamentos en aplicaciones, económicas y de seguridad, tradición y experiencia, se juntan adecuadamente, los cuales deben influir en una decisión para la adecuada selección del tipo de controlador.

8.2.-Controladores continuos.

Uno de los ejemplos más antiguos y mejor conocido de un típico controlador continuo es el Governor de la Figura. 3.1. empleado para controlar la velocidad de un motor.

El giro del motor se comunica al mecanismo de control mediante un par de piñones. En la medida en que la velocidad aumenta, la fuerza centrífuga hace mover las masas en una dirección hacia afuera. De esta forma y actuando una palanca, la cual está mecánicamente acoplada para operar la válvula del combustible, en una forma tal que la válvula comienza a cerrarse cuando la velocidad del motor aumenta. Como esta válvula puede tomar cualquier posición entre completamente abierta o totalmente cerrada, tal ajuste es denominado continuo.

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Recorrido pistón válvula combustible

Desde el eje principal del motor

Flujo combustible al motor

(No rota)

Sube y baja con los cambios de velocidad

Cuerpo de la válvula

Figura 3.1.- Esquema del

mecanismo del GOVERNOR de

Maxwell

Se utiliza el control continuo cuando, el proceso muestra una respuesta rápida y de un monto importante frente a las perturbaciones.

Es difícil controlar los sistemas de combustión de calderas. El problema es el control de exceso de aire en el hogar de la caldera. Si el operador abre la puerta del hogar, la posición de la válvula de la chimenea debería ajustarse inmediatamente con el objeto de mantener, en forma normal, la presión deseada ligeramente negativa. Aquí un controlador continuo es la mejor solución, porque la perturbación (abertura de la puerta) inmediatamente influye en la válvula del control del exceso de aire. En el mismo hogar, la presión de gas del quemador puede fluctuar rápidamente.

Como la temperatura de la caldera no reacciona tan rápidamente a esta fluctuación, debido a la inercia del calor del sistema, es más barato y en algunos casos, aún mejor, controlar este ciclo con un controlador 0n-0ff, el cual actúa como una válvula motorizada. Así en este ejemplo (cambio rápido de la presión del gas), la válvula de control no influye en la temperatura en la misma forma.

Este problema de combustión es válido para cualquier horno. Los hornos modernos tienen quemadores de gas de altas presiones. La velocidad de combustión es tan alta que los controladores continuos con válvulas neumáticas no dan un buen resultado.

La situación mejora bastante con un controlador 0n-0ff. La rápida acción 0n-0ff produce una llama pulsante. Las ondas de presión que se generan entonces tienen un efecto positivo en la transferencia del calor.

EL control continuo admite implementaciones: el control neumático; el control electrónico y el control digital.

El control neumático tiene las siguientes características:

La mecánica es muy confiable. Cuando se trata de obtener seguridad en atmósferas explosivas, es fácil crear

instrumentación “prueba de explosión”, basada en neumática.

El control electrónico tiene las siguientes características:

Es fácil transmitir una señal eléctrica a larga distancia. La energía eléctrica está disponible en cualquier parte. La electrónica presenta una gran facilidad de procesamiento de señales. Los circuitos electrónicos integrados han disminuido ostensiblemente el costo de la

instrumentación.

El control digital tiene las siguientes características:

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Puede emplear toda la instrumentación electrónica con sus ventajas cambiando la implementación de algún instrumento análogo por tecnología digital (típico controladores digitales stand alone).

La electrónica digital presenta una facilidad de procesamiento de señales mucho mayor que las tecnologías anteriores

La instrumentación digital permite la comunicación con computadores a cargo de la supervisión de proceso llegando a constituir complejos sistemas de control llamados sistemas de control distribuidos.

Los circuitos digitales integrados (microprocesadores) han disminuido aun más el costo de la instrumentación para la misma cantidad de funciones a realizar.

9.- ACCIONES DE CONTROL

Es necesario establecer algunas definiciones para el desarrollo que sigue a continuación: Variable manipulada:

Se dice de la señal de salida de control del controlador.

Variable de proceso: Se dice de la señal de salida del Transmisor conectado a la variable de salida de control,

es decir, la variable que se desea controlar.

Referencia:Se dice de la señal con la que se compara la variable de proceso y representa el valor

deseado de la variable de salida de control. Señal de error del controlador:

Se dice del resultado de comparar la referencia con la variable de proceso.

9.1.-Control proporcional

Hoy en día es posible construir una versión electrónica del governor, para ello el movimiento del motor debe detectarse mediante un tacogenerador, el cual suministra un voltaje proporcional a la velocidad o variable de proceso. Esta señal se recoge por un controlador continuo. Al interior de este controlador, la señal de entrada se compara con la referencia que es un valor fijo (“patrón” o de “referencia”), el cual puede ser ajustado (“sintonizado”) manualmente a cualquier valor que se requiera. La diferencia entre la referencia y el valor del sensor se llama el error del controlador. Sí la referencia es constante y la velocidad del motor que es la variable de salida del control (que se obtiene de la salida del tacogenerador) es menor que el valor requerido (el voltaje representado por el punto de referencia seleccionado) el controlador suministrará una señal de corrección la cual mueve la válvula neumática en la línea del combustible a otra posición de mayor paso.

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En principio este es un control continuo y conviene considerar lo siguiente:

a. En esta aplicación la referencia es constante (problema del regulador) y el control tiene que funcionar de modo que a una entrada decreciente hacia él debe manifestarse en una salida que se incrementa. Esto es lo que se conoce como “acción reversa o inversa”.

No obstante, existen diversas aplicaciones en las mismas condiciones y en las que se requiere que el controlador con una entrada incrementada origine una salida incrementada (reforzada). Esto último se conoce como “acción directa”. Para asegurarse que un controlador particular pueda ser utilizado para ambos tipos de operaciones, los controladores continuos disponen de un conmutador, el cual permita una elección inmediata entre la acción “directa” y la “inversa”.

b. En este ejemplo la válvula neumática debería ser diseñada en forma tal que esté cerrada a menos que exista una señal de salida desde el controlador (válvula de control normal cerrada). Esta es una condición de seguridad, en caso que el controlador falle. Sí esto último ocurriese, entonces la señal de salida de control tenderá al mínimo y el motor se detendrá automáticamente (en vez de “escaparse”).

El controlador descrito anteriormente produce una variable manipulada que es proporcional a la señal de error del controlador. Por lo tanto, este tipo de controlador es conocido como controlador proporcional (controlador P).

Esto es más claro con la ayuda de

la Fig.3.2. La referencia es del 50% y sí no existe desviación (velocidad del motor = velocidad

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Variable de Proceso

100%

75%

50%

25%

0%100%75%50%25%0%

VariableManipulada

AperturaValvula

Error

0%50% 25% -50%-25%

100%

75%

50%

25%

0%

BANDA PROPORCIONAL 100%

Figura 3.2. - Curva del controlador

proporcional Bp=100%

B A

Figura 3.3.- Curva del controlador P banda proporcional del 50%

Variable de Proceso

100%

75%

50%

25%

0%100%75%50%25%0%

VariableManipulada

AperturaValvula

Error

0%50% 25% -50%-25%

100%

75%

50%

25%

0%

BANDA PROPORCIONAL 50%

C

A

deseada) la variable manipulada ha sido diseñada para valer 50%, con ello la válvula de control tiene una apertura del 50% y esto coincide que la carga del motor es la nominal. Sí la carga disminuye, entonces, la velocidad aumenta, la desviación relativa al punto fijo se hace positiva, y la salida del controlador tiene que disminuir (acción reversa). Sí la velocidad disminuye, la desviación se hace negativa y la variable manipulada aumentará. A mayor desviación, entonces mayor será la desviación del valor original de 50%.

Supóngase que la carga ha ido aumentando suavemente hasta que la velocidad llega a caer en un 10% y la válvula de control se ha abierto también en un 10%. Esto se muestra en la Figura 3.2, inicialmente la máquina estaba operando en el punto A y termina operando en el punto B.

Debe quedar claro que en la nueva situación del sistema bajo control queda operando con una señal de error del controlador de 10%.

Se puede verificar que la ecuación de la Figura 3.2 es:

con mo igual a 50% y kc igual a 1, esta ecuación también puede expresarse en términos de un nuevo parámetro Bp llamado banda proporcional, es fácil asignarle la propiedad de porcentaje a este parámetro.

En este caso Bp es de 100 para que kc sea 1.

Para hacer más sensible el sistema de control frente a la caída de la velocidad por aumento de carga, es necesario aumentar la ganancia proporcional o lo que es lo mismo disminuir la banda proporcional. En la Figura 3.3 se ha disminuido la banda proporcional a 50, con ello se logra el incremento en la apertura de la válvula de control de 10% se tenga con menos señal de error del controlador. Se ve también que la zona de la curva del controlador en que se tiene una respuesta proporcional al error es de 50% entorno del valor cero de error. En otras palabras, para mejorar la respuesta la “banda proporcional” se hace más angosta. Si se llega a una banda muy angosta, por ejemplo 2%, la desviación más pequeña del punto fijo [de referencia] produciría una apertura o cerradura repentina de la válvula. El resultado sería…. Control del tipo “on-off” ¡Como es conocido, el control “on-off” resulta con una variable de salida de control fluctuante!.

En el otro extremo, si la banda proporcional se hace infinita. El resultado sería cualquiera, sea la desviación que ocurra del punto fijo, la salida del controlador del controlador permanecería en mo. De esta forma, no se evidencia acción de control en absoluto. Después de la consideración de estos límites críticos será más claro, que para cada uno de estos procesos

alguna banda proporcional entre 0 % y % debe ser encontrada de modo

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de obtener un control óptimo. Mientras más angosta [más aguda] sea la banda proporcional, más drásticamente actuará el controlador, sin embargo existirá una mayor chance [probabilidad] de un proceso oscilante (control inestable).

Con una banda proporcional más ancha, el controlador actuará menos drásticamente y (dentro de los límites) el control de acción resultante será más estable. El control proporcional, parece ser ideal, sin embargo, existe una importante desventaja invariablemente acoplado con el control proporcional hay un “corrimiento proporcional”. Esto ocurre cuando la carga se aleja de su valor nominal.

De hecho, un Controlador Proporcional puede suministrar suficiente combustible a un motor en la medida que la carga permanezca nominal. Otra condición cualesquiera de carga forzará al controlador a buscar un nuevo punto de operación a lo largo de su línea de acción proporcional, lo cual produce automáticamente una desviación del punto fijo requerido. Esta desviación se denomina “corrimiento proporcional” o muy corrientemente “corrimiento”. Este corrimiento aumenta en magnitud, a medida que las condiciones del proceso difieran de su valor nominal. El corrimiento también aumenta con el ancho de la banda proporcional del controlador

9.2.- Acción Integral

El corrimiento, es inherente en un controlador proporcional, el cual proporcionará ya sea demasiado o muy poco valor de la variable manipulada, tanto pronto como las condiciones de carga se alejen de lo nominal. Mientras que en algunos procesos un corrimiento moderado puede ser tolerado, con procesos industriales más complejos esta desventaja inherente del controlador-P es absolutamente inaceptable. Por lo tanto, el controlador-P debe ser equipado con medios adicionales de modo de eliminar este efecto no deseable.

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Variable de Proceso

100%

75%

50%

25%

0%100%75%50%25%0%

VariableManipulada

AperturaValvula

Error

0%50% 25% -50%-25%

100%

75%

50%

25%

0%

CONTROL P-I ;Bp=50%

A

B

Figura 3.4.- Desplazamiento de la curva de salida del controlador por

efecto de la acción integral.

Es necesario considerar la inclusión de una unidad suministre una salida del controlador adicional suficiente para controlar la válvula de modo de eliminar el corrimiento y que la desviación de control se haga nula.

Para resolver el problema del corrimiento se emplea un modulo de naturaleza integradora, este modulo aporta a la variable manipulada proporcional al error una magnitud proporcional a la integral del error, así la variable manipulada es:

m Salida del controlador.m0 Valor constante y ajustable en forma manual que establece el punto de trabajo. P es la contribución de la parte proporcional. Bp Banda proporcional. e Es él la diferencia entre el valor deseado y el valor actual de la variable de

proceso.Kc Es la ganancia ajustable del controlador proporcional.I es la contribución de la parte integral. Ti Es el tiempo ajustable de integración.

Esta unidad adicional (el “integral” o “I”) también detecta la desviación de control y comienza suavemente a suministrar una salida de control aún mayor a la válvula de control, por el tiempo en el cual exista la desviación.

Mientras mayor sea la desviación, mayor será el incremento en la corriente de salida. La salida de control adicional producirá una abertura adicional en la válvula, lo cual se traduce en un incremento de la velocidad del motor y en una disminución de la desviación.

Esto, en cambio producirá que la salida de control en el controlador-P, se haga más pequeña. Después de un cierto período, debido al incremento sustantivo de salida de control desde la unidad I, el corrimiento tenderá a cero y el controlador P volverá a tomar su valor nominal de salida de 50%.

En resumen, el aumento permanente de carga debe ser compensado con una nueva apertura de la válvula de control.

El resultado de la compensación depende completamente de la velocidad del incremento de la salida de control desde la unidad I, ya sea sí se detiene con un corrimiento nulo o si la salida de control continua aumentado por un instante de tiempo. En este último caso, se genera un sobrepaso y el mismo procedimiento comenzará a producirse nuevamente en la otra dirección. Es importante, comprender que la acción combinada de la unidad P y I, sí son ajustadas a sus valores óptimos, pueden producir una acción suave de control, sin sobrecarga y con un corrimiento proporcional.

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En resumen, se tiene que: La unidad P trata de corregir la posición de la válvula rápidamente y

proporcionalmente a la desviación de control, sin embargo el éxito no es completo.

La unidad I comienza a producir un aumento sostenido de corriente, en la medida que la desviación de control continúe existiendo. Mientras mayor sea la desviación, mayor será el incremento o disminución de la salida “extra”. En esta nueva situación de balance, la unidad I suministrará toda la salida (positiva o negativa) necesaria para sumar con la salida de la unidad P, a fin de generar la salida requerida para eliminar la desviación de control.

Mientras mayor sea la acción I (a mayor incremento en la corriente por unidad para un valor dado de la desviación), menos estable será el control del ciclo [“loop”]. En un extremo la corriente aumenta casi instantáneamente a su valor máximo, con independencia de la magnitud de la desviación. En el otro extremo, la unidad I no producirá corriente con independencia del tamaño de la desviación. En algún punto intermedio debe estar el ajuste óptimo. Por razones prácticas, el valor de la “acción I” se gradúa de acuerdo al recíproco del tiempo Ti de la acción, la cual se conoce como “Ti”. De esta forma “Ti” representa el intervalo de tiempo necesario para que la acción integral produzca la misma cantidad de movimiento correctivo como el producido por la acción proporcional debido a la desviación sostenida [“regular en el tiempo”] desde el valor fijo.

Este intervalo de tiempo “Ti” se expresa corrientemente en minutos, de esta forma la notación indica que no existe acción Integral, en cambio significa acción una acción integral infinita.

Para un proceso sostenido, un controlador continuo debería incluir ambos tipos de control de acción, es decir: P y I.

9.3.- Acción derivativa

En la medida que el proceso continúe bajo condiciones de régimen estable, él Controlador Pl será capaz de arreglárselas sin problemas. Aún, sí ocurren perturbaciones en el proceso, el controlador Pl podrá arreglárselas sin problemas. Sin embargo, debe ser claro de lo expuesto anteriormente, que mientras mayor sea Banda proporcional y menor la acción integral Ti, el control del sistema reacciona débilmente a los cambios en la variable de salida de control.

Dependiendo de las características del proceso, podría ocurrir que en ciertas circunstancias, por ejemplo cuando se trabaja en condiciones de régimen estacionario

con pequeñas perturbaciones, el ajuste óptimo Pl proporcionaría resultados inmejorables, pero tan pronto como ocurra una perturbación demasiado grande,

entonces el ajuste del Pl sería demasiado lento.

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Es necesario introducir una tercera unidad en el controlador continuo con el propósito de permitir una respuesta más rápida sin caer en una respuesta oscilatoria

como la que se obtiene disminuyendo la Banda proporcional. Lo que se requiere es un “empujón adicional a la partida” para compensar

pronto la brusca caída de velocidad. En la medida que la velocidad del motor esté lo suficientemente alejado del punto de trabajo, no produce daño proporcionarle a la

válvula de control una subida adicional, mucho más de lo que realmente se precisa para la velocidad del punto de trabajo.

Esto producirá en la máquina un mayor flujo de combustible, el cual acelerará la velocidad del motor rápidamente, permitiéndole alcanzar el valor fijo rápidamente. Esta situación no debe, sin embargo, durar más allá que algún momento, por cuanto y de otra forma la velocidad del motor podría llegar a ser demasiado grande y nos confrontaríamos

con un sobrepaso.

Este empujón inicial es proporcionado por la “unidad derivada”. Ella detecta

como su entrada, la razón de cambio de la variable de error del controlador ; cuando

la velocidad empieza a caer aumenta, y una salida de control proporcional a esta

razón de cambio permite abrir adicionalmente la válvula de control, más amplia apertura a mayor taza de cambio de caída en la velocidad. Por lo tanto, no es la magnitud de la

desviación como tal (como ocurrió en el caso de los modos de control P y I), sino la velocidad con la cual el valor de la desviación aumenta o disminuye.

Por la energía adicional recibida, el motor frena la caída de velocidad y luego

esta comienza a aumentar, la acción derivativa comienza a ser un freno ya que es

ahora negativo.

Mientras mayor sea la velocidad (mientras más rápido la válvula de control se aleje desde el punto fijo), más alta será la señal del “empujón extra” o acción D a la salida

(Fig.8). Esto significa, por otra parte, que una desviación existente la cual permanezca constante no producirá ningún tipo de acción D.

Sí la acción D es nula, la desviación puede cambiar a cualquier velocidad, pero no existirá ningún “empujón extra”. Sí la acción D es máxima, inmediatamente ocurrirá

un cambio completo de escala de la señal al menor cambio en la velocidad de desviación. En alguna parte, entre estos dos extremos, es posible encontrar una acción óptima para

cada una de las aplicaciones.

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10.- CRITERIOS PARA SINTONIA DE CONTROLADORES

No es fácil definir un “buen criterio de sintonía de controladores, dada la diversidad de procesos.

Con objeto de definir un criterio considérese la curva de respuesta de la Figura 3.5, la que representa la variable de salida de

control cuando la carga ha disminuido bruscamente y el controlador es sólo

proporcional. Desde la coordenada 0.0 que representa el valor nominal, se ha equilibrado en una unidad en forma oscilante. Sean a, b, c, etc. las elongaciones en torno del valor final,

entonces se define

Razón de amplitudes

La razón de amplitudes (R.A) es el cuociente entre la actual elongación positiva y

la anterior elongación positiva.

Un criterio aceptado es el Cuartico. En este criterio se debe tener una (R.A) de 1:4 tal

como se muestra en la figura 3.5.

Es importante establecer, que existen muchas posibilidades de combinación de los parámetros para sintonizar controladores, el criterio basado en la razón a: b = 1:4 es una guía a falta de una mejor experiencia en controlar el proceso que sé esta analizando.

10.1 Las ecuaciones  de las acciones de control

Se resumen las ecuaciones  de los controladores:

control proporcional

mp es la contribución de la parte proporcional.E es él la diferencia entre el valor deseado y el valor actual de la variable de

proceso.Kc Es la ganancia ajustable del controlador proporcional.

control integral

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Figura.- 3.5 Curva de reacción

de un sistema bajo control con

sintonía con criterio cuartico.

La principal diferencia con el controlador que posee sólo modo proporcional, es que este posee una salida desde el modo integral, como una constante multiplicada por

el tiempo integral de la señal de error, así:

mi es la contribución de la parte integral.E es él la diferencia entre el valor deseado y el valor actual de la variable de

proceso.Kc Es la ganancia ajustable del controlador proporcional. Ti Es el tiempo ajustable de integración.

control proporcional integral derivativo

Para un controlador con los tres modos de operación, (proporcional, Integral y derivativo), la ecuación que lo describe es la que sigue:

M es la salida de control total.E es él la diferencia entre el valor deseado y el valor actual de la variable de

proceso.Kc Es la ganancia ajustable del controlador proporcional. Ti Es el tiempo ajustable de integración. Td Es el tiempo ajustable de derivación.

10.2.- Criterio de Ziegler y Nichols para Sintonía de controladores PID mediante lazo cerrado.

Ziegler y Nichols proponen un método llamado, “método de la ganancia crítica” o de la última ganancia”, está basado en determinar la última ganancia o sensitividad “Su” y el último periodo “Pu”, para que el sistema sea estable, con el controlador en

modo proporcional.

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Procedimiento:

1. Las acciones derivativa e integral deben eliminarse, o sea, Td = 0 y Ti = muy grande (infinito).

2. Se debe colocar el controlador en modo automático.3. Con la ganancia en algún valor arbitrario, imponer un “”set-point”” arbitrario y observar la

respuesta.4. Si la respuesta a la curva en el paso 3, es inestable como lo muestra la curva anterior, la

ganancia es alta, debe entonces disminuirse y repetir el paso 3.5. Si la respuesta a la curva en el paso 3, es estable como lo muestra la curva anterior, la

ganancia es baja, debe entonces aumentarse y repetir el paso 3.6. Cuando la respuesta sea similar a la oscilación continua, como lo muestra la figura, el valor

de la ganancia y el período deben ser registrados.

Sin embargo, como es de esperar, hay excepciones en que al disminuir la ganancia el proceso se hace inestable. Usualmente este tipo de sistemas es estable a altos y bajos valores de ganancia, y es inestable a valores intermedios. Es por ello que en estos casos, el método de la última ganancia es definida de manera diferente. La diferencia consiste en que se busca la última ganancia en los valores bajos de ésta para la cual es estable, sin embargo esto sólo se debe hacer si al disminuir la ganancia decrece la estabilidad con el caso usual.

Una vez obtenida la última ganancia y su período, se puede obtener la sintonía del controlador por Ziegler y Nichols.

control proporcional

control proporcional - integral

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Figura 3.6. - Curvas de respuesta al cambio de ganancia en lazo

cerrado

control proporcional - derivativo

control proporcional - integral- derivativo

Se debe notar que empíricamente se pueden obtener muy buenas sintonías, sin embargo, pueden existir excepciones, dado que hay procesos en los que no se puede mantener una oscilación sostenida, y el método de la última ganancia no puede ser utilizado. Es posible, para estos casos generar un procedimiento análogo al anterior, y procediendo al igual que en el caso de la última ganancia, buscar en la curva de respuesta del sistema una razón de caída de 1:4, y dado ese período “P”, proceder a sintonizar según las siguientes ecuaciones:

En general, se presentan dos desventajas en este método. La primera es que ambos son ensayo y error, y por tanto, pueden ser varias las pruebas antes de lograr una razón de caída en la respuesta de 1:4, además, es de esperar severas oscilaciones en el proceso de prueba. Segundo, se pueden afectar otros lazos mientras se intenta ajustar los parámetros.

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10.3.- Criterio de Ziegler y Nichols para Sintonía de controladores PID mediante lazo abierto.

En contraste a los métodos de lazo cerrado, los métodos de lazo abierto, requiere imponer solo un referencia al proceso. Aquí el controlador no está incluido en el lazo

cuando se realizan las pruebas, de esta manera este método busca caracterizar el proceso y entonces sintonizar el controlador dada las características propias del proceso

en particular.

Muchas de estas técnicas aplican el proceso de curva de reacción, que no es otra cosa que la respuesta del proceso a un cambio de escalón en la variable manipulada.

Para realizar el proceso de curva de reacción y determinar los parámetros de la planta, se recomiendan los siguientes paso:procedimiento:

1. Dejar el sistema operando en estado estable en la cercanía de su punto de trabajo2. Disponer el controlador en operación manual3. colocar manualmente la salida del controlador en el valor con que operaría

automáticamente para estar en el punto de trabajo .4. Permitir al sistema alcanzar estado estable.5. Con el controlador todavía en operación manual, imponer un cambio brusco ( salto en

escalón) en la salida del controlador.6. Registrar la respuesta de la variable controlada y el tiempo en que ocurre.7. Retornar la salida del controlador, a su valor previo y luego disponer la operación

automática nuevamente.

Una curva típica, como resultado del procedimiento anterior es la de la fig3.7 Resulta evidente que es más fácil obtener la curva de reacción del proceso en vez de la última ganancia, y a su vez es más rápida que el método de respuesta de frecuencia.

Para sintonizar el controlador aplicando el método propuesto originalmente por Ziegler y

Nichols´ sólo se necesita determinar TR y T de la curva resultante de la experiencia. Las ecuaciones para sintonizar el controlador son las siguientes

control proporcional

control proporcional – integral

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Figura 3.7 Curva de respuesta al procedimiento de sintonía en lazo

abierto .

control proporcional - integral- derivativo

De lo anterior se desprende que las reglas propuestas por Zieglers y Nichols, son aplicables a procesos cuyas ecuaciones  de la dinámica no se conocen, ya que de lo

contrario son muchos los procesos analíticos posibles para obtener los parámetros del controlador (Ej.: si la función de transferencia es conocida).

Si la planta es tal que se pueden aplicar las reglas de Ziegler y Nichols (debe tener la clásica respuesta al escalon tipo S), entonces la planta con un controlador PID sintonizado por las reglas de Ziegler y Nichols presentará un sobrepaso de entre un 10% y un 60% en la respuesta al escalón. En promedio experimentado en muchas plantas diferentes, el sobrepeso máximo es de aproximadamente un 25%, esto es muy comprensible porque los valores propuestos por Ziegler y Nichols están basados en el promedio. Es de esta manera que las reglas de sintonía de Ziegler y Nichols dan una “primera aproximación” de los valores de los parámetros y brindan un punto de partida para el ajuste fino.

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11.-ACTUADORES

11.1.- Introducción

En esta Unidad se estudian los actuadores típicos para válvulas de control, por lo cual se pretende dar una visión general de los conocimientos básicos que permitan al operario distinguir y comprender las principales diferencias entre los distintos actuadores para válvulas.

11.2.- Actuadores para Válvulas de control

Existen disponibles en el mercado muchos tipos y variantes de actuadores para válvulas de control; sin embargo, se pueden dividir de acuerdo a su principio de funcionamiento en 4 categorías generales, las cuales permiten distinguir los actuadores con sus rasgos típicos, independientemente del fabricante, y de las características adicionales que éste incluya en cada uno de sus modelos. Estas 4 categorías generales de actuadores son:

Resorte y diafragma neumático. Pistón neumático. Motor eléctrico. Electro-hidráulico.

Debe notarse que también existen los Actuadores Manuales, aunque su uso no es para ejercer control regulatorio.

Cada tipo de actuadores tiene su lado fuerte y sus debilidades y está diseñado para usos óptimos.La mayoría de los diseños de actuadores está disponible para ser usado tanto como para cuerpos de válvulas con ejes deslizantes como para ejes rotatorios. Ellos diferirán sólo por la unión de transferencia de movimiento, pero las fuentes de poder básicas son idénticas.La mayoría de los actuadores rotatorios emplean uniones, engranajes, o manivelas para convertir el movimiento lineal directo de un diafragma o pistón en un movimiento de salida rotatorio de 90º, requerido por válvulas rotatorias.

La más importante consideración para actuadores de válvulas de control es el requerimiento para un diseño que limite al mínimo el valor del movimiento perdido en la unión interna y en el acoplamiento de la válvula.

Los actuadores de válvulas de control operados neumáticamente son los mas populares y usados; sin embargo, los actuadores eléctricos, hidráulicos, y de pistón, también son usados extensamente.

El actuador de resorte y diafragma neumático es el mas comúnmente especificado, debido a su confiabilidad y a su simplicidad de diseño.

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Los actuadores de pistón operados neumáticamente, proveen una capacidad integral del posicionador y una salida de alta fuerza en el eje para condiciones de servicio exigentes.

Adaptaciones de ambos tipos de actuadores, resorte - diafragma neumático y pistón neumático, son utilizables para aplicación y directa utilización en válvulas de control de eje rotatorio.

Los actuadores eléctricos y electro-hidráulicos son mas complejos y mas costosos que los actuadores neumáticos.Ellos ofrecen ventajas comparativas cuando no hay disponible una fuente de aire, donde las bajas temperaturas ambiente pueden condensar agua dentro de las tuberías de la fuente neumática, o donde se necesitan fuerzas del eje inusualmente grandes.

11.3.- Actuadores de Diafragma

Son muy simples y se encuentran a un bajo costo y una alta confiabilidad.

Son operados neumáticamente, usan una fuente de baja presión desde un controlador , posicionador u otra fuente. Normalmente operan en los rangos de señales estándar de 3 a 15 psi o de 6 a 30 psi.

Incluyen varios estilos:

Actuación directa: incrementan la presión de aire empujando abajo el diafragma y extendiendo el eje del actuador, éste se muestra en la figura 3.1.

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7

Fig.3.1: Actuador de resorte y diafragma neumático de acción directa.

Actuación reversa: Incrementan la presión de aire empujando hacia arriba el diafragma y retractando el eje del actuador, figura 3.2.

Fig.3.2: Actuador de resorte y diafragma neumático de acción inversa.

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Reversible: Actuadores que pueden ser ensamblados para ambas direcciones, directa e inversa, figura 3.3.

Fig.3.3: Esquema de un actuador reversible, de acuerdo al montaje, se puede usar para acción de tipo directa o inversa.

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Fig.3.4: Comparación visual entre actuadores de diafragma de acción directa y de acción inversa.

Acción directa para válvulas rotatorias: Incrementan la presión de aire empujando abajo el diafragma, el cual puede abrir o cerrar la válvula, dependiendo de la orientación de la palanca del actuador sobre el eje de la válvula, figura 3.5.

Fig.3.5: El actuador Tipo 1052 de Fisher es un actuador de resorte y diafragma, diseñado para válvulas rotatorias, posee muchas características que permiten obtener un control más preciso.

La salida neta de empuje es la diferencia entre la fuerza del diafragma y la fuerza opuesta del resorte.Diafragmas moldeados proveen una actuación lineal e incremento de movimientos.

11.4.- Actuadores de Pistón

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Los actuadores de pistón son operados neumáticamente usando aire de planta a alta presión, a 150 psig, frecuentemente eliminando la necesidad de una fuente regulada de presión.

Los actuadores de pistón proporcionan un empuje de salida máximo y rápidas velocidades de movimiento.

Los actuadores de pistón tienen doble acción para dar una máxima fuerza en ambas direcciones, o resorte de retorno para proveer operación de falla abierta, o falla cerrada (figura 3.6).

fig.3.6: Esquema típico de un actuador tipo pistón de doble acción.

Fig.3.7: Válvula de control con actuador tipo pistón de doble acción.

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Varios accesorios pueden ser incorporados para posicionar un pistón de doble acción en el evento de una falla de la fuente de presión. Estos incluyen disparadores neumáticos y sistemas de bloqueo de la válvula.

También disponen de amortiguadores hidráulicos, volantes manuales, y unidades sin uniones, los cuales pueden ser usadas para operar válvulas mariposa, persiana y equipamiento industrial similar.

Otras versiones para servicio en válvulas de control con eje rotatorio, incluyen un sello deslizante en la parte mas baja del cilindro. Estas permiten al eje del actuador para mover lateralmente como arriba y abajo, sin escape de presión del cilindro. Esta característica permite la directa conexión del eje del actuador a la palanca del actuador montada en el eje de la válvula rotatoria, eliminando de este modo una unión o fuente de pérdida de movimiento (figura 3.8).

Fig.3.8: Este es el actuador Tipo 1061 de Fisher, que es un actuador de pistón para válvulas rotatorias, entrega las mismas ventajas de precisión que el Tipo 1052.

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11.5.- Actuadores Electrohidráulicos.

Los Actuadores Electrohidráulicos requieren solo potencia eléctrica para el motor y una señal eléctrica de entrada desde el controlador (figura 3.9).

Fig.3.9: Válvula de control con actuador electrohidráulico autocontenido Tipo 350, esta unidad contiene bomba hidráulica y reservorio.

Son ideales para ubicaciones aisladas donde no hay disponible una fuente de presión neumática, pero donde se necesita un control preciso de la posición del tapón de la válvula de control.

Las unidades son normalmente reversibles haciendo ajustes menores y podrían ser autosuficientes (incluyendo el motor, bomba, y pistón de doble acción operado hidráulicamente), dentro de una cubierta impermeable o a prueba de explosión.

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11.6.- Actuadores Eléctricos

Los diseños de actuadores eléctricos tradicionales usan un motor eléctrico y algunas formas de engranajes de reducción para mover la válvula.

A través de esta adaptación, estos mecanismos han sido usados para control continuo con grados variables de éxito.A la fecha, los actuadores eléctricos han sido mucho mas costosos que los actuadores neumáticos, para los mismos niveles de actuación.

Esta es un área de rápidos cambios tecnológicos, y los futuros diseños pueden causar un cambio hacia el uso mayor de actuadores eléctricos.

11.7.- Actuadores Manuales

Los actuadores manuales son utilizados donde no se requiere control automático, pero donde aún es necesario un buen control manual y facilidad de operación (figura 3.10).Ellos son usados frecuentemente para actuar el lazo de desviación (bypass) alrededor de las válvulas de control, para control manual del proceso durante la mantención o cuando el sistema automático no está funcionando.

Los dispositivos con indicación en cuadrante están disponibles para algunos modelos para permitir recalibrar precisamente el tapón o el disco de la válvula.

Están disponibles en varios tamaños, tanto para válvulas de movimiento lineal, como para válvulas rotatorias.

Los actuadores manuales son mucho menos costosos que los actuadores automáticos.

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Fig.3.10: Esquema que muestra actuadores manuales tanto para uso con válvulas de vástago deslizante (tipo lineal), como para válvulas de tipo rotatorio.

Fig.3.11: Esquema en corte de un actuador manual.

11.8.- Ejemplos de Actuadores

A continuación se presentan ejemplos de actuadores de distintos modelos de los fabricantes FISHER CONTROLS y NELES CONTROLS.

11.9.- FISHER CONTROLS

Actuadores diafragma neumático

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Existen los de tipo desplazamiento lineal y desplazamiento rotatorio.

Actuadores Tipos 657 y 667

Se presentan actuadores de desplazamiento lineal, para trabajo pesado, que poseen un muelle de retorno y una variedad de opciones de operación y accesorios montados en el actuador.El actuador se puede utilizar para el servicio de obturado o encendido con o sin posicionador. El Tipo 657 es de tipo “aire para cerrar” o acción directa y el Tipo 667 es de tipo “aire para abrir”, o acción inversa.

Fig.3.12: Actuador de diafragma neumático tipo 657.

Actuadores Tipos 1051 y 1052

Los Actuadores de diafragma neumático rotatorios Tipos 1051 y 1052 son Actuadores elásticos, resistentes, para trabajo pesado. Estos actuadores cuentan con diversos accesorios, volantes, topes de carrera ajustables y dispositivos de freno para el mantenimiento.

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Fig.3.13: Actuador tipo 1052, montado sobre la válvula y en corte.

El actuador Tipo 1051 resulta apropiado para el encendido y apagado o para la obturación cuando está equipado con un controlador o posicionador de válvula. El actuador Tipo 1052 resulta apropiado para el encendido y apagado u obturación sin un controlador o posicionador. Estos actuadores poseen un varillaje de junta simple con palancas con ranuras y abrazaderas para una pérdida mínima de trabajo y para un control de gran exactitud. El varillaje de actuador y válvula está completamente recubierto para mayor seguridad; sin embargo, el ajuste del empaque queda accesible sin quitar ninguna pieza.

Actuadores de Pistón Tipo 1061

Los actuadores rotatorios neumáticos Tipo 1061 son actuadores de pistón de doble acción que permiten un funcionamiento seguro de las válvulas. El Tipo 1061 se puede utilizar con una señal de control de dos posiciones para el encendido y apagado o con un controlador o posicionador de válvula para la obturación. Estos actuadores poseen un varillaje de junta simple con palancas con ranuras y abrazaderas para una pérdida mínima de trabajo y una gran exactitud del control. El varillaje que une el actuador y la válvula está completamente recubierto para mayor seguridad; no obstante, el ajuste del empaque se puede efectuar sin quitar ninguna pieza.

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Fig.3.14: Actuador tipo 1061, montado con la válvula y en corte.

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SENSORES DISCRETOS

1.1 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE SENSORES DISCRETOS

La mayoría (sobre el 65%) de las actividades de control, supervisión (funcionamiento y seguridad) y accionamiento industrial son de tipo discreto, o sea, su operación depende de estados definidos o discontinuos (On/Off, 0 y 1, Max. Nuetro y Mim, Alto y Bajo, cuenta de eventos temporizados o no temporizados, otros). En algunos casos, las señales que provienen de estas actividades deben ser capturadas a través de dispositivos sensores o mediante circuitos de electrónica digital, según sea su aplicación. En otros casos, las señales deben ser codificadas en pulsos (forma serial) o palabras (forma paralela), donde esta codificación representa un número especifico (dominio digital) que representa una medida de campo.

Otro aspecto relevante en este tipo actividades industriales, es que la captura de la información debe realizarse en forma directa o indirecta, en el primer caso, la acción se ejecuta en contacto con el medio a sensar, en la segunda situación es de no contacto al medio. En el caso directo, se dice que existe una comunicación mecánica entre la actividad que genera la señal y el medio que la captura. Para el caso indirecto o de no contacto, la comunicación es a través de ondas electromagnéticas (campos inductivos o eléctricos) u ondas mecánicas (sonido o vibración).

La presente unidad tiene como objetivo presentar los sensores de tipo discreto más comunes en ambiente industrial minero orientados a las operaciones de transporte de material, seguridad y accionamiento, dejando para otros cursos los sensores discretos orientados a los procesos físicos.

Otra misión de esta unidad es presentar los principios de funcionamiento que rigen los sensores de contacto o mecánicos (conocidos también como finales de carrera o limit switch) y los de no contacto (tales como: capacitivos, inductivos, ópticos y sónicos) .

1.1.1 Principios de los sensores mecánicos finales de carrera o limit switch

Un fin o final de carrera es un dispositivo electromecánico que esta compuesto de un actuador mecánico, que puede ser una leva, vástago, rodillo u otro medio el cual esta enlazado a un conjunto de contactos o terminales eléctricos. De estas uniones, se puede enlazar a un medio eléctrico tipo relé o tipo electrónico de estado sólido.

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ZT

Figura 1.1: Símbolo de ISA 51.1 para sensores de proximidad y de fin de carrera

Cuando ocurre presencia de objeto físico que ejecuta una acción

en el actuador, este opera los contactos eléctricos, detectándose un

cambio de estado que finalmente se manifiesta en el relé o circuito

electrónico o simplemente en una acción mecánica de abrir o cerrar.

Los sensores de fin de carrera, son los más antiguos y de amplia aplicación y variedad según los ambientes de trabajo, su gran uso se debe a la robustez mecánica y aptitud para ambientes duros o sucios, como es el caso de la industria minera, son de fácil instalación y de operación confiable. Pueden detectar presencia o ausencia de objetos o material en una cinta transportadora o conveyor, pasos de elementos dentados (detección de movimiento o velocidad), posicionamiento de maquinas o sistemas o el fin de una carrera de un aparato como interruptor de carrera. Están diseñados para detectar millones de operaciones repetitivas en ambientes sucios, húmedos, aceitosos o grasos y vibratorios.

1.1.2. Partes de un Fin de Carrera

Un fin de carrera puede ser de dos tipos: encapsulado y no encapsulado. Las diferencias y ventajas son discutidas mas adelante.

Las partes que componen un fin de carrera son (Figura 1.2)

Actuador: El actuador es la parte del fin de carrera que entrara en contacto con el objeto a ser sensado

Cabezal: El cabezal del encapsulado es el mecanismo que trasmite el movimiento del actuador a los contactos. Cuando el actuador es movido con intención, el mecanismo opera los contactos.

Bloque de Contactos: Es el lugar donde se encuentran los contactos eléctricos del interruptor, típicamente contiene entre dos o cuatro pares de contacto

Bloque de Terminales: Contiene los terminales de conexión y es el lugar donde se realiza la conexión de los conductores entre el sensor y el resto del circuito de control, ya sea, el relé, controlador, o circuito electrónico.

Cuerpo: Es la carcasa o cubierta que contiene el bloque de contactos y el bloque de terminales, para el caso de sensores encapsulado.

Base: Corresponde al bloque terminal en un fin de carrera de tipo no encapsulado.

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El aislamiento de los sensores de este tipo y los contactos eléctricos son construido sobre la base de estándares desarrollados por comités tales como IEC y NEMA. Los estilos de switch, según NEMA y la IEC, difieren en muchos aspectos tales como, tamaño del cuerpo, vida mecánica, durabilidad, material del encapsulado y perforaciones para la fijación. Los estilos de switch de NEMA, son generalmente vistos como más robustos y de mayor vida útil, mientras que los estilos de productos de la IEC, tienden a ser más pequeños y de menor costo.

Figura 1.2: Partes de un Fin de Carrera

Existen dos tipos de fin de carrera, que se diferencian en su cuerpo.

Cuerpo encapsulado: Son los primeros en surgir y se componen de una caja con una tapa separada. Un sello a la humedad entre el cabezal, el cuerpo y la tapa es mantenida mediante un anillo y por un aislante plano, ver figura 1.3.

Cuerpo no encapsulado: Este tipo de fin de carrera fue desarrollado para reemplazar el switch, cuando fuera necesario. En contraste con el sistema encapsulado, este divide el cuerpo en la mitad manteniendo el bloque terminal, para el conexionado. Un conjunto de puntas en el cuerpo se inserta en la base, para realizar la unión entre el bloque de contactos y el bloque terminal, ver figura 1.4.

Inicialmente la base es fijada y conectada, la base raramente es cambiada ya que no presenta desgaste. En cambio, si el switch es dañado o se desgasta por su uso, el

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cuerpo con el actuador debe ser removido y un nuevo cuerpo es montado sobre la base existente, quedando el dispositivo listo para la funcionar.

Un anillo provee aislamiento entre en actuador y la cubierta del switch, mientras que una empaquetadura resguarda el cuerpo de la entrada de elementos acuosos (aceites, agua, etc.)

Los tipos de fines de carrera no encapsulados, están basados en la estándar NEMA y las ventajas que ofrece son:

Instalación sin remover la cubierta Partes sin movimiento ubicado en la base Reducción de tiempo de recambio de switch, sin perturbar la conexión en la

base.

Figura 1.3 Fin de carrera encapsulado

Figura 1.4 Fin de carrera no encapsulado

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1.1.3. Tipos y funciones de un actuador

Cuando un actuador esta sin la aplicación de torqué o fuerza, se habla de un punto de descanso o libre. La posición a la cual el actuador debe ser movido para operar los contactos es llamada punto de disparo o punto de operación. Cuando el movimiento del actuador es inverso, la posición a la cual los contactos vuelven a su posición original

es llamada punto de reset o de descarga.Existen tres tipos de actuadores:

Rotatorio De empuje Vara Oscilante

El actuador rotatorio (rodillo, varo, otros) es un eje sobresaliente por el costado del fin de carrera, que opera el switch cuando gira. Este puede moverse en sentido horario y/o antihorario. Una terminación no fija en el extremo del eje, permite el paso de los objetos para activar el switch. (Figura 1.5 y 1.6)

Figura 1.5 Fin de carrera rotatorio

Figura 1.6 Terminaciones para fin de carrera rotatorio.

El actuador de empuje es una corta barra sobre la parte superior de un limit switch, y opera los contactos cuando es oprimido. Este usualmente dispone de un mecanismo de resorte para retornar a la posición original, para cuando desaparece la fuerza. Algunos actuadores de empuje no tienen sistema de resorte y se les debe aplicar una fuerza dirección opuesta para resetear los contactos. (Figura 1.7 y 1.8)

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Figura 1.7 Fin de carrera de empuje

Figura 1.8 Terminaciones de fines de carrera de empuje

El actuador de vara deflectora es una barra larga en la parte superior del fin de carrera, que opera los contactos cuando la barra se deflecta de la posición vertical. El material de la barra puede ser de plástico o de alambre flexible. Son capaces de operar en cualquier dirección y retornar a su posición original cuando la fuerza deflectora desaparece. (Figura 1.9)

Figura 1.9 Fin de carrera de vara deflectora

1.1.4. Características y operación de los contactos

Sostenimiento v/s Momentáneo: Los contactos de un fin de carrera se cierran cuando una fuerza o torque predeterminado es aplicado al actuador. Cuando esa fuerza desaparece, un resorte y su fuerza retorna a la posición original (Momentáneamente) los contactos del switch. Los contactos de un switch son Sostenidos en una posición de actuación hasta que una fuerza o torque es aplicada en la dirección opuesta, en el fondo esta es una operación de enclavamiento del dispositivo.

Dos o cuatro circuitos: Un típico fin de carrera contiene dos o cuatro pares de contactos. Cada par de contactos es utilizado para abrir o cerrar un circuito.

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Normal abierto o Normal cerrado: Normal abierto (NA o NO) o Normal Cerrado (NC), describe el estado de cada par de contactos cuando el switch esta en una posición de descanso o desernergizado, es el estado natural del sensor.

Contactos de acción instantánea: En esta estructura de contactos, el movimiento del actuador ejerce una fuerza a un mecanismo de sobrecarga, el cual crea un cambio rápido en el estado de los contactos cuando el punto de disparo es alcanzado. De esta forma el movimiento de los contactos es independiente de la velocidad de operación del actuador. El movimiento inverso del actuador causa la vuelta a un punto de reset y los contactos rápidamente vuelven a su posición original.

Una rápida acción de los contactos tiene diferentes puntos de disparo y reset. La distancia entre el punto de disparo y en punto de reset es llamada como trayectoria de reset, histéresis, o diferencial. Una trayectoria finita a reset ayuda a evitar múltiples cambios de estado si el objeto que acciona el switch esta sujeto a vibraciones. Una rápida acción de los contactos asegura un desempeño repetitivo en aplicaciones que involucran actuadores de baja velocidad. La trayectoria de los contactos no depende de la trayectoria del actuador. (Figura 1.10)

Figura 1.10: Contactos de acción rápida

Contactos de acción lenta: La estructura de estos contactos hace posible que dependa de la velocidad y distancia del actuador, por lo que cada par de contactos tiene su propio punto de operación. Esto es considerable, cuando el usuario no quiere que todos los contactos cambien simultáneamente. Este tipo de contactos no tiene una trayectoria diferencial bien definida. Lo que significa que el punto de operación y reset para un par de contactos son coincidentes.(Figura 1.11)

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Figura 1.11: Fin de carrera lento

Acción de apertura directa de los contactos: Esta acción es conocida por varios nombres tales como: acción directa, apertura positiva o inicio positivo. El estándar IEC 60947-5-1, define esta característica como “La separación de los contactos como el resultado directo de un movimiento especifico del actuador, a través de un miembro inelástico (no depende del resorte)”. Los finales de carrera con apertura directa acoplan la fuerza del actuador con los contactos para separarlos cuando están soldados. Aunque el mecanismo puede contener un resorte. Esto no implica que los contactos vallan a cambiar ya que el resorte puede fallar o no tener la fuerza suficiente para separar los contactos soldados.

En varios diseños, el punto al cual la apertura directa engancha, es mas allá del punto normal de operación del switch. Por lo tanto se debe tener el cuidado de ajustar el fin de carrera de tal forma que el actuador sea movido más allá del punto de apertura directa. Si esto no ocurre, los contactos no abrirán normalmente si estos se han soldado. (Figura 1.12 y 1.13)

Figura 1.12: Apertura Directa Figura 1.13: Símbolo apertura directa

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Características de operación de los contactos: Las especificaciones de fuerza y movimiento del actuador, requeridos para operar y resetear los contactos es llamado “Características típicas de operación”. Para muchos fines de carrera, las características típicas de operación son puestas en forma tabular. Esta tabla especifica la fuerza o el torque y la trayectoria del actuador necesario para operar los contactos y la trayectoria máxima permitida al actuador.

Algunos fines de carrera basados en el IEC, presentan las características típicas de operación como “arreglo de los diagramas de contacto”. (Figura 1.14 y 1.15)

Figura 1.14: Diagrama de contactos de acción rápida

Figura 1.15: Diagrama de contactos de acción lenta

1.1.5. Fin de carrera, ventajas y desventajas

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Ventajas Mecánicas:

Fácil uso Operación Sencilla Durabilidad Buena impermeabilidad para operaciones seguras Alta resistencia en diferentes ambientes Alta repetividad de operaciones Apertura positiva de contactos (algunos modelos)

Ventajas Eléctricas:

Manejo de cargas de alta potencia comparada con otro tipo de sensores

Inmunidad a las interferencias de ruido Inmunidad a las interferencias de radio frecuencia No presentan fuga de corriente Mínima caída de tensión Operación N.A. o N. C.

Desventajas:

Corta vida útil de los contactos Partes mecánicas pueden quedar fuera de uso eventualmente No todas las aplicaciones pueden utilizar censado por contacto

1.2. PRINCIPIOS DE LOS SENSORES INDUCTIVOS

Los sensores inductivos están basados en los principios de campos electromagnéticos y circuitos osciladores de radios frecuencias que enfrentan una bobina, son elementos de estado sólido diseñados para detectar movimientos de objetos metálicos dentro de un campo electromagnéticos. Esta tecnología se caracteriza por tener ausencia de contacto con el objeto a sensar.

No tiene partes movibles, por lo que no esta sometido a desgastes mecánicos Tiene un buen rendimiento en ambientes agresivos Detecta metales ferrosos y no ferrosos.

Un sensor inductivo funciona sobre el principio de oscilación en ausencia de corrientes parásitas o de Foucault. El sensor genera un campo electromagnético. Cuando un objeto metálico entra en el campo magnético, aparecen corrientes parásitas o de Foucault sobre la superficie de este. Las corrientes parásitas que se inducen toman la energía del campo magnético, lo que produce una reducción en la amplitud de la oscilación. Un circuito de disparo (trigger) detecta el cambio de amplitud de la oscilación y genera una señal de salida digital (On- Off). Cuando el objeto metálico se aleja, el sensor vuelve a su estado inicial.

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1.2.1. Aspectos Constructivos

Un sensor inductivo esta compuesto por 4 componentes básicos. Ver figura 1.16.

Una bobina y un núcleo de ferrita ensamblado: La bobina y el núcleo de ferrita ensamblado generan el campo magnético desde la energía eléctrica que provee el oscilador.

Oscilador: El oscilador suple la energía eléctrica para la bobina y la ferrita.

Circuito de Disparo (Detector): El circuito de disparo detecta los cambios de amplitud de la oscilación. Los cambios ocurren cuando un metal entra o sale de la irradiación del campo electromagnético desde la cara frontal del sensor

Circuito de Salida: El circuito de salida es de estado sólido y provee la salida del sensor la cual puede ser tipo relé o transistorizada, según la necesidad.

Figura 1.16 Componentes de sensores inductivos

1.2.2. Diferencias entre sensores blindados y no blindados

Los sensores pueden ser clasificados de acuerdo a sí poseen o no-blindaje.

La distancia de operación del sensor inductivo con blindaje esta en función del diámetro de la bobina. Los sensores blindados son construidos con un anillo de blindaje alrededor del núcleo y la bobina. Este concentra el campo electromagnético solamente en la cara frontal del sensor. Los sensores con encapsulado metálico son blindados. Los sensores blindados pueden ser montados en superficies metálicas sin causar disparos falsos. Ver figura 1.17.

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Figura 1.17: Sensor inductivo blindadoLos sensores sin blindaje, no poseen el anillo de blindaje alrededor de la bobina

y el núcleo. El campo electromagnético NO se concentra solamente en la cara frontal del sensor inductivo. Esto hace que sean más sensitivos a metales que estén alrededor de ellos. De hecho poseen un 50% mas de rango de detección que los sensores blindados. Sin embargo los sensores sin blindaje NO pueden ser montados en superficies metálicas. Para evitar falsos disparos se debe ubicar la cara frontal del sensor en una zona libre de metal. Ver la figura 1.18.

Figura 1.18: Sensor inductivo sin blindaje

1.2.3. Consideración del material

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Para determinar la distancia de operación de otros materiales, se aplica un factor de corrección a la distancia de operación del acero blando (mild steel ). La composición del material tiene un gran efecto. Si un objeto está compuesto por uno de los elementos de la lista sólo hay que multiplicar la distancia de operación por el factor de conexión. Ver figura 1.19.

(Rango Nominal) x (Factor Corrección) = Rango nominal de material.

Figura 1.19: Factor de corrección de un sensor inductivo

El tamaño y la forma también necesitan ser considerados cuando se escoge un sensor inductivo. Los delineamientos para una adecuada elección son:

Objetos planos son preferibles. Objetos curvos pueden reducir la distancia de operación. Materiales no ferrosos usualmente reducen la distancia de operación para todos los

modelos que sensan metales. Objetos pequeños reducen la distancia de operación. Objetos muy grandes que la cara del sensor puede incrementar la distancia de

operación. Láminas pueden incrementar la distancia de operación.

La distancia nominal de operación, no considera variaciones que se deben a condiciones extremas tales como voltaje o temperatura. Si se consideran estos factores, la distancia de operación de un sensor en particular pueden variar hasta un 20%.

Todos los sensores inductivos estándar, responden a objetos metálicos ubicados enfrente de la cara del sensor. Un sensor selectivo para materiales ferrosos, ignora el bronce, aluminio y el cobre, mientras que un sensor selectivo para materiales no ferrosos ignora el acero o metales ferrosos.

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Un sensor selectivo no ferroso, permite hasta un 400% más de rango de distancia nominal de un sensor estándar para todo metal. Estos no requieren factor de corrección, por lo tanto todos los metales no ferrosos responden a una misma distancia nominal.

1.2.4. Objetos en movimiento

Los objetos pueden acercar de dos formas: de frente a la cara del sensor y lateral a la cara del sensor.

Cuando el objeto se desplaza en forma lateral a la cara del sensor, hay que considerar la frecuencia de conmutación del sensor o la velocidad de respuesta del sensor.

Cuando el objeto se desplaza en forma radial hay que considerar el efecto de histeresis o trayectoria diferencial. Ver figura 1.20.

La diferencia entre el punto de operación y el punto de despeje es llamada histeresis o trayectoria diferencial. Se debe considerar el efecto de histeresis para efectos de ubicar al sensor. La histeresis es necesaria para ayudar a prevenir conmutaciones rápidas cuando el objeto y el sensor son sometidos a un golpe o vibraciones.

Las amplitudes de las vibraciones deben ser menores que la banda de histeresis.

Figura 1.20: Histéresis en un sensor inductivo

1.2.5. Sensores inductivos; ventajas y desventajas

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Ventajas:

No les afecta la humedad. No les afecta el polvo o suciedad ambiental. No tiene partes mecánicas que se muevan No depende del color. Menor dependencia de la superficie que otras tecnologías de medición. No tiene zonas ciegas. Su MTBF (tiempo medio entre falla) es alta sobre 200.000 horas. Inmune a choques y vibración y se conectan directamente a sistemas

PLC. Desventajas:

Solamente censa objetos metálicos. El rango de operación es pequeño comparado con otras tecnologías de

sensado. Puede ser afectado por fuertes campos electromagnéticos.

1.3. SENSORES CAPACITIVOS

Los sensores capacitivos son una tecnología sin contacto que pueda detectar metales, no metales, sólidos y líquidos. Estos sensores son similares en tamaño y forma a

los sensores inductivos, sin embargo, el sensor capacitivo utiliza para reaccionar las alteraciones en un campo electrostático. Estos sensores se usan para mediciones de tipo

lineales o angulares.

Aquí, se usa el principio del condensador para detectar una medida, siendo una placa perteneciente al sensor (sonda) y la otra el objeto a medir, la cual esta en

movimiento, por lo tanto alterando el campo eléctrico.

Cuando se energiza el sensor, se genera un campo electrostático el cual reacciona con el objeto a sensar, el cual modifica el valor de la capacitancia. Cuando un objeto está fuera del campo electrostático, el oscilador está inactivo. Y cuando el objeto se aproxima se genera un acoplamiento capacitivo. Cuando la capacitancia alcanza un determinado valor, el oscilador es activado disparando la salida del circuito, conmutando la salida

entre ON y OFF.

La detección de un objeto está determinada por el tamaño del objeto, constante dieléctrica y la distancia al sensor. La constante dieléctrica es una propiedad del material

y es un valor de constante. Materiales con mayor valor de constante dieléctrica son fácilmente detectables, comparados con los de menor valor.

1.3.1. Aspectos constructivos

El sensor capacitivo se compone básicamente por 5 componentes, ver figura 1.21.

Sonda: La sonda capacitiva presenta un campo electrostático, la cual genera el acoplamiento entre esta y el objeto que es afectado por el campo.

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Figura 1.21 Partes de un sensor capacitivo

Oscilador: El oscilador suple la energía eléctrica para la sonda capacitiva, esta oscila a una frecuencia definida.

Circuito de disparo: El circuito de disparo detecta los campos de amplitud de la

oscilación. Los cambios se producen cuando el objeto entra o sale de campo electrostático irradiado desde el sensor.

Salida de estado sólido: Un cambio en el campo electrostático es detectado, generándose una señal eléctrica de salida, esta señal indica la presencia del objeto en el campo.

Potenciómetro de ajuste: El sensor posee un potenciómetro el cual puede incrementar o decrementar la sensibilidad.

1.3.2. Construcción con blindaje y sin blindaje

Un sensor blindado, implica, que la sonda está rodeada de un anillo metálico, el cual concentra el campo electrostático. Los sensores blindados

pueden ser montados en forma rasante en materiales, sin causar falsos disparos.

Los sensores blindados tienen su mejor aplicación en la detección de materiales de bajo nivel de constante dieléctrica, ver figura 1.22.

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Figura 1.22: Sensor capacitivo blindado

Los sensores sin blindaje no tienen de anillo metálico, por lo que no tienen el campo electrostático tan concentrado. Varios modelos sin blindaje disponen de sondas compensadas las cuales proveen mayor estabilidad al

sensor. La compensación es para ignorar pequeñas neblinas, o pulverización de finas gotas de aceite o agua acumulada sobre el sensor, proveyendo mayor

resistencia a la variación en la humedad ambiental.

Este tipo de sensores dispone de accesorios para sensar en estanques con líquido. Son ideales para sensar elementos de constantes dieléctricas altas, ver figura 1.23.

Figura 1.23: Sensor capacitivo sin blindaje

1.3.3. Consideraciones del objeto a detectar

Tal como con en el sensor inductivo, un objeto estándar para un sensor capacitivo es una pieza cuadrada de acero blando de 1 mm de espesor, de lado igual al diámetro de la cara activa o 3 veces la distancia nominal si ésta fuera mayor. El objeto estándar debe estar referido a tierra para el test de IEC. Sin embargo una típica aplicación no requiere estar referenciado a tierra para ser

medido.

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Algunos materiales que entran al campo electrostático pueden gatillar la señal de salida. Esto incluye neblina, suciedad, polvo en la cara del sensor. El uso de electrodos de compensación en los bordes ayuda a estabilizar los sensores sin blindaje. Sin embargo el campo de los electrodos de compensación no es poderoso en distancia.

Cuando un contaminante cae sobre la cara del sensor, ambos campos ( sensor y compensación), son afectados. El sensor entonces no aprecia

cambios en la salida porque la capacitancia del sensor es incrementada en la misma razón que la capacitancia de compensación.

1.3.4. Ventajas y desventajas del sensor

Ventajas:

Detecta metales, no metales, líquidos y sólidos. Puede detectar a través de ciertos materiales. Construcción en estado sólido, sin desgaste de piezas. Variadas configuraciones de montaje.

Desventajas:

Distancia corta de medición (3 a 25 mm), la cual varía ampliamente según el material.

Sensible a variables ambientales, por ejemplo la humedad. No es selectivo al momento de medir.

1.4. SENSORES ULTRASONICOS

Los sensores ultrasónicos emiten un pulso de sonido, el cual es producido y reflejado por el objeto a medir y es recibido por el sensor. La detección genera una señal de salida que puede ser análoga o digital.

Los sensores ultrasónicos se basan en el principio donde la velocidad del sonido es relativamente constante. El tiempo de recorrido de una onda emitida y su retorno, es proporcional a la distancia del objeto. Por lo tanto, la mejor aplicación de estos sensores está en la medición de distancias.

Los sensores ultrasónicos se usan para detectar objetos tales como metal, no-metal, claros y opacos, líquidos, sólidos y granulares ( siempre y cuando tengan suficiente reflectividad acústica)

Otra ventaja de este tipo de capturador es que no le afecta la condensación, como es el caso de los sensores fotoeléctricos. La desventaja es que no puede medir materiales que absorben sonido tales como ropa, caucho,

harina, espuma.

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1.4.1. Aspectos constructivos

Los sensores ultrasónicos están compuestos por 4 partes, ver figura 1.24. Transductor / receptor: El transductor envía los pulsos de señales de audio desde la

cara frontal del sensor y el receptor recibe el eco de la onda producido por la reflexión del objeto.

Comparador y detector: Cuando el sensor recibe el eco un comparador calcula la distancia en función del tiempo de envío y recepción de la onda que viaja a

la velocidad del sonido.

Salida estado sólido: La salida del circuito en estado sólido genera una señal eléctrica que puede ser interpretada por un elemento interfaz, como por ejemplo, un PCL. La señal del sensor en términos digitales, indica la presencia o ausencia de un objeto. La señal analógica indica la distancia modulada entre el sensor y el objeto.

Frecuencia de medida: En general, un sensor industrial opera entre los 25 KHZ y los 500 KHZ. La frecuencia de sensado es proporcional a la distancia . Una onda de 50 KHZ trabaja a 10 mt. o más, una de 200 KHZ está limitada a censar rangos de 1 mt.

Figura 1.24: Partes del sensor ultrasónico

1.4.2. Rango de medida y radio de acción

El rango de medida, es el área entre el mínimo y el máximo límite de sensado.Los sensores ultrasónicos tienen un pequeño arco que no es utilizable que está

ubicada frente a la cara frontal del sensor. Esta zona se llama ZONA CIEGA. Saliendo de la zona ciega, se establece la distancia mínima, así, el objeto puede ser medido.

El tamaño y el tipo de material del objeto a sensar determinan la máxima distancia a la cual el sensor es capaz de operar. Objetos acústicos reflectivos son fáciles de detectar y determinan la mayor distancia de operación.

Cuando un transductor vibra, este emite un pulso ultrasónico que se propaga como cono. Este cono puede ser ajustado vía potenciómetro para ampliar o extender el rango de medida.

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Algunos modelos análogos ofrecen una supresión de fondo, lo que permite al sensor ignorar todos los objetos más allá de una determinada distancia. Esta distancia es ajustable por medio de un potenciómetro.

Los objetos no detectados pueden estar cubiertos con algún material absorbente de sonido o porque la posición del objeto refleja la onda (eco) en otra dirección.

El espacio entre los sensores está determinado por el ángulo de apertura. El sensor debe estar espaciado para que no se interfieran entre sí. Esta interferencia es llamada CRUCE DE SEÑALES. Ver figura 1.25.

Figura 1.25: Distancia de operación

1.4.3. Consideración del objeto

El objeto debe estar con la superficie en forma perpendicular al eje de acción del sensor, con una variación de 3° como máximo. Cuando se mide sobre superficies irregulares, el ángulo de acercamiento es crítico.

La temperatura del objeto, afecta el rango de distancia de la muestra. Objetos que irradian calor, distorsionan la onda acústica acortando la distancia de medida, e incluso hasta anularla, ver figura 1.26.

Objetos pequeños son difíciles de medir y los objetos muy cercanos no se pueden sensar.

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Figura 1.26: Requerimiento de posición de superficie a censar

1.4.4 Ventajas y desventajas

Ventajas:

Puede medir objetos a grandes distancias, 15 mts. . La respuesta del sensor ultrasónico es independiente del color de la superficie o

la reflectividad óptica. Sensor ultrasónico con salida digital ( ON - OFF), tiene buena precisión y

permiten medir objetos que estén de fondo. La respuesta de un sensor ultrasónico con salida análoga es lineal a la distancia

del sensor al objeto.

Desventajas:

El objeto a medir debe ser duro, liso, perpendicular al sensor, para recibir el eco. Si bien el sensor ultrasónico tiene supresores de ruido puede generar una falsa

respuesta por el silbido que generan las válvulas. Lenta frecuencia respuesta de salida, 110 HZ. Tienen una distancia mínima de medida. Respuesta sensible a condiciones ambientales ( temperatura, presión, humedad,

turbulencia de aire, partículas en suspensión). Materiales de baja densidad, son difíciles de sensar. Superficies lisas reflejan la onda mejor que una superficie rugosa, sin embargo,

el ángulo de una superficie lisa es más crítico que el de una superficie rugosa.

1.5 SENSORES FOTOELÉCTRICOS

Los sensores fotoeléctricos operan por medio de la medición del cambio de luz incidente en un foto detector. El cambio de luz incidente indica que el sensor a detectado la presencia o ausencia de un objeto, su tamaño, su reflectividad, opacidad, translucidez o color.

Los sensores fotoeléctricos proveen detección precisa de los objetos sin contacto directo. Sin embargo, existe una gran variedad de modelos

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1.5.1. Aspectos constructivos

Una fuente de luz envía está hacia un objeto. La luz recibida del objeto determina la presencia o ausencia de este. La detección de la luz genera una señal de salida, esta señal puede ser digital o análoga. Los componentes básicos se muestran en la figura 1.27 y son:

Fuente de Luz: Los sensores fotoeléctricos utilizan un diodo emisor de luz (LED) como fuente de luz. Un led es un semiconductor que genera luz cuando circula una corriente. Los led son fabricados para trabajar con longitudes de onda especificas y color, por ejemplo, infrarrojo, rojo visible, verde y azul. Los colores de luz emitido por los led ofrecen variadas características, tales como: un led infrarrojo genera más luz y menos calor, lo que lo hace ideal para medir distancia largas. Los led de otros colores son utilizados para detectar colores o contrastes específicos.

Otros tipos de fuente luminosa son los diodos láser, que presentan buen rendimiento pero son sensibles a partículas circundantes en el aire y requiere seguir procedimientos de seguridad.

Detector de luz: Un detector es un componente utilizado para detectar la luz proveniente de la fuente de luz. El detector es usualmente un fotodiodo o

fototransistor. La respuesta del detector de luz determina su sensibilidad a diferentes longitudes de onda. La fuente y el detector de luz están calibrados para operar a la misma longitud de onda. El fotodetector pueden operar con

luz directa del emisor, o por luz reflejada en un objeto.

Circuito lógico: El circuito lógico provee la modulación para el led, amplificando la señal desde el detector y determinando la activación de la salida.

Dispositivo de salida: una vez que se detecta el cambio en la cantidad de luz, se activa o desactiva el switch de salida. Existen diferentes tipos de salida

digital y analógica.

Circuitos básicos: Los sensores fotoeléctricos pueden ser compactos o modulares. Los compactos incorporan la fuente y el receptor de luz en un solo modelo. Contrariamente, los modulares tienen separados ambas partes. El principio de operación es si existe continuidad de la luz, el detector activa la salida. Si el detector no recibe luz, este mantiene sin activar la salida. Los modelos compactos disponen de circuitos que sincronizan el emisor y el receptor, a fin de evitar falsos disparos.

Lentes: Los led y los fotodetectores, emiten y reciben luz en una amplia área. Los lentes son usados para estrechar el haz de luz, concentrándolo para obtener una mayor distancia de operación.(Figura 1.28)

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Figura 1.27: Partes sensor fotoeléctrico

Figura 1.28: Efectos de los lentes

1.5.2. Rango de Operación

Campo Visual: Los sensores fotoeléctricos son optimizados para operar a distancias largas pero con un campo visual estrecho, lo que dificulta su calibración (1.5º a 7º). El campo visual es descrito por el parámetro patrón de irradiación (beam pattern) este indica la zona donde un elemento reflectivo puede ser detectado.(Figura 1.29)

Figura 1.29: Patrón de irradiación

Distancia Mínima: Varios modelos de sensores, tales como los reflectivos y difusos tienen una área ciega y el elemento reflectivo debe ser ubicado a una distancia mayor a esta.(Figura 1.30)

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Figura 1.30: Zona ciega

Histéresis: La histéresis en un sensor fotoeléctrico es la diferencia del objeto que puede ser detectado y la distancia cuando e desplazado en dirección opuesta al sensor. Altos porcentajes de histeresis son utilizados para detectar objetos opacos y bajos porcentajes para objetos transparentes o de bajo contraste. (Figura 1.31)

Figura 1.31: Histéresis

Velocidad de Respuesta: La velocidad de respuesta varia de acuerdo al modelo, siendo los valores típicos de 30us a 30ms. La velocidad de respuesta debe ser considerada con relación a la velocidad del objeto

1.5.3. Modos de Medida

Existen tres modos básicos de medida y son:

Retroreflectivo Difuso Transmisión directa

Dentro de cada modo existen variantes, las que presentas ventajas y desventajas según su aplicación.

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Modo Retroreflectivo (figura 1.32):

Este tipo de sensor corresponde a un modelo compacto, emisor y receptor unidos. La luz emitida es reflejada en un material especifico y proyectada al receptor.

Modo difuso (figura 1.33):

El sensor es de tipo compacto, y la luz emitida es reflejada en el mismo objeto a detectar, hacia el receptor de luz. Por lo tanto no utiliza un material de reflexión especifico.Modo Directo (figura 1.34):

Como su nombre lo indica, el emisor de luz apunta directamente al receptor de luz.

Figura 1.32: Modo Reflectivo

Difuso Figura 1.33: Modo

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2.- CONECTIVIDAD

2.1. CONEXIONADO

2.1.1 Introducción

Un medio de comunicación de los sistemas de medición, comando o acción, es

la interfaz entrada – salida o interfaz I/O. Aquí se realizan las

conexiones con el medio, en el este caso de tipo industrial,

estamos hablando de sensores, por lo cual, la información que

se transmite son señales eléctricas de cierto nivel de tensión o

corriente. En algunos casos, estos dispositivos contienen

energía con el fin de transmitir la señal, pero en otros, debemos

ayudar a esa transmisión y debemos incorporar fuentes de

energía.

Las conexiones en la interfaz I/O, comúnmente se realizan en una unidad de

conexionado conocida como bornera, en la cual existen puntos

de conexión ya sea de agarradera (tipo pinza) o de tornillo (tipo

rosca y apernado), esta unidad, puede estar ubicada en el

sensor o en una bornera externa. El conjunto sensor, fuente de

poder, (cuando se requiere) y el instrumento indicador,

actuador o carga, se conocen con el nombre de circuito

eléctrico de interfaz.

En esta unidad nos referiremos a presentar los componentes de energía, o fuentes de poder y las características relevantes de las salidas de los sensores discretos, considerando que la entrada es el fenómeno físico que deseamos detectar.

2.1.2 Fuentes de poder

En la practica, es necesario considerar en el circuito fuentes de energía estable, libre de ruido e independientes o aislada a los sensores, también, es aconsejable utilizar sensores que incorporen algún grado de protección para situaciones riesgosas

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presentadas en algunas líneas de alimentación, como por ejemplo, protecciones al corto circuito, sobrecarga e interferencias externas.Las fuentes de poder típicas son:

DC: 12 y 24AC: 120 y 240

Los sensores son diseñados para ser utilizados en los siguientes rangos de tensión:

10 a 30 VDC 20 a 130 VAC 90 a 250 VAC 20 a 250 VAC

En general se recomienda que las líneas que alimentan las fuentes de poder de los sensores, deben disponer de filtros y fusibles. De esta forma, se protege las fuentes, líneas y sensores. Adicionalmente, el sensor deberá contar con protección para cortocircuitos, sobrecarga y polaridad inversa.

Los requerimientos de corriente dependen del tipo de sensor, valores típicos son:

* Sensor inductivo 15mA* Sensor capacitivo 15mA* Sensor ultrasónico 70mA* Sensor fotoeléctrico 35mA

2.2. TIPOS DE SALIDA

Las salidas de los sensores se pueden dividir en dos tipos, que son:

ElectromecánicasRelésSwitch

ElectrónicasTransistorTransistor de efecto de campo (FET)TriacAnálogas

El tipo de salida dependerá de la interfaz necesaria para la aplicación y la disponibilidad de este.

2.2.1 Salidas electromecánicas

Para el caso de un relé electromecánico o de contacto seco, este es gatillado por medio de la energizacion de una bobina, abriendo o cerrando un circuito. Cuando los contactos están cerrados circula la energía eléctrica, en caso contrario, no circula esta energía. Un relé sin energizar que tiene los contactos separados, es llamado

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normalmente abierto (NO), en caso contrario, si los contactos están unidos, se le llama normalmente cerrado (NC).

Debido a la aislacion que presenta los contactos del relé respecto a la alimentación del sensor, este puede ser alimentado con corrientes continuas o alternas.

Respecto a los contactos existen diferentes tipos, que son:

polo simple, un contacto (SPST) polo simple, doble contacto (SPDT) polo doble, doble contacto (DPDT)

Aspectos importantes de este tipo de salida son; que el relé tiene una vida finita y sus contactos están sometidos a desgaste mecánicos, ya sea, en sus partes móviles como en sus placas, además, el tiempo de respuesta es bajo respecto a los electrónicos. 2.2.2.Salidas electrónicas

Las salidas electrónicas se caracterizan por tener frecuencias de conmutación altas y manejan bajos niveles de voltaje y corriente. Este tipo de salida, no esta sometida a desgaste mecánico, como en el caso anterior.

Salida transistor

Los transistores son los elementos más comunes de encontrar para sensores de bajo voltaje en corriente continua. Manejan frecuencias altas de conmutación y tienen una pequeña corriente de fuga. Existen dos tipos de transistores NPN y PNP

En las salidas con transistores NPN, la carga debe ser conectada ente el sensor de salida y el terminal positivo de la fuente de alimentación. Este tipo de salida es llamado sinking

Si se utiliza un transistor PNP, la salida es llamada sourcing. Pero en este caso la carga debe ser conectada entre la salida del sensor y el terminal d salida de la fuente de energía

Salida FET

El transistor de efecto de campo (FET) es un semiconductor, en el que no existe la corriente de fuga y provee conmutación para corrientes continuas y alternas. Además, requiere bajos niveles para cambiar de estado.

Salida MOSFET

El MOSFET, también es un elemento semiconductor que provee una baja corriente de fuga, una rápida conmutación y maneja mayores niveles de corriente que el FET.

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Salida TRIAC

El TRIAC es el equivalente del transistor, pero este, solamente trabaja con corriente alterna, tiene baja frecuencia de conmutación y maneja altos niveles de corriente, por lo que puede manejar contactores y selenoides. Sin embargo, el TRIAC tiene niveles de corriente de fuga altos, mayores que el FET y MOSFET.

Estos niveles de fuga pueden alcanzar fácilmente 1 mA, por lo cual, no se recomienda su uso con autómatas programables.

Salida Análoga

Los sensores con salida analógica proveen señales de tensión o corriente proporcionales o inversamente proporcionales a la señal detectada por el sensor.

Figura 2.1: Arreglo de polos Figura 2.2: Salida NPN

Figura 2.3: Salida PNP Figura 2.4: Salida FET

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Figura 2.5: Salida TRIAC Figura 2.6: Salida Análoga

2.3. CONECTORES Y CABLES

Los sensores generalmente disponen de 2 o 3 líneas de conexionado. Estas líneas se encuentran ubicadas en un terminal de la bornera, al cual se le une un conector.

Existen en el mercado diferentes marcas de conectores, aunque los modelos son los mismos. Las características de los conectores son las siguientes:

Número de pines: Los conectores se presentan con un mínimo de 3 hasta un máximo de 6 pines . El material utilizado es generalmente paladium o níquel.

El ángulo de conexión: el ángulo de conexión puede ser de 0° o 90°.

Calibre del conductor: el calibre de las líneas cambia de acuerdo a la cantidad de corriente que va a circular. Estos se presentan desde los 16 AWG, hasta los 22 AWG.

Largo del conductor: el largo del conductor cubre distancias desde los 2 mt hasta los 10 mt

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Figura 2.7: Conversión de modelos entre diferentes proveedores

Figura 2.8: Conector derecho

Figura 2.9: Conector en ángulo recto

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2.4. CIRCUITOS DE CONEXIÓN

Los sensores generalmente disponen de 2 o 3 líneas de conexionado. Los de dos líneas, son diseñados para ser conectados en serie con la carga. En cambio los de tres líneas, utilizan 2 líneas para energía y una tercera para conmutar la carga. Los dos tipos de cableado pueden ser dispuestos en serie o paralelo entre sí.

Dentro de las conexiones con tres líneas, hay que considerar el tipo de transistor si es NPN o PNP.

Si se realizan conexiones serie con la carga, hay que considerar que el voltaje de la carga debe ser menor o igual al mínimo valor de la fuente de poder, menos la caída de tensión a través de los sensores en serie.

En el caso de utilizar conexión en paralelo, el número máximo de sensor esta determinado por la suma de la máxima corriente de fuga de cada sensor, esta debe ser menor que la máxima corriente del estado OFF de la carga.

Figura 2.10 Conexión serie AC Figura 2.11 Conexión paralelo AC

Figura 2.12 Conexión NPN serieFigura 2.13 Conexión PNP serie

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Figura 2.14 Conexión NPN paralelo Figura 2.15 Conexión PNP paralelo

Figura 2.16 Conexión Analogica PNP

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3.- INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO

3.1. INSTALACIÓN

Está unidad aborda los aspectos de la instalación de sensores de tipo discreto, estableciendo las condiciones de instalación y algunas consideraciones de calibración y ajuste.

3.1.1 Instalación y cambio de un sensor

Uno de los primeros y principal antecedente que se debe considerar antes de proceder a instalar o cambiar un sensor, es de disponer del diagrama de alambrado, el cual se encontrará en el catalogo del instrumento o hoja de datos de este. En el caso de cambiar un sensor y no disponer del diagrama se deberá hacer un levantamiento de las conexiones existentes antes de llevar a cabo esta acción. El procedimiento para retirar un sensor que se va a cambiar es el siguiente:

1. Detener el proceso y desenergizar el sensor2. Comparar la conexión existente con el diagrama de alambrado3. Retirar el sensor y proceder a instalar el nuevo

Para instalar un sensor el procedimiento es el siguiente:

1. Detener el proceso y montar el sensor2. Conectar las salidas según diagrama de alambrado3. Energizar el sensor y calibrarlo de acuerdo a catalogo.4. Verificar su operación5. Inicializar el proceso.

3.1.2. Instalación y ajuste de un Limit Switch

Existen diferentes modelos de limit switch, y según sus aplicaciones se diferencian por:

Temperatura de operación Tipo de actuador Tipo de empaque Rendimiento de los contactos Número de circuitos

Sin embargo, al momento de instalar un limit switch, se debe definir la trayectoria de operación de este y los niveles de torque/fuerza máximo que admite el actuador.

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La trayectoria de operación del limit switch deberá fijarse en forma perpendicular o paralela, según la aplicación y el tipo de actuador, a la trayectoria del objeto a detectar.

Al momento de ajustar la posición de este hay que considerar el punto o momento de operación requerido y trayectoria máxima, para evitar daños.

3.1.3 Instalación y ajuste de sensor Inductivo

Al momento de instalar un sensor inductivo se debe tener presente los siguientes antecedentes:

Si posee blindaje o no. Superficie de montaje disponible. Presencia de líneas eléctricas con altos niveles de corriente. Diámetro del sensor a instalar. Led indicador de operación

Figura 3.1 Distancia de montajeSensor inductivo con blindaje

Figura 3.2 Distancia de montajeSensor inductivo sin blindaje

Figura 33. Montaje Retráctil, evita daños al sensor por choque del objeto

Figura 3.4 Casquete. Complementa al montaje retráctil, para evitar daños por choque lateral al

sensor de parte del objeto

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Las distancias de montaje entre sensores adyacentes y/o opuestos esta determinado por el diámetro de sensor, la superficie (caso metal) y si posee blindaje. Estas distancias se pueden apreciar claramente en las figuras siguientes.

En el caso de utilizarse superficie de montaje sobre un material no metálico, los sensores pueden ser ubicados en forma superficial, pero se mantienen el resto las distancias de separación mínimas.

Debido al principio magnético de este tipo de sensor, debe estar distante de las corrientes fuertes, ejemplo: líneas de energía de maquinas de soldadura, por los que se recomienda que este a una distancia mayor de 60 mm de una línea de energía.

Al momento de ubicar el sensor este debe quedar con sus led indicadores, de forma que puedan fácilmente ser observables por el operador.

Los elementos adicionales recomendables de utilizar en el montaje, son la montura retráctil, casquete y golillas de seguridad. Para el nivel de torque y el número de vueltas de apriete, hay que referirse al fabricante o catalogo.

Para ajustar la ubicación de este sensor hay que considerar la distancia nominal de la medida y el tipo de metal a sensar. Se debe definir la distancia máxima de operación para el superficie metálica de la aplicación. Posteriormente, se procede a ubicar el sensor de tal forma que la distancia del objeto a la cara activa sea mucho menor a la distancia máxima de operación determinada para el metal.

3.1.4 Instalación y calibración del sensor Capacitivo

En la instalación de un sensor capacitivo se debe tener presente:

Si posee blindaje o no Superficie de montaje Diámetro del sensor Led de operación

Las distancias de montaje entre sensores adyacentes y/o opuestos esta determinado por el diámetro de sensor, la superficie y si posee blindaje. Las distancias mínimas se pueden apreciar claramente en las siguientes figuras.

Al momento de ubicar el sensor este debe quedar con los led indicadores, de forma que puedan fácilmente ser observables por el operador.

Este tipo sensor también debe estar distante de las corrientes fuertes.

Los elementos adicionales recomendables de utilizar en el montaje de este tipo de sensor son la montura retráctil, pozo, golillas de seguridad. El nivel de torque y el número de vueltas de apriete, hay que referirse al fabricante.

Para ajustar la ubicación de este sensor hay que considerar la distancia nominal de medida y el tipo de material a sensar. Se determina la distancia máxima de operación para el material de la aplicación. Se ajusta el potenciometro a la mínima sensibilidad y

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se ubica el sensor de tal forma que la distancia del objeto a la cara activa sea menor a la distancia máxima de operación determinada para el material, luego se comienza a ajustar el potenciometro hasta que se active la salida del sensor.

Figura 3.5 Montaje de sensor capacitivo blindado

Figura 3.6 Montaje de sensor capacitivo sin blindaje

3.1.5 Instalación y ajuste de sensor Ultrasónico

En la instalación de un sensor capacitivo se debe tener presente:

Angulo de irradiación del sonido Led de operación

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Las distancias de montaje entre sensores adyacentes y/o opuestos esta determinado por ángulo de irradiación del sonido. Las distancias mínimas se pueden apreciar en la figura.

Al momento de ubicar el sensor, este debe quedar con los led indicadores, de forma que puedan fácilmente ser observables por el operador.

Los elementos adicionales recomendables de utilizar en el montaje de este tipo de sensor son la montura retráctil y golillas de seguridad. El nivel de torque y el número de vueltas de apriete, hay que referirse al catalogo de fabricación.

Para ajustar el sensor, primero se debe apuntar al objeto de interés. Posteriormente mover o sintonizar lentamente el potenciómetro hasta que el led se encienda y luego ajustar el ángulo del sensor hasta obtener un máximo brillo en el led.

Si el sensor dispone de salida análoga y detecta elementos detrás del objeto de interés, se debe sintonizar el potenciómetro para suprimir el fondo, pero no tal lejos como para no detectar el objeto a medir.

Para ajustar la distancia de medida de un sensor discreto, se debe sintonizar el potenciómetro hasta que el led se apague, mientras no se encuentre presente el objeto de interés. Luego ubicar el objeto a medir y lentamente sintonizar el potenciómetro hasta que el led encienda.

Figura 7 Distancia mínimas de montaje para sensor ultrasónico

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Figura 3.8 Salida analógica

3.1.6 Instalación y ajuste de sensor fotoeléctrico

Este tipo de sensores no tiene restricciones de montaje, como es el caso de los sensores anteriormente presentados. Sin embargo, presentan gran dificultad para ajustar su operación debido a que se basa en la recepción de un as de luz en un fotoreceptor.

Al momento de ubicar el sensor este debe quedar con los led indicadores, de forma que puedan fácilmente ser observables por el operador.

El ajuste de los sensores fotoeléctricos que trabajan en forma directa y retroreflectiva, es el mismo y se describe a continuación.

1. Enfocar el receptor a la fuente de luz.2. Lentamente desplazar el detector hacia la derecha, hasta que no se

detecte la luz.3. Repetir hacia la izquierda.4. Ahora centrar el detector entre ambos limites.5. Luego repetir el procedimiento anterior pero hacia arriaba y abajo.

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Figura 3.9 Ajuste de Sensor fotoeléctrico, modo directo

Figura 3.10 Ajuste de Sensor fotoeléctrico, modo retroreflectivo

Figura 3.11 Ajuste de Sensor fotoeléctrico, modo difuso

Para los sensores difusos se realiza el procedimiento anterior, y sé continua con los siguientes pasos:

6. Reducir la sensitividad hasta que el objeto no sea detectado.7. Retirar el objeto y ajustar la sensitividad hasta que el fondo sea

detectado.

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8. Finalmente, ajustar la sensitividad entre punto intermedio de los dos puntos anteriores.

3.2. MANTENIMIENTO

En esta unidad se abordan las actividades para el mantenimiento preventivo de los sensores.

3.2.1 Mantenimiento

El mantenimiento se debe realizar en forma periódica y debe contemplar la limpieza del sensor, la revisión del montaje, su conexionado, niveles de señales y calibración del sensor.

Para realizar estas acciones de deberá detener el proceso donde se encuentran los sensores y se deberán desenergizar.

La limpieza debe contemplar principalmente la cara frontal del sensor, ya que en ese punto donde se produce la detección o medición de los objetos. Para el caso de los limit switch, la limpieza se debe realizar en los contactos y en la medida que el modelo lo permita. Debido al desgaste mecánico, es necesario llevar un registro del periodo de utilización, para realizar los cambios necesarios.

De los sensores, el menos sensible a la suciedad es el inductivo. Sin embargo, los sensores capacitivos, fotoeléctricos y ultrasónicos, son sensibles a la suciedad frontal. La limpieza deberá ser con una tela suave, y un liquido para limpieza que no sea solvente, tal como el alcohol isopropilico.

Al efectuar la revisión del montaje, se debe considerar:

1. Revisión de los pernos y las tuercas de fijación. Está revisión deberá ser exhaustiva, en los sensores sometidos a vibraciones. De ser necesario efectuar un apriete, este deberá ser de acuerdo a torque y número de vueltas que define el fabricante.

En la revisión de conexionado, se debe realizar:

Revisar el apriete del conector Verificación de las líneas que llegan al conector, por ejemplo que no tengan

mordeduras, cortes, torceduras excesivas u otro tipo de daños.Verificación de conexionado según los diagramas.

Para chequear los niveles de señal del sensor, se requiere:

1. La hoja de datos del sensor

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2. Instrumental básico: fuente de poder y multitester

El procedimiento para chequear los niveles de señales es:

1. Energizar el sensor con tensión nominal

2. Realizar mediciones y comparar con los valores nominales de la hoja de dato. Las variables a medir por ejemplo son: corriente de fuga, caída de tensión, corriente de carga.

3.2.2. Hoja de datos

La hoja de datos permite identificar con precisión las características de un determinado sensor dentro de un proceso.

Dentro de esta hoja se identifican diferentes datos asociados al sensor, estos se pueden clasificar en:

Datos eléctricos: Se establecen todos los datos asociados a variables eléctricas de operación, valores nominales de operación, circuitos de protección.

Datos mecánicos: corresponden a las características del material en que son construido, sus niveles de protección, condiciones ambientales de temperatura y vibración.

Condiciones de operación: corresponden a las condiciones ambientales que esta sometido el sensor mientras esta funcionando, tal como temperatura, altura, vibración.

Identificación respecto al proceso e históricos: se identifica el proceso y la posición dentro de este. Además, se mantiene un histórico de las mantenciones y cambios que se le han realizado.

4.- COMANDOS INDUSTRIALES

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4.1 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS COMANDOS ELECTRICOS

Los comandos industriales tipo discreto u ON/OFF, ejercen un gran dominio en el campo de aplicaciones de operación en las plantas industriales y

en el control de procesos, son dispositivos que actúan bajo ordenes de tipo manual o automático, también, como interfaz entre el hombre y el proceso.

Sin embargo existe una gran variedad de características que se deben considerar al momento de tomar la decisión de la adquisición de un comando

industrial, alguna de ellas serán expresada en esta unidad y estarán clasificadas en tres grupos y son:

Bloque de contacto Switch Consideraciones especiales.

4.1.1. Bloque de contacto

4.1.1.1 Material de contacto

Es el material que entra en contacto con otra superficie para establecer un circuito eléctrico. Los materiales típicos de los contactos están hechos de plata, plata-níquel y aleaciones de plata. La plata fina provee bajos niveles de resistencia entre los contactos fijos y movibles. Las aleaciones de plata conforman una superficie dura que reduce la conducción y ayuda a prevenir la soldadura de los contactos.

En aplicaciones de baja potencia (48 Vdc – 0.1 A o 240 Vac – 0.4 A) donde excesos de aceite o polvo están presentes, se recomienda el uso de aleaciones más nobles, tales como paladium y oro. Este tipo de aleaciones tiene un alto nivel de seguridad de operación en este tipo de ambientes.

La aleación de plata es muy susceptible de ataque químicos, y pueden afectar su operación a bajo nivel de voltaje. Sin embargo, los materiales nobles resisten los ataque químicos, pero son susceptibles a la formación de polímetros, los cuales pueden afectar su confiabilidad de operación. La combinación de oro y paladium resiste la formación de polímetros.

4.1.1.2. Construcción de los contactos

El perímetro de los contactos es descrito por un circulo o un rectángulo y puede tener pequeños efectos sobre el rendimiento de los contactos. La forma de las

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superficies donde se unen los contactos fijos y móviles es muy importante. Esta interfaz no debe tener dos superficies planas de encuentro. Si uno de los contactos tiene una superficie plana, el otro contacto deberá tener una superficie redondeada para proveer un punto de contacto mas definido y controlado.

El estilo de construcción bifurcado, ver figura 4.1, provee un mayor grado de confiabilidad que un contacto movible sin bifurcación, porque este divide cada contacto móvil en dos secciones en ambos extremos. Esto reduce la oportunidad de acumulación de materiales extraños sobre la superficie de contacto y previene el desgaste del circuito. De esta forma si uno de los contactos acumula materiales extraños, el otro permanecerá limpio para establecer el cierre del circuito. Típicamente, un contacto móvil bifurcado es diseñado para operar y ser usado con líneas de voltaje completo, donde el arco entre el contactos móvil y el estacionario quemara pequeñas cantidades de contaminantes.

Figura 4.1. Contactos bifurcados

4.1.1.3.Relación Tamaño / volumen de los contactos – Estacionario v/s Móvil

El tamaño de los contactos esta referido al tamaño de la cara de los contactos o las áreas que se encuentran para formar la interfaz entre contactos móviles y estacionarios. El volumen es la cantidad total de material de contacto.

Una relación deseable es que un contacto sea más pequeño que el otro, con la condicionante, que el perímetro de uno este dentro del otro, cuando la acción de conmutar se lleve a cabo. Esta disposición, proveen mayor seguridad mientras los contactos estén alineados. La desalineación, puede causar una corta vida útil derivado de un progresivo desgaste.

Dentro de un conjunto de contactos, los contactos móviles son los más pequeños en cuanto a tamaño y volumen. Debido al bajo volumen, el contacto móvil opera a una mayor temperatura que el contacto estacionario. Consecuentemente, el contacto estacionario también contribuirá a incrementar el rango de desgaste del contacto móvil. El contacto estacionario esta generalmente adosado a una base grande que provee una mejor disipación de temperatura que el contacto móvil.

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En aplicación de corriente alterna, la alta temperatura de los contactos móviles, puede causar el desprendimiento del material de la superficie de contacto. Así también, puede causar la transferencia de este material a la superficie del contacto estacionario el cual se encuentra mucho más frió.

En aplicaciones de corriente directa, la polaridad relativa de los contactos tiene un mayor efecto, en como el material es transferido desde una superficie a otra.

4.1.1.4 Confiabilidad de los contactos:

La confiabilidad de los contactos está asociada a establecer un circuito a través de la interfaz entre un conjunto de contactos móviles y estacionarios, cada vez que el switch es operado. Esta confiabilidad puede ser afectada por las siguientes dos condiciones:

Residuos dentro del switch. Película no conductora que se forma en la superficie de los

contactos.

Los residuos o suciedad se pueden introducirse en el switch, durante su ensamble e instalación, o puede ser producto del accionar del switch, debido al desgaste de los contactos.

La película no conductora y óxidos se forman debido a contaminantes gaseosos que entran al switch desde el ambiente externo, así también, estos

pueden formarse desde reacciones generadas internamente.

4.1.1.5 Resistencia de los contactos

La resistencia de contacto es la resistencia eléctrica entre un par de contactos

móviles y estacionarios. El menor valor de la resistencia y a la

vez el más difícil de establecer, es cuando los contactos están

cerrados. Esto es, especialmente real en circuitos de baja

potencia. Altos valores de resistencias contribuyen al

recalentamiento de los contactos.

La resistencia de contactos nobles tales como (oro, paladio y sus aleaciones) permanecen relativamente constantes durante la vida útil comparado con contactos de plata que típicamente aumentan su valor en el tiempo, estos valores de resistencia pueden variar según las condiciones ambientales.

4.1.2 Consideraciones sobre el diseño del Switch:

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Adicionalmente a las características físicas de los materiales usados en la fabricación, las consideraciones de diseño también afectan el rendimiento de los mecanismos de conmutación.

4.1.2.1 Contacto simple v/s doble contacto

Tanto el contacto simple como el doble contacto, ver figura 4.2, están referidos al numero de pares de contactos que son utilizados para cerrar o abrir un circuito eléctrico. El contacto simple implica que el circuito eléctrico es manejado o controlado por un conjunto de contactos. En cambio el contacto doble, implica que el circuito eléctrico es controlado por dos conjuntos de contactos en serie.

Figura 4.2 Contacto simple y contacto doble

En un diseño de contacto simple, el par de contactos tiende repetidamente abrir y cerrar el circuito en forma rápida sobre la misma superficie de contacto. Esto facilita la protección de dicha superficie permitiendo una confiabilidad en los contactos.

En el diseño de doble contacto, existe un tramo completamente (contacto movible) aislado del circuito eléctrico, el cual opera de la misma forma que el diseño de contacto simple. El resultado es que el arco eléctrico que es creado a partir de la apertura del circuito, será extinguido rápidamente y con un menor movimiento comparado con el diseño de contacto simple.

También, a partir de la energía creada en el arco debido a la apertura de los contactos, esta es distribuida a través de dos polos, de esta forma se disminuye la tendencia de soldarse los contactos.

Por otra parte, por la naturaleza del modelo de contacto doble, los puntos de unión de los contactos móviles, pueden variar sensiblemente en cada operación. Esta variación a través del tiempo afectara la operación.

4.1.2.2 Movimiento de contacto

El movimiento de contacto se refiere al movimiento relativo de las caras de los contactos hasta cuanto se unen. Varias técnicas de diseño son implementadas, con el fin de aumentar la confiabilidad de la unión de los contactos, para establecer un circuito cerrado cuando ellos se encuentren.

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Una rápida o suave acción puede ayudar a liberar la superficie de basuras, óxidos y romper la película no conductora que puede estar formada sobre la superficie de contacto.

Los extremos de los contactos móviles deben ser capaces de flexibilizar y enlazarse sobre las superficies bifurcadas de los contactos estacionarios.

Una débil acción de un contacto a partir de otro puede causar la interrupción de la continuidad, si el movimiento se realiza sobre una pieza sucia.

4.1.2.3 Fuerza de retorno

La fuerza de retorno es, la fuerza que hace que dentro del bloque de

contactos, produzca que la estructura de los contactos este en

posición normal o sin operación cuando una fuerza externa

aplicada al elemento operador es removida.

Esta fuerza mantiene la estructura de contacto en un estado normal, hasta que una fuerza externa es aplicada nuevamente en el elemento operador. En síntesis, la cantidad de fuerza requerida por el resorte esta determinada por la fuerza requerida para asegurar la operación de los contactos bajo condiciones de una variedad de aplicaciones. La fuerza debe asegurar la posición de los contactos frente a posibles golpes y vibraciones. El resorte debe contener la fuerza suficiente como para separar un par de contactos normalmente abiertos y que estén soldados.

4.1.2.4 La Sobre-trayectoria

La sobre-trayectoria de un switch, es la distancia que puede recorrer el switch

posterior al punto de operación (unión de los contactos). Esta

provee una estabilización de los contactos bajo condiciones de

golpes y vibraciones. Además, de asegurar la operación

cuando los contactos están desgastados.

4.1.2.5 Acción de bajada v/s acción de subida

La acción de bajada o de subida, esta referida a la acción relativa de los

contactos normalmente abiertos o cerrados, cuando el switch

es accionado. La acción de bajada es una de los más

comunes. El elemento operador es movido desde su posición

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original al momento de accionar el switch, tomando lugar la

siguiente secuencia:

1. Los contactos NC están abiertos 2. Esta es una duración en donde no existe continuidad

eléctrica presente.3. El contacto NO está cerrado.

En la acción de subida, los contactos normalmente abierto cierra sus circuitos antes que los contactos normalmente abiertos se abran. De esta forma siempre existe la continuidad de un circuito. La secuencia es la siguiente:

1. Los contactos NO se cierran2. Esta es una duración en donde no existe continuidad

eléctrica presente.3. El contacto NC está abierto

4.1.2.6 Conducción directa ( apertura positiva)

Un switch con conducción directa dispone de un mecanismo de enganche continuo desde el miembro de operación externo hacia el carro de contacto. Este no empleara el uso de cualquier miembro residente o resortes en el accionar del mecanismo para abrir contactos normalmente cerrados. Un caso especial de conducción directa es un switch de apertura directa. Este es un modelo de separación de contacto el cual tomará lugar cuando los contactos se hayan soldado durante una condición de falla.

El movimiento del actuador y la fuerza requerida por el actuador para efectuar la separación de los contactos están especificados por el fabricante. Este tipo de ensamble de switch es usado para asegurar la acción de los contactos siempre que el miembro externo sea accionado.

4.1.2.7 Acción de los contactos

La acción de los contactos se refiere a como se cierra o se abre el circuito eléctrico. Existen dos formas básicas en la acción de los contactos, una lenta y otra rápida. En el caso de la acción lenta los contactos son movidos a la misma velocidad en que el actuador es accionado.

Los contactos de acción rápida incorporan un resorte entre el actuador y el carro de contacto. Los resortes facilitan el movimiento de los contactos en forma independiente del mecanismo de accionamiento.

Dicho mecanismo está diseñado para que el movimiento del actuador, sea ayudado por la fuerza de resortes para mover el carro de contacto.

4.1.2.8 Enlace mecánico de los contactos

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Esta característica también conocida como lado positivo de los contactos. Aquí, se combina la acción de un contacto normalmente cerrado y normalmente abierto, con el fin de prevenir que un par de contactos tanto cerrado como abierto, sean cerrados al mismo tiempo.

4.1.2.9 Tiempo de retardo

El tiempo de retardo de un mecanismo de conmutación es, el intervalo del tiempo entre el accionamiento del operador externo del switch y el tiempo en que la acción de contacto ocurre. Este tiempo es fijo en algunos elementos y ajustable en otro de acuerdo a los requerimientos de circuitos.

4.1. 3. Consideraciones especiales

Las consideraciones especiales están asociadas al ambiente que rodea al comando industrial (botonera o selector) y que afectan ya sea su operación o rendimiento en el tiempo. Además, de plantar características que no son factibles de agrupar.

4.1.3.1. Consideraciones ambientales

Es necesario tener en cuenta las consideraciones ambientales a las que el switch estará sujeto para ayudar a asegurar un apropiado funcionamiento como también una vida útil aceptable. Parte de ese cuidado incluye considerar la temperatura y humedad, choques y vibraciones, como también, una exposición al uso.

En las instalaciones industriales, donde el enemigo número uno es el factor externo, el switch deberá estar alojado en un adjunto diseñado para altas temperaturas del medio ambiente.. Varias clases de mecanismos han sido desarrolladas para un uso especifico en cada ambiente y siendo estos regulados por las normas industriales. El ambiente externo del mecanismo puede tener un profundo efecto en la operación de este, afectando invariablemente su vida útil. Condiciones generadas dentro de un mismo recinto también pueden afectar la operación de un switch así como también su vida útil. Condensación internamente generada por elementos químicos o por desechos de polvo, siendo estos últimos los más comunes. Además, cada switch esta echo con una variedad de materiales, en donde cada producto es en sí un ambiente distinto. Deben tomarse las precauciones en el momento de definir un switch de manera tal que pueda asegurarse de haber seleccionado los materiales adecuados y compatibles.

La siguiente información declara algunas condiciones internas y externas que pueden llegar a afectar el funcionamiento de un switch.

4.1.3.1.1. Temperatura

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Todo sistema eléctrico tiene un máximo de tolerancia en cuanto a su temperatura y ese valor es generalmente conocido por el usuario. La máxima temperatura almacenada y los efectos de baja temperatura no son aun bien comprendidos. Al exceder los limites de alta temperatura, se puede causar una degradación de materiales al accionar el Switch.

Esta degradación puede debilitar las partes del switch o emitir gases plásticos y

elastómeros. Un cambio en las dimensiones físicas puede

ocurrir, afectando el curso operacional y de fuerza.

Una muy baja temperatura ambiental puede causar que el actuador se pegue y comprometa la acción de retorno. Por lo que hay que tener precaución de no ubicar muy cerca el comando de ductos congelantes.

4.1.3.1.2. Humedad

Algunos residuos pueden provocar la formación de basura y corrosión de partes metálicas debido a la humedad presente en el ambiente, así como también, esto podría facilitar la formación de un arco, lo cual es dañino para los contactos del dispositivo.

4.1.3.1.3. Agente químicos y gases.

Esta clase de contaminante puede causar degradación de materiales usados en el producto en variadas formas. La corrosión de partes metálicas y la degradación física de partes plásticas y elastómeros, son las mas comunes. La formación de una película sobre la superficie de contacto puede también causar un arco

4.1.3.1.4.. Basura y Residuos

Se originan internamente por el desgaste de parte móviles debido a la fricción reduciendo la vida útil del switch.

Cualquier acumulación de basura o residuos en los contactos incrementara la resistencia y contribuirá a puntualizar los problemas de conducción.

4.1.3.1.5. Impactos y vibraciones

Deben ser considerados golpes y vibraciones a los cuales debe estar sujeto el comando, para evitar la desconexión momentánea, o interrupción de la conducción del contacto. Así también, la exposición prolongada a la vibración puede causar un prematuro desgaste como también, la acumulación de residuos internos.

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4.1.3.1.6. Abuso Físico

En manejo inadecuado del switch durante su embarque o instalación podría causar daño afectando los componentes que pueden afectar la operación normal.

4.1.3.2. Mecanismos ambientalmente sellados

Este tipo de mecanismo esta sellado y aislado en sus zonas de contacto del medio ambiente.

El tipo más común de construcción ha sido el contacto herméticamente sellado utilizando un estuche (funda) de vidrio. El interior de este estuche es llenado con un gas inerte que lo protege del medio ambiente y de un contacto con el medio externo. Esta construcción excluye gases explosivos o contaminantes que podrían afectar el rendimiento de los contactos. Debido al hermetismo que presentan, se hace necesario el accionamiento por vías magnéticas, dejando de lado las mecánicas.

El aislamiento de los contactos puede utilizar recursos mecánicos como por ejemplo, un diagrama flexible. Sin embargo, ese método no provee realmente un sellado hermético, y es más susceptible al desgaste y la degradación.

4.1.3.3. Estándares de aprobación

Los estándares han sido desarrollados por grupos de industrias y unidades gubernamentales, asegurándose que los requerimientos reúnan los siguientes puntos.

Criterio de instalación Operación protegida Capacidad / habilidad de carga Vida útil mecánica / eléctrica.

La aplicación de estos estándares depende de la jurisdicción de cada país, teniendo una unidad de criterios. Algunos de los estándares que se aplican para estos mecanismos son publicados de acuerdo a como sigue:

UL 508 NEMA ICS 5 parte I IEC 947 DC-11, AC –15 CSA 22.2

4.1.3.4. Vida útil

La vida útil de un switch se puede determinar por varios factores. Puede por ejemplo ser definida según el tiempo que tarde el switch en dejar de operar, y cuando el switch deje de mantener un contacto prolongado. Puede también ser definido cuando las características de operación cambien en forma paulatina.

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Los factores mecánicos que afectan un switch son: repetidas operaciones que causan un desgaste considerable de sus partes por efecto de fricción, impactos y fatiga de materiales, pudiendo todo esto provocar una falla final. Basura y residuos que se generan a través de movimiento y de una exposición de la superficie de contacto a una contaminación.

La vida eléctrica no necesariamente esta ligada a la vida mecánica. La vida eléctrica del switch, es primeramente dependiente de la energía eléctrica, siendo el principal recurso de impactos repentinos como así también de daños a sus piezas y componentes, debido a la generación de calor.

Altos niveles de corriente pueden también contribuir a arcillar los contactos durante la acción de este. Esta suerte de obstrucción resulta en una erosión del contacto con su posterior deformación, pudiendo acabar finalmente con el contacto. Como un resultado, esta es una buena praxis si se quiere evaluar ambos mecanismos y medir la vida útil, tanto de la parte eléctrica como mecánica de cada switch, permitiendo escoger con certeza el material más adecuado en la conformación de un switch.

4.1.3.5. Choques y vibraciones

Los choques y vibraciones refieren a las condiciones físicas que se presentan en el ambiente en donde el switch opera. Esas condiciones inducen a

una inestabilidad dentro del mecanismo.

Fuertes choques pueden alterar el funcionamiento normal del equipo. Cada movimiento tal vez repetitivo y sistemático aunque se registren de manera periódica pueden facilitar un considerable desgaste de piezas. Considere el traslado y montaje de este switch como un schock.

El desgaste mecánico es causado por vibraciones prolongadas, pudiendo resultar estas por la acumulación de basuras y residuos que a la larga causan fricción adhiriéndose a algunas partes del mecanismo.

4.1.3.6. Aislación eléctrica

El aislamiento dieléctrico es una medida de resistencia utilizado entre los contactos y la masa (carcaza del comando). De esta forma si se establece una continuidad eléctrica entre los elementos del circuito y el medio principal, el resultado es una falla en el rendimiento del switch.

La falla más frecuente es cuando el arco cruza la superficie de aislamiento. La combinación de un particular aislamiento y condiciones ambientales como la presencia de ciertos gases combinados con un arco eléctrico provocan un refuerzo paulatino en la ruta de conducción.

4.1.3.7. Clasificaciones de bloques de contacto

El bloque de contacto es el grado en que un switch puede tolerar una carga. Este rango se expresa en voltaje y registra una clásica referencia de

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valores en máximas condiciones, que pueden ser activadas en un número especifico de operaciones.

Excediendo sus limites de operación con una alta carga, este podría fundirse e inutilizar los contactos, perdiendo así su capacidad útil,

contribuyendo a la formación de un arco. Si la carga activada tiene un bajo nivel de energía, cualquier contaminante o película no conductora alojada en los

contactos podría impedir la operación del circuito. Si la carga opera entre los 48 VDC y 0.1 amp o entre 240 VAC y 0.4 amp. y es activada, el usuario deberá tener

extremo cuidado cuando seleccione los materiales de contacto.

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5.- LOS RELES

5.1 EL RELE SIMPLE

5.1.1 Principios

El relé es un dispositivo electromecánico que inicializa la acción en un circuito eléctrico en respuesta a un cambio en las condiciones de estado de ese circuito, o cualquier otro tipo de circuito. Existe una variedad de relé donde se destacan los de tipo eléctricos, neumáticos o fluídicos. La mayoría de los relés que se describirán aquí son de tipo electromecánicos y de estado-sólido.

La función de un relé, es abrir o cerrar un par de contactos eléctricos o un grupo de contactos como consecuencia de un cambio en las condiciones eléctricas de entrada. Este cambio es llamado “señal de control”. El cierre de contacto que forma parte del circuito principal, es usado en una asociación a seleccionar otros circuitos, o realizar funciones de apagado y encendido (off/on) una o varias veces repetidamente.

De manera más general, un relé puede considerarse como un amplificador y un

controlador; ya que tiene una ganancia de potencia y se

define como la razón de la salida de poder manejada por una

entrada definida. De este modo, un relé podría requerir una

corriente continua de 0.005 amperes a 50 voltios, pero que

puede controlar 2.500 Watts de potencia, obteniendo una

ganancia de 10.000.

5.1.2 Características

Los relés descritos aquí son tanto electromecánicos como electrotérmicos y las características aquí son comunes a todos ellos según sus formas. Los relés controlan el flujo de corriente eléctrica según el estado del contacto, el cual puede estar abierto o cerrado. Estos contactos presentan una resistencia infinita cuando abren (megaohms) y una baja resistencia cuando cierran (milihoms). Los relés pueden tener múltiples contactos, hasta 8 contactos DPDT (doble polo doble terminal) reunidos y cada disposición de

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contactos está eléctricamente aislados entre sí, estos contactos son activados en alguna determinada secuencia, comúnmente positiva. El impulso eléctrico, puede ser completamente aislado del circuito controlador. Este puede ser impulsado por energía eléctrica de un carácter enteramente diferente, desde el circuito de control, por ejemplo, mili amperes de DC pudiendo controlar kilowatts de RF.

Cada una de las estructuras mecánicas de los relés tienen ciertas ventajas y ciertas limitaciones. Algunas responden rápidamente, en menos de un milisegundo, pero no son seguros cuando manejan altas cantidades de potencia; algunos manejan grandes cantidades de potencia pero a una baja velocidad. Algunos tienen agrupados un conjunto de contactos seriados para poder manejar voltaje de radio-frecuencia y evitar capacitancias por acoplamiento, (cross-coupling).

También existen “relés en estado-sólido”, los cuales usan transistores, SCRs, TRIACs y similares, así como elementos de corriente controlada. Comúnmente en estos dispositivos el circuito controlado esta aislado del circuito de control, mediante un transformador (DC), o por un elemento óptico, u tal vez por un relé electromecánico.

5.1.3 Tipos de Relés

Existe una extensa variedad de relés disponible en el mercado, esta incluye relés DC con capacidades de contacto, desde microamperes hasta kiloamperes y desde bobinas energizadas desde pequeñas potencias (microwatts) a varios watts. Dependiendo del número de contactos, ellos requieren bobinas de 200 a 800 miliwatts, ya sea, en corriente continua como alterna y pueden controlar desde 5 amperes en 120 voltios, por contacto.

Relés de baja potencia son usados para controlar mayor poder. Estas bobinas aceptan desde 120 a 240 voltios AC. Esos pequeños relés tienen una capacidad de contacto cercano a los 30 amperes, a voltaje de hasta los 600 Voltios. También, existe una gran variedad de relés más grandes, se conocen como contactores electromagnéticos o disyuntores.

Otro criterio usado de selección de relés es por sus dimensiones mecánicas. Hay relés en miniatura y llegan a ser tan pequeños como 0.13 pulgadas cúbicas (2.03 c.c.), hay relés de tamaño de un transistor (TO-5).

El tipo de montaje puede ser importante, se tiene los tipo de montaje atornillado, tipo enchufe o plug-in, o montaje mediante circuito impreso. También es importante el número de polos disponibles en una unidad simple (tantas como 48), estas puede ser un factor determinante. Otro criterio, puede ser la resistencia eléctrica requerida, por ejemplo, extremadamente baja o quizás, extremadamente constante. (relés de mercurio o contactos de mercurio).

5.1.4 Configuración en los contactos de un Relés

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Los relés electromecánicos son fabricados con una amplia gama de disposición de sus contactos y en varias combinaciones. Alguna de estas están bajo normas y las más frecuentes se muestran en la figura 5.1, donde se destacan los códigos y algunas características como simple polo, doble terminal (SPDT), tipo de corte, tipo de contacto (forma de C de cuatro unidades, 4PDT).

En muchas aplicaciones es conveniente considerar la energía necesaria que actúa en un relé, una clasificación de los requerimientos de energía de las bobinas y la habilidad de manejo de potencia se muestra en la Tabla 5.1, los valores representados allí son solo aproximado.

Los relés, también se pueden clasificar por la función que deben ofrecer y la energía disponible. Los relés de medida y los ultrasensibles actúan con una muy baja

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Figura 5.1 : Disposición y normas de contactos de relé

energía, tal vez con una fracción de microwatts y se usan cuando se requiere pequeñas señales disponibles, ya sea, en transductores o puentes de medida.

Los relés de propósito general y de control, son usados en algunos circuitos después que otros sistemas de control hayan actuado , por ejemplo, un programa de control en un PLC y posteriormente se realiza la acción al medio industrial mediante un

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TABLA 5.1: características y rango de los Relé

arreglo de relés .

La siguiente figura 5.2, nos muestra algunas configuraciones ampliamente usadas en la industria, los modelos A y B son los más comunes, el tipo C es un mecanismo de equilibrio de fuerza, aquí, la estructura tiene un dispositivo con dos posiciones estable, una de ella es controlada por el imán permanente y la otra por la fuerza magnética de la bobina la cual debe ser suficientemente rígida para superar la tensión del imán permanente.

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El relé tipo caña (reed relay), mostrado en D, se monta en una cápsula de vidrio envuelta por una bobina, la corriente que fluye por esa bobina genera un campo magnético, produciéndose una atracción de las placas de la caña y produciéndose el contacto. Estas unidades electromagnéticas, son altamente rápidas, cercana a los 500 microsegundos o menores a este tiempo de operación, hay diferentes configuraciones de contactos, alguno de ellos puede estar polarizados, otros pueden ser retentivos (lachting) mediante pequeños imanes, también, hay de tipos contacto seco o de contacto húmedo por mercurio, puede ser de cápsula simple o múltiple. Estos relés, son ampliamente usados en sistema conductores (driver) de transistores por su alta confiabilidad y su larga vida, sobre 100 millones de operaciones. 5.1.5 Estructura de los Relés.

Los relé electromagnéticos están activados por fuerzas magnéticas que son producidas por corrientes que fluyen por las espiras de una bobina (principio de Faraday), estas fuerzas mueven una armadura de Fierro, ver figura 5.2, sección A y B, en A se muestra el relé tipo palmeta, clapper relay, y en B, se muestra el tipo telefónico, en ambos, cuando no existe corriente, la armadura mantiene una posición a través de un

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Figura 5.2 : Configuraciones típicas de relés industriales

resorte, cuando la corriente fluye, se produce un empuje de la armadura hacia el cuerpo realizándose el contacto hacia la carga, cuando la corriente deja de fluir, el resorte ejerce una fuerza y retorna la armadura a su posición normal, ambos relés pueden usar corriente alterna o continua, cuando se aplica corriente alterna (AC), se usan bobinas auxiliares amortiguadoras (shaning coil) para suavizar el golpe y evitar el rechinar.

5.1.5.1 Estructura de Relé especiales.

Si un pequeño imán permanente es agregado al relé, la armadura del relé, puede ser operada en una u otra dirección según la polaridad del imán.

La figura 5.3-A, muestra el relé polarizado. Este relé conocido como retentivo, permite operar uno o dos circuitos o ambos a la vez, parte B, cuando uno de los actuadores es energizado, su brazo se desliza hasta el otro brazo, donde este se cierra, este permanece restringido hasta volverlo forzadamente a su posición normal, una vez que se haya desenergizado. La parte C de la figura 5.3, nos muestra dos bobinas con una armadura que también permite operar dos circuitos, dependiendo de la señal aplicada, un pequeño resorte es dispuesto para equilibrar al relé en una zona neutra cuando no haya energía.

También, existen relés multiposición de tipo rotatorios manejado por motores sincrónicos o pasos a paso, estos pueden manejar varios circuitos. Además, hay relé térmicos útiles para realizar acciones retardadas, estos se verán con más detalles en la próxima sección, ver figura 5.3.D.

5.1.5.2 Materiales y Formas.

Existe una variedad de materiales disponible para los contactos de un relé. Para aplicaciones de baja corriente y bajo voltaje, es necesario usar materiales que no se

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Figura 5.3 : Configuraciones típicas de relés especiales

oxiden, que no desarrollen aislamiento, o gasto mecánico. Algunos materiales preciosos, como el oro o platino o aleaciones de ellos son los más comunes. Plata o plata-cadmiun son bastante resistente a altas corrientes sin aumento de calor, pero generan revestimientos de óxidos o sulfitos. Aleaciones de tungsteno comúnmente resisten picaduras y erosiones cuando se usan altos voltajes. Contactos húmedos en mercurio son usados para altas cantidades de corriente y baja resistencia, a menudo son sensible a las vibraciones.

Las formas de los contactos dependen de la aplicación a prestar, por ejemplo, contactos pesados usados en altas corrientes tienen forma de domo. Los de baja resistencia y pequeñas corrientes son a menudo cilíndricos. Otra forma común es la placa, son duradera y baratas, además, dan un buen contacto.

El montaje del contacto es una parte importante del diseño del relé. En relés

multicontactos es esencial que todos los contactos estén

disponibles para soportar efectivamente sus pares de contactos

correspondiente, sin interferencia. En aplicaciones de bajo

voltaje son ideales los contactos tipo secos. Necesariamente

en todos los relés es deseable minimizar el salto y

rechinamiento que el contacto hace. Algunas formas de relés

redes, son muy rápidas y no saltan.

5.1.6 Selección de los Relés.

Entre los muchos factores que participan en la elección de un relé, el costo, el tamaño, la velocidad de operación y los requerimientos de energía, son los más relevante. Además, de parámetros restrictivos, tales como, limitaciones de armado o el montaje, o

contactos sellados, que a veces son requeridos para la seguridad y protección de las desfavorables condiciones ambientales.

Los catálogos de muchos fabricantes de relés, contienen docenas de tipos, formas y diferentes sensibilidades. A pesar que algunos de ellos han sido utilizados por más de un siglo, nuevas formas han aparecido. Las Tablas de 5.2 y 5.3 contienen una pequeña muestra de tipos de contacto-abierto y relés de contacto-sellado respectivamente.

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TABLA 5.2: Relés de contacto abiertos

5.1.7 Aplicación y Circuitería de los Relés.

Para que un relé sea utilizado satisfactoriamente, su funcionamiento debe estar claramente comprendido y sus características bien conocidas, debiendo ser escogido conforme a la necesidad o requerimiento. En el diseño del circuito debe considerarse que parte incluye los relés al resto del sistema. Es usual definir el relé y su circuito determinando cuánta energía debe controlar y cuánta energía debe utilizar como señal. Una vez definido los aspectos energéticos, se deben considerar el número de contactos que se necesitan. También, se debe considerar los aspectos ambientales para ver si se requiere relés sellados o de otro tipo, los espacios necesarios, las precauciones, los arcos y su ventilación a considerar.

A veces es necesario utilizar dos relés en cascadas si la señal es muy pequeña o dos relés paralelos para proveer suficientes contactos. (si ha seleccionado el relé apropiado)

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TABLA 5.3: Relés Sellados herméticamente

En general, debe utilizarse el mismo criterio en el diseño del circuito del relé,

como en el diseño de cualquier otro circuito. Entre los criterios

más importantes, están los problemas transientes que

atraviesan las bobinas del relé. y el problema de proteger los

contactos de chispazos, arcos y residuos de soldadura.

En aplicaciones de baja potencia (corriente baja y bajo voltaje), como es el

caso de sistemas de comunicaciones o circuitos lógicos,

existen serios problemas con contactos que usualmente no

operan y que con frecuencia son problemas por cuidado y

mantenimiento de las superficies de contactos, es decir en

condiciones secas y limpias.

Por otra parte para corrientes altas y en especial si la carga es inductiva, o si

ésta es considerablemente aumentada por efectos inrush.

Deberían tomarse precauciones para proteger los contactos de

los efectos arcos, chispazos o residuos de soldadura. Bajo

ciertas condiciones, los arcos tienden a formarse entre los

contactos y su carcasa o entre el relé y los bornes de montaje.

Esto puede ser previsto mediante un diseño apropiado del

circuito.

Se puede minimizar los residuos por soldadura en la superficie de los contactos

a partir de la aplicación de contactos suficientemente grande y

que estén hechos de materiales apropiados. Eventualmente se

utiliza una disposición de contactos en paralelos para grandes

cargas, por ejemplo, lámparas de carga, la partida de motores

monofásicos, ambos casos demandan altas corrientes.

Los chispazos en los contactos o la presencia de arcos a partir de interrupciones de una carga inductiva pueden ser minimizados a través del uso de supresores de chispas (protectores surge). Frecuentemente son simples circuitos RC, tubos de descarga, diódos, u otros instrumentos de estado sólido. Algunas veces se usan relés con contactos de aleación de mercurio para cargas pesadas, ya que la circulación del mercurio propicia la limpieza de la superficie de los contactos por cada operación.

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Relés de alto potencia pueden usar contactos de doble freno, o dispositivos

sopladores o explosivos para desviar el arco, a veces se

consideran fusibles u otros recursos que no están dentro del

alcance en esta discusión.

Muchas bobinas de relés poseen suficiente inductancia que producen grandes

transientes cuando sus corrientes son interrumpidas, por

ejemplo, una bobina de 28 VDC puede producir un transiente

de 1.000 voltios, los cuales pueden dañar el aislamiento del

circuito. Tal fenómeno, puede ser reducido mediante el uso de

semiconductores, lámparas de neón, o ( en relés DC) un

enrollado de corto circuito como un dispositivo de absorción.

Estos problemas deben tomarse en serio y no debieran ser

ignorado.

En muchas aplicaciones de relé, es ventajoso aplicar momentáneamente un alto voltaje para asegurar una rápida y positiva acción y luego reducir la corriente de la bobina a un valor mínimo para evitar un sobre calentamiento. Existen muchos métodos para hacer esto, dos de ellos son mostrado en la siguiente figura 5.4.

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Esta figura, muestra en la parte “A” un circuito útil sólo para relés DC. Un relé de 24 voltios es alimentado desde una fuente de 50 voltios; el condensador esta inicialmente cargado a 50 voltios, tal que cuando los contactos controladores son cerrados, el golpe de corriente (inrush current) es próxima solo al doble de la corriente normal de la bobina. Después que el condensador se descarga a su valor normal, la resistencia R limita la corriente, si R es igual a la resistencia de la bobina solamente fluirá corriente normal de la bobina.. En éste se diagrama una red resistencia-condensador paralela a la bobina es colocada para evitar los transientes.

En la parte B de la figura anterior, se muestra una disposición usada tanto en relés AC como DC, aquí, el limitador es una resistencia de tungsteno, tipo lámpara que va en serie con la bobina, cuando esta fría, la resistencia es baja, pero a medida que va aumentando la corriente que fluye por ella, esta aumenta su temperatura y así su resistencia, por lo cual la corriente se limita al valor normal de la bobina. En la figura también se muestran unos diodos Zener que sirven como supresores de transientes.

La confiabilidad de los relés, depende de la procedencia, o sea, la calidad en la fabricación, de la aplicación y de la apropiada selección. Relés de baja potencia, pueden durar millones de operaciones antes que falle, es común, operaciones entre 100.000 a 1.000.000. También es importante en la confiabilidad los materiales que se usa en los contactos, los supresores de transiente, los elementos de protección, el mantenimiento, limpieza de los contactos y las condiciones ambientales y de trabajo.

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Figura 5.4: Limitadores de corriente en relés

5.2 TEMPORIZADORES

Los temporizadores son dispositivos de retardo de tiempo y se usan para manejar el tiempo en operaciones industriales, tales como: partidas, cortes, secuencias, ciclos o continuaciones de proceso bajo condiciones temporales de trabajo deseadas. También, se conoce como relé temporizado

5.2.1 Características Generales

Los relés temporizados son dispositivos lógicos que generalmente sé consideran como dispositivos de propósito especial y tienen características tanto de relé como de temporizadores. El Tiempo es una de las variables de cualquier proceso industrial que a menudo debe ser supervisado o controlado y este tipo de dispositivo sirve para manejar esta variable.

Los dos elementos principales de un relé temporizado son; él mecanismo circuital que produce un intervalo de tiempo y los contactos de interrupción de la carga, que actúan dentro de un intervalo de tiempo.

Para efectuar estas operaciones deben intervenir los siguientes elementos:

1. Una fuente de energía o alimentación al relé. 2. Señal de control o entrada que comanda al temporizador 3. Cambiador de estado del dispositivo que determina el tiempo 4. Un indicador que muestre el estado del relé para mostrar la

condición del dispositivo

La señal de energía o entrada, puede ser térmica, neumáticos, o una corriente eléctrica CA o CD. El cambiador de estado puede ser de naturaleza mecánica, por ejemplo, un motor que rota, movimiento de un vástago que restringe un fluido, una aspa o lamina bimetálica que refleja presencia de calor; también puede ser eléctrico, tal como condensador que descarga su energía acumulada o contador de oscilaciones o pulsos, o un emulador basado en software, aquí, se puede programar un relé temporizado en un PLC, o microprocesador, o un computador o simplemente, un circuito integrado programable.

La interrupción hacia la carga (Load Switching) cambia, ya sea, por una acción de corte, una acción de válvula, cambio de los contactos (SPDT, DPDT) o de estado sólido (dispositivos transistorizados, SCRs, o triacs).

Hay diferentes formas de clasificar un temporizador, para esto se toma la relación del tiempo de la aplicación de la señal de control y el tiempo de interrupción de la carga, cambio de estado en los contactos del relé.

Los cuatro tipos más conocidos son:

Retardo en ON (on delay) Retardo en OFF (off delay) Intervalos de tiempo

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Simple paso (single shot).

Una combinación especial en los dos primeros se conoce tren de pulsos o ciclo repetido.

Para elegir un temporizador disponible en el mercado se debe considerar lo siguiente:

1. Rango de tiempos (Timing range) 2. Tiempos fijos contra tiempos ajustables 3. Exactitud

a. Exactitud del dial de ajuste b. Tolerancia c. Exactitud del ciclo d. Tiempo entre operaciones

4. Factores medioambientales a. rango de Temperatura b. Vibración

5. Interruptor de carga (Loading Switching) a. ciclo carga (Duty cycle)b. el Tipo de carga: resistiva, inductiva, lámpara c. Esperanza de vida con carga

6. Consideraciones de montaje a. Limites de Tamaño

b. Estilo de montaje: superficie, tablero o panel, enchufable en línea

c. Terminales: plug-in, conector rápido, conector soldado, conector rosca.

7. Gabinete (housing) a. Chasis abierto b. A prueba de polvo c. Impermeable d. A prueba de explosión e. Totalmente encapsulado

5.2.2 Tipos de temporizadores

5.2.2.1 ON Delay

La función de este tipo de temporizador es retardar la operación, o realizar una operación lenta, o retardada. Aquí, el interruptor de carga (load switch) opera un cierto tiempo después de recibir una orden de entrada (señal de control). En la figura 5.5-a, se observa que, si la alimentación al dispositivo normalmente requerida es interrumpida antes que el switch de carga opere, o sea, que alcance el tiempo de retardo, entonces, la carga también cae a OFF por no detectar energía de alimentación.

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5.2.2.2 OFF Delay

Este tipo de temporizador es una alternativa y complementario al

anterior, debido a que realiza una acción contraria, desenergiza la acción

ON. El switch de carga opera o cambia de estado en un tiempo dado,

después de detectar la señal de entrada, figura 5.5-b. Si ocurre una

interrupción en la energía y la señal de control es ininterrumpida en una

mínima cantidad de tiempo, entonces el swich de carga operará.

5.2.2.3 Intervalo

Despues de aplicar una señal de entrada y mientras permanece la energía, el estado de relé (swich de carga) se mantendrá por un tiempo dado y después se desenergizará, figura 5.5-c. Si la energía se interrumpe antes de completar el tiempo de retardo, este se desconectará instantáneamente.

5.2.2.4 Simple paso (single shot)

Este tipo también llamado intervalo retentivo, opera por un pequeño cambio en la señal de entrada, un simple paso (single shot), la carga se desconectará después de un intervalo de tiempo dado, figura 5.5-d. Si la energía se interrumpe y ha ocurrido en paso, la carga se desenergiza instantáneamente.

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5.2.3 Recuperación de tiempo

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Figura 5.5: Diagramas de tiempo de un relé temporizado

Es la mínima cantidad de tiempo entre la señal de entrada removida y su aplicación nuevamente, esta característica es relevante cuando se requieren sistemas repetitivos.

5.2.4 Diseño de Temporizadores 5.2.4.1 Tipo pistón o neumático

Este tipo es un relé normal y es complementado con un pistón que viaja inserto en una bobina o un fluido contenido en un recipiente tipo cilindro. Este cilindro contiene varios hoyos donde pasa el fluido. La armadura o mecanismo de contactos se mueve lentamente debido a la resistencia del fluido (viscosidad). Con el fin de manejar la velocidad de operación del relé, se debe variar los orificios. Una versión neumática de este temporizador es usando un conjunto diafragma resorte regulable, ver figura 5.6.

5.2.4.2 Termostato

Esta versión esta constituida por elementos bimetálicos envueltos por una bobina térmica, la energía se aplica a esta bobina. El retardo o temporización, se alcanza cuando la temperatura alcanza cierto valor umbral,

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Figura 5.6: Temporizador tipo pistón

que produce una dilatación en los elementos bimetálicos y por ende un cambio de estado en los contactos.

5.2.4.3 Motorizado

Este tipo es manejado por un motor sincrónico en el cual esta adosado un engranaje o juego de levas, el movimiento del motor hace que las levas hagan contacto con un juego de escobillas y así se tienen diferentes temporizadores, él conjunto completo componen un secuenciador.

5.2.4.4 Estado sólido análogo

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Figura 5.7: Temporizador tipo bimetálico

Figura 5.8: Temporizador tipo motor

Están basados en circuitos RC, donde el condensador es cargado hasta cierto valor vía una resistencia eléctrica y así alcanzando un voltaje dado. Posteriormente, este valor de tensión hace que opere, ya sea, un elemento electromecánico o un circuito de estado sólido. Este tipo es simple y barato, la constante de tiempo depende de los valores RC.

5.2.4.5 Estado sólido digital

Estos dispositivos son osciladores de cristal que están empaquetados en chips y entregan un tren de pulsos a ciertas frecuencias, las cuales pueden ser contada con el fin de crear temporizadores. Son más caros que los anteriores

pero son más precisos y con mayor facultad a las repeticiones.

5.2.4.6 Basados en software

Los nuevos sistemas de control están basados en microprocesadores, los cuales realizan tareas de lógica, cuenta de eventos (o tiempos) y secuencias. Todas estas funciones son emuladas vía software mediante un programa almacenado en la memoria

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Figura 5.9: Temporizador estado sólido análogo

del procesador. Estos programas pueden generar operaciones temporizadas que operan un circuito de relé, un ejemplo típico es una instrucción temporizada de un PLC.

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Figura 5.10: Temporizador programado