automatización neumática

Ingenierías

AutomatizaciónNeumática

Juan Camilo Vásquez Cortés

J. Vá

sque

z, J.

Car

dona

, J. L

eal

Hoy en día la mayoría de los procesos de fabricación

en las industrias son implementados con sistemas

automáticos. Lo anterior con el fin de estandarizar la

producción, reducir costos, aumentar la productividad, la

calidad y lo que es más importante liberar a las personas

de trabajos repetitivos y de fuerza muscular, actividades

que pueden ser desarrolladas por máquinas o procesos

automatizados de forma más eficiente.

Existen diferentes tecnologías de automatización como

son la neumática, la electroneumática y la electrónica

cada una con sus características particulares. En este

libro se presenta todo lo relacionado con los dispositivos

propios del área neumática y el diseño de automatismos

básicos utilizando el conocimiento, la experiencia

y fundamentalmente la intuición de las personas.

Igualmente se presentan métodos sistemáticos para el

diseño de circuitos neumáticos.

Estos contenidos serán de gran utilidad para ingenieros

o técnicos de la cátedra Automatización Neumática.

Conozca los conceptos fundamentales

Aplíquelos en problemas reales

Ejemplos prácticos

Problemas propuestos

Magister en Docencia de la Matemática de la Universidad Pedagógica Nacional, Especialista en Docencia Universitaria de la Universidad Industrial de Santander, Ingeniero Electrónico de la Universidad de Antioquia. Actualmente se desempeña como Docente de Planta de la Universidad Pedagógica Nacional en el Departamento de Tecnología.

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Juan Pablo Cardona Guio

Magister en Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, Especialista en informática educativa de la Universidad Libre de Colombia, Ingeniero Mecánico de la Universidad Nacional de Colombia, Licenciado en Mecánica de la Universidad Pedagógica Nacional. Actualmente se desempeña como Docente Investigador de la Universidad Cooperativa de Colombia, Facultad de Ingeniería y pertenece al grupo de Investigación: Automatización Industrial en las líneas de Diseño Mecánico y Modelamiento Matemático.

John Jairo Leal Gómez

Magister en Matemática Aplicada de la Universidad Nacional de Colombia, Ingeniero eléctrico de la Universidad Nacional de Colombia, Licenciado en Matemáticas de la Universidad Pedagógica Nacional. Actualmente se desempeña como Docente Investigador de la Universidad Cooperativa de Colombia, Facultad de Ingeniería y pertenece al grupo de Investigación: Automatización Industrial en la línea de Modelamiento Matemático.

Contenidos libres en:

www.edicionesdelau.com edici

ones

de la

edici

ones

de la




Ingeniería eléctrica y electrónica

Automatización Neumática




Bogotá - México, DF

Área: Ingeniería eléctrica y electrónicaPrimera edición: Bogotá, Colombia, febrero de 2015ISBN 978-958-762-491-5

© Juan Camilo Vásquez Cortés, Juan Pablo Cardona Guio y John Jairo Leal Gómez (Foros de discusión, blog del libro y materiales complementarios del autor en www.edicionesdelau.com) © Ediciones de la U - Transversal 42 #4 B-83 - Tel. (+57-1) 4065861 - 4942601 www.edicionesdelau.com - E-mail: [email protected] Bogotá, Colombia

Ediciones de la U es una empresa editorial que, con una visión moderna y estratégica de las tecnologías, desarrolla, promueve, distribuye y comercializa contenidos, herramientas de formación, libros técnicos y profesionales, e-books, e-learning o aprendizaje en línea, realizados por autores con amplia experiencia en las diferentes áreas profesionales e inves-tigativas, para brindar a nuestros usuarios soluciones útiles y prácticas que contribuyan al dominio de sus campos de trabajo y a su mejor desempeño en un mundo global, cambiante y cada vez más competitivo.

Coordinación editorial: Adriana Gutiérrez M.Carátula: Ediciones de la UImpresión: Digiprint Editores SASCalle 63 bis #70-49, Pbx. (57+1) 4307050 Impreso y hecho en ColombiaPrinted and made in Colombia

No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento infor-mático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopia, por registro y otros medios, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

Vásquez Cortés, Juan Camilo, et al

Automatización neumática / Juan Camilo Vásquez Cortes, Juan Pablo Cardona Guio y John Jairo Leal Gómez. -- Bogotá: Ediciones de la U, 1a.ed. 2015 p. ; 220 cm. ISBN 978-958-762-491-5 e-ISBN 978-958-762-486-1 1. Componentes neumáticos 2. Circuitos neumáticos 3. Métodos de diseño de circui-tos, Neumáticos intuitivos, Lógica booleana, cascada y paso a paso I. Tít. 621.39 cd 24 ed.

Apreciad@ lector:Es gratificante poner en sus manos esta obra, por esta razón le invitamos a que se registre en nuestra web: www.edicionesdelau.com y obten- ga beneficios adicionales como:

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7

Contenido

Introducción .......................................................................................................................... 15

Capítulo 1. Fundamentos de automatización ................................................ 19

1.1 Proceso industrial ......................................................................................................... 191.1.1 Procesos continuos ........................................................................................... 201.1.2 Procesos discretos ............................................................................................. 20

1.2 Automatismo o sistema de control ........................................................................ 201.2.1 Sistema de Control en Lazo Abierto ........................................................... 211.2.2 Sistema de control en lazo cerrado............................................................. 21

1.3 Automatización industrial ......................................................................................... 231.4 automatización neumática ....................................................................................... 251.5 Preguntas y problemas ............................................................................................. 27

Capítulo 2. Fundamentos de mecánica de fluidos ........................................ 29

2.1. Sistemas de unidades ................................................................................................ 302.1.1 Sistema Absoluto .............................................................................................. 302.1.2 Sistema Gravitacional ..................................................................................... 30

2.2 Sistema Internacional de Unidades ...................................................................... 312.2.1 Unidades básicas y derivadas del Sistema Internacional .................... 312.2.2 Cambio de unidades ...................................................................................... 33

2.3 Fluidos .............................................................................................................................. 352.3.1 Densidad absoluta ............................................................................................ 352.3.2 Volumen específico .......................................................................................... 362.3.3 Peso específico ................................................................................................... 362.3.4 Densidad relativa .............................................................................................. 372.3.5 Viscosidad ............................................................................................................. 39

2.3.5.1. Viscosidad dinámica .......................................................................... 392.3.5.2. Viscosidad cinemática....................................................................... 42

2.3.6 Presión hidrostática......................................................................................... 452.3.7 Presión atmósferica .......................................................................................... 48

AUTOMATIZACIÓN NEUMÁTICA - J. VÁSQUEZ, J. CARDONA Y J. LEAL

8

2.3.7.1 Atmósfera y aire atmosférico ......................................................... 482.3.7.2 Medición de la presión ..................................................................... 502.3.7.3 Modelo matemático para el cálculo de la presión atmosférica a cualquier altura sobre el nivel del mar ........... 54

2.4 Medición de la presión .............................................................................................. 572.4.1 Manómetro Bourdon ....................................................................................... 572.4.2 Piezómetro .......................................................................................................... 572.4.3 Manómetro diferencial en U ......................................................................... 58

2.5 Leyes físicas que rigen el comportamiento del aire comprimido ............. 622.5.1 Ley de Boyle-Mariotte .................................................................................... 622.5.2 Ley de Charles ................................................................................................... 632.5.3 Ley de Gay Lussac ............................................................................................ 642.5.4 Ecuación de los gases ideales ...................................................................... 66

2.6 Aire y humedad ............................................................................................................ 752.6.1 Humedad absoluta ........................................................................................... 752.6.2 Humedad de saturación ................................................................................. 752.6.3 Humedad relativa .............................................................................................. 76

2.7 Problemas propuestos ............................................................................................... 78

Capítulo 3. Elementos de neumática industrial .............................................. 85

3.1 Estructura de un sistema de producción, distribución y utilización de aire comprimido ...................................................................................................... 86

3.1.1 Producción de aire y red de distribución ................................................. 863.1.1.1 El compresor de aire ........................................................................... 863.1.1.2 Depósito de aire a presión ................................................................ 883.1.1.3 Redes y líneas de aire comprimido................................................ 89

Impurezas del aire comprimido ..................................................... 90Agua ......................................................................................................... 91Aceite ....................................................................................................... 91Herrumbre y partículas sólidas ....................................................... 91Daños producidos por el agua ........................................................ 92Daños producidos por el aceite ...................................................... 92Daños producidos por la herrumbre y otras partículas sólidas ...................................................................................................... 93

3.2 Tratamiento del aire comprimido .......................................................................... 933.2.1 Filtración .............................................................................................................. 953.2.2 Secadores ............................................................................................................. 963.2.3 Reguladores de presión ................................................................................... 973.2.4 Lubricador ............................................................................................................ 98

3.2.4.1 Manómetro o medidor de presión ................................................ 993.2.4.2 Indicador de presión lumínico ...................................................... 100

CONTENIDO

9

3.3 El sistema neumático ................................................................................................ 1013.3.1 Cilindros neumáticos .................................................................................... 101

3.3.1.1 Cilindro de simple efecto ................................................................ 1013.3.1.2 Cilindro de doble efecto ..................................................................102

3.3.2 Distribuidores o válvulas ...............................................................................1033.3.2.1 Distribuidor de tres vías dos posiciones ....................................1033.3.2.2 Distribuidor de cinco vías dos posiciones ................................1043.3.2.3 Accionamientos de los distribuidores ........................................105

Fin de carrera normal ...................................................................... 106Fin de carrera abatible .................................................................... 107

3.3.3 Válvulas auxiliares ............................................................................................1083.3.3.1 Control de velocidad del vástago de los cilindros .................. 1083.3.3.2 Control unidireccional de flujo de aire ....................................... 1083.3.3.3 Control regulado unidireccional de flujo de aire .................... 1093.3.3.4 Distribuidor de aire ............................................................................ 1103.3.3.5 Manguera para aire ............................................................................1103.3.3.6 Elemento silenciador ........................................................................ 110

3.3.4 Válvulas para control lógico ..........................................................................1113.3.4.1 Válvula selectora ............................................................................... 1113.3.4.2 Válvula simultaneidad ..................................................................... 112

3.3.5 Función temporización .................................................................................. 1123.4 Preguntas y problemas ............................................................................................ 114

Capítulo 4. Circuitos neumáticos básicos ..................................................... 117

4.1 Símbolos neumáticos ............................................................................................... 1214.2 Diagramas de circuitos neumáticos .................................................................... 125

4.2.1 Identificación de cilindros y distribuidores ............................................ 1254.2.2 Dibujo de los sistemas neumáticos .......................................................... 1264.2.3 Diagramas de funcionamiento ................................................................... 127

4.2.3.1 Diagrama espacio-fase (DEF) ......................................................... 1284.2.3.2 Diagrama espacio-tiempo (DET) .................................................. 1294.2.3.3 Diagramas de señales mando (DSM) .......................................... 130

4.3 Ciclos de trabajo ......................................................................................................... 1324.3.1 Ciclo manual ...................................................................................................... 1324.3.2 Ciclo semiautomático .................................................................................... 1324.3.3 Ciclo automático o continuo ...................................................................... 132

4.4 Circuitos neumáticos básicos ................................................................................. 1334.4.1 Control básico de cilindros en ciclo manual .......................................... 133

4.4.1.1 Control directo de cilindros.............................................................1334.4.1.2 Control indirecto de cilindros ........................................................ 1344.4.1.3 Regulación de velocidad ................................................................. 135


10

4.4.1.4 Mando simultáneo ............................................................................ 1354.4.1.5 Mando desde diferentes puntos .................................................. 1364.4.1.6 Mando temporizado ......................................................................... 137

4.4.2 Control básico de cilindros en ciclo semiautomático ......................... 1384.4.2.1 Control con fin de carrera ............................................................... 1384.4.2.2 Control con temporizador .............................................................. 138

4.4.3 Control básico de cilindros en ciclo automático .................................. 1394.4.4 Control básico secuencial de dos cilindros............................................ 140

4.4.4.1 Control con fin de carrera ............................................................... 1404.4.4.2 Control con fin de carrera abatible .............................................. 141

4.5 Preguntas y problemas ............................................................................................ 144

Capítulo 5. Circuitos neumáticos diseño con funciones lógicas .............. 147

5.1 Funciones lógicas elementales.............................................................................. 1475.1.1 Función identidad ........................................................................................... 1475.1.2 Función Not ....................................................................................................... 1485.1.3 Función And....................................................................................................... 1485.1.4 Función Or ......................................................................................................... 1485.1.5 Función Nand .................................................................................................... 1495.1.6 Función Nor ....................................................................................................... 149

5.2 Álgebra booleana aplicada a la neumática ....................................................... 1505.2.1 Lógica neumática ............................................................................................. 1505.2.2 Otras funciones neumáticas importantes .............................................. 151

5.3 Obtención de la función lógica ............................................................................. 1515.3.1 Función lógica directa ................................................................................... 1515.3.2 Tabla de verdad y función lógica ................................................................ 152

5.4 Forma mínima de la función lógica ..................................................................... 1535.4.1 Teoremas de Boole ........................................................................................... 1535.4.2 Leyes de DeMorgan ......................................................................................... 1535.4.3 Mapas de Karnaugh ........................................................................................155

5.5 Proceso de diseño con funciones lógicas .......................................................... 1575.6. Funciones lógicas y temporización ..................................................................... 1635.7 Preguntas y problemas ............................................................................................ 165

Capítulo 6. Circuitos neumáticos diseño por método cascada................. 169

6.1 Diseño de circuitos neumáticos por el método cascada ............................. 1706.2 Metodología de selección de grupos de presión ........................................... 1706.3 Tipos de celda cascada ............................................................................................. 174

6.3.1 Celda o conexión para dos grupos de presión ...................................... 1756.3.2 Celda o conexión para tres grupos de presión ..................................... 175

CONTENIDO

11

6.3.3 Celda o conexión para cuatro grupos de presión ................................ 1766.4 Conexión de sensores de vástago y celdas alimentadoras de grupo ..... 177

6.4.1 Conexión en secuencia de dos grupos .................................................... 1776.4.2 Conexión en secuencia de tres grupos ................................................... 182


Capítulo 7. Circuitos neumáticos diseño por Método paso a paso .......... 195

7.1 Diseño de circuitos neumáticos por el método paso a paso...................... 1967.2 Metodología de selección de grupos de presión ........................................... 1967.3 Tipos de celda “paso a paso” ................................................................................... 201

7.3.1 Celda de conexión para tres grupos de presión .................................. 2027.3.2 Celda de conexión para cuatro grupos de presión ............................. 202

7.4 Conexión de sensores de vástago y celdas alimentadoras de grupo ..... 2037.4.1 Conexión en secuencia de tres grupos .................................................... 2037.4.2 Conexión en secuencia de cuatro grupos .............................................. 213


Apéndices ............................................................................................................................ 221

Referencias bibliográficas............................................................................................... 223

Índice de tablas

Tabla 1. Unidades básicas y derivadas para el sistema internacional e inglés ..............31Tabla 2. Magnitudes y unidades del sistema Internacional .................................................32Tabla 3. Magnitudes y unidades derivadas más utilizadas ..................................................32 en el Sistema Internacional e Inglés. ............................................................................32Tabla 4. Factores de conversión entre los Sistemas Internacionales e Inglés ................34Tabla 5. Densidades relativas de distintos fluidos a distintas temperaturas ..................38Tabla 6. Propiedades aproximadas de algunos líquidos comunes a presión atmosférica ...........................................................................................................................42Tabla 7. Propiedades de algunos gases ideales. .......................................................................67Tabla 8. Humedades de saturación del aire atmosférico para diferentes temperaturas. ....................................................................................................................... 76


12

Índice de figuras

Figura 1.1. Proceso industrial ......................20Figura 1.2. Sistema de control en lazo abierto .............................................................21Figura 1.3. Sistema de control en lazo cerrado ............................................................22Figura 1.4. Estructura general de un automatismo en lazo abierto ......................24Figura 1.5. Estructura general de un automatismo en lazo cerrado .....................24Figura 2.1. Deformación de un fluido Newtoniano bajo la acción de una fuerza. 40Figura 2.2. Problema ilustrativo ..................44Figura 2.3. Fuerzas soportadas por un elemento cilíndrico diferencial de fluido ..45Figura 2.4 . Problema ilustrativo. ................47Figura 2.5. Problema ilustrativo. .................48Figura 2.6. Esquema del experimento de Evangelista Torricelli para medir la presión atmosférica a nivel del mar. ..........49Figura 2.7. Unidades y escalas para la medición de la presión. ................................51Figura 2.8. Problema ilustrativo. .................52Figura 2.9. Problema ilustrativo. .................53Figura 2.10. Problema ilustrativo. ..............53Figura 2.11. Piezómetro ...............................58Figura 2.12. Manómetro diferencial en U .59Figura 2.13. Problema ilustrativo. ..............59Figura 2.14. Problema ilustrativo. ..............60Figura 2.15. Problema ilustrativo. ..............61Figura 2.16. Problema ilustrativo. ..............62Figura 2.17. Volumen de gas a tempe-ratura ...............................................................64Figura 2.18. Presión vs volumen .................64Figura 2.19. Volumen de gas a temperatura....................................................65Figura 2.20. Presión vs volumen .................65Figura 2.21. Problema propuesto 11 .........79Figura 2.22. Problema propuesto 12 .........80Figura 2.23. Problema propuesto 13 .........80Figura 2.24. Problema propuesto 14 .........81Figura 2.25. Problema propuesto 14 ........ 81Figura 2.26. Problema Propuesto 25..........83Figura 3.1. Compresor eléctrico ..................87Figura 3.2. Motor neumático. ......................88Figura 3.3. Tipos de tanques para aire .......89

Figura 3.4. Depósito de acumulación de aire ..............................................................89Figura 3.5. Unidad real para tratamiento del aire a presión ...........................................94Figura 3.6. Unidad de tratamiento de aire ..............................................................95Figura 3.7. Unidad de mantenimiento de aire FRL .......................................................95Figura 3.8. Unidad de filtro ..........................96Figura 3.9. Filtro de aire ................................96Figura 3.10. Unidad secador .................97Figura 3.11. Regulador de presión .............98Figura 3.12. Regulador de presión .............98Figura 3.13. Lubricador ................................99Figura 3.14. Manómetro ............................ 100Figura 3.15. Indicador óptico neumático 100Figura 3.16. Cilindros neumáticos ........... 102Figura 3.17. Cilindro de doble efecto...... 103Figura 3.18. Válvulas con acciona-miento neumático ...................................... 104Figura 3.19. Símbolo neumático válvula 3/2 .................................................................. 104Figura 3.20. Válvula de 5/2 ........................ 105Figura 3.21. Símbolo neumático válvula 5/2 .................................................................. 105Figura 3.22. Tipos de accionamientos para válvulas 3/2 o 5/2............................... 106Figura 3.23. Válvula de 3 vías de accio-namiento mecánico/manual .................... 106Figura 3.24. Fin de carrera normal........... 107Figura 3.25. Fin de carrera abatible ......... 107Figura 3.26. Regulador de escape con silenciador ................................................... 108Figura 3.27. Válvula antirretorno con co-nexión instantánea/rosca ......................... 109Figura 3.28. Válvula reguladora de caudal ........................................................... 109Figura 3.29. Distribuidor de aire .............. 110Figura 3.30 Manguera para aire ............... 110Figura 3.31. Silenciador estándar ............ 111Figura 3.32. Selector de circuito .............. 111Figura 3.33. Válvula simultaneidad ......... 112Figura 3.34. Funcionamiento de un temporizador neumático .......................... 113Figura 3.35. Símbolo neumático del

CONTENIDO

13

temporizador .............................................. 113Figura 4.1a. Símbolos de los elementos de neumática ............................................... 121Figura 4.1b. Símbolos de elementos deneumática .................................................... 122Figura 4.1C. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 122Figura 4.1d. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 123Figura 4.1e. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 123Figura 4.1f. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 124Figura 4.1g. Símbolos de elementos de neumática .................................................... 124Figura 4.2. Circuito neumático sencillo .. 125Figura 4.3. Elementos de los sistemas neumáticos .................................................. 126Figura 4.4. Niveles de jerarquía de un circuito neumático ..................................... 127Figura 4.5. Diagrama Espacio-Fase (DEF) 128Figura 4.6. Diagrama Espacio-Tiempo (DET) ............................................................. 130Figura 4.7. Circuito neumático con elementos de mando ................................. 131Figura 4.8. Diagrama de señales de mando (DSM) .............................................. 131Figura 4.9. Control directo de cilindros .. 133Figura 4.10. Circuito neumático con accionamiento por pilotaje de aire ......... 134Figura 4.11. Mando simultáneo ............... 135Figura 4.12. Mando desde diferentes puntos ........................................................... 136Figura 4.13. Mando temporizado ............ 137Figura 4.14. Control con fin de carrera ... 138Figura 4.15. Control con temporizador .. 139Figura 4.16. Circuito neumático para ciclo automático ......................................... 140Figura 4.17. Circuito neumático .............. 141Figura 4.18. Diagrama espacio-fase (DEF) .............................................................. 141Figura 4.19. Control con fin de carrera abatible ........................................................ 142Figura 4.20. Diagrama de Señales de Mando (DSM) ............................................... 143Figura 4.21a. Problema propuesto 30 .... 143Figura 4.21b. Problema propuesto 30 .... 148Figura 4.21c. Problema propuesto 30 .... 148Figura 4.22. Problema propuesto 31 ...... 148Figura 4.23. Problema propuesto 30 ...... 149Figura 5.1. Función identidad ................. 148

Figura 5.2. Función Not ............................. 148Figura 5.3. Función And............................. 148Figura 5.4. Función Or ................................ 149Figura 5.5. Función Nand .......................... 149Figura 5.6. Función Nor ............................. 149Figura 5.7. Representación funciones básicas .......................................................... 150Figura 5.8. Relación entre las funciones lógicas y los elementos neumáticos ....... 150Figura 5.9. Otras funciones neumáticas . 151Figura 5.10. Tabla de verdad .................... 152Figura 5.11. Tabla de verdad .................... 153Figura 5.12a. Mapas K para funciones de dos y tres variables ............................... 155Figura 5.12b. Mapas K para funciones de dos y tres variables ............................... 155Figura 5.13. Mapa K ................................... 157Figura 5.14. Circuito neumático ............... 159Figura 5.15. Tabla de verdad .................... 159Figura 5.16. Circuito neumático ............... 160Figura 5.17. Circuito neumático alterno . 160Figura 5.18. Tabla de verdad y mapa de Karnaugh ...................................................... 161Figura 5.19. Circuito neumático ............... 162Figura 5.20. Mapa K .................................... 162Figura 5.21. Circuito neumático ............... 163Figura 5.22. Diagrama Espacio-Fase (DEF) .............................................................. 164Figura 5.23. Circuito neumático ............... 164Figura 5.24. Problema propuesto 8 ......... 165Figura 5.25. Problema propuesto 16 ...... 166Figura 5.26. Problema propuesto 18 ...... 167Figura 5.27. Problema propuesto 19 ...... 167Figura 5.28. Problema propuesto 20 ...... 167Figura 5.29. Problema propuesto 21 ...... 168Figura 6.1. Cilindro doble efecto y finales de carrera ........................................ 171Figura 6.2. Secuencia de fases.................. 171Figura 6.3. Secuencia de fases.................. 172Figura 6.4. Secuencia de fases.................. 172Figura 6.5. Secuencia de fases.................. 172Figura 6.6. Secuencia de fases.................. 173Figura 6.7. Secuencia de fases.................. 173Figura 6.8. Secuencia de fases.................. 173Figura 6.9. Secuencia de fases.................. 173Figura 6.10. Secuencia de fases ............... 173Figura 6.11. Secuencia de fases ............... 174Figura 6.12. Circuito con dos cilindros ... 174Figura 6.13. Celda para dos grupos de presión .................................................... 175Figura 6.14. Celda para tres grupos


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de presión .................................................... 176Figura 6.15. Esquema general dos gruposde presión .................................................... 178Figura 6.16. Secuencia de fases ............... 179Figura 6.17. Representación gráfica de secuencia. ............................................... 179Figura 6.18. Conexión de pulsador y sensores ........................................................ 180Figura 6.19. Conexión de sensores .......... 180Figura 6.20. Conexión de sensores .......... 181Figura 6.21. Esquema circuito neumático global ....................................... 181Figura 6.22. Circuito neumático global .. 182Figura 6.23. Esquema global para tres grupos de presión ...................................... 183Figura 6.24. Secuencia de fases ............... 184Figura 6.25. Representación gráfica de secuencia...................................................... 184Figura 6.26. Conexión de pulsador y sensores ........................................................ 185Figura 6.27. Conexión de sensores .......... 186Figura 6.28. Esquema circuito neumático global ....................................... 186Figura 6.29. Circuito neumático global .. 187Figura 6.30. Secuencia ............................... 187Figura 6.31. Representación gráfica de secuencia...................................................... 188Figura 6.32. Conexión de pulsador y sensores ........................................................ 189Figura 6.33. Conexión de sensores .......... 190Figura 6.34. Esquema general global ..... 190Figura 6.35. Circuito neumático global .. 191Figura 6.36a. Problema propuesto 8 ...... 192Figura 6.36b. Problema propuesto 8 ...... 193Figura 6.37. Problema propuesto 9 ......... 193Figura 6.38. Problema propuesto 10 ...... 194Figura 7.1. Cilindro doble efecto y finales de carrera ..................................................... 197Figura 7.2. Secuencia de fases.................. 198Figura 7.3. Secuencia de fases.................. 198Figura 7.4. Secuencia de fases.................. 198Figura 7.5. Secuencia de fases.................. 199Figura 7.6. Secuencia de fases.................. 199Figura 7.7. Secuencia de fases.................. 199Figura 7.8. Secuencia de fases.................. 199Figura 7.9. Secuencia de fases.................. 199Figura 7.10. Secuencia de fases ............... 200Figura 7.11. Formación de grupos........... 200

Figura 7.12. Circuito neumático para dos cilindros ................................................ 201Figura 7.13. Celda para tres grupos de presión .......................................................... 202Figura 7.14. Celda para cuatro grupos de presión .................................................... 203Figura 7.15. Esquema general para tres grupos de presión ...................................... 204Figura 7.16a. Grupos de presión .............. 205Figura 7.16b. Pasos, actuadores y sensores ......................................................... 205Figura 7.17. Representación gráfica de secuencia...................................................... 206Figura 7.18. Conexión de pulsador y sensores ........................................................ 206Figura 7.19. Conexión de sensores .......... 207Figura 7.20. Conexión de sensores .......... 207Figura 7.21. Conexión de sensores .......... 208Figura 7.22. Esquema global del circuito neumático ..................................... 208Figura 7.23. Circuito neumático global .. 209Figura 7.24a. Secuencia y formación de grupos ..................................................... 210Figura 7.24b. Pasos, actuadores y sensores ........................................................ 210Figura 7.25. Representación gráfica de secuencia ................................................ 210Figura 7.26. Conexión de pulsador y sensores ........................................................ 211Figura 7.27. Conexión de sensores .......... 212Figura 7.28. Esquema general del circuito neumático ..................................... 212Figura 7.29. Circuito neumático global .. 213Figura 7.30. Esquema general para cuatro grupos de presión .......................... 214Figura 7.31a ................................................. 214Figura 7.31b. Pasos, actuadores y sensores ........................................................ 215Figura 7.32. Representación gráfica de secuencia ................................................ 215Figura 7.33. Conexión de pulsador y sensores ........................................................ 216Figura 7.34. Esquema global del circuito neumático ..................................... 217Figura 7.35. Circuito neumático global .. 217Figura 7.36. Problema propuesto 6 ......... 219Figura 7.37. Problema propuesto 7 ......... 219Figura 7.38. Problema propuesto 8 ......... 220

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Introducción

Hoy en día la mayoría de los procesos de fabricación en las industrias son implementados con sistemas automáticos con el fin de estandarizar la pro-ducción, reducir costos, aumentar la productividad, la calidad y lo que es más importante liberar a las personas de trabajos repetitivos y de fuerza muscular, actividades que pueden ser desarrolladas por máquinas o procesos automati-zados de forma más eficiente.

Existen diferentes tecnologías de automatización como son la neumática, la electroneumática y la electrónica cada una con sus características particula-res. En este libro Automatización Neumática se presenta todo lo relacionado con los dispositivos propios del área neumática y el diseño de automatismos básicos utilizando el conocimiento, la experiencia y fundamentalmente la in-tuición de las personas. Igualmente se presentan métodos sistemáticos para el diseño de circuitos neumáticos.

El propósito primario de la obra es la adquisición por parte del lector de una comprensión a fondo de los conceptos fundamentales de la automatización neumática y sus aplicaciones a problemas reales. Dentro de este contexto, el libro está diseñado específicamente para cursos relacionados con sistemas neumáticos.

Pretendemos que sirva como material de apoyo pedagógico y didáctico para ingenieros, licenciados o técnicos a la cátedra “Automatización Neumática” que se imparte en los centros de educación de niveles técnicos, tecnológicos y universitarios.

La organización y presentación de los temas están diseñadas para ayudar al docente a presentar el material de manera clara y lógica, y al estudiante para comprender los conceptos y técnicas, de modo que se desarrolle una meto-dología de enseñanza-aprendizaje eficiente y eficaz dentro de este contexto educativo.


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Hemos trabajado con esmero en la organización de los temas para presentar-los de la manera más simple posible, de modo que puedan ser comprendidos rápidamente por el lector. El libro está diseñado con ejemplos ilustrativos, ta-blas y figuras que permiten al estudiante clarificar y reforzar los conocimientos presentados a lo largo del mismo, adicionalmente al final de cada capítulo se encuentran una serie de problemas propuestos que tienen como objetivo eva-luar el aprendizaje del estudiante así como el nivel de competencia adquirido por éste en los contextos educativo y tecnológico.

Consideramos que el libro contiene material suficiente como para formar al lector en esta especialidad y capacitarlo para resolver problemas básicos y de mediana complejidad relacionados con automatización neumática.

La estructuración del libro se realiza a través de siete capítulos articulados en forma lógica y secuencial respecto a la temática presentada.

Iniciamos en el capítulo 1 estudiando algunos aspectos relacionados con la automatización, sus diferentes estructuras en lazo abierto, lazo cerrado y la posibilidad de controles combinacionales y secuenciales.

En el capítulo 2 se formulan los conceptos de mecánica de fluidos, entre ellos: densidad absoluta, volumen específico, peso específico, viscosidad dinámica, presión hidrostática, medición de la presión, humedad de saturación y las le-yes físicas que rigen el comportamiento del aire comprimido.

En el capítulo 3 estudiamos los diferentes componentes de un sistema neu-mático empezando por el compresor de aire, ductos de distribución de aire, elementos de mantenimiento del aire como son: filtro, regulador, etc; los cilin-dros neumáticos, las válvulas de control hasta llegar al estudio de las válvulas selectora y simultaneidad, para finalizar con los elementos temporizados.

Luego en el capítulo 4, se estudia la estructura de los sistemas neumáticos bá-sicos constituidos por mando directo e indirecto, mandos que involucran las funciones selectora y/o simultaneidad. Seguidamente se estudian los circuitos con control temporizado y los circuitos secuenciales.

“El diseño con Funciones Lógicas”, lo estudiamos en el capítulo 5, se mues-tra la teoría del álgebra de Boole aplicada a elementos y circuitos neumáticos. Igualmente se muestra cómo desarrollar los circuitos mínimos utilizando los teoremas de DeMorgan y la técnica de mapas de Karnaugh. También se resuel-ven problemas de automatismos en los que se aplican los conceptos teóricos mencionados.

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INTRODUCCIÓN

En el capítulo 6 se estudian, a través de ejemplos, sistemas neumáticos más complejos en los que intervienen hasta tres actuadores o cilindros utilizando el método “Cascada”.

En el capítulo final (7), estudiamos el diseño de automatismos neumáticos a tra-vés del método “Paso a paso”. Se trabajan diseños de circuitos para controlar hasta cuatro cilindros neumáticos. Para lo cual se propone una metodología a través de celdas que facilita la implementación de tales circuitos secuenciales.

El libro Automatización Neumática entra a formar parte de la escasa bibliogra-fía existente en esta área. Hay abundante gama de catálogos técnicos propor-cionados por los fabricantes de partes neumáticas, pero en ellos la teoría ge-neral de diseño y aplicación no se presenta en forma organizada y secuencial para que responda a los procesos educativos de enseñanza-aprendizaje.

Con esta obra, los autores dedicados ya hace varias décadas a la docencia, pretenden plasmar los conocimientos adquiridos en sus épocas laborales en la industria como ingenieros de mantenimiento, y ponerlos al servicio de las personas interesadas en adquirir este conocimiento tan valioso y de tanta apli-cación en los procesos industriales.

Estamos seguros que el conocimiento adquirido respecto a los sistemas neu-máticos les será de gran utilidad en un futuro en su desempeño profesional.

Por último, queremos invitar a los ingenieros, licenciados, tecnólogos, técnicos y lectores interesados en estos temas relacionados con la neumática a profundi-zar en los conocimientos de esta importante área consultando nuestros libros: “Automatización Electroneumática Básica”, “Automatización Electroneumática: Métodos Sistemáticos” y “Automatización Neumática con Control Lógico Progra-mable” (próximos a ser impresos) complementarios entre sí, ya que le propor-cionarán una visión global y articulada de estas técnicas de automatización.

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Capítulo 1

Fundamentos de automatización

EntradaCONTROLADOR PLANTA O

PROCESO

ELEMENTO DE

MEDICIÓN

Salida

Sistema de control en lazo cerrado

La automática es la ciencia que estudia los métodos y procedimientos que permiten la sustitución del operador humano por un operador artificial, en la ejecución de una tarea física o mental, previamente programada.

La automática se utiliza en el control de los procesos industriales.

1.1 Proceso industrial

Se entiende por proceso industrial, un conjunto de acciones de transporte y transformación de materias primas para obtener un producto final.

En la figura 1.1 se muestra un diagrama de bloques para representar un pro-ceso industrial.


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PROCESO INDUSTRIALMaterias primas Producto final

Figura 1.1. Proceso industrial

Entre los procesos industriales se destacan: procesos continuos y procesos discretos.

1.1.1 Procesos continuos

Son procesos ininterrumpidos en el tiempo en los que se manipulan básica-mente variables análogas como temperatura, velocidad, presión, etc. En ellos las variables se miden y regulan de manera continua.

1.1.2 Procesos discretos

En estos procesos el producto de salida se obtiene a partir de una serie de ac-ciones que suceden de acuerdo con reglas lógicas preestablecidas. Estos pro-cesos involucran variables que pueden tomar solamente dos valores o estados posibles (SI o NO, activado = 1 o desactivado = 0).

El sistema de control, en estos procesos, debe diseñarse para responder a va-riaciones de tipo binario. El estado de las variables de salida responde a una combinación o a una secuencia de las variables de control.

Son procesos de manufactura discretos la fabricación de autos, artefactos eléctricos, etc. Los sistemas neumáticos también son procesos discretos.

El control de procesos industriales (continuos, discretos) se ha asociado con el concepto de automatización y se realiza mediante los llamados automatismos.

1.2 Automatismo o sistema de control

Un automatismo es el conjunto de elementos que permiten el desarrollo autó-nomo de un proceso industrial.

Existen dos tipos básicos de sistemas de control:

CAP. 1 - FUNDAMENTOS DE AUTOMATIZACIÓN

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1.2.1 Sistema de Control en Lazo Abierto

Los sistemas de control en lazo abierto son sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control. Es decir, en un sistema de control en lazo abierto la salida ni se mide ni se realimenta para comparación con la entrada. En la figura 1.2. se muestra un diagrama de bloques para este tipo de control.

EntradaCONTROL PLANTA O

PROCESO

Salida

Sistema de control de lazo abierto

Figura 1.2. Sistema de control en lazo abierto

Entre ellos están los sistemas de control que funcionan sobre una base de tiempo.

1.2.2 Sistema de control en lazo cerrado

Un sistema de control en lazo cerrado es aquel en el que la señal de salida tiene efecto directo sobre la acción de control. Esto es, los sistemas de control en lazo cerrado son sistemas de control realimentado. La señal de comparación o de error actuante, que es la salida de un comparador o la diferencia entre la señal de entrada y la de realimentación, entra al detector o control y es proce-sada en forma de reducir el error y llevar la salida del sistema al valor deseado. En otras palabras, el termino “lazo cerrado” implica el uso de la acción de reali-mentación para reducir el error del sistema.

En la figura 1.3 (véase en página siguiente) se muestra el diagrama de bloques de un sistema de control en lazo cerrado.

Los elementos que componen el automatismo, como se muestra en la figura 1.3, son: el controlador, elemento de mando, captadores (sensores), los actua-dores y el proceso controlado.

Para el sistema en lazo abierto, como se muestra en la figura 1.2, el automatis-mo está formado por el controlador y la planta o proceso, en éste no interviene


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el elemento sensor. Los elementos principales que componen un automatis-mo en lazo cerrado, como se muestra en la figura 1.3, son: el controlador, la planta o proceso, captadores (sensores), etc.

EntradaCONTROLADOR PLANTA O

PROCESO

ELEMENTO DE

MEDICIÓN

Salida

Sistema de control en lazo cerrado

Figura 1.3. Sistema de control en lazo cerrado

En cualquiera de los dos tipos de sistemas de control mencionados (lazo abier-to o lazo cerrado) el elemento controlador puede ser diseñado con lógica com-binacional y/o secuencial.

• En los sistemas combinacionales los valores de las variables de salida de-penden única y exclusivamente de la combinación de las variables de en-trada en ese instante.

• En los sistemas secuenciales los valores de las variables de salida dependen de la combinación de las variables de entrada, sino también, de la historia pasada del sistema.

Los circuitos secuenciales poseen dispositivos capaces de almacenar informa-ción binaria, que permiten conservar el valor de las variables de salida aunque no estén presentes las entradas que los produjeron.

Un sistema secuencial es un sistema cuyo funcionamiento depende de una secuencia de fases o etapas, determinadas por un conjunto de reglas previa-mente establecidas.

Las fases de un automatismo (sistema) secuencial pueden ser evento-contro-ladas o tempo-controladas.


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En el primer caso, cada fase es iniciada por la ocurrencia de un evento (la acti-vación de un interruptor o detector, etc). En las fases tempo-controladas, cada una se inicia en un tiempo dado o después de transcurrido un intervalo de tiempo determinado. En un proceso real pueden ocurrir los dos tipos de fases.

En el diseño de los controladores combinacionales y secuenciales se puede utilizar la intuición, la lógica de Boole y las metodologías Cascada y Paso a Paso. Estos controladores se pueden desarrollar utilizando varias estrategias, como son: lógica cableada y lógica programada, en su implementación se uti-lizan dispositivos de neumática pura, electromecánica (eléctrica-mecánica) y electrónica.

El control en lógica cableada se implementa con dispositivos electromecáni-cos interconectados entre sí, tales como: pulsadores, detectores, etc y el relé como elemento básico.

Para el control en lógica programada se utilizan dispositivos electrónicos digi-tales microprocesados como son el Control Lógico Programable y el Compu-tador a nivel industrial, éstos permiten la implementación de algoritmos com-plejos de control desarrollados en lenguaje de programación.

1.3 Automatización industrial

En la sociedad a nivel industrial, los sistemas automatizados han permitido el desarrollo tecnológico, a través del mejoramiento de los procesos de pro-ducción, en virtud de agilizar y optimizar las tareas efectuadas por las máqui-nas y la intervención del hombre, llevando un mayor control y disminución de los riesgos (operario, producto, máquina), presentes en cualquier máqui-na automatizada.

La automatización permite la eliminación total o parcial de la intervención hu-mana en los procesos de fabricación y asume algunas funciones intelectuales más o menos complejas de cálculo y de decisión.

El proceso de automatización en lazo abierto se puede representar por un dia-grama de bloques como se muestra en la figura 1.4.


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DIÁLOGO HOMBRE-MÁQUINA

TRATAMIENTO DE LA

INFORMACIÓNACTUADORES SISTEMA

CONTROLADO

Figura 1.4. Estructura general de un automatismo en lazo abierto

Todo proceso de automatización en lazo cerrado se puede representar por el diagrama de bloques de la figura 1.5 y podemos distinguir las siguientes partes:

• Diálogo Hombre - Máquina• Detección - Sensórica• Tratamiento de la información • Actuadores • Sistema controlado

DIÁLOGO HOMBRE-MÁQUINA

TRATAMIENTO DE LA

INFORMACIÓNACTUADORES SISTEMA

CONTROLADO

SENSORES

Figura 1.5. Estructura general de un automatismo en lazo cerrado

Las tecnologías o técnicas mas empleadas en la industria, para la realización de los automatismos son:

• NEUMÁTICA

Utiliza como fuente de energía el aire comprimido, el cual se obtiene de sis-temas compresores. El elemento base para el tratamiento de las señales es el distribuidor neumático. Las señales deben traducirse a presencia o ausencia de presión neumática. Generalmente se controla las posiciones de cilindros neumáticos. Utiliza la lógica neumática en el diseño.


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• ELECTROMECÁNICA

Es el área formada por la interacción entre la electricidad y la mecánica. El ele-mento principal de esta técnica es el relé. El relé está constituido por una bobi-na que al ser activada por medio de una señal (voltaje) abre o cierra unos con-tactos, que están anclados a una armadura a través de un muelle, produciendo de esta forma una señal de salida. Utiliza la técnica de lógica cableada, que es la interconexión de los elementos del automatismo por medio de conductores eléctricos. Otro elemento muy importante perteneciente a esta área es la elec-troválvula que estudiaremos mas adelante en su momento oportuno.

• ELECTRÓNICA

Utiliza como base de funcionamiento los semiconductores, que debidamen-te conectados forman unidades de electrónica integrada análogas y princi-palmente digitales, como son las unidades microprocesadas entre ellas los Controladores Lógicos Programables (PLC). Para su funcionamiento utiliza software especializado, por medio del cual, se realiza el programa de control utilizando la lógica programada requerida y luego se transfiere a la memoria del controlador para que este realice su ejecución. En el libro Automatización Neumática con PLC desarrollamos los aspectos relacionados con la automati-zación programada.

1.4 Automatización neumática

La neumática es una disciplina del área tecnológica utilizada para el control, en la que interviene aire a presión como fuente de energía, cilindros, válvulas, elementos de lógica de control, etc, que se interconectan entre sí a través de tubería o mangueras y conectores apropiados diseñados para que soporten las presiones calculadas de trabajo. Cuando la neumática pura convencional llega a sus límites de aplicación y se necesitan soluciones complejas y económicas, la automatización electroneu-mática nos proporciona otros caminos viables y mayores posibilidades.

En esta tecnología la lógica de control se estructura a través de la interconexión eléctrica de los diferentes elementos que intervienen en el control, debido a esto se llama lógica cableada.

En un automatismo neumático los bloques o etapas de la figura 1.5, estructura general de un automatismo, están constituidas por elementos neumáticos de la siguiente forma:

automatización neumática

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