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CIRCUITOS ELECTRONEUMÁTICOS Y ELECTROHIDRÁULICOS Para la representación gráfica de los circuitos electroneumáticos y electrohidráulicos se hará uso del esquema sistemático o funcional, subdividiéndolo en circuito principal (o de potencia) y circuito de control. El circuito principal o de potencia esta conformado por los cilindros con sus finales de carrera, sus correspondientes electroválvulas y la fuente de potencia. El circuito de control está constituido por dos líneas horizontales (sistema europeo) que representan la alimentación general del circuito, y una serie de líneas verticales equidistantes y conectadas a aquellas, que corresponden a los diferentes circuitos del esquema, en los cuales se van ubicando los diferentes elementos de acuerdo a la función que deben realizar. También es posible dibujar las líneas de alimentación verticales (sistema americano: sistema ladder), en cuyo caso las demás líneas serán horizontales. En los circuitos los elementos se identifican así: − Los pulsadores, interruptores, selectores y finales de carrera reciben la letra S y un número de orden

1, 2, 3..., así: 1 2, ,...S S . − El relé recibe la designación K y también un número de orden 1, 2, 3, ... Las conexiones de la

bobina del relé se designan por las letras A1 y A2. Los contactos del relé se designan con dos cifras, la primera es un número de orden y la segunda será 1, 2 para contactos NC (normally closed: normalmente cerrados) y 3, 4 para contactos NO (normally open: normalmente abiertos).

− Las bobinas de las electroválvulas se designan con la letra Y y un número de orden 1, 2, 3,..., así:

1 2, ,...Y Y . A continuación se ilustra la representación simbólica de algunas electroválvulas y de los reles.

Figura 1. Representación simbólica de electroválvulas

Figura 2. Relé con 4 contactos (2 NO y 2 NC).

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EJERCICIO 1: Mando Directo de un Cilindro de Simple (o Doble) Efecto. El vástago de un cilindro de simple (o doble efecto) debe salir al accionar un pulsador. Al soltar el pulsador debe volver a la posición inicial.

Figura 3. Circuito neumático de potencia y circuito eléctrico de control para el ejercicio 1

Funcionamiento: Al accionar el pulsador S1 se energiza la bobina del relé K1 por consiguiente se cierra el contacto K1 excitando la bobina Y1 de la electroválvula, por lo que esta se conmuta. Ahora sale el vástago del cilindro. Al soltar el pulsador S1 queda interrumpido el circuito. Se desenergiza Y1 y la válvula retorna a su posición inicial por la fuerza del muelle. El vástago del cilindro retrocede. EJERCICIO 2: Conexión en Paralelo y en Serie de un Cilindro de Doble Efecto. Diseñar en cada caso el circuito electroneumático para el mando de un cilindro de doble efecto cuyo vástago debe salir: a) al accionar independientemente dos pulsadores 1 2S So , b) accionando simultáneamente dos pulsadores 1 2S Sy .

Figura 4. Circuito neumático de potencia y circuito eléctrico de control para el ejercicio 2. EJERCICIO 3: Mando de un cilindro de simple (o doble) efecto con circuito de autorretención. El vástago de un cilindro de doble (o simple) efecto debe salir y permanecer en la posición delantera al accionar un pulsador. Debe volver a su posición inicial al accionar otro pulsador.

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Figura 5. Circuito neumático de potencia y circuito eléctrico de control para el ejercicio 3.

Funcionamiento: Al pulsar S1 se energiza el relé K1 y al mismo tiempo se cierra el contacto paralelo K1 (13-14) que esta en el circuito 2. Cuando se suelta S1 la bobina del relé K1 seguirá energizada (autosostenida o autoalimentada) por el contacto K1 (13-14). El vástago avanza a la posición final delantera, al excitarse Y1 por el contacto K1 (23-24) que esta en el circuito 3. Al oprimir a S2 queda interrumpido el circuito hacia el relé K1. Todas las funciones del relé K1 conectan a la posición inicial interrumpiéndose el circuito hacia la bobina Y1, la válvula vuelve a su posición inicial por efecto del muelle retornando el vástago del cilindro a su posición de partida. En este caso se ha realizado una memorización de señales con un circuito de autorretención en la parte eléctrica, empleándose electroválvulas con reposición por muelle. Ejercicio 4: Mando Indirecto de un Cilindro de Doble Efecto (Circuito Memorizado de un Cilindro de Doble Efecto). Objetivo: Diseñar el circuito de tal forma que el vástago de un cilindro de doble efecto salga cuando se acciona un pulsador y al soltarlo permanezca en la posición de salida, hasta que se dé la orden de retroceso al accionar otro pulsador. Materiales: Tablero didáctico de prácticas, computadora, cilindro de doble efecto, electroválvula de 4/2 o 5/2 vías (eléctrico / eléctrico), 2 relés, 2 pulsadores eléctricos normalmente abierto (NO), accesorios de montaje. Circuito Neumático de Potencia y Circuito Eléctrico de Control:

Figura 6. Circuito neumático de potencia y circuito eléctrico de control para el ejercicio 4.

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Funcionamiento: Al accionar el pulsador 1S es excitado el relé 1K , el contacto abierto paralelo 1K (13-14) que está en el circuito 2 mantiene la alimentación de corriente para el relé 1K . El circuito para la bobina 1Y se cierra a través de otro contacto de 1K (23-24) que esta en el circuito 5, conmutando la válvula de vías y el vástago del cilindro sale y permanece en la posición delantera hasta que se oprima el otro pulsador 2S . Cuando esto último sucede, se energiza el relé 2K , el cual se autorretiene por el contacto abierto 2K (13-14) que esta en el circuito 4. El circuito para la bobina 2Y se cierra a través de otro contacto 2K (23-24) que esta en el circuito 6, invirtiendo la electroválvula con lo cual el vástago regresa a su posición inicial.

Los contactos cerrados 1K (11-12) que esta en el circuito 4 y 2K (11-12) que esta en el circuito 2 sirven para borrar la autorretención sobre las bobinas de los relés 2K y 1K respectivamente. En este caso se ha realizado una memorización de señales tanto en la parte neumática como en la eléctrica, empleándose electroválvulas con accionamiento eléctrico bilateral. Esta forma de memorización de señales es de gran aplicación en los mandos secuenciales. EJERCICIO 5: Mando de un cilindro de doble efecto con temporización.

Accionando el pulsador S1 debe salir el vástago de un cilindro de doble efecto y luego regresar automáticamente después de cierto tiempo. La posición final delantera es asegurada a través del final de carrera S2.

Solución 1 (memoria neumática):

Figura 7. Circuito neumático de potencia y circuito eléctrico de control para el ejercicio 5 (solución 1). Funcionamiento: Al accionar el pulsador S1 se excita el relé K1. Su contacto abierto K1 (13-14) energiza la bobina Y1 y la electroválvula se invierte. El cilindro avanza a la posición final delantera accionando el final de carrera S2 que conecta el relé temporizado K2 y su contacto de cierre K2 (15-16) al transcurrir el tiempo prefijado excita la bobina Y2 y la electroválvula se invierte. El vástago del cilindro retorna a la posición inicial.

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Solución 2 (memoria eléctrica):

Figura 8. Circuito neumático de potencia y circuito eléctrico de control para el ejercicio 5 (solución 2).

Este cumple la misma función que el anterior pero con la diferencia de que la función de memoria se encuentra en la parte eléctrica (autorretención).

EJERCICIO 6 (EJEMPLO DE MANDO SECUENCIAL): Automatización del Proceso para el Marcado de Piezas.

Presentación del problema: Se trata del estudio de la automatización del proceso de marcado de piezas, con las características siguientes: dimensiones: 100 mm x 80 mm x 60 mm, material: aleación de aluminio, peso del punzón de marcado: 70 N, longitud de carrera: 200 a 300 mm máximo, producción: 10.000 piezas diarias. La alimentación de las piezas se realiza a través de un depósito de carga de caída por gravedad, siendo empujadas contra un tope mediante el cilindro A, marcadas por el cilindro B y expulsadas mediante el cilindro C.

Condiciones adicionales: El ciclo debe iniciarse al accionar el pulsador de MARCHA (START). Debe existir la posibilidad de realizar el ciclo AUTOMATICAMENTE hasta que se agoten las piezas, y CONTROL DE EXISTENCIA DE PIEZAS. Posibilidad de STOP.

Tareas:

1. Determinar las secuencias de trabajo 2. Seleccionar la tecnología a emplear para los elementos de trabajo y de control 3. Dimensionar los elementos de trabajo 4. Establecer el plano de situación 5. Establecer el diagrama de funcionamiento 6. Diseñar el circuito neumático de potencia y el circuito eléctrico de control 7. Elaborar las conclusiones y recomendaciones de acuerdo con la aplicación realizada y los juicios

críticos que de allí provengan.

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Nota: Un punto importante en el proyecto de una automatización es la incorporación de las Condiciones Adicionales. Se recomienda plantearlas e incorporarlas solo después de haber elaborado el circuito básico, es decir, el esquema de mando se ampliara en forma escalonada.

Solución: 1. Determinar las secuencias de trabajo:

1) Almacenar las piezas (depósito de carga de caída por gravedad) 2) Extraer las piezas (empujar) 3) Mantener las piezas (sujetar) 4) Trabajar las piezas (marcar) 5) Evacuar las piezas (expulsar)

Secuencias Cilindro A Cilindro B Cilindro C 1 Alimentar / Sujetar 2 Marcar 3 Retroceder 4 Soltar 5 Expulsar 6 Retornar

La representación simbólica de la secuencia es la siguiente (el signo + representa la salida del vástago del cilindro y el signo – representa el retorno del vástago): + + − − + −A B B A C C .

2. Seleccionar la tecnología a emplear para los elementos de trabajo y de control:

Dadas las características de esta automatización: fuerzas pequeñas (se trabaja en piezas de aluminio), carreras de trabajo pequeñas, poca distancia entre el equipo y el dispositivo de control, y una alta producción (10.000 piezas / día) se elegirá para la parte de trabajo tecnología neumática y para la de control tecnología eléctrica ya que a pesar de tener distancias cortas se exige cortos tiempos de conexión debido a la alta producción.

3. Dimensionar los elementos de trabajo: Todas las fases de trabajo a realizar pueden ser asumidas por elementos neumáticos con movimiento lineal, a saber:

• Cilindro A (1.0): Alimentación • Cilindro A (1.0): Sujeción • Cilindro B (2.0): Marcado • Cilindro C (3.0): Expulsión

− Si se colocan los cilindros de manera adecuada es posible realizar las operaciones de alimentación y sujeción con el mismo cilindro.

− El método para el dimensionado de los elementos de trabajo se supone conocido. − Las fuerzas y carrera son suficientes para el accionamiento de finales de carrera. − Para garantizar la fiabilidad y velocidades de trabajo exigidas se emplearán 3 cilindros de doble

efecto.

• Selección del cilindro de marcado (2.0): Su selección se hará considerando la fuerza total a suministrar para efectuar la operación de marcado, las características del material a marcar y las de la misma marca.

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− Fuerza necesaria para el marcado: F = Fuerza del punzón + Peso del punzón

− Fpunzón = (Superficie de marcado) x (Resistencia admisible del material a marcar) = A x σadm

− Se asume un tamaño aproximado de las letras de marcado = 5 mm y una penetración aproximada de las letras de 0.5 mm. Por tanto,

− A = (línea de marca) x (profundidad de marca) = (2.π.5)x(0.5) = 15.71 mm2

− Resistencia admisible a la Tensión / Compresión del Aluminio: σadm = 1100 N/mm2 = 1100 Kgf/cm2

− Fpunzón = A x σadm = (0.157 cm2) x (1100 Kgf/cm2) = 1730 N

− Wpunzón = 70 N, aproximadamente

− Fuerza total: F = 1730 + 70 = 1800 N = 180 Kgf

− Para una F = 1800 N y una p = 6 bar, se selecciona del Catálogo suministrado por los fabricantes un cilindro de doble efecto de Diámetro = 63 mm (2.1/2 plg) y Carrera = 200 mm.

• Selección del cilindro de sujección (1.0):

− Dada las características del trabajo de alimentación / sujección se selecciona un cilindro igual al de marcado, así: Diámetro = 63 mm (2.1/2 plg) y una Carrera = 250 mm.

• Selección del cilindro de expulsión (3.0):

− Este cilindro debe suministrar la fuerza necesaria para expulsar la pieza cuyo peso se determina así: Wpieza = γ . V = (0.0028 Kgf/cm3) x (10x8x6) = 1,344 Kgf = 13,4 N

− Se selecciona del catálogo del fabricante un cilindro de doble efecto, con Diámetro = 12 mm (1/2 plg) y una Carrera = 300 mm.

4. Establecer el plano de situación:

Es siempre recomendable trazar, aunque sea de manera muy esquematizada, la colocación relativa de los diferentes órganos motrices, ayudará comprender mejor la acción conjunta de los elementos y el funcionamiento del mando, podrá al mismo tiempo, servir como dato básico para posibles reuniones técnicas, o simplemente como recordatorio al tratar nuevamente el asunto.

Figura 9. Plano de situación del ejercicio 6.

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5. Establecer el diagrama de funcionamiento: Este representa los procesos y estados de los elementos de trabajo y de acuerdo a la secuencia establecida, + + − − + −A B B A C C , es la siguiente:

Figura 10. Diagrama de funcionamiento del ejercicio 6. En la Secuencia el signo + representa la salida del vástago del cilindro y el signo – representa el retorno del vástago. 6. Diseñar el circuito neumático de potencia y el circuito eléctrico de control 6.1 Circuito Neumático de Potencia.

Obsérvese que en el circuito de potencia se encuentran además de los cilindros, las electroválvulas y la fuente de potencia, los finales de carrera (o sensores) para acusar el tipo de movimiento del cilindro. Así, por ejemplo, el movimiento + (salida del vástago), es acusado por los finales de carrera que se encuentran en la posición final delantera del vástago de los cilindros, o sea: S2, S4 y S6; el movimiento – (retorno del vástago) es reportado por los finales de carrera que se encuentran en la posición final trasera del vástago de los cilindros, es decir: S1, S3 y S5.

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6.2 Circuito Eléctrico de Control.

Se emplearan los Métodos: Cascada (Cadena Mínima) y Paso a Paso (Cadena Máxima). Estas metodologías basadas en reglas permiten definir claramente el funcionamiento del automatismo, lo cual conlleva a mandos seguros dentro del ambiente de trabajo. Se recomienda utilizar el Método Paso a Paso (Cadena Máxima) ya que es sencillo de diseñar e implementar sobre todo en un PLC y facilita el mantenimiento y detección de averías ya que se tiene un circuito de control por cada secuencia.

6.2.1 Cadena Mínima: Cascada eléctrica.

Secuencia:

Nótese que en la Secuencia los movimientos y posiciones de los cilindros son reportados por los correspondientes finales de carrera (o sensores). O sea, la salida de los vástagos de los cilindros por los finales de carrera: S2, S4 y S6, el retorno de los vástagos de los cilindros por los finales de carrera: S1, S3 y S5. La señal de arranque del sistema es emitida por el pulsador manual de Marcha S7.

El criterio para la conformación de los grupos es el de que una orden de maniobra (salida + o entrada –) para un mismo cilindro, debe aparecer sola una vez en un grupo. Es decir, en un grupo no puede estar el mismo cilindro entrando y saliendo. Por lo tanto, en este mando secuencial resultan tres (3) grupos.

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6.2.2. Cadena Máxima: Paso a Paso eléctrico. Secuencia:

Obsérvese que en cada fase o paso se cumplen las siguientes funciones: 1) Se da una ORDEN DE TRABAJO: salida o entrada del vástago del Cilindro. 2) Se AUTORRETIENE LA ENERGÍA DEL RELÉ por el contacto abierto paralelo. 3) Se BORRA EL PASO ANTERIOR por el contacto cerrado paralelo. 4) Se PREPARA EL PASO SIGUIENTE por el contacto abierto en serie con el Pulsador o Final de Carrera. Además, en la última fase o paso se debe instalar un Pulsador de “Set” a fín de poner en posición inicial de partida el circuito de control.

−+−−++ CCABBA

7S 2S 4S 3S 5S1S 6S