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5. CIRCUITOS ELECTRONEUMÁTICOS
Una de las tecnologías más desarrolladas en automatización es la electroneumática, la
cual es una combinación de la eléctrica y la neumática. En los circuitos
electroneumáticos la energía eléctrica (de mando o de potencia) se suministra,
procesada o transformada por ciertos elementos eléctricos o de interfase
(electroneumáticos). Y la energía neumática siempre la manejan los actuadores
neumático.
A continuación se describe los elementos eléctricos y electroneumáticos más usados en
electroneumática y las técnicas más comunes para desarrollar tanto circuitos
electroneumáticos combinacionales como secuenciales.
5.1. ELEMENTOS ELÉCTRICOS Y ELECTRONEUMÁTICOS
Por razones de simplicidad y visualización se representan estos elementos como
símbolos en los esquemas electroneumáticos, para facilitar la instalación y el
mantenimiento de los mandos electroneumáticos. Pero no es suficiente solo los
símbolos en dichos esquemas, para garantizar el correcto dimensionamiento de
mandos y la rápida localización de fallas; sino que el especialista en estos mandos
deberá conocer también los elementos más importantes (construcción, función y
aplicación). Los elementos eléctricos y electroneumáticos se pueden clasificar en:
Elementos eléctricos para la entrada de señales (contactos, pulsadores,
sensores o finales de carrera, temporizadores o timer y contadores).
Elementos eléctricos para el control o procesamiento de señales (relevadores o
relés y contactotes).
Elementos convertidores electroneumáticos o de interfases (electroválvulas y
presostatos).
5.1.1. INTRODUCTORES DE SEÑALES ELÉCTRICASEstos elementos tienen el objetivo de introducir las señales eléctricas procedentes de
diferentes puntos del circuito, con diferentes tipos de accionamiento y tiempos de
duración.
Contactos. Estos elementos controlan la introducción de las señales por la unión o
separación de contactos eléctricos. Esta unión o separación se puede hacer manual,
mecánicamente o a distancia. En cuanto a su función, existen 3 tipos de contactos:
contactos de cierre (normalmente abierto), contactos de apertura (normalmente
cerrado) y contactos de conmutación, ver figura 5.1.
Figura 5.1. Tipos de contacto: a) de cierre (NA), b) de apertura (NC) y c) conmutado.
Pulsadores. Los pulsadores son elementos que introduce la señal eléctrica por el
accionamiento manual continuo de éstos, en la posición de conexión deseada. Los
pulsadores pueden ser de contacto de cierre (normalmente abierto), de contacto de
apertura (normalmente cerrado) y de contacto conmutado, como se muestra en la figura
5.2.
Figura 5.2. Pulsadores eléctricos: a) de contacto de cierre (NA) b) de contacto de apertura (NC)
y c) de contactos conmutados.
Interruptores. Los interruptores son elementos que introduce la señal eléctrica por el
accionamiento manual momentáneo de éstos en la posición de conexión deseada, es
decir, al accionar un interruptor queda mecánicamente enclavado y al accionarse otra
vez se desenclava. La figura 5.3 muestra un interruptor tipo basculante.
Figura 5.3. Interruptor eléctrico basculante.
Sensores o Finales de Carrera. Es un elemento que introduce una señal eléctrica por
la activación mecánica o a distancia de éste. Los sensores pueden ser:
De contacto (micro switch).
De proximidad.
o Magnéticos.
o Inductivos.
o Capacitivos.
o Ópticos.
Sensores de Contacto. Mediante sensores de posición (palpadores), accionados
generalmente mediante levas, se señaliza el alcance de posiciones límite y extremas de
las partes móviles de las máquinas, p. ej. de los carros de las máquinas herramientas.
Los palpadores van equipados por lo general de interruptores de ruptura brusca
consiguiéndose así incluso para accionamientos de gran lentitud un repentino contacto
o su interrupción. El accionamiento se efectúa directamente a través de un pulsador o
mediante una palanca terminada en un rodillo. Por medio de la palanca se aumenta el
recorrido del accionamiento y se reduce la fuerza necesaria para el mismo. La
diferencia de recorridos entre el punto de conexión y el punto de reconexión se
denomina “diferencial de maniobra”. La maniobra la puede realizar un rodillo, una leva,
una lengüeta, etc. La figura 5.4 muestra un sensor de contacto tanto en su posición
normal como en su posición activada.
Figura 5.4. Sensor de contacto accionado por leva.
Sensores de proximidad. En la técnica del mando se instalan cada vez más
detectores que trabajan sin contacto. Estos elementos contienen un componente sensor
y un componente de proceso de la señal. Si en el componente de proceso de la señal
se generan señales binarias, se habla entonces de indicadores o detectores de
proximidad. No menos significativos resultan los sensores que generan señales
analógicas de salida dirigidas a la captación analógica del valor de medición.
Los indicadores de posición que operan electrónicamente trabajan sin contacto,
maniobran por consiguiente por proximidad, con ausencia de ruidos y de efectos de
amortiguación y reacción, sin desgaste de contactos ni fuerza de accionamiento.
Se instalan preferentemente estos indicadores de posición que operan sin contacto en
los casos en que:
No se disponga de fuerza de accionamiento alguna.
Se precise una prolongada duración.
Aparezcan fuertes sacudidas y movimientos vibratorios.
Existan condiciones ambientales hostiles.
Se requieran elevadas frecuencias de maniobra.
Sin embargo, debe de tenerse presente:
Los indicadores precisan alimentación de corriente eléctrica.
La distancia de maniobra, la cual depende del material que "activa" y del tipo de
indicador.
El tipo de material a sensar.
El tipo de corriente del circuito de mando.
Las condiciones ambientales.
a) Sensores magnéticos. Los sensores de proximidad magnéticos constan de un
interruptor “Reed” situado en el interior de un bloque de resina sintética. Este interruptor
se cierra al aproximar un campo magnético (p. ej., un imán permanente situado en el
émbolo del cilindro) y emite con ello una señal eléctrica. Las conexiones eléctricas
vienen también integradas. El estado de maniobra se visualiza mediante diodos
luminiscente. Al accionar se enciende el indicador LED amarillo. La figura 5.5, muestra
un sensor magnético tanto en su posición normal como en su posición activada.
Figura 5.5. Sensor magnético tanto en su posición normal como en su posición activada
b) Sensores inductivos. Los sensores o detectores inductivos de proximidad se basan
en el principio de funcionamiento del oscilador LC amortiguado. Si se aplica tensión a
un detector de señales inductivo oscilador con ayuda de su bobina osciladora genera un
campo electromagnético de alta frecuencia. Este campo es la zona de maniobra activa.
Si penetra una pieza de metal dentro de esta zona, debido a las corrientes parásitas
que se originan, capta energía el oscilador. Este proceso actúa amortiguando la
amplitud de las oscilaciones libres, y la etapa de relajación dispuesta a continuación
emite una señal. Este sensor sólo detecta materiales metálicos. La figura 5.6 muestra el
esquema de un generador inductivo.
Figura 5.6. Esquema de bloques de un generador inductivo.
c) Sensores capacitivos. Al igual que los detectores inductivos, los capacitivos
contienen un oscilador. No obstante, en los modelos usuales éste no oscila de forma
permanente. Si se lleva un objeto metálico o no metálico (cuya constante dieléctrica sea
mayor de 1) a la proximidad de la superficie activa del sensor, aumenta la capacidad
eléctrica entre masa (tierra) y la superficie activa. Si se sobrepasa un determinado
valor, comienza a vibrar el oscilador. Generalmente puede ajustarse la sensibilidad. Las
vibraciones del oscilador las evalúa un amplificador. Las siguientes etapas incorporadas
a este circuito son parecidas al del inductivo.
Los sensores capacitivos resultan idóneos como interruptores de valor límite para
comunicación del nivel en recipientes que contienen granulados, harina, azúcar,
cemento, yeso y líquidos como aceite, gasolina o agua, etc. También pueden instalarse
en tareas de cómputo para la captación de objetos metálicos y no metálicos, así como
para la exploración de los bordes en cintas de plástico, bandas de papel, correas de
transmisión, etc. La figura 5.7 muestra el esquema de un generador capacitivo.
Figura 5.7. Esquema de bloques de un generador capacitivo
d) Sensores ópticos (optoeléctricos). Por "optoeléctrico" o optoelectrónico se
designan componentes semiconductores que emiten señales luminosas, p. ej. diodos
luminiscentes, fotodiodos y fototransistores, o transforman señales luminosas en
señales eléctricas, p. ej. celdas fotoeléctricas y fotoelementos.
Los sensores o detectores optoeléctricos actúan en base a la diferente reflexión de la
luz por ellos emitida al interponerse un material. Este tipo de interruptores trabaja
perfectamente a través de láminas de vidrio y de películas de agua, es totalmente
insensible a las sacudidas, impermeable al agua y no sufre desgaste alguno. Otras
posibilidades son la exploración de piezas muy pequeñas, medición de niveles de
carga, detección en zonas expuestas a peligro de explosión, etc. Reaccionan sin
contacto físico a todos los materiales, p. ej. vidrio, madera, materiales sintéticos,
láminas, cerámica, papel, líquidos y metales. Puede clasificarse según diferentes
capacidades reflectantes en:
Barreras fotoeléctricas emisor/receptor (carcasas independientes para el emisor
y el receptor).
Barreras fotoeléctricas de reflexión (compuesta por un emisor y un receptor en la
misma carcasa y un reflector).
Sensores para exploración de luz reflejada (sensor reflex).
Sensores para exploración de luz reflejada. Estos sensores están formados por el
emisor y el reflector alojados en una misma carcasa, si bien pueden trabajar como
barreras fotoeléctricas de reflexión para cortas distancias, ya que el objeto se emplea
como "reflector".
El sensor está formado por un diodo luminiscente (1), un fototransistor (2), una etapa de
sincronización (3) y un amplificador (4), como se muestra en la figura 5.8,
El diodo luminiscente emite destellos de luz en la gama de radiaciones infrarrojas (o
rojas). En el caso de haber reflexión los destellos reflejados son captados por el
fototransistor incorporado. La etapa de sincronización evalúa la señal recibida y a través
del amplificador gobierna la salida. El amplificador de recepción es selectivo para las
radiaciones infrarrojas (o rojas), de forma que la luz ajena al sistema no puede ejercer
influencia alguna. Mediante el empalme de adecuados cables fotoconductores a los
interruptores de proximidad optoelectrónicos, pueden entre otros, realizarse controles y
exploraciones de materiales en lugares inaccesibles y en gama de altas temperaturas
(más de 200 ºC). Naturalmente existen también otras ejecuciones p. ej. con fotodiodo
en lugar de fototransistor.
Figura 5.8 Sensor reflex y su diagrama esquemático.
5.1.2. PROCESADORES DE SEÑALES ELÉCTRICASSon elementos que pueden manipular o transformar el voltaje de un circuito. Se
clasifican en:
Relevadores.
Contactores.
Relevadores. Este elemento se puede considerar como un interruptor accionado
electromagnéticamente, para determinadas potencias de ruptura y pueden conectar
diferentes voltajes.
Aplicando tensión a la bobina, circula corriente eléctrica por el arrollamiento y se crea
un campo magnético, por lo que la armadura es atraída al núcleo de la bobina. Dicha
armadura, a su vez, está unida mecánicamente a los contactos, que llegan a abrirse o a
cerrarse. Esta posición de conexión durará, mientras esté aplicada la tensión. Una vez
que desaparezca la tensión, se desplaza la armadura a la posición inicial, debido a la
fuerza del resorte.
Figura 5.9. Representación esquemática de un relevador.
Ventajas:
Adaptación fácil para diferentes tensiones de servicio.
Resistencia alta entre los contactos abiertos.
Permite la conexión de varios circuitos independientes.
Separación galvánica entre el circuito de mando y el de trabajo.
Bajo mantenimiento.
Alta frecuencia de conexión.
Tiempos de conmutación cortos.
Desventajas:
Abrasión y oxidación de los contactos.
Espacio mayor que los transistores.
Ruidos en el proceso de conmutación.
Influencia por polvo en los contactos.
Velocidad de conmutación limitada de 3 ms a 17 ms.
Contactores. Los contactores son interruptores electromagnéticamente accionados,
que con reducida potencia de mando pueden conectar grandes potencias. Los
contactos de conexión son movidos por la armadura de un electroimán. El contactor
atrae, si el arrollamiento de excitación es activado con corriente. La causa de la fuerza
de atracción debida al campo magnético resultantes por el paso de la corriente. Los
contactos movidos por la armadura abren o cierran y franquean el paso de corriente.
La aplicación de contactores es múltiple. Se utilizan para la conexión de motores,
calentadores, acumuladores de corriente nocturna, calefacciones, aparatos de
climatización, grúas, etc. La figura 5.10 muestra en forma esquemática un contactor.
Ventajas:
Con reducida energía de mando, conexión de grandes potencias.
Separación galvánica entre el circuito de mando y el circuito principal.
Ampliamente exentos de mantenimiento.
Independientes de la temperatura.
Desventajas:
Abrasión de los contactos.
Fuertes ruidos de conmutación.
Grandes dimensiones.
Limitada velocidad de conmutaci0n, 10 ms a 50 ms.
Figura 5.10. Representación esquemática de un contactor.
5.1.3. CONVERTIDORES DE SEÑALES ELECTRONEUMÁTICAS
Estos elementos sirven para convertir una señal eléctrica en una señal neumática o
viceversa. Se clasifican en:
Electroválvulas.
Presostatos.
Electroválvula. Es el elemento que transforma una señal eléctrica en una señal
neumática. En las figuras 5.11 a la 5.17 se muestran cortes seccionales de varias
electroválvulas.
Figura 5.11. Válvula 2/2 NC, activada por solenoide y regreso por resorte.
Figura 5.12. Válvula 3/2 NA, activada por solenoide y regreso por resorte.
Figura 5.13. Válvula 3/2 NC, activada por piloto de solenoide y regreso por resorte.
Figura 5.14. Válvula 4/2, activada por piloto de solenoide y regreso por resorte (monoestable).
Figura 5.15. Válvula 4/2, operada por piloto de solenoide (biestable).
Figura 5.16. Válvula 5/2, activada por piloto de solenoide y regreso por resorte (monoestable).
Figura 5.17. Válvula 5/2, operada por piloto de solenoide (biestable).
5.2. CIRCUITOS ELECTRONEUMÁTICOS COMBINACIONALES
Para representar un circuito electroneumático se deben realizar los siguientes pasos:
Hacer el esquema o plano de situación.
Hacer el diagrama de trabajo o potencia.
Hacer el diagrama de control electromagnético.
Algunos consejos para la representación de diagramas electromagnéticos.De una manera general se representan en el estado de reposo, es decir, sin tensión.
Los elementos se presentan en su posición inicial
En lo que concierne a los esquemas de conexión deben observarse las
recomendaciones siguientes (basadas en la representación según la normas):
Presentar verticalmente todas las conexiones entre las líneas colectoras que
serán siempre horizontales.
Disponer, por regla general, todos los elementos de conmutación únicamente
sobre estas líneas verticales.
Representar la fluencia de la corriente de arriba hacia abajo.
Evitar los posibles cruces de líneas.
Representar todos los elementos en estado de reposo, en caso contrario se debe
especificar claramente (con una flecha, por ejemplo).
La maniobra debe realizarse de izquierda a derecha, y los símbolos de los
contactos se colocan en el lado izquierdo de la vertical de la línea.
Unir siempre directamente las bobinas, a la línea de conexión inferior, que será
la línea "común". Si existe una toma de tierra, colocarla al polo de tierra.
Reproducir aparte, bajo el esquema, los símbolos completos de los diferentes
componentes para facilitar la lectura.
Unificar por letras y cifras los órganos de conmutación y toda la circuitería en
general.
Los circuitos electroneumáticos combinacionales funcionan en base al principio de que
la señal de salida es función exclusiva de la señal de entrada y se pueden clasificar en:
Circuitos simplificados.
Circuitos típicos.
5.3. CIRCUITOS ELECTRONEUMÁTICOS SECUENCIALES
A continuación se describen 3 de los métodos más empleados para el desarrollo de
circuitos electroneumáticos secuenciales en automatización de procesos.
5.3.1. MÉTODO DE CADENA O INTUITIVOEste método al igual que en neumática se basa en el principio de:
"La señal de retroalimentación de terminación de, cada movimiento, se utiliza como señal de activación para el inicio del siguiente movimiento".
Además este método tiene las mismas aplicaciones y limitantes que en neumática, y
una vez realizado el esquema o croquis de situación, se siguen los siguientes pasos:
1. Indicar el diagrama de movimientos con los elementos de señal (diagrama de
fases), o desarrollar la secuencia en forma abreviada (ecuación de movimientos).
2. Dibujar el diagrama de trabajo.
3. Dibujar el diagrama de control electroneumático en forma intuitiva.
5.3.2. MÉTODO PASO A PASO MÍNIMO Y PASO A PASO MÁXIMO UN SÓLO GRUPO ENERGIZADOEn este método, una vez realizado el esquema de situación, se siguen los siguientes
pasos:
1. Desarrollar la secuencia en forma abreviada (ecuación de movimientos).
2. Descomponer la secuencia en grupos de tal manera que no se encuentren
movimientos complementarios del mismo cilindro en el mismo grupo.
3. Dibujar el diagrama de trabajo indicando los sensores para inicio y final de
carrera, se usen o no.
4. Dibujar tantas líneas de energía independientes como grupos existen. Utilizar un
relevador para cada grupo existente. Las funciones del relevador:
Retener su memoria (contacto normalmente abierto).
Preparar el paso siguiente (contacto normalmente abierto).
Desactivar el paso anterior (contacto normalmente cerrado).
Provocar un movimiento de trabajo, energizar al grupo (contacto
normalmente abierto).
5. Los sensores que efectúan el cambio de grupo deberán estar en la línea de
energía de la correspondiente bobina del relevador.
6. Los contactos que energizan a un grupo corresponden al relevador de dicho
paso.
NOTA: El primer grupo no requiere prepararse.
K2
E1 K1
K1
K3
E2 K2
K1
K4
E3 K3
K3
K2
K1
EN KN
KN
KN-1
K2
K1 K2 K3 KN
Y1
+24V
0V
....
...
1
23
N
1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13
14
2310
7 4511
1 612
3 813
5.3.3. MÉTODO PASO A PASO MÁXIMO TODOS LOS GRUPOS ENERGIZADOS
KN
E1 K1
K1
E2 K2
K1
E3 K3
K3
K2 KN-2
EN-1 KN-1
KN-1K2
EN
KN
KN-1
A+
Y1
A-
Y2
A-
A+
Y1
+24V
0V
Pa soPa soPa so
Pa soSi g.
Pa so
Si g.Logica
Activo
Desactivo
Pa so
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
23
45
6 89
1Válvulas
BiestablesVálvula
Monoestable