diseno implementacion modulo electroneumatica

1

DISEO E IMPLEMENTACIN DE MDULO ELECTRO NEUMTICO

JHON STEVEN HERNNDEZ SERNA [email protected]

JOS NORBEY DAZ LPEZ [email protected]

ALEJANDRO ALBERTO ARANGO ARISTIZABAL [email protected]

ELKIN DARO PALACIO HENAO [email protected]

ENIDH JOHANA BRAVO CIFUENTES [email protected]

MAURICIO ALEXANDER BEDOYA AGUDELO [email protected]

MAURICIO QUIJANO VILLADA [email protected]

JUSSED IBRAIN ACOSTA RENGIFO [email protected]

LUS FERNANDO CORREA GIRALDO [email protected]

JONNY ALEXANDER VALENCIA ZAPATA [email protected]

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL MEDELLN FACULTAD DE INGENIERA

MEDELLN 2010

2

DISEO E IMPLEMENTACIN DE MDULO ELECTRO NEUMTICO

ASESOR: ANDRES MAURICIO CARDENAS TORRES

INGENIERO ELECTRNICO

PROYECTO DE GRADO PRESENTADOPARA OBTENER EL TTULO DE: INGENIEROS ELECTRNICOS

UNIVERSIDAD DE SAN BIENAVENTURA SECCIONAL MEDELLN FACULTAD DE INGENIERIA

MEDELLN 2010

3

CONTENIDO

NDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................... 6

NDICE DE TABLAS .................................................................................................................................. 8

RESUMEN................................................................................................................................................... 9

ABSTRACT ............................................................................................................................................... 10

PALABRAS CLAVE ................................................................................................................................. 11

KEY WORDS ............................................................................................................................................ 11

JUSTIFICACIN ...................................................................................................................................... 12

Referente Contextual ............................................................................................................................... 13

INTRODUCCIN ................................................................................................................................. 14

ESTADO DEL ARTE ........................................................................................................................... 15

CAPTULO 1 ............................................................................................................................................. 17

PRINCIPIOS FSICOS DE LA NEUMTICA ................................................................................... 18

1.1. La materia .................................................................................................................................. 18

1.1.3. Estado gaseoso .................................................................................................................... 18

1.2. La presin .................................................................................................................................. 20

1.3. Caudal ........................................................................................................................................ 25

1.4. Propiedades de los fluidos neumticos ................................................................................ 27

CAPTULO 2 ............................................................................................................................................. 29

2.1. Compresor ................................................................................................................................. 30

2.2. Unidades de Mantenimiento (FRL) ........................................................................................ 32

2.3. MANMETRO .......................................................................................................................... 33

2.4. Vlvulas neumticas ................................................................................................................ 35

2.4.1. Vlvulas de control direccional ........................................................................................... 35

2.5. Cilindros neumticos ............................................................................................................... 43

2.6. Ventosas .................................................................................................................................... 48

2.7. Sensores Neumticos ............................................................................................................. 49

2.8. Accesorios ................................................................................................................................. 53

CAPTULO 3 ............................................................................................................................................. 55

Un poco de historia .............................................................................................................................. 56

4

3.1. Qu son los PLC? ............................................................................................................... 57

3.2. Componentes del PLC ............................................................................................................ 57

3.3. Entradas y salidas digitales y su conexin ........................................................................... 59

3.4. Comunicacin en los PLC .................................................................................................... 61

3.5. Lenguajes de programacin para los autmatas programables ....................................... 62

3.6. Marcas de memoria ................................................................................................................. 65

CAPTULO 4 ............................................................................................................................................. 69

4.1. Diseo e Implementacin de Mdulo Electro-neumtico ................................................... 70

4.2. Diseo y fabricacin de mdulo estructural electro neumtico ......................................... 71

4.2.1. Especificaciones Tcnicas .................................................................................................. 72

4.3. Materiales y herramientas ....................................................................................................... 73

4.4. Diseo de diagramas y planos electro neumticos ............................................................ 74

4.5. Adquisicin de elementos electro neumticos .................................................................... 79

4.6. Montaje de piezas en banco electro neumtico .................................................................. 79

4.7. Programacin y control del PLC (Controlador Lgico Programable) para el

automatismo del mdulo electro neumtico .................................................................................... 82

4.8. Pruebas de implementacin ................................................................................................... 83

4.9. Resultados................................................................................................................................. 86

CAPTULO 5 ............................................................................................................................................. 87

Objetivos de las prcticas ................................................................................................................... 88

Convenciones a usar en las prcticas .............................................................................................. 88

Prctica N1 .......................................................................................................................................... 89

Prctica N2 .......................................................................................................................................... 93

Prctica N3 .......................................................................................................................................... 97

Prctica N4 ........................................................................................................................................ 101

Prctica N5 ........................................................................................................................................ 105

Prctica N6 ........................................................................................................................................ 109

Prctica N7 ........................................................................................................................................ 113

Prctica N8 ........................................................................................................................................ 118

Prctica N9 ........................................................................................................................................ 123

Prctica N10 ...................................................................................................................................... 128

TRABAJO FUTURO .............................................................................................................................. 133

5

RECOMENDACIONES ......................................................................................................................... 134

BIBLIOGRAFA ....................................................................................................................................... 135

ANEXOS ....................................................................................................... Error! Marcador no definido.

6

NDICE DE FIGURAS

FIGURA 1. ESTADO GASEOSO ..................................................................................................................................... 19

FIGURA 2. EL PLASMA ................................................................................................................................................. 19

FIGURA 3. DESCOMPOSICIN DE LA FUERZA .............................................................................................................. 21

FIGURA 4. ESCALA DE PRESIONES .............................................................................................................................. 23

FIGURA 5. PRINCIPIO DE CONTINUIDAD ...................................................................................................................... 23

FIGURA 6. EL EFECTO VENTURI .................................................................................................................................. 24

FIGURA 7. LA PRENSA HIDRULICA ............................................................................................................................. 25

FIGURA 8. UNIDAD DE MANTENIMIENTO ...................................................................................................................... 33

FIGURA 9. MANMETRO DE BOURDON ....................................................................................................................... 34

FIGURA 10. MANMETRO DE COLUMNA LQUIDA ........................................................................................................ 34

FIGURA 11. MANMETRO DE TUBO INCLINADO .......................................................................................................... 35

FIGURA 12. NUMERO DE POSICIONES EN LAS VLVULAS DE VAS .............................................................................. 36

FIGURA 13. NMERO DE VAS ..................................................................................................................................... 36

FIGURA 14. VLVULA DE RETENCIN.......................................................................................................................... 40

FIGURA 15. VLVULA REGULADORA DE CAUDAL UNIDIRECCIONAL ............................................................................ 40

FIGURA 16. REGULACIN A LA ENTRADA .................................................................................................................... 41

FIGURA 17. REGULACIN A LA SALIDA ........................................................................................................................ 42

FIGURA 18. VLVULAS REGULADORAS DE PRESIN ................................................................................................... 43

FIGURA 19. CILINDRO DE SIMPLE EFECTO .................................................................................................................. 44

FIGURA 20. CILINDRO DE DOBLE EFECTO ................................................................................................................... 45

FIGURA 21. CILINDRO DE DOBLE EFECTO CON AMORTIGUADOR ................................................................................ 45

FIGURA 22. CILINDRO DE DOBLE VSTAGO ................................................................................................................ 46

FIGURA 23. CILINDRO DE MEMBRANA ......................................................................................................................... 47

FIGURA 24. CILINDRO DE MEMBRANA ARROLLABLE ................................................................................................... 47

FIGURA 25. CILINDRO TNDEM ................................................................................................................................... 48

FIGURA 26. VENTOSA ESTNDAR ............................................................................................................................... 48

FIGURA 27. CAPTADOR DE OBTURACIN DE FUGA ..................................................................................................... 50

FIGURA 28. DETECTOR DE PASO ................................................................................................................................ 51

FIGURA 29. DETECTOR DE PASO DE HORQUILLA ........................................................................................................ 52

FIGURA 30. DETECTOR RFLEX ................................................................................................................................. 52

FIGURA 31. INTERRUPTOR DE PROXIMIDAD ................................................................................................................ 53

FIGURA 32. ESTRUCTURA DEL PLC KOYO ............................................................................................................... 59

FIGURA 33. CONEXIN DE SALIDA POR RELEVO ......................................................................................................... 60

FIGURA 34. CONCEPTO DE BIT, BYTE Y PALABRA ....................................................................................................... 63

FIGURA 35. OPERACIN AND .................................................................................................................................... 66

FIGURA 36. FUNCIN OR ........................................................................................................................................... 67

FIGURA 37. FUNCIONES SET Y RESET .................................................................................................................... 67

FIGURA 38. MDULO ELECTRO NEUMTICO ............................................................................................................... 72

FIGURA 39. ESQUEMA GENERAL DEL DISPOSITIVO..................................................................................................... 76

FIGURA 40. ENTRADAS DIGITALES V.0 ....................................................................................................................... 77

FIGURA 41. SALIDAS DIGITALES V.0 ........................................................................................................................... 78

FIGURA 42. MONTAJE DE PIEZAS EN LMINA PERFORADA ......................................................................................... 80

7

FIGURA 43. POSICIONADO DE ELEMENTOS Y RIEL DE CONEXIONADO ........................................................................ 81

FIGURA 44. UNIDAD DE MANTENIMIENTO .................................................................................................................... 81

FIGURA 45. PLC DIRECT 06 ....................................................................................................................................... 82

FIGURA 46. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 1 ........................................................................................................... 90

FIGURA 47. DIAGRAMA DE NEUMTICO PRCTICA 1 .................................................................................................. 91


FIGURA 49. SISTEMA DE EMPAQUETADO Y ALMACENAMIENTO DE PIEZAS ................................................................. 95


FIGURA 51. LLENADO DE BULTOS ............................................................................................................................... 99

FIGURA 52. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 4 ......................................................................................................... 102

FIGURA 53. SISTEMA DE LAVADO DE AUTOS ............................................................................................................. 103


FIGURA 55. SISTEMA DE TALADRADO DE PIEZAS ...................................................................................................... 107


FIGURA 57. SISTEMA DE LLENADO DE ENVASES ....................................................................................................... 111


FIGURA 59. SISTEMA DE APILADO DE BULTOS .......................................................................................................... 116


FIGURA 61. SISTEMA DE FABRICACIN DE LADRILLOS ............................................................................................. 121


FIGURA 63. SISTEMA DE FABRICACIN DE OLLAS .................................................................................................... 126

FIGURA 64. DIAGRAMA DE FLUJO PRCTICA 10 ....................................................................................................... 130

FIGURA 65. SISTEMA PARA COMPACTAR CARTN .................................................................................................... 131

8

NDICE DE TABLAS

TABLA 1. CONVERSIN DE UNIDADES DE PRESIN .................................................................................................... 22

TABLA 2. MTODOS DE MEDICIN ............................................................................................................................... 27

TABLA 3. IDENTIFICACIN DE ORIFICIOS ..................................................................................................................... 37

TABLA 4. ACCIONAMIENTOS PARA VLVULAS NEUMTICAS ....................................................................................... 39

TABLA 5. CLCULO DE LA FUERZA EN LAS VENTOSAS ................................................................................................ 49

TABLA 6. ACCESORIOS PARA LAS CONEXIONES NEUMTICAS.................................................................................... 54

TABLA 7. CONTACTOS N.A Y N.C ............................................................................................................................... 64

TABLA 8. SIMBOLOGA EQUIVALENTE EN LADDER ................................................................................................... 64

TABLA 9. TABLA DE VERDAD FUNCIN AND ............................................................................................................... 66

TABLA 10. TABLA DE VERDAD FUNCIN OR ............................................................................................................... 66

TABLA 11. LISTA DE ELEMENTOS ................................................................................................................................ 74

TABLA 12. LISTA DE CHEQUEO DEL SISTEMA ELCTRICO ........................................................................................... 84

TABLA 13. LISTA DE CHEQUEO DEL SISTEMA NEUMTICO .......................................................................................... 85

TABLA 14. CONVENCIN GENERAL ............................................................................................................................. 88

TABLA 15. SISTEMA DE AGRUPACIN Y DISPOSICIN DE PIEZAS SECUENCIAL PRCTICA 1 ..................................... 89

TABLA 16. SISTEMA DE AGRUPACIN Y DISPOSICIN DE PIEZAS SECUENCIAL PRCTICA 2 ..................................... 93

TABLA 17. ETAPAS DEL SISTEMA DE LLENADO DE BULTOS SECUENCIAL ................................................................... 97

TABLA 18. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE LAVADO DE AUTOS ........................................................................ 101

TABLA 19. ETAPAS EN SECUENCIALES SISTEMA DE LAVADO DE PIEZAS .................................................................. 105

TABLA 20. ETAPAS SECUENCIALES DE SISTEMA LLENADO DE ENVASES .................................................................. 109

TABLA 21. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE APILADO DE TUBOS ....................................................................... 113

TABLA 22. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE FABRICACIN DE LADRILLOS ........................................................ 119

TABLA 23. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA DE FABRICACIN DE OLLAS................................................................ 123

TABLA 24. ETAPAS SECUENCIALES SISTEMA COMPACTADOR DE CARTN .............................................................. 129

9

RESUMEN

Cuando se pretende reunir informacin referente a la neumtica y electro neumtica se

puede apreciar que existe poca informacin respecto a estos temas, encontrndose

abundante material comercial y tcnico proporcionado por los fabricantes de esta clase

de dispositivos, lo que sugiere prestar especial atencin y contribuir con la elaboracin

de un manual que compile suficiente informacin para la comprensin de esta rea.

Sumado a esta condicin, los costos de adecuacin de laboratorios, la necesidad de

las empresas en recibir profesionales que conozcan sobre la automatizacin de

procesos industriales, la economa creciente de Colombia y los futuros tratados de libre

comercio, plantean la necesidad de acercar a los alumnos a la dinmica que se

presenta en la industria y ante todo facilitar su desenvolvimiento en temas especficos

de estas. Esto motiva a desarrollar un sistema modular que les permita a los

estudiantes la interaccin con algunos de los dispositivos elctricos, mecnicos y

electrnicos que se utilizan en los procesos industriales.

El desarrollo del mdulo plante grandes retos, pues fue necesario definir el proceso

que se desarrollara, los medios de interaccin externos del dispositivo, la seleccin de

los dispositivos, las pruebas a desarrollar, la seguridad de los usuarios y a su vez la del

equipo y finalmente, procurar la supervivencia del equipo a largo plazo.

Debido a la gran utilidad de los sistemas neumticos en la industria colombiana, se

decidi definir un mdulo neumtico que permitiera simular diferentes procesos

industriales. A partir de esto, estructur un marco conceptual simple que contuviera las

bases tericas de los conceptos que generalmente se necesitan en las aplicaciones

neumticas, as mismo se analizaron las diferentes alternativas que existen para el

diseo de estos dispositivos y los desarrollos ms importantes realizados utilizando la

neumtica.

A partir del anlisis bibliogrfico se estructura el mdulo neumtico, bajo algunas

condiciones tcnicas y de seguridad, y finalmente se definen algunas prcticas que

permitirn la programacin en alto o bajo nivel utilizando LABview o lenguaje escalera

LADDER respectivamente, y la manipulacin de cilindros neumticos de simple o doble

efecto, segn lo establezca la prctica. Esto permitir al docente el acompaamiento de

los alumnos en su proceso de aprendizaje mediante el anlisis de problemas y la

observacin.

10

ABSTRACT

When one pretends to gather information concerning Pneumatics and Electro-

pneumatics, it can be appreciated the little existence of information regarding this

matters, being plentiful of commercial and technical material provided by the

manufacturers of this kind of devices, this suggests to pay special attention and

contribute with the elaboration of a manual that compiles enough information for the

understanding of this task. In addition to this, the costs of laboratories adaptation, the

need of enterprises to receive professionals who know about automation of Industrial

processes, the growing Colombian economy and the future free commercial trades,

demand the need to approach students to the present industry dynamics and first and

foremost to ease their self-assurance in specific topics of these areas. This motivates to

develop a modular system to allow students the interaction with electric, mechanical

and electronic devices used in industrial processes.

The development of the module set out big challenges, since it was necessary to define

the process that would be developed, the external interaction media of the devices, the

selection of the devices, the tests to be carried out, the user security protocols and

along it the module security and finally, to secure the survival of the equipment along

the time.

Due to the great use of pneumatic systems in the Colombian industry, it was decided to

define a pneumatics module to allow the simulation of different industrial processes.

From this point on, the idea structured a simple concept map it contained the basic

theory of the concepts that are normally needed in pneumatics applications, in the same

way the different existing alternatives to the design of these devices design and the

most important developments realized using pneumatics were analyzed.

From the bibliographic analysis is the pneumatics module structured, following some

technical and security conditions, and finally some practices are defined to allow the

programming in high or low level, using LABview or ladder language, respectively, and

the manipulation of pneumatic simple or double-effect cylinders, according to the

practice demands. This will allow the teacher the coaching of students in their learning

process through the problem analysis and observation

11

PALABRAS CLAVE

Neumtica, Electro neumtica, Mdulo neumtico, Controlador Lgico Programable,

PLC, Control neumtico, Interfaz grfica, Circuitos secuenciales, OPC.

KEY WORDS

Pneumatics, Electro-pneumatics, Pneumatic module, Programmable Logic Controller,

Pneumatic control, Graphic Interface, Sequential circuits, OPC.

12

JUSTIFICACIN

La electro-neumtica es una disciplina de uso extendido dentro de la industria

moderna, ya que sus caractersticas de reduccin en los costos de operacin,

seguridad, limpieza, versatilidad y fcil implementacin, hacen de sta una de las

tcnicas ms adoptadas para las tareas de automatizacin dentro de la industria

manufacturera y de procesos. Perspectiva desde la cual se hace necesario que los

programas de ingeniera, afines a la industria, contemplen esta importante disciplina. La

ingeniera electrnica no debe ser ajena a este campo y teniendo en cuenta que en la

universidad existe la falencia de laboratorios para esta rea, entre otros aspectos, se

propone el diseo e implementacin de un mdulo electro neumtico que permita la

realizacin de prcticas que propicien el acercamiento e interaccin con los

dispositivos, a la vez que afiance los conocimientos en electro neumtica como

preparacin para una posible rea de desempeo laboral.

13

Referente

Contextual

14

INTRODUCCIN

La ausencia de laboratorios para el desarrollo de prcticas electro-neumticas en la

universidad de San Buenaventura, sede San Benito Medelln, as como la exigencia de

la industria en personal capacitado en conceptos de automatizacin industrial y a los

altos estndares de calidad y produccin que plantea a las industrias colombianas, los

futuros tratados de libre comercio, promovieron la realizacin de un sistema electro-

neumtico, que permitiera a los estudiantes, desarrollar las habilidades tcnicas y

metodolgicas que les permita interactuar fcilmente con esta tecnologa cuando se

encuentren en el campo laboral. Este desarrollo permite a su vez, la generacin de

nuevo conocimiento y el aprovechamiento ptimo de los recursos destinados para la

adecuacin de los laboratorios.

Para el mdulo bajo las anteriores circunstancias y teniendo en cuenta las

implicaciones de diseo para el uso por estudiantes, se plantearon 4 puntos clave en la

definicin del Mdulo Electro-Neumtico. La primera fase est compuesta por la

creacin de un manual didctico electro neumtico, el cual contiene toda la informacin

relevante para la introduccin a las reas de aplicacin, en este se compila importante

literatura que proporcionar la aprehensin por parte del estudiante de los conceptos

bsicos que le permitan afianzar su conocimiento, acompaado de diversas actividades

propuestas que le faciliten la interaccin con el mdulo.

La segunda fase est compuesta por la comunicacin e interaccin grfica con

LABview. Aqu se programan y enlazan los dispositivos de hardware con el software.

La tercera fase se describe como la elaboracin de los diferentes circuitos en lenguaje

escalera (LADDER) para ser grabados en la memoria del PLC y por ltimo el mdulo

electro-neumtico que contiene el montaje fsico de un circuito neumtico listo para ser

utilizado en forma didctica.

15

ESTADO DEL ARTE

Con el fin de crear un contexto actual, que permita enmarcar el diseo e

implementacin del mdulo electro-neumtico con interfaz de comunicacin en

LABview, al cual hace referencia el presente trabajo, se hace la recopilacin de la

informacin acerca de los mdulos y sistemas para el aprendizaje de la tcnica electro

neumtica proporcionada por los fabricantes de esta clase de equipos.

La compaa Parker Hannifin, ofrece diversos mdulos para el aprendizaje de la

electro-neumtica. En el folleto 1003-5 BR-E, se presenta un banco de entrenamiento

compuesto por unidad de mantenimiento, electrovlvulas direccionales de 3/2 vas y

5/2 vas, fuente de voltaje de 24 Vcc, sensores de proximidad, distribuidor elctrico de 8

salidas, temporizador elctrico con retardo a la conexin, juego de cables con pines de

4mm, interruptores de final de carrera, contactores, con contactos normalmente

abiertos y normalmente cerrados .con este mdulo se realiza el control mediante lgica

cableada usando los contactores para este fin, los componentes neumticos reposan

sobre rieles de aluminio, de los cuales pueden ser removidos, las conexiones de las

mangueras neumticas se realizan mediante conectores de acople rpido .El mdulo

permite una interaccin didctica, facilitando el aprendizaje de la electro neumtica.

La compaa I.T.P software Ltda., presenta el mdulo ITP 3810/5, para el

entrenamiento en las reas de electro neumtica y PLC, que integra adems de los

componentes neumticos bsicos presentes en la mayora de mdulos didcticos, un

micro PLC Simatic S7-200 de 8 entradas y 6 salidas digitales, lo que permite la

realizacin del control de las secuencias, mediante la programacin del software Step 7

Microwin, el cual puede comunicarse e intercambiar datos con Excel, Visualc++,y

Photoshop, mediante el software Simatic Microcomputing. La ventaja presente en este

mdulo es la integracin de la neumtica con el PLC, lo que permite un entrenamiento

de los estudiantes en temas muy actuales dentro de la industria.

El sistema didctico para el aprendizaje de la neumtica, modelo 6081 presentado por

LAB-VOLT, est constituido por 6 subsistemas: fundamentos de neumtica,

aplicaciones de neumtica, electro-neumtica, PLC, servo control de sistemas

neumticos y deteccin de fallas. Adems el mdulo se encuentra en formato

electrnico, lo que permite el aprendizaje virtual desde el computador, mediante la

interaccin con el software de simulacin en neumtica (LVSIM-PNEU), lo cual hace

16

del mdulo un potencial laboratorio virtual para la enseanza a distancia de la tcnica

electro-neumtica.

17

CAPTULO 1

Marco

Conceptual

18

PRINCIPIOS FSICOS DE LA NEUMTICA

1.1. La materia

La materia est representada por todo aquello que posee masa y volumen, por

ejemplo las estrellas, los planetas, los automviles, los edificios, el ocano, l

oxgeno, etc. Cada uno tiene propiedades fsicas que los enmarcan en uno o varios

de los estados. A la actualidad se han determinado seis posibles estados de la

materia: solido, liquido, gaseoso, plasma, condensado de Bose-Einstein,

condensado de Fermi, y sper solido; este ltimo considerado como un posible

nuevo estado. Cada uno de ellos posee caractersticas fsicas que lo diferencian de

los otros, posibilitando la identificacin de la materia y sus caractersticas.

1.1.1. Estado solido

Caracterizado por su dureza y forma definida proporcionada por la

cohesin presente entre sus molculas, formando lazos estrechamente

ligados con poca o nula movilidad, lo que define el grado de dureza y

rigidez del material, algunos ejemplos son los metales, el hormign, la

roca.

1.1.2. Estado lquido

Los cambios en el incremento de la temperatura generan actividad

molecular, lo que permite que estas se separen lo suficiente para

alcanzar una velocidad, guardando una distancia apenas inferior a la del

estado slido, suficiente para conservar el volumen del material y permitir

la fluidez y adaptabilidad al recipiente o entorno que lo contenga. Su

compresibilidad es casi nula por la cercana entre las molculas, como

ejemplo de este estado tenemos el agua.

1.1.3. Estado gaseoso

A temperaturas elevadas las molculas presentan poca o nula cohesin,

lo que permite facilidad para expandirse y ocupar grandes e irregulares

volmenes, las molculas se encuentran tan separadas entre s que

facilitan la dispersin del material. El estado gaseoso se caracteriza por

permitir la compresin debido a su baja densidad. Ejemplo, nitrgeno, aire

19

comprimido, humo de las fbricas. La Figura 1 muestra el estado gaseoso

de un lquido sometido a temperatura elevada.

Figura 1. Estado gaseoso

1

1.1.4. El plasma

Se forma bajo condiciones extremas de temperatura y alta energa, esto

permite la liberacin de molculas de sus tomos, el gas se ioniza y se

carga con iones positivos, ocasionando la presencia de tomos altamente

conductores, luego, la alta temperatura excita violentamente los tomos

que se mueven libremente generando el cuarto estado de la materia. La

Figura 2 muestra un estado de plasma. Un claro ejemplo para este estado

es el sol.

Figura 2. El plasma2

1 Imagen Tomada de Cadena, disponible en:http://cccg90.blogspot.com/2009/11/gaseoso.html. Consultado en:

27/Noviembre/2010. 2 Imagen tomada de Justin Davey, disponible en:www.tvsnob.com/archives/cat_plasma.phpConsultado en:

27/Noviembre de 2010.

20

1.1.5. Condensado de Bose-Einstein

Este se conoce como el quinto estado de la materia, fue desarrollado en

laboratorio por los fsicos Eric Cornell, Wulfgan Ketterle, y Carl Wieman

con base en la teora elaborada por los fsicos Einstein y Bose en 1924.

Los cientficos lograron enfriar los tomos a un estado cercano al cero

absoluto, desarrollando un sper fluido que se caracteriza por contener

tomos libres de friccin mecnica y alcanzando idntico estado cuntico

y un nivel energtico reducido.

1.1.6. Condensado de Fermi

Estado de la materia creado en la universidad de colorado en el ao

1999, sus caractersticas principales son la sper fluidez obtenida a

temperaturas cercanas al cero absoluto, est formado por partculas

fermionicas, a diferencia del condensado de BoseEinstein formado por

partculas bosonicas. Las molculas de gas fermionico se comportan

como ondas debido a que su estabilidad es temporal.

1.1.7. El sper solido: posible nuevo estado

Los tomos de helio-4 son enfriados a una temperatura cercana al cero

absoluto, lo que ocasiona que la materia se comporte como un sper

solido formado por una pelcula rgida aunque en su interior los tomos se

mueven libremente, permitiendo que la materia simultneamente se

comporte como sper lquido alcanzando el mismo estado cuntico.

1.2. La presin

Se denomina presin a la magnitud que relaciona la intensidad de la fuerza que acta

sobre un rea, con la unidad de superficie. Se calcula dividiendo la intensidad de la

fuerza por el rea sobre la cual acta.

(1)

En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de presin es el pascal (PA), el

cual es equivalente a una fuerza de un Newton aplicada sobre una superficie de un

metro cuadrado.

21

(2)

En la prctica es de uso extendido la unidad de presin del sistema ingls (PSI), que es

equivalente a una fuerza de una libra aplicada sobre una superficie de una pulgada al

cuadrado, sin embargo en el documento anexo, la Tabla 1 ensea una aproximacin

para la conversin de unidades a fin de facilitar el trabajo con las mismas.

(3)

Es de anotar que la intensidad de la fuerza que se toma para el clculo de la presin es

la que acta sobre la superficie.

Figura 3. Descomposicin de la fuerza

Para el caso de la Figura 3, se calcula la presin con la intensidad de la componente

perpendicular, ya que esta es la que acta sobre la superficie.

A continuacin se hace una descripcin detallada de los tipos de presin en los cuales

se hace posible la aplicacin de las anteriores ecuaciones.

1.2.1. Presin atmosfrica

Se define como la fuerza que ejerce el aire de la atmosfera sobre

cualquier punto de la superficie terrestre, esto quiere decir que todo ser u

objeto en la tierra experimenta el peso del aire, ahora bien, ya que todo

este peso se distribuye uniformemente sobre todos los puntos y en todas

las direcciones, no es posible percibirlo. A medida que la altitud aumenta,

la densidad del aire disminuye, as que la presin atmosfrica vara de

forma inversamente proporcional con la altitud sobre el nivel del mar, de

esta forma, el nivel del mar se ha establecido como punto de referencia.

22

1.2.2. El experimento de Torricelli

En el ao 1643, el fsico italiano Evangelista Torricelli, descubri una

forma de medir la presin atmosfrica. Tom un tubo de vidrio de un

metro de altura, luego de llenarlo de mercurio lo volte sobre una cubeta

llena del mismo fluido, as descubri que la columna de mercurio baj

hasta alcanzar una altura de 760 mm. Debido a que el experimento fue

llevado a cabo a nivel del mar, se determin que la presin en este punto

es equivalente a 760mmHg, unidad equivalente a una atmosfera (atm),

como se puede observar en Tabla 1.

UNIDAD PSI mmHg Atm 1mBAR KPA

0,1450 7,5000 9,869e10-3 10 1

0,0145 0,7500 9,869e10-4 1 14,66 760 1 1013 101,3

1,93e10-2 1 1,31e10-3 1,3332 0,1333

1 51,715 0,680 68,947 6,8947 Tabla 1. Conversin de unidades de presin

1.2.3. Presin absoluta, atmosfrica y manomtrica

Al realizar mediciones de presin es normal que estas se relacionen con

una presin de referencia. La presin de referencia normalmente utilizada

es la atmosfrica, por lo cual algunos instrumentos para medir presin,

tienen el cero en la presin atmosfrica.

En general a la presin que se mide con el manmetro, se le denomina

presin manomtrica. La presin absoluta se obtiene midiendo con el

manmetro respecto al vaco absoluto y a esta medicin se le suma la

presin atmosfrica. Una forma de relacionar estas presiones est dada

mediante (4).

(4)

Donde define la presin manomtrica, la presin absoluta y

la presin atmosfrica.

Se debe tener en cuenta que la presin absoluta siempre es positiva, una

presin manomtrica menor que la atmosfrica es negativa, y en

ocasiones es llamada vaco. La Figura 4 expresa grficamente la escala

de presiones.

23

Figura 4. Escala de presiones

El punto cero de la presin manomtrica, corresponde a la presin

atmosfrica. Por otro lado, para la presin absoluta el punto cero

corresponde al vaco absoluto.

1.2.4. Principio de continuidad en los fluidos

Considrese que en la tubera graficada en la Figura 5, fluye un lquido

incompresible y de densidad constante. Por cada seccin del tubo pasa el

mismo volumen por unidad de tiempo, es decir el mismo caudal.

Figura 5. Principio de continuidad

La ecuacin (5) expresa el caudal en cada uno de los trayectos, como el

producto de la velocidad del fluido (V), por el rea de la seccin

transversal (A).

(5)

Teniendo en cuenta el principio de continuidad para los fluidos, de la Figura 5 se puede encontrar el caudal se conservar igual en ambos

24

trayectos, esto permite determinar que para un incremento en el rea, se presenta una cada de velocidad ya que el producto entre estas dos variables se conserva igual. De igual forma en el caso en que se presente una reduccin en el rea, se generar un incremento de velocidad conservando igual el caudal en ambos trayectos.

1.2.5. Efecto Venturi

El fsico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822), demostr que para

un fluido en movimiento, al pasar por una reduccin de seccin

transversal, su presin disminuye y su velocidad aumenta. Esto puede

explicarse al Utilizar el principio de continuidad, con el cual se puede

establecer que debido a que caudal permanece igual en todos los puntos

de la tubera, al reducirse la seccin, necesariamente la velocidad debe

aumentar y as mantener el sistema en equilibrio. Adicionalmente el

Teorema de Bernoulli establece que al aumentarse la energa cintica,

debido al incremento de velocidad, debe disminuir la energa generada

por la presin, y as mantener el balance de energa.

En la Figura 6, se puede observar el efecto Venturi. En el punto de

estrechamiento de la tubera se presenta una cada de presin, por lo

tanto el diferencial de altura h cambia. Este efecto es comnmente

utilizado en las ventosas industriales para aplicaciones como la sujecin

de piezas.

Figura 6. El efecto Venturi3

Dentro de las aplicaciones del efecto Venturi, se encuentran los

medidores de caudal basados en el efecto, incremento de velocidad en

algunos fluidos, ventosas, carburadores de los vehculos, en la

aeronutica entre otros.

3 Imagen tomada de HTMLPUBLIC, disponible en: http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/404832 Consultado

en: 27/Noviembre de 2010.

25

1.2.6. Principio de Pascal

Es una ley enunciada por el fsico y matemtico francs BLAISE PASCAL

(1623-1662). El principio de Pascal afirma que la presin aplicada sobre

el fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas las

direcciones y a todas partes del recipiente. Este principio se puede

comprobar con una esfera hueca, perforada en diferente lugares y

provisto de un embolo, se observa que el agua sale por todos los

agujeros con la misma presin. La Figura 7 muestra La prensa hidrulica,

que constituye la aplicacin fundamental del principio de Pascal.

Figura 7. La prensa hidrulica

Si se ejerce una fuerza (F1) mediante el pistn pequeo sobre el lquido,

de acuerdo al principio de pascal, la presin se transmite a todos los

puntos de este, de manera uniforme. El pistn grande (A2) experimenta

una fuerza (F2), de manera que mientras el pistn pequeo baja, el

grande se dirige hacia arriba. La presin es la misma en ambos cilindros,

y en consecuencia, si se igualan las presiones, es posible observar que la

fuerza que se aplica en el pistn grande es igual a (F1), multiplicada por el

factor (A2/A1) como se observa en (7).

1.3. Caudal

Es conocido tambin como flujo o caudal volumtrico. Esta variable determina el

Volumen que circula por un ducto en la unidad de tiempo. Es de vital importancia

dentro de la industria de procesos, y para la aplicacin particular en los circuitos

(7)

26

neumticos, est en estrecha relacin con la velocidad de los cilindros, que vara de

forma directamente proporcional con el caudal, como ser estudiado con mayor detalle

en el CAPTULO 2.

1.3.1. Unidades de caudal

Estn dadas en unidades de volumen sobre unidades de tiempo, dentro

del sistema internacional la ms utilizada es m3/s, adems dentro de la

industria son de uso extendido las unidades de gl/min y lt/min. En la Tabla

1 se muestran los factores de conversin para esta variable.

1.3.2. Caudal Msico (gasto)

Conocido tambin como flujo msico. Determina la masa que atraviesa

una tubera en la unidad de tiempo. Es una unidad de uso extendido en

instrumentacin de sistemas termodinmicos Ya que el flujo msico

determina la variacin de la masa en la unidad de tiempo, la unidad de

medida dentro del sistema internacional es, Kg/s, dentro del sistema

ingles la unidades ms usuales, Lb/min.

1.3.3. Medicin de caudal

Uno de los ms importantes aspectos dentro del control de procesos

industriales, es la medicin del caudal en los fluidos, y de acuerdo al tipo

de fluido, se utiliza el mtodo ms apropiado. Este mtodo puede ser

aplicable a lquidos, a gases y vapores, o a todos ellos.

En el momento de seleccionar el mtodo ms apropiado para la medicin,

se deben tener en cuenta las condiciones del proceso, el principio de

operacin y las caractersticas de funcionamiento de los diferentes

medidores de flujo disponibles.

Las aplicaciones ms habituales encontradas en la industria son: la

medicin de las cantidades de gases o lquidos utilizados en un proceso

dado, controlar las cantidades adicionales de determinadas sustancias

aportadas en ciertas fases del proceso, mantener una proporcin dada

entre dos fluidos y medir el reparto de vapor en una planta.

De acuerdo al principio de operacin, los medidores de flujo pueden ser

clasificados como medidores diferenciales, medidores de desplazamiento

positivo, medidores de rea variable y medidores volumtricos. A

27

continuacin se presentan los instrumentos ms conocidos dentro de la

industria para la medicin de caudal.

1.3.3.1. Caudalmetro

Instrumento que sirve para medir el caudal o cantidad de

fluidos en movimiento que fluye por un conducto cerrado o

abierto. Constituye uno de los instrumentos industriales de

mayor uso, debido a la importancia de esta variable. La Tabla 2

muestra la instrumentacin usada en la industria para la

medicin de caudal.

INSTRUMENTOS PARA MEDICIN DE CAUDAL

Tipo de Medida Caractersticas

Volumen de agua (Flujo volumtrico)

Directos o Por desplazamiento positivo.

Indirectos o Por presin diferencial.

Platina de orificio. Codo. Tobera. Venturi

o De turget Ultrasnico

Doppler

T. Trnsito Canal abierto

Vertedero

Canaleta

Masa de agua (Flujo Msico)

Efecto Coriolis

Trmicos

Indirectos o De la misma manera que la

medicin de flujo volumtrico.

Tabla 2. Mtodos de medicin

1.4. Propiedades de los fluidos neumticos

Los circuitos y dispositivos neumticos estn diseados para trabajar mediante la

presin del aire, el cual circula por las lneas y equipamiento neumtico, a la vez que es

tratado en su trayectoria para garantizar la correcta operacin de los circuitos. El aire,

28

se caracteriza por su abundancia en el planeta, la facilidad para su tratamiento, la

limpieza en las operaciones y bajo costo. Entre las propiedades fsicas del aire se

encuentran: la compresibilidad, difusibilidad, elasticidad, y expansibilidad, estas

propiedades se explicaran a continuacin.

1.4.1. Compresibilidad

Propiedad particular de los gases que permite mediante aplicacin de

presin y variacin de temperatura la compresin del gas, permitiendo

confinarlo en envases para aplicaciones especficas. La poca cohesin

presente entre las molculas en el estado gaseoso permite que estas se

desplacen libremente y sin forma determinada, generando espacios entre

ellas, el cual es aprovechado para lograr la compresin mediante la

aplicacin de presin.

1.4.2. Difusibilidad

La mezcla del aire con otros gases no saturados en compaa de los

olores caractersticos propios de cada uno gases y el desplazamiento por

el ambiente, permiten su deteccin mediante el sentido del olfato, esta

fusin que puede presentarse parcial o completamente se conoce como

Difusibilidad.

1.4.3. Elasticidad

Mediante la aplicacin de fuerzas externas aplicadas al aire, se logra

obtener la compresin del mismo, una vez se retira esta fuerza el aire

tiene la propiedad de regresar a su estado inicial o natural, esta fase se

denomina elasticidad.

1.4.4. Expansibilidad

La poca cohesin presente entre las molculas del aire permite que este

se expanda ocupando grandes espacios, o llenando por completo el

volumen del recipiente que los contenga.

29

CAPTULO 2

ELEMENTOS DE LAS

INSTALACIONES

NEUMATICAS

30

2.1. Compresor

El compresor es clasificado dentro de la mecnica como una mquina trmica, es muy

utilizado en la industria para diferentes procesos. Internamente se encuentra

conformado por pistones, bombas de lubricacin, anillos de presin, cigeal y crter,

entre otros elementos que varan de acuerdo al tipo constructivo. La accin conjunta de

todos estos elementos hacen del compresor, una mquina capaz de hacer que los

fluidos comprensibles tales como los vapores o gases, incrementen su energa, la cual

se puede llamar energa de flujo, ya que la energa ganada por la sustancia fluye con

mayor presin y aumenta su energa cintica.

El compresor recoge el aire con una presin atmosfrica dada y le aumenta o le da

mayor presin, emplendose este en los diferentes equipos neumticos conocidos en

el comercio, industria, aires acondicionados, motores de aviacin y produccin de

energa elctrica.

En la actualidad, dentro de la industria se cuenta con diversos tipos de compresores,

los cuales se eligen de acuerdo a las necesidades que presente la aplicacin especfica

y teniendo en cuenta criterios de capacidad, espacio, presin de trabajo, clculo del

ciclo de trabajo, caudal, instalacin rendimiento, mantenimiento, el tipo de gas, entre

otros. A continuacin se presentan los tipos de compresores ms utilizados, partiendo

de una clasificacin de acurdo al tipo constructivo, a partir de esto se distinguen dos

grandes grupos, los compresores de desplazamiento positivo y los compresores

dinmicos.

2.1.1. Compresor de desplazamiento positivo

En los compresores de desplazamiento positivo, los gases son

comprimidos en un espacio cerrado reduciendo su volumen mediante la

accin de un pistn o rotor, con lo cual se logra un incremento de presin

en la descarga. Estos se usan para condiciones de alta presin y poco

volumen. A continuacin se presentan los principales compresores de

desplazamiento positivo.

2.1.2. Compresor rotativo de lbulos

Este tipo de compresor, que por su baja presin tiene limitadas

aplicaciones dentro de la neumtica, posee dos rotores simtricos en

paralelo, los cuales son sincronizados por engranajes. Es un sistema

simple cuyo funcionamiento es similar al de la bomba de aceite del motor

de un automvil, en el cual se requiere un flujo constante. Posee pocas

31

piezas en movimiento, lo que disminuye las prdidas de energa por

friccin.

2.1.3. Compresor rotativo tipo tornillo

Poseen dos tornillos engranados que rotan paralelamente con una luz

mnima y estn sellados por una mezcla de aire y aceite. Son silenciosos,

de tamao reducido, de bajo costo, de fcil mantenimiento, flujo de aire

continuo, volmenes y presiones moderadas.

2.1.4. Compresor rotativo tipo paletas

Su eje gira con alta velocidad mientras la fuerza centrfuga desplaza las

paletas hacia el estator. Un ejemplo es la bomba de la direccin hidrulica

de un vehculo. Es reducido en su tamao, silencioso, con flujo continuo

de aire, buen comportamiento en frio, son sensibles a partculas y de fcil

mantenimiento.

2.1.5. Compresor alternativo tipo pistn

Es semejante al motor de un automvil, que puede ser de efecto simple

para bajas presiones o doble para altas presiones. Los pistones, vlvulas

y cojinetes requieren lubricacin, son de gran tamao, ruidosos, con fluido

intermitente de aire, temperatura de funcionamiento en caliente a 220C,

requiere de un mantenimiento peridico y de alto costo, con muy alta

presin y poco volumen. Dentro de esta categora se pueden encontrar

los compresores de Efecto simple, que se usan normalmente en talleres

de pintura para soplar, para el manejo de herramientas neumticas y el

inflado de neumticos y los de Efecto doble (dplex) son utilizados en

sistemas de altas presiones de compresin de gases.

2.1.6. Compresor dinmico

Los compresores dinmicos imprimen energa cintica al aire mediante la

alta velocidad de rotacin de los impulsores, parte de esta energa se

convierte en presin a la descarga. Es utilizado cuando se requiere

mucho volumen de aire y presin baja, un ejemplo es el ventilador de

alavs utilizado para secado en la industria. Se dividen en radiales y de

flujo axial, ambos tienen una ventaja en comn, el flujo continuo, adems

tienen pocas piezas en movimiento que disminuyen perdidas de energa

por friccin y calentamiento.

32

2.1.7. Compresor Centrfugo

Este tipo de compresor es similar a una turbina, su funcionamiento est

basado en la compresin de aire por fuerza centrfuga. Consta de aspas

que giran en un solo eje tomando aire o gas por una entrada de mayor

dimetro que se acelera por la fuerza centrfuga y lo vota por una salida

de menor dimetro. El gas o el aire que toma, sale libre de aceites y

contaminantes. Su funcionamiento es en seco. Dentro de los

inconvenientes que presentan este tipo de compresores, se encuentra su

robustez y el alto ruido que generan.

2.1.8. Compresor de flujo axial

En los compresores de flujo axial, el aire fluye en la direccin del eje.

Consta de una serie de aspas mviles ancladas al eje como un abanico y

alabes fijos anclados a la carcasa. Este tipo de compresores pocas veces

es utilizado dentro de la neumtica industrial ya que proporcionan un alto

caudal pero a muy bajas presiones.

2.2. Unidades de Mantenimiento (FRL)

De una buena calidad del aire comprimido depende el buen funcionamiento y duracin

de equipos e instalaciones neumticas. Para lograr este objetivo, el aire se debe

someter a tres operaciones; filtracin, regulacin y lubricacin, esto se logra con el

conjunto FRL que compone la unidad de mantenimiento, formado por un secador, un

filtro, la regulacin de presin prevista por un manmetro, el lubricador y la vlvula de

escape.

33

Figura 8. Unidad de mantenimiento

4

Cada uno de estos elementos pueden ser visualizados en la Figura 8, los cuales se

encargan de funciones especficas, esto es, el secador; reduce la cantidad de vapor de

agua que se encuentra en el aire, el filtro; somete al aire a un proceso de centrifugado

de modo que las impurezas lquidas o solidas que este contiene, son disparadas contra

las paredes del filtro y se depositan en una cmara, luego el aire pasa a travs de un

cartucho filtrante y se completa el proceso de limpieza. El regulador mantiene una

presin estable de aire en el circuito neumtico la cuales mostrada en el manmetro, el

lubricador; incorpora aceite nebulizado al aire comprimido para evitar la corrosin o la

oxidacin de los componentes del circuito y garantiza el deslizamiento ptimo de partes

mviles, finalmente, la vlvula de escape se encarga de expulsar al exterior el aire

cuando la presin supera el lmite permitido.

2.3. MANMETRO

Instrumento que se utiliza para medicin de presin de fluidos y que procede

determinando diferencias entre la presin del fluido y la presin local. Las presiones

medidas con este instrumento pueden variar y tener distintos rangos. Existen diversos

tipos que sirven para determinar diferentes presiones: Absoluta, Diferencial y Vaco, los

cuales se describen a continuacin.

4 Imagen tomada de Airon Tools, disponible en: http://www.airontools.com/mantenimiento.htm consultado en:

27/Noviembre de 2010.

34

2.3.1. Manmetro Bourdon

Instrumento mecnico de medicin compuesto por un tubo de metal

curvado o torcido y de seccin transversal aplanada, uno de los

extremos de dicho tubo permanece cerrado, por tal razn la presin a

medir se aplica al otro extremo. A medida que la presin aumenta este

tubo comienza a tomar forma circular y a enderezarse, lo que es

aprovechado para fijar la aguja y tomar la medicin.

Figura 9. Manmetro de Bourdon5

2.3.2. Manmetro de columna lquida

Consta de una columna lquida empleada en mediciones diferenciales de

las presiones de ambos fluidos.

Figura 10. Manmetro de columna lquida6

5

Imagen tomada de www.leitenberger.de/ dt/001-002_e.htm, disponible en: webdelprofesor.ula.ve/.../manometros.html consultado en: 29/Noviembre de 2010.

35

2.3.3. Manmetro de tubo inclinado

Empleado para medir presiones manomtricas inferiores a 250mm de

columna de agua.

Figura 11. Manmetro de tubo inclinado

7

2.4. Vlvulas neumticas

Dentro de los circuitos neumticos, se hace necesario alimentar, descargar los

actuadores, direccionar el flujo de aire, regular el flujo y la presin en el momento

indicado, de acuerdo al control que se quiera ejercer. Todas estas funciones son

realizadas por diversos tipos de vlvulas neumticas.

Segn el tipo de trabajo que realizan, las vlvulas neumticas se clasifican como

vlvulas de control direccional, vlvulas anti retorno, vlvulas reguladoras de presin y

vlvulas reguladoras de caudal. A continuacin se presentan cada una de estas.

2.4.1. Vlvulas de control direccional

Son las vlvulas que dirigen el flujo de aire a travs de los diferentes

conductos del circuito, con el fin de controlar la actuacin y paro de los

cilindros o motores neumticos. Los datos que permiten un completo

conocimiento de estas vlvulas son el nmero de posiciones, el nmero

de vas, la posicin en reposo, el tipo de accionamiento, el tipo de retorno

y el Caudal. A continuacin se explica cada uno de los datos que

describen las vlvulas direccionales.

6 Imagen tomada de www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/h12/, consultado en: 29/Noviembre de 2010.

7 Imagen tomada dewww.hellopro.es/HK_instruments-2102-noprofil-..., consultada en: 29/Noviembre de 2010.

36

2.4.1.1. Nmero de posiciones

Por simbologa, las vlvulas neumticas estn representadas por

grupos de cuadrados adyacentes que forman un rectngulo. El

nmero de cuadrados determina cuntas posiciones o maniobras

puede realizar la vlvula, es decir los estados que caracterizan a la

vlvula. La informacin acerca del nmero de posiciones se

presenta en la Figura 12.

Figura 12. Numero de posiciones en las vlvulas de vas

2.4.1.2. Nmero de vas

Determina el nmero de conexiones que posee la vlvula. Solo se

cuentan las conexiones en una de las posiciones. Para cada

posicin la vlvula posee el mismo nmero de conexiones, pero

con direcciones de flujo distintas. Son consideradas como vas, las

entradas de aire, conexiones de utilizacin y los escapes.

Un mtodo adecuado para determinar el nmero de vas, consiste

en contar el nmero de veces que los elementos internos tocan el

extremo de un cuadrado o posicin. La Figura 13 muestra como

determinar el nmero de vas.

Figura 13. Nmero de vas

37

2.4.1.3. Identificacin de los orificios de las vlvulas

La identificacin de los orificios de las vlvulas depende de cada

fabricante, sin embargo se presentan dos tipos de identificacin,

una literal presentada por la norma DIN 24300, y una forma de

identificacin numrica, presentada por la norma ISO1219. La Tabla

3 muestra la identificacin mediante las dos normas.

Accin NORMA DIN 24300 NORMA ISO 1219

Presin p 1

Utilizacin A B C 2 4 6

Escape R S T 3 5 7

Pilotaje X Y Z 10 12 14 Tabla 3. Identificacin de orificios

De la tabla se pueden identificar cada accin como presin;

alimentacin de fuente de aire comprimido, utilizacin; orificios de

utilizacin para diversas vlvulas, escape; drenaje de aire

canalizados o libres y pilotaje; lneas para transmisin de energa

del tipo de comando.

2.4.1.4. Tipo de accionamiento

Las vlvulas requieren de algn tipo de mecanismo, interno o

externo, que realice la conmutacin entre una posicin a otra, con

lo cual se genere el cambio en las direcciones del flujo de aire, de

acuerdo a la aplicacin especfica.

Dentro de los diversos accionamientos pueden distinguirse Los

accionamientos manuales, los accionamientos mecnicos, los

accionamientos neumticos, los elctricos y los combinados.

La Tabla 4 presenta los tipos de accionamiento ms utilizados y la

simbologa que los representa.

38

GRUPO TIPO DE

ACCIONAMIENTO SIMBOLOGA DESCRIPCIN

MANUAL

Botn

Tambin denominados accionamientos musculares.

Son accionados por el operador del sistema,

proporcionan seguridad y son de amplio uso en

accionamientos o paros de emergencia.

Palanca

Pedal

MECANICO

Pin

Tambin denominadas vlvulas de fin de curso o de

final de carrera. Nacen a partir del avance en

automatizacin, donde se hace til que el

accionamiento se realice mediante el contacto

mecnico con partes mviles de la mquina,

permitiendo as que se ejecute la secuencia sin

necesidad de la intervencin de un operador.

Rodillo

Gatillo

39

NEUMTICO

Piloto positivo

En las vlvulas de accionamiento neumtico, la

conmutacin se da mediante el uso de una seal de

aire comprimido, proveniente de otro punto del

circuito. Son de gran utilidad en ambientes

clasificados donde el uso de seales elctricas

constituye un peligro potencial, como lo son las

plantas con solventes, combustibles y explosivos,

entre otras.

En las vlvulas de piloto positivo, se produce la

conmutacin cuando un impulso de presin es

aplicada sobre esta.

En las de piloto negativo se produce la conmutacin

cuando se genera la despresurizacin de los pilotos.

Piloto negativo

Diafragma

ELECTRICO Solenoide

Comnmente llamadas electrovlvulas. En estas, la

conmutacin se da mediante seales elctricas,

provenientes de controladores lgicos programables,

temporizadores, contactores, rels, presostatos,

entre otros. Dentro de sus ventajas se cuenta la

velocidad de respuesta, y la posibilidad de construir

complejas secuencias de control.

COMBINADO

Solenoide y piloto

Este tipo de vlvulas tambin recibe el nombre de

accionamiento por servo pilot, permiten la

conmutacin mediante varios tipos de

accionamientos, siendo til en el caso en que se

produzca una falla en la seal elctrica, en el

momento de probar el circuito sin alimentacin, o en

un paro de emergencia.

Solenoide, botn y piloto

Tabla 4. Accionamientos para vlvulas neumticas

40

2.4.2. Vlvulas de retencin

Este tipo de vlvulas permiten el paso de aire comprimido en un sentido, y

lo impiden en el sentido contrario. Su principio de funcionamiento se basa

generalmente en la accin de un resorte que mantiene asentado un cono

sobre su tope, en sentido de flujo el aire vence la contrapresin ejercida

por el resorte, permitiendo as el flujo de aire, en el sentido contrario el

resorte mantiene el cono contra el tope, impidiendo su paso.

Figura 14. Vlvula de retencin

2.4.3. Vlvulas de control de flujo

En muchas ocasiones dentro de los circuitos neumticos, se hace

necesario regular el caudal que pasa por cierto trayecto, generalmente

cuando se quiere regular la velocidad de avance o retroceso en un

cilindro, ya que esta es funcin del caudal de alimentacin, o para realizar

funciones de temporizacin neumtica. Las vlvulas utilizadas para tales

fines son denominadas de control de flujo o vlvulas de control de caudal.

A continuacin la Figura 15 presenta el smbolo utilizado para una vlvula

reguladora de caudal unidireccional, con vlvula de retencin para el

sentido contrario al flujo.

Figura 15. Vlvula reguladora de caudal unidireccional

41

Cuando dentro de un circuito neumtico se requiere controlar la velocidad

de un cilindro, se cuenta con dos tcnicas, regulacin a la entrada y

regulacin a la salida.

2.4.3.1. Regulacin a la entrada

La regulacin a la entrada consiste en restringir el flujo de aire

a la entrada del cilindro, y expulsarlo libremente a la atmosfera.

En este tipo de control se tendr una velocidad poco regular

debido a que depende de la oposicin que genera la carga, por

tanto si la carga fuera retirada, el pistn acelerara sbitamente.

Este tipo de control no es recomendable cuando se traslada

una carga y existen exigencias de velocidad uniforme y valores

de desplazamiento precisos.

Figura 16. Regulacin a la entrada

2.4.3.2. Regulacin a la salida

Cuando se requiere velocidad uniforme y valores de

desplazamiento precisos, es necesario realizar el control

mediante la regulacin del flujo de aire a la salida del cilindro.

Mediante esta tcnica adems de garantizarse un avance

uniforme, no se presentarn aceleraciones abruptas en el

momento en que el cilindro venza la oposicin generada por la

carga, lo que redundar adems en mejores condiciones de

operacin para los componentes del circuito.

42

Figura 17. Regulacin a la salida

2.4.4. Vlvulas de presin

Dentro de los circuitos neumticos, se hace necesario ejercer control

sobre la presin de mando y ejecutar secuencias a partir de ciertos

valores de presin, para el logro de tales fines se pueden distinguir los

siguientes tipos de vlvulas de presin:

2.4.4.1. Vlvulas reguladoras de presin

Se denominan vlvulas manorreductoras o vlvulas

reguladoras de presin a las encargadas de mantener

constante una presin de funcionamiento pre-ajustada dentro

de un trayecto en un circuito neumtico. Cuando la presin de

entrada aumenta, la vlvula cierra, bajando su pistn contra el

asiento, permitiendo el escape de la presin excedente a travs

de una serie de orificios. Cuando se alcanza la presin ajustada

el pistn vuelve a subir cerrando los orificios, con lo cual se

mantiene la presin constante. Generalmente las unidades de

mantenimiento traen incluida una vlvula reguladora de

presin, que permite ajustarla en el punto de funcionamiento

que requiera la aplicacin especfica. La Figura 18 presenta el

plano en corte y la simbologa para las vlvulas reguladoras de

presin.

43

Figura 18. Vlvulas reguladoras de presin

2.4.4.2. Vlvulas limitadoras de presin

Tambin son denominadas vlvulas de seguridad o de

sobrepresin. Debido a que dentro de los circuitos neumticos

pueden producirse picos de presin momentneos,

generalmente cuando se presentan cargas de oposicin

elevadas y fuera de lo normal, se hace necesario utilizar

vlvulas que limiten la presin a un punto mximo admisible,

para tal fin se cuenta con las vlvulas limitadoras de presin.

2.5. Cilindros neumticos

Las diversas aplicaciones industriales han contribuido al desarrollo de deferentes

cilindros neumticos que proporcionan adaptabilidad y maniobrabilidad en el campo

industrial. Mediante la aplicacin de fuerza generada por la presin de aire se obtiene

el desplazamiento del vstago el cual es aprovechado para la ejecucin de diferentes

aplicaciones.

44

2.5.1. Cilindro de simple efecto

Este dispositivo ha sido diseado y fabricado para actuar con una

alimentacin por manguera de aire. El trabajo que realiza cuando el flujo

de aire es inyectado a travs del orificio de entrada, se define como

desplazamiento del vstago. Este convierte la energa aplicada en trabajo

mecnico, el retroceso del mismo es logrado a travs de un fuelle o

resorte calculado especficamente de acuerdo al tamao y longitud de la

carrera del vstago; la carrera del vstago es la longitud expresada en

milmetros del pistn. El trabajo o energa entregado por un cilindro de

simple efecto solo puede ser aprovechado en un solo sentido, ya que el

retroceso del mismo no contiene energa suficiente para su

aprovechamiento. En la Figura 19 puede observarse un cilindro de simple

efecto.

Figura 19. Cilindro de simple efecto

2.5.2. Cilindro de doble efecto

Dispositivo diseado para realizar trabajo mecnico de doble sentido, la

fuerza es obtenida mediante la aplicacin de flujo de aire a travs de las

dos cmaras u orificios de entrada. La carrera del vstago en posicin de

avance es lograda mediante la aplicacin de aire por una de las cmaras,

y el retroceso del mismo cuando se aplica el aire en la otra cmara. Este

cilindro es ideal para realizar trabajos que requieran aplicacin de fuerza

en ambos sentidos. La Figura 20 presenta cada una de las partes que

componen un cilindro neumtico de doble efecto.

45

Figura 20. Cilindro de doble efecto

8

2.5.3. Cilindro de doble efecto con amortiguador

La amortiguacin en los cilindros de doble efecto est constituida por una

cmara de aire dentro del dispositivo que permite al pistn un retroceso

controlado permitiendo una amortiguacin al final de la carrera del

vstago, las caractersticas de construccin son similares al cilindro de

doble efecto convencional, con la diferencia que la carrera del vstago en

el retroceso para un cilindro con amortiguacin es menor, debido al

espacio ocupado por la cmara de aire. El plano en corte del cilindro de

doble efecto con amortiguador puede observarse en la Figura 21.

Figura 21. Cilindro de doble efecto con amortiguador

9

2.5.4. Cilindro de doble efecto con doble vstago

Cilindro construido con diseo especial de doble gua que permite la

estabilidad del vstago tanto en el avance como en el retroceso, las

entradas de aire se encuentran ubicadas en cada extremo del cilindro,

adems est provisto de juntas especialmente diseadas para restringir el

acceso de suciedades u otros agentes externos que Puedan interferir con

el correcto desempeo del cilindro, es ideal para aplicaciones que

8 Imagen tomada de http://sitioniche.nichese.com/cilindros-dobles.html. consultada en: 27/Noviembre de 2010.

9 Imagen tomada de http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm consultada en: 27/Noviembre de

2010.

46

requieren aplicacin de fuerza en ambos sentidos ya que el vstago se

encuentra reforzado a ambos lados por las dos guas. La Figura 22

permite observar la estructura interna del cilindro de doble vstago.

Figura 22. Cilindro de doble vstago

10

2.5.5. Cilindro de simple efecto telescpico

Construccin mediante camisas huecas que contienen cada una un

cilindro de menor dimetro, su funcionamiento consiste en la extraccin

de cilindros en orden ascendente comenzando por el cilindro de mayor

dimetro y terminando con el ms pequeo, el cual es rgido y compacto,

este tipo de cilindro es ideal para aplicaciones que cuentan con poco

espacio. El principio fsico de funcionamiento es idntico al cilindro de

simple efecto.

2.5.6. Cilindro de embolo

De caractersticas similares al cilindro de simple efecto con retorno por

muelle, el pistn de este cilindro est recubierto con un material plstico

llamado Perbunano, el cual permite un deslizamiento lento del pistn, su

principal ventaja es el frenado instantneo del vstago permitiendo un

agarre rpido y seguro.

2.5.7. Cilindro de membrana

Dispositivo creado con una membrana interna que acta por efecto de la

energa aplicada externamente, desplazando el vstago por rozamiento

por efecto de la dilatacin del material de la membrana, entre los que se

encuentran: el metal, la goma o el plstico. La Figura 23 presenta algunos

de los cilindros de membrana utilizados en la industria.

10

Imagen tomada de http://sitioniche.nichese.com/cilindros-dobles.html.. consultada en 27/Noviembre de 2010.

47

Figura 23. Cilindro de membrana

11

2.5.8. Cilindros de membrana arrollable

De construccin similar al cilindro de membrana, con la caracterstica

particular de generar menos rozamiento intern de materiales, este

dispositivo acta sobre el vstago desplazndolo completamente

mediante el des arrollamiento de la membrana. La Figura 24 presenta un

diagrama esquemtico del cilindro de membrana arrollable.

Figura 24. Cilindro de membrana arrollable

12

2.5.9. Cilindro tndem

Construido con dos cilindros cada uno de doble efecto, posee dos

mbolos montados sobre un mismo vstago lo que traduce mayor fuerza

aplicada simultneamente a travs de las cmaras de entrada de aire, es

un cilindro ideal para montajes que cuentan con poco espacio y requieren

la aplicacin de fuerzas mayores. En la Figura 25 puede observarse un

diagrama en corte del cilindro tndem.

11

Imagen tomada de http://www.google.com/imgres?imgurl=http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/cilindro-de-membrana... Consultada en 29/Noviembre de 2010. 12

Imagen tomada de: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm.. Consultada en 29/Noviembre de 2010.

48

Figura 25. Cilindro Tndem

13

2.6. Ventosas

Son dispositivos fabricados especialmente para el levantamiento de cargas. El material

con el que estn fabricadas proporciona excelente fijacin adems de proteger las

superficies que son transportadas, las cuales pueden presentar diferentes formas y

areas. La eficiencia de operatividad de las ventosas es alcanzada cuando se genera

vaco bajo el rea de est y el contacto con la superficie. Los estudios y pruebas

demuestran que para lograr un trabajo ptimo y seguro con ventosas el ideal de vaco

que se requiere es de 75% de vacio absoluto, lo cual equivale en presin negativa a -

0.75 Kgf/cm. En la Figura 26 se muestran las ventosas estndar, unas de las ms

utilizadas en la industria por su fcil manejo, bajo costo y de fcil reemplazo.

Figura 26. Ventosa estndar

14

13

Imagen tomada de: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica7.htm.. Consultada en: 29/Noviembre de 2010. 14

Imagen tomada de: Neumtica Industrial Parker [1]_ Parker Hannifin Corporation.

49

En la Tabla 5 se caracterizan las propiedades de las ventosas determinadas por su

tamao, capacidad o fuerza de levantamiento expresadas en Newton y en Kilogramos

fuerza, para un vaco de 75%.

de Ventosa en mm rea en cm2 Fuerza de Levantamiento

N KgF N KgF

5 0.19 0.69 0.071 0.35 0.036

10 0.78 2.86 0.292 1.43 0.146

15 1.76 6.47 0.66 3.23 0.33

20 3.14 11.54 1.177 5.76 0.588

25 4.90 18.02 1.837 9.00 0.918

30 7.06 25.96 2.647 12.97 1.323

35 9.61 35.34 3.603 17.66 1.801

40 12.56 46.20 4.71 23.05 2.35

45 15.89 58.44 5.958 29.22 2.979

50 19.62 72.17 7.357 36.08 3.678

55 23.74 87.32 8.902 43.66 4.451

60 28.26 103.95 10.595 51.97 5.298

65 33.16 121.98 12.435 60.98 6.217

70 38.46 141.47 14.422 70.73 7.211

75 44.15 162.41 16.556 81.20 8.278

80 50.24 184.82 18.84 92.41 9.42

85 56.71 208.61 21.266 104.30 10.633

90 63.58 233.89 23.842 116.94 11.921

95 70.84 260.60 26.565 130.29 13.282

100 78.54 288.92 29.452 144.46 14.726

120 113.04 415.84 42.39 207.92 21.195

150 176.62 649.73 66.131 324.86 33.116

200 314.00 1155.12 117.75 577.56 58.875

300 706.86 2600.35 265.076 1300.17 132.536 Tabla 5. Clculo de la fuerza en las ventosas

2.7. Sensores Neumticos

La utilizacin de sensores en la industria constituyen un avance en el control y

automatizacin de los procesos, con estos dispositivos es posible obtener informacin

vital y oportuna que facilita el manejo de los sistemas automticos. Los sensores

actan como los rganos de los sentidos para las mquinas, proporcionando mayor

efectividad en la ejecucin de tareas, seguridad y precisin para los procesos. En

50

general el avance tecnolgico ha permitido a las diferentes disciplinas la

implementacin de sensores especficos que contribuyen enormemente al correcto

desempeo de los dispositivos. A continuacin se presentan los diversos sensores

utilizados dentro de la neumtica.

2.7.1. Presostatos

Dispositivo clasificado como transductor, que convierte una seal

neumtica en una seal elctrica, la cual puede ser direccionada para el

cambio de estado de un motor, electrovlvula o cualquier dispositivo que

responda a la variacin o cambio de potencial.

2.7.2. Captador de umbral de presin

Caracterizado por emitir presin en la salida cuando no existe presin en

la entrada, cumple con la funcin lgica de negacin, activando con la

seal elctrica un relevo, permitiendo diversas aplicaciones.

2.7.3. Captador de fuga

Son sensores utilizados ampliamente como finales de carrera por tener

contacto directo con la pieza, es tambin denominado captador por

obturacin de fuga, en la Figura 27 se puede observar que cuenta con un

estrangulador de aire al ingreso P, en el momento que la fuga est

totalmente cerrada circula aire por la salida A logrando la estabilidad de la

presin interna respecto a la entrada P.

Figura 27. Captador de obturacin de fuga

51

2.7.4. Detector de paso

El principio de funcionamiento de este sensor de proximidad es la

circulacin de aire continuo enfrentadas ambas toberas, las cuales actan

como emisor-receptor, el aire entregado por cada una de ellas forma una

turbulencia, la cual es interrumpida por el paso o interferencia de un

objeto entre ellas, esta accin permite el cambio de estado de la seal

elctrica convirtiendo en cero lgico la que antes se encontraba en uno

lgico, este cambio de estado es aprovechado para realizar cambios en el

sistema.

Figura 28. Detector de paso

2.7.5. Detector de paso de horquilla

Dispositivo de similar funcionamiento al detector de paso, pero con

diferenciacin en la construccin interna del dispositivo, en este caso el

aire ingresa por P y realiza un recorrido interno hasta la salida x, si en

esta trayectoria no se encuentran obstculos o perturbaciones, aparece

una salida de aire que es interpretada como seal de salida, por el

contrario si encuentra obstculos la seal de salida desaparece, estos

cambios de estado en las seales son aprovechados para conmutar

electrovlvulas, ver la Figura 29 para identificar funcionamiento.

52

Figura 29. Detector de paso de horquilla

2.7.6. Detector rflex

En este dispositivo el emisor P y el receptor X tienen las boquillas hacia la

misma direccin y conforman una sola unidad, el aire expulsado por la

tobera emisora es expulsado a la atmosfera, si se presenta una

interrupcin por accin externa se genera una sobrepresin en la tobera

receptora, la cual se encuentra dotada con una restriccin que garantiza

una salida eficaz de la seal, la misma que se utiliza para activar o

desactivar las electrovlvulas. La Figura 30 ilustra el principio de

funcionamiento del detector rflex.

Figura 30. Detector Rflex

2.7.7. Interruptor neumtico de proximidad

Denominado comnmente como barrera neumtica por su estructura de

funcionamiento y construccin, este dispositivo est dotado por una

lengeta interna que permite el paso de aire a travs del conducto P, el

aire fluye libremente cuando la lengeta es atrada por un imn instalado

en el actuador, permitiendo la salida del mismo por el conducto A, esta

53

seal debe ser amplificada para que produzca los efectos requeridos de a

cuerdo a la aplicacin.

Figura 31. Interruptor de proximidad

2.8. Accesorios

Dentro del ejercicio de la tcnica neumtica son utilizados diferentes accesorios que

permiten conectar entre s a los cilindros, vlvulas, compresores y dems elementos

que conforman un circuito. A estos accesorios se les denomina racores de tubera. A

continuacin dentro de la Tabla 6 se presentan los accesorios de mayor uso dentro de

las instalaciones neumticas.

Tipo de accesorio Imagen Descripcin

Racor rosca macho

rectocnico rosca

cubierta con PTFE.

Se utiliza para instalar en la misma

direccin desde la rosca hembra y es de

acoplamiento rpido para mayor facilidad

en las conexiones de las mangueras, este

es instalado en los cilindros o vlvulas.

Conector recto.

Se utiliza para realizar la conexin de dos mangueras y realizar extensiones.

Conector cruz.

Se utiliza para derivar lneas diferentes

direccin a 90.Es de acoplamiento rpido

para facilitar las conexiones.

54

Racor rosca macho

en L - cilndrico

giratorio con junta

de estancamiento.

Se utiliza para derivar una lnea en la

misma direccin desde la rosca hembra y

en direcciones a 90.

Conector en T.

Se utiliza para derivar una lnea en la

misma

diseno implementacion modulo electroneumatica

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