4. actuadores neumaticos

ACTUADORES

Ing. Eduard Galvis R.

Design with Controlsg

Objetivos de la clase

• Aprender a utilizar circuitos neumáticos y eléctricos y el PLC para la solución de un y pproblema típico en la industria.

• Conocer elementos Neumáticos básicos.

• Establecer diferencias entre circuitos lógicos Eléctricos y Neumáticos.

• Entender funcionamiento básico del PLC.

Motivación

Ejemplo de sistema: Elevador de paquetes

Estructura Básica de Automatismo

ORDENES

INTERFACES

CON

INTERFACES(Usuarios)

PREACTUADORES

ACTUADORES

OPER

TROL

SISTEMA MECÁNICO

ATIVA

MÓDULOS DE COMUNICACIÓNES

(Ot i t )

SENSORESINTERNOS

A

RESPUESTAS(Otros sistemas)

Contexto:Automatización

Instrumentación IndustrialIng Eduard GalvisIng. Eduard Galvis

Automatización

Es el uso de tecnologías que involucran laaplicación de sistemas mecánicos electrónicos yaplicación de sistemas mecánicos, electrónicos ycomputacionales para operar y controlar demanera eficiente una máquina o un procesomanera eficiente una máquina o un proceso.

Automatismo

Lógica y componentes necesarios para llevar a cabo la automatización de un procesocabo la automatización de un proceso

Automatización

Obj i d l i ióObjetivos de la automatización

Aumentar la competitividad de un producto en elmercadoAumentar la calidad de los productosSustituir operaciones imposibles o muySustituir operaciones imposibles o muycomplicadas de controlar manualmenteEli i ió d i l dEliminación de riesgos para los operadoresReducción de costos de mano de obra

Automatización

Tipos de automatización

Automatización Fija

Automatización Programableg

Automatización FlexibleAutomatización Flexible

Automatización fijaj

Es un sistema en el cual la secuencia de las operaciones de proceso o ensambles es establecida por la configuración misma del equipo sin posibilidad de variantes considerables.

Automatización fija

Características

j

Características

– Alta inversión de equipo e instalaciones

– Altas tasas de producción

– Fabricación normalmente en línea

– Inflexible para realizar cambio en los productosp oduc os

Automatización programablep g

El equipo de producción esta diseñado con la capacidad de cambiar la secuencia de operacionespara lograr una diferente configuración del producto.

Automatización programable

L i d i t t l d

p g

La secuencia de operaciones esta controlada por un programa, el cual tiene una serie de instrucciones

l i t d l i t tque el sistema puede leer e interpretar.

Nuevos programas pueden ser preparados y cargados al equipo para producir un nuevo producto.q p p p p

Automatización programable

Características

p g

– Nivel de producción bajo a mediano

Fabricación generalmente por lotes– Fabricación generalmente por lotes

– Flexibilidad para adaptarse a cambios en la fi ió d l d tconfiguración del producto

– Para producir un nuevo producto el sistema debe ser reprogramado, así como realizar los cambios necesarios de herramentales y sistemas de sujeción.

– El tiempo de cambio de modelo debe de ser considerado para agregarlo al tiempo de ciclo del

d tproducto.

Automatización flexible

Es una variante de la automatización programableen la cual es capaz de producir una variedad de p pproductos (familia) sin pérdida de tiempo en la preparación de cambios de modelo.p p

Consecuentemente, el sistema puedeConsecuentemente, el sistema puede producir varias combinaciones de productos en su programación de producción.en su programación de producción.

Automatización flexible

Características

– Producción continua de una variedad de productos.

– Tasa media de volumen de producción– Tasa media de volumen de producción.

– Flexibilidad para adaptarse variantes en el diseño de producto.

Tipos de automatizaciónNúmero de PartesDiferentes

p

Diferentes

ucto

Alto

AutomatizaciónProgramable

de P

rodu

Medio

Vari

edad

d Medio AutomatizaciónFlexible

Va

BajoAutomatización

FijaMétodosManuales

Volumen de Producción

Bajo Medio Alto Número de Partespor AñosVolumen de Producción por Años

Razones para automatizarp

1. Incremento en el volumen de producción2 M j d l lid d d l d t2. Mejora de la calidad del producto3. Reducir el tiempo de ciclo de los p

productos4 Reducción de inventario en proceso4. Reducción de inventario en proceso5. Seguridad de las operaciones6. Reducción del costo de mano de obra

Estructura Básica de Automatismo

ORDENES

INTERFACES

CON

INTERFACES(Usuarios)

PREACTUADORES

ACTUADORES

OPER

TROL

SISTEMA MECÁNICO

ATIVA

MÓDULOS DE COMUNICACIÓNES

(Ot i t )

SENSORESINTERNOS

A

RESPUESTAS(Otros sistemas)

Estructura Básica de Automatismo

• Un sistema automatizado se compone de dos partes:partes:

U d l di l i– Una parte de control, que coordina las acciones de la parte operativa

– Una parte operativa, donde los actuadores li i b lrealizan sus acciones sobre los procesos

automatizados

Parte de control

Emite ordenes hacia la parte operativa y recibe las señales de retorno con objeto de coordinar sus acciones.

En el corazón de la parte de control, el “tratamiento” esEn el corazón de la parte de control, el tratamiento es la convergencia de tres dialogos que ella coordina:

Parte de control

El diálogo en la máquina:

Parte de control

• Consignas a los actuadores vía los preactuadores• Adquisición de señales de retorno enviadas por los sensores que

indican la evolución de la máquina o producto.

El diálogo hombre-máquina (Interfaces)P j ió j di ó i d l• Para manejo, programación, ajustes y diagnósticos de la máquina

• La persona emite consignas y recibe información de retorno.

El diálogo con otras máquinas(Comunicaciones)(Comunicaciones).

• Varias máquinas pueden interactuar en un mismo sistema de producción, la coordinación se garantiza por el dialogo entre las

t d t l t é d i ibi ñ l (I tpartes de control, a través de enviar y recibir señales (Inputs y Outputs).

Parte Operativa

Este componente de la estr ct ra básica de nEste componente de la estructura básica de un automatismo es la que realiza el trabajo físico sobre los materiales el producto etclos materiales, el producto, etc.

Los elementos que la conforman son los siguientes:Los elementos que la conforman son los siguientes:

Parte Operativa

• Preactuadores: Destinados a coordinar las acciones de los actuadores, por ejemplo:– Variador de velocidad– Electroválvula– Driver’s o tarjetas de control.j

• Actuadores: Destinados a proporcionar la ctuado es es dos p opo c ofuerza necesaria para mover los sistemas mecánicos, por ejemplo:p j p– Motor eléctrico– Cilindro neumático– Cilindro hidráulico

Parte Operativa

• Sensores i l i f ió d l• Sensores: proporcionan la información de retorno para la conducción del proceso.– Microswitchs– Sensores Inductivos– Sensores ópticos

Encoders– Encoders

• Sistema Mecánico: Herramientas y dispositivos diversosSistema Mecánico: Herramientas y dispositivos diversos para el proceso, por ejemplo:– Moldes– Herramientas de corte– Estructura mecánica de una prensa– Guías, bandas, engranes etc.Guías, bandas, engranes etc.

Ejemplo (1)– Sistema electroneumático

Ejemplo (1)Sistema electroneumático

CilindroCilindro Neumático

(ACTUADOR)

Electroválvula Interruptores de (PREACTUADOR)

Y1 Y2límite(PREACTUADOR)

(Sensores Internos)

PSR

Ejemplo (2)

– Sistema Robótico

Ejemplo (2)

– Sistema Robótico

SENSOR INTERNOSistema Servo de Encoder

V i d d

Retroalimentación

RotaciónE

Encoder

SISTEMA MECÁNIC

Variador de Velocidad V M

Motor

PREACTUADORSISTEMA MECÁNIC

ACTUADOR

AARQUITECTURA DE UN RQUITECTURA DE UN SSISTEMA DE ISTEMA DE PPRODUCCIÓNRODUCCIÓNAARQUITECTURA DE UN RQUITECTURA DE UN SSISTEMA DE ISTEMA DE PPRODUCCIÓNRODUCCIÓN

MATERIAS PRIMASMATERIAS PRIMAS

Parte Operativa(Proceso)

ÍÍENERGÍAENERGÍA

MATERIAS ELABORADASMATERIAS ELABORADAS

AARQUITECTURA DE UN RQUITECTURA DE UN SSISTEMA ISTEMA AAUTOMÁTICOUTOMÁTICO DE DE PPRODUCCIÓNRODUCCIÓNPPRODUCCIÓNRODUCCIÓN

MATERIAS PRIMASMATERIAS PRIMAS

Parte Operativa(Proceso)

ÍÍ

Parte de Mando(Controlador)

ENERGÍAENERGÍA

MATERIAS ELABORADAMATERIAS ELABORADA

TTÉCNICAS DE ÉCNICAS DE AAUTOMATIZACIÓN UTOMATIZACIÓN EEVOLUCIÓNVOLUCIÓNTTÉCNICAS DE ÉCNICAS DE AAUTOMATIZACIÓN. UTOMATIZACIÓN. EEVOLUCIÓNVOLUCIÓN

SSUSTITUCIÓN FUERZA HUMANA POR ANIMALUSTITUCIÓN FUERZA HUMANA POR ANIMAL•• SSUSTITUCIÓN FUERZA HUMANA POR ANIMALUSTITUCIÓN FUERZA HUMANA POR ANIMAL

•• SSUSTITUCIÓN FUERZA ANIMAL POR USTITUCIÓN FUERZA ANIMAL POR •• SSUSTITUCIÓN FUERZA ANIMAL POR USTITUCIÓN FUERZA ANIMAL POR

EÓLICA/HIDRÁULICAEÓLICA/HIDRÁULICANO NO SON SON TTÉCNICAS DE ÉCNICAS DE AAUTOMATIZACIÓNUTOMATIZACIÓN

SON FUENTES DE ENERGÍASON FUENTES DE ENERGÍA

LA PARTE DE MANDO SIGUE RECAYENDO EN UN SER HUMANOLA PARTE DE MANDO SIGUE RECAYENDO EN UN SER HUMANO

••TTECNOLOGÍA MECÁNICAECNOLOGÍA MECÁNICA ••TECNOLOGÍA ELÉCTRICATECNOLOGÍA ELÉCTRICA••TTECNOLOGÍA MECÁNICAECNOLOGÍA MECÁNICA

••TECNOLOGÍA NEUMÁTICA/HIDRÁULICATECNOLOGÍA NEUMÁTICA/HIDRÁULICA

••TECNOLOGÍA ELÉCTRICATECNOLOGÍA ELÉCTRICA

••TECNOLOGÍA ELECTRÓNICTECNOLOGÍA ELECTRÓNIC

TTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA MMECÁNICAECÁNICATTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA MMECÁNICAECÁNICA

RRUEDAUEDA FFRESADORARESADORA•• RRUEDAUEDA •• FFRESADORARESADORA

TTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA MMECÁNICA IIECÁNICA IITTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA MMECÁNICA IIECÁNICA II

••MMÁQUINA DE VAPOR DE ÁQUINA DE VAPOR DE WWATT (1819)ATT (1819)MMÁQUINA DE VAPOR DE ÁQUINA DE VAPOR DE WWATT (1819)ATT (1819)

TTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA MMECÁNICA IIIECÁNICA IIITTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA MMECÁNICA IIIECÁNICA III

EESQUEMA SQUEMA GGENERAL DE UN ENERAL DE UN SSISTEMA ISTEMA AAUTOMATIZADOUTOMATIZADO

CONTROL EN LAZO ABIERTOCONTROL EN LAZO ABIERTO

Preaccionadores Accionadores

Parte operativa(proceso)

Parte de Mando(controlador) (p )( )

EESQUEMA SQUEMA GGENERAL DE UN ENERAL DE UN SSISTEMA ISTEMA AAUTOMATIZADOUTOMATIZADO

CONTROL EN LAZO CONTROL EN LAZO CERRADOCERRADO

Preaccionadores Accionadores

CONTROL EN LAZO CONTROL EN LAZO CERRADOCERRADO

Preaccionadores Accionadores

Parte operativaParte de MandoSupervisión p(proceso)

Parte de Mando(control)

Supervisión

Captadores

Tecnologías de Control

• Cableada• Cableada– Circuitos lógicos neumáticos

Circuitos lógicos Eléctricos– Circuitos lógicos Eléctricos

• Programable• Programable– PLC

5

Tecnologia Cableada

Con la tecnología cableada, el automatismo li ód l d ise realiza con módulos conectados entre si.

El funcionamiento obtenido es el resultado de la selección de módulos y del cableadode la selección de módulos y del cableadoque los liga.

El automatismo es totalmente personalizadoli ió ífipara una aplicación específica.

Tecnologia Cableada

Tres Tecnologías permiten la realización de automatismos cableados:

– Relevadores electromagnéticosRelevadores electromagnéticos

Módulos lógicos neumáticos– Módulos lógicos neumáticos

T ód l l ó– Tarjetas o módulos electrónicos.

Neumática

Tecnología que emplea el aire como modo d t i ió d l í ide transmisión de la energía necesaria

para mover y hacer funcionar automatismos

Ventajas Neumática

• Fácil captación• AlmacenableAlmacenable• Abundante

Si i d d l i• Sin propiedades explosivas• Baja sensibilidad a temperatura • Posible regular velocidad del pistón

Desventajas Neumáticaj

• Circuitos muy extensos pérdidas de cargas considerablescargas considerables

• Costos

• Ruido generado

TTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA NNEUMÁTICA / EUMÁTICA / HHIDRÁULICAIDRÁULICA

Elementos: Cilindro Neumático

Émbolo

VástagoCámaras VástagoCámaras

Tipos de Cilindros

Simple Efecto Doble Efecto

Doble vástago Doble efecto dos ástagosDoble vástago Doble efecto, dos vástagos

10

Tipos de Cilindros

10

Activación de Cilindros

10

Simbología

Simbología

Símbolos según DIN ISO 1219 "Técnica de fluidos – Símbolos gráficos y esquemasgráficos y esquemasde conexiones“

Elementos: Válvulas

Elementos: Válvulas

Válvulas

Válvulas

Posiciones: Estados posibles de la válvulaPosiciones: Estados posibles de la válvula

A í Lí d t b j D fAccesos o vías: Líneas de trabajo + Desfogues +Presión

3 Vías (Accesos) / 2 Posiciones = 3 / 2 vías

Válvulas

A B

Y1

PSR

P

5/2 vías con restablecimiento.5/2 vías con restablecimiento.

Válvulas

A B

Y1

PSR

5/2 vías con restablecimiento.5/2 vías con restablecimiento.

Tipos de válvulas2

1Válvula 2/2

Válvula 3/2

22

1 3

Válvula 4/2 Válvula 5/2

4 2 4 24 2

1 35

13

1 3

15

Tipos de válvulas2

1

22

1 3

4 2 4 24 2

1 35

13

1 3

15

Elementos de Neumática

Sensor de posición

Válvula Shuttle(OR)

Unidad deVálvula de dos

presiones(AND)

Unidad de Servicio

Válvulas

Denominación de Conexiones

Denominación de Conexiones

Ejemplo de Sistema Neumático

Cilindro Neumático

A B

SY1

RP

SRP

Ejercicio

Ejemplo de sistema: Elevador de paquetes

Diagrama espacio fase

A+

A - ↑ - ↓ -B - - ↑ - ↓A+

A-B ↑ ↓

A0 A11

A001

B

B0

B0

B10 E1 E2 E3 E4 E5 B1

Circuitos Neumáticos

Válvulas

A (Línea de Trabajo)

Pilotaje Restablecimiento

A (Línea de Trabajo)

Pilotaje Restablecimiento

R (Desfogue)

P(Presión)( )

Válvulas

Presión: P

Desfogues: R,S,T

Líneas de Trabajo: A,B,C

Válvulas

Pilotajes:

Neumático

Hidráulico

EléctricoEléctrico

Tipos de Accionamiento

Pilotaje:j

Tipos de Accionamiento

Pilotaje - Finalidad:j

Tipos de Accionamiento

Pilotajej

Tipos de Accionamiento

Válvulas

Posiciones: Estados posibles de la válvulaPosiciones: Estados posibles de la válvula

A í Lí d b j D f P ióAccesos o vías: Líneas de trabajo + Desfogues +Presión

3 Vías (Accesos) / 2 Posiciones = 3 / 2 vías

Válvulas

Ej lEjemplos:4/2 vías con restablecimiento.

A BA B

Y1

R

Y1

Y1 A BP

R Y1 A B0 0 11 1 01 1 00 0 1

Válvulas

4/2 vías sin restablecimiento.4/2 vías con memoria estable.

A BA B

Y1Y1 A B0 0 11 1 0R

Y1

1 1 00 1 01 0 1

PR

1 0 10 0 1

Válvulas

5/2 vías con restablecimiento.

A BA B

Y1

Y1 A BS

Y1

R Y1 A B0 0 11 1 0P

SR

0 0 1

Válvulas

A B

Y1 Y2

S

Y1

R

Y2

Y1 Y2 A B0 0 0 1P

SR

5/2 vias con doble pilotaje5/2 vías con memoria biestable

0 0 0 11 0 1 00 0 1 05/2 vías con memoria biestable. 0 1 0 10 0 0 1

Válvulas

Y1 Y2 A B5/3 vías con doble pilotaje y doble restablecimiento.

Y1 Y2 A B0 0 0 01 0 1 00 0 0 00 1 0 10 0 0 0A B 0 0 0 0A B

Y1 Y2

SR

Y2

PSR

Analogía con Compuertas Lógicas

Latch SR

AND y OR múltiples

Analogía con Compuertas Lógicas

Válvulas de Cierre y Caudal

Accionamientos Giratorios

TTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA EELÉCTRICALÉCTRICATTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA EELÉCTRICALÉCTRICA

Elementos Eléctricos

SensorElectroválvula

SensorInductivo

SensorCapacitivo

Switch Sensormagnético

RelaySolenoide ElectroválvulaElectroválvula

20

Mando de un cilindro de simple efectoefecto

Mando de un cilindro de simple/doble efecto

La segunda i t tilivariante se utiliza

cuando la potencia no es suficiente para activar la pbobina Y1 o cuando se maneja otro voltaje

Activación en paralelo/serie de cilindros de psimple/doble efecto

Mando a ambos lados de un cilindro

En este caso un soloEn este caso un solo pulso del botón es suficiente para memorizar la acción de

d ál lcada válvula.

La acción seguida de cada válvula cancela lacada válvula cancela la de la otra

Retorno automático y movimiento oscilante yde un cilindro

S2 – Switch de límite como final de carrera

Notar que S3 es de enclavamiento, y que S1 actúa sólo cuando S3 está conectado

Circuito de autorretención o enclavamiento

Arranque prioritario Paro prioritario

La autorretención permite utilizar válvulas con regreso por resorte ⇒ ¡50% ahorro!p g p ¡

Mando de un cilindro con circuito de autorretención

Retroceso automático de

ili dun cilindro con un final de carrera

Mandos con temporizaciónp

Con retardo a la activaciónactivación

C SCuando el vástago llega a S2, para 10 seg y después regresa

Circuito Lógico Eléctrico

htt // l ti /j ti50/d / ti ht lhttp://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/descarga/neumatica.html

Diagrama de Espacio - Fase

A BA B 1A001

BB0

E E E E EE0 E1 E2 E3 E4

Ej: Sistema Electroneumático

Las órdenes son las siguientes:

• A1: aproximación de la pieza a la zona de conformado• B1, C1: conformado de la pieza•A0: retroceso de la alimentaciónA0: retroceso de la alimentación• A1, B0: retroceso del útil de conformado y salida del vástago de extracción• C0: retroceso del molde de conformado•A0: retroceso de la pieza conformada p

Ejemplo

Ejercicio

Estampador(B)Inicio

Ali d fij dE l d Alimentador-fijador(A)

Expulsador(C)

TTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA EELECTRÓNICALECTRÓNICATTECNOLOGÍA ECNOLOGÍA EELECTRÓNICALECTRÓNICA

Controlador Lógico Programable (PLC)(PLC)

“Es una Computadora, robusta, especializada y diseñada para el control de máquinas y/o procesos en ambientes industriales”q y p

“Dispositivo programable capaz de realizar operaciones lógicasb ñ l d t d j t d ñ l dsobre señales de entrada, para generar un conjunto de señales de

salida y poder controlar cualquier proceso”

Ventajas de los PLC

• Flexibilidad• Fácil ReconfiguraciónFácil Reconfiguración• Funciones Avanzadas

T ñ C t• Tamaño Compacto• Facilidad de Interfaz• Sencillo Lenguaje de Programación

Esquema General de un PLC

CPUSistema I/O

Procesador Memoria

I/O

Comunicaciones

Modulo I/OI/O

25

Ciclo de Exploración

Leer EntradasLeer Entradas

Ejecutar Programa

Actualizar EstadosSalida

Solución con el PLC

5A0,A1,B0,B1,PAQ

4

Y1,…,Y4

PLC

ConclusiónNeumático Eléctrico

Diagrama Escalera

4

Diagrama Escalera

4

4

PLC

Bibliografia para consultag

• Ingeniería de la Automatización Industrial. Ramón gPiedrahita Moreno. Ed. Ra-ma.

• FESTO. Manuales de Neumática, Electroneumática y Oleohidráulica.

GRACIASGRACIAS