INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ¨ADOLFO LÓPEZ MATEOS¨
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE VACIADO DE GALLETAS PASTISETAS EN CHAROLAS
TESINA
QUE PRESENTA PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PINEDA CASTILLEJOS JULIO
ÍNDICE DE CONTENIDO
Síntesis de la tesis---i
Introducción--- iii
Objetivo---iv
Justificación---v
Antecedentes---vi
Capítulo 1 “PLC´S Y SENSORES” 1.1 Controladores Lógicos Programables---1
1.1.2 Circuitos lógicos---5
1.1.3 Lenguajes Para Plc---13
1.1.4 Ventajas Del Plc en el proyecto---15
1.1.5 Sensores--- 17
Capitulo 2 “NEUMÁTICA Y ACTUADORES” 2.1 La importancia de la neumática en los procesos automatizados---23
2.1.2 Características físicas y de funcionamiento de los elementos que intervienen en un proceso de control neumático---27
2.1.3 Ejemplos de dispositivos comerciales---37
2.1.4 Tipos De Válvulas---46
2.1.5 El control electro neumático---53
DESARROLLO EMPRESARIAL EN LA INGENIERÍA
Capitulo 3 “DESARROLLO DEL SISTEMA”
3.1 Localización Del Proyecto---77
3.1.2 Ubicación Del Proyecto---78
3.1.3 Elaboración De La Galleta Tipo pastisetas manualmente---82
3.1.4 Descripción del proceso automatizado del vaciado de pastisetas---83
3.1.5 Selección del PLC y circuitos neumáticos para controlar el proceso Del vaciado de pastisetas en charolas--- 84
3.1.6 Utilización de LogixPro para la simulación del programa del proceso---101
3.1.7 Elementos que intervienen en el proceso---104
3.1.8 Desarrollo del proceso de vaciado de pastisetas y la ventaja al hacerlo automático---116
Capitulo 4 “ANÁLISIS SOCIOECONÓMICO” 4.1 Análisis del beneficio del proyecto---123
4.1.2 Análisis económico de la inversión del proyecto---126
Conclusiones---131
Referencias bibliográficas--- 132
AGRADECIMIENTOS
A Dios gracias por la vida, la salud, la familia y por la oportunidad que me da de completar un sueño más. Este objetivo no sería realidad sin Dios, gracias también a mi familia. A mi madre que siempre me ha apoyado y es fundamental en este logro obtenido. A mis tíos, tías, primos, primas, amigos y amigas, a toda la gente que me estima muchas gracias por el apoyo, a mis profesores y profesoras, a mis asesores y sinodales que han sido parte importante de todo un proceso de conocimiento, gracias por sus enseñanzas. No es solo mi esfuerzo ni mi logro si no que detrás de todo esto existen personas que quiero y aprecio y que me apoyaron, me alentaron a seguir adelante y a esforzarme.
El término de una carrera profesional es una muestra de que se puede lograr todo lo que nos propongamos con esfuerzo y a pesar de las dificultades la recompensa es mayor.
Mencionó dos textos bíblicos que me animan cada día a seguir con una vida con propósito.
Todo lo puedo en Cristo que me fortalece. Filipenses 4.13
No te apartes de la palabra de Dios ni a diestra ni siniestra, para que seas prosperado en todas las cosas que emprendas. Nunca se apartará de tu boca este libro de la ley, sino que de día y de noche meditarás en él, para que guardes y hagas conforme a todo lo que en él está escrito; porque entonces harás prosperar tu camino, y todo te saldrá bien. Mira que te mando que te esfuerces y seas valiente; no temas ni desmayes, porque Jehová tu Dios estará contigo en dondequiera que vayas. Josué 1.7-9
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DEDICATORIA
A mí madre Rosa Pineda Castillejos
A Lis Yesenia Méndez Cabrera
A mis abuelos Julio Pineda—Leonarda Castillejos y María Chávez
A mis tíos Jaime Gordillo – Rosa María Valdés y familia
A mis tíos Mateo Pineda—Enriqueta Vargas y familia
A mis primos Heibar Boladeras--Miriam Pineda y familia
A todos mis familiares y parientes
A todos mis amigos y amigas
A mis compañeros y profesores
A todas las personas que contribuyeron en el logro de la culminación de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización.
i SINTESIS DE LA TESIS
El proyecto de automatización de vaciado de pastisetas en charolas tiene como finalidad ayudar a reducir los tiempos de elaboración de estas galletas, ya que se encontró la necesidad de hacer más rápido este proceso, normalmente un panadero realiza varios movimientos para llenar una charola y se lleva un tiempo considerable en hacerlas, con el proceso de vaciado automático en un solo movimiento se dosificarán 70 pastisetas por charola reduciendo tiempos, generar mayor producción e incrementar las ganancias . El estudio se realizó para implementarlo a futuro en una pequeña empresa familiar dedicada a la producción de pastisetas. Para el desarrollo de la automatización se utiliza la tecnología del controlador lógico programable, actuadores, sensores y la neumática ya que son tecnologías muy utilizadas para la automatización de procesos, se realizó el esquema de funcionamiento del proceso de vaciado en charolas realizando circuitos neumáticos en donde se muestra la función del pistón neumático que actúa sobre la mezcla dosificando así las pastisetas en charola. Se muestra un estudio-costo beneficio para y se explica cuales son las ventajas del proyecto.
En el capítulo 1 se hace mención de la tecnología del controlador lógico programable adentrándose a la forma de programación, los principales usos en la industria, la arquitectura básica, también se hace el estudio de sensores utilizados en la automatización, tipos de sensores y características, todo esto para la automatización del proceso de vaciado de pastisetas en charolas.
En el capítulo 2 se menciona la importancia de la neumática y los actuadores, tipos de instrumentos neumáticos, sus características y funcionamiento de elementos que intervienen en un sistema neumático, ejemplos de aplicaciones industriales, características de pistones, la parte neumática es fundamental para el desarrollo de la automatización del vaciado de pastisetas en charolas.
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iii
INTRODUCCIÓN
Actualmente el proceso de elaboración de galletas en una pequeña empresa familiar la cual se dedica a hacer galletas tipo pastiseta es casero y se realiza manualmente, el proceso del vaciado de galletas en charolas es tardado ya que el panadero coloca las galletas una por una utilizando la duya llenando las charolas que se requieran para posteriormente llevar las charolas llenas para ser horneadas, este proceso resulta ser laborioso y lleva un tiempo considerable llegando a obtener sólo producciones muy pequeñas, Esta empresa familiar no cuenta con la posibilidad de adquirir una máquina galletera ya que las que existen en el mercado son muy costosas.
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iv Objetivo general
v Justificación
Es por ello que este proyecto va enfocado a ofrecer una alternativa de solución y surge la idea de automatizar solo este proceso, se propone la automatización del proceso para el vaciado de galletas tipo pastiseta donde los problemas anteriormente expuestos podrían solucionarse, incrementando de esta manera la productividad y eficiencia de la empresa modelo.
El presente proyecto pretende innovar, obtener una producción eficiente y hacer de ello un proceso sencillo el cual ayude a elaborar galletas de forma automatizada y así reducir tiempos y costos.
En la actualidad la elaboración de galletas para poder abastecer las necesidades de las industrias panificadoras especializadas en la industrialización de productos específicos en líneas de alto rendimiento con diversos niveles de automatización para elaboración de galletas. Cumpliendo con mayor capacidad, mayor productividad, menor dependencia de personal obrero especializado, economía de consumo y espacio utilizado. La automatización del proceso del llenado de galletas en charolas es Innovador, competitivo que genere productividad y buenas utilidades para satisfacer la necesidad de simplificar el proceso mediante un desarrollo tecnológico concreto y funcional, fuertemente orientado a la satisfacción de los clientes y consumidores ofreciendo un producto óptimo y rentable.
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vi ANTECEDENTES
Con el incremento en población exponencial que ocurre actualmente, es evidente que una de las industrias de mayor constante demanda y crecimiento es la industria alimenticia. La automatización en este sector no es nada nuevo, en todos los niveles se ha implementado tecnología para mejorar procesos, desde tiempos inmemorables existe la necesidad de aumentar producción, recortar gastos y mejorar la calidad de los productos.
La automatización constituye un sector sustancial en la industria de la alimentación. Está bien arraigada en todos países industrializados y en rápida expansión en las zonas del mundo en desarrollo. La principal atracción de la galletería es la gran variedad posible de tipos. Son alimentos convenientemente nutritivos con gran margen de conservación. La principal desventaja para algunos países es que la confección de la galleta, según nuestro concepto, se basa en la harina de trigo y la adquisición de este cereal puede no resultar barata.
La fabricación de galletas se ha prestado a la mecanización masiva y está entrando en la esfera de la automatización. Su paso desde su arte a una ciencia no ha terminado, por lo que es todavía muy importante tanto la comprensión de los procesos como la experiencia. La reducción de costes de mano de obra y la eliminación del trabajo duro, obscuro y repetitivo es uno de los alcances que ha tenido la automatización en la industria, y ha incrementado la importancia de la ingeniería y mantenimiento mecánico.
Es comprensible el deseo de los países en desarrollo de invertir en maquinaria buena y eficaz, con la que fabricar galletas en sus plantas modernas. Hay un afán común para copiar tipos de galletas europeos reconocidos, a pesar de que las materias primas locales sean más adecuadas para otros productos.
Paralelamente a cualquier otra industria existe una necesidad muy grande de mejorar la productividad, de reducir desperdicios, ahorrar energía y tener Instalaciones automáticas para la panificación.
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Una instalación completamente automatizada, sobre todo debe estar en condiciones de poder funcionar automáticamente empleando solo dos personas en distintas operaciones, que se suceden tras la fase de amasado y que son controlables por un cuadro eléctrico.
Los grupos automáticos comprenden un sistema de corte, constituido por un transportador de alimentación (manda pasta) y de una o más láminas (cortadoras) que tienen la función de cortar la masa. Sucesivamente la masa pasa a través de cilindros de laminación regulables de modo que se obtenga espesores cada vez más pequeños.
A esta primera fase sigue el paso a través de unos dos moldeadores en los que se efectúa el primer moldeado y después el moldeado final. El peso de los productos varía de los 40 a 350 gramos. El sistema de corte de las masas arriba mencionado puede emplearse también para alimentar la máquina de dar formas redondeadas: a esta puede seguir una celda de pre fermentación y una fermentadora.
En definitiva una línea automática de panificación en el caso de que se quiera obtener un pan o una galleta de buena calidad no debe ser considerada como un robot, sino sencillamente como una ayuda a disposición del panadero con la finalidad, sobre todo de reducir o hacer más cómodo su trabajo. Para alcanzar esta finalidad se requiere igualmente la atención del operario, atención que en la elaboración tradicional debe distribuirse a lo largo de toda la elaboración con la posibilidad de intervenciones que modifiquen eventuales defectos en las distintas fases de la producción, y en cambio, en una línea automática debe concentrarse sobre todo en la fase de programación (selección) y continua disponibilidad de materias primas de calidad constante, y de planteamiento del trabajo (definición de las condiciones de trabajo de la instalación en función de las características de la masa) ya que las intervenciones a lo largo de la línea durante la elaboración son más difíciles de efectuar y también de valorar.
En efecto, las líneas automáticas y semiautomáticas tienen como objeto, no el de suplantar la producción artesanal, sino ayudarla a superar los obstáculos que diariamente hacen difícil o comprometida su actuación.
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Una vez alcanzando el primero de los objetivos ha sido posible, también a nivel de la producción familiar, aumentar la producción con la consiguiente reducción de horas de trabajo: de una producción de 50 kg/h obtenidas con instalaciones discontinuas, con la instalación de una línea semiautomática se puede pasar a una producción de 120 kg por hora con el empleo de idéntico número de personas.
En el proyecto de esta línea se ha tenido encuentra la máxima explotación del espacio pudiendo así convertir la planta dispuesta en su espacio estrecho, en línea automática con lo que se consigue un notable incremento de la producción por metro cuadrado de superficie. Con las líneas automáticas de producción también es posible conseguir una reducción de consumo energético.
Hasta ahora no se ha tenido muy en cuenta la posibilidad de obtener con la misma línea automática galletas de diferentes clases, que en cambio es posible obtener en líneas semiautomáticas.
Esta escasa flexibilidad de las líneas automáticas, que es una de sus limitaciones en el mercado actual de la galleta y pan, demanda una amplia diversificación del producto, con la posibilidad de venta de galletas de diferentes clases, ya sea regional o internacional.
Las galletas proceden de 10,000 años atrás, cuando se descubrió que una sopa de cereales expuesta a un intenso calor adquiría una consistencia que permitía transportarla durante varios viajes sin que se deteriorara en el trayecto.
En la Edad Media obtuvieron su nombre como tal, La palabra galleta proviene del francés galette y durante el Renacimiento ascendieron a las cortes europeas, con diferentes sabores y aromas. Con el paso del tiempo las galletas se fueron extendiendo y a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX es cuando comienza en Europa su proceso de industrialización y la consecuente producción masiva.
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Las galletas están posicionadas como uno de los alimentos de mayor consumo a nivel mundial. La mayor energía de las galletas proviene de los glúcidos, que desarrollan un papel decisivo en los procesos de aprendizaje y memoria.
Además modulan el equilibrio metabólico del organismo y regulan los mecanismos de ingesta alimenticia y proporcionan sensación de saciedad, ideales para los niños y adolescentes por su aporte energético.
Se recomienda que los adultos consuman unas ocho galletas al día, según el grupo de edad por su alimento energético y los macronutrientes que la componen. Las galletas son un complemento excelente para la dieta e indica que 30 gramos de este producto, unas 4 o 5 unidades aportan 9 por ciento de la cantidad diaria recomendada en hidratos de carbono, el 6% en grasas, el 3 por ciento en proteínas y el 7 por ciento en kilocalorías.
En la Edad antigua las galletas tal y como las entendían en aquella época eran muy sencillas y apenas admitían variedad. Eran obleas planas y duras, cocidas dos veces. Se amasaba el cereal con agua, mojándolo cada poco tiempo, y luego se preparaban las tortas redondas que, puestas sobre una piedra plana y cubiertas de ceniza para que se secaran, eran la base de la alimentación de los
soldados y sus familias. Solían tomarse mojadas en vino o sopa.
Es en los siglos XVIII y XIX cuando empieza en Europa la producción masiva de galletas, paralela a la industrialización. La gran movilidad de la población -se trata de la época de las colonias hace que las galletas se impongan como la comida de viaje ideal, ya que podían aguantar meses o incluso años si se guardaban adecuadamente. De las pequeñas industrias artesanas se pasa a otras más mecanizadas, acordes con la demanda del producto. Baja el precio de la harina y de la levadura, convirtiendo incluso las galletas más elaboradas en alimentos asequibles. De este modo, la galleta adquiere protagonismo en la industria alimentaria, apoyándose en el sabor, la calidad y el precio. A medida que avanza la industria y se van mezclando culturas, se desarrollan nuevas recetas: por ejemplo, en Estados Unidos la cookie (galleta redonda muy grande con chips de chocolate) se convierte rápidamente en símbolo nacional, y en Europa nada más acabar la II Guerra Mundial se popularizan las galletas recubiertas de chocolate, representando así la llegada de la paz.
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La alimentación tiene que ser equilibrada, suficiente y variada. La energía para realizar las actividades cotidianas se obtiene los carbohidratos, nutrientes que deben suponer el 50-60% de la ingesta diaria. Las galletas son un alimento que aporta nutrientes diferentes según cada variedad. Sólo hay que elegir bien los momentos de consumo. Sus principales componentes son los hidratos de carbonos, proteínas y grasas, lo que las convierte en un alimento ideal para una dieta equilibrada y saludable.
La Pirámide Nutricional de la Agencia Española de Seguridad Alimentaria y Nutrición (AESAN) incluye en su base la ingesta de alimentos con un alto aporte de carbohidratos. La recomendación de los expertos es realizar de 4 a 6 tomas de cereales, entre los que se encuentran las galletas.
CAPITULO 1
“PLC´S Y SENSORES”
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1 1.1 Controladores Lógicos Programables
PLC (Programmable Logic Controller) significa controlador lógico programable y su nombre mismo lo define: Un PLC es un dispositivo utilizado para controlar.
Este control se realiza sobre la base de una lógica definida; Esta lógica se define a través de un programa.
Es esta última característica es la que lo diferencia del resto de los dispositivos capaces de controlar a través de la ejecución de una lógica. Funcionalmente, un PLC examina el estado de una interface de entrada y en respuesta controla algo a través de una interface de salida. A la combinación de datos entre entrada y salida se llama lógica. Las combinaciones lógicas componen un programa de control.
El programa ocupa un lugar importante en el PLC y la diferencia fundamental radica en el hecho de que la lógica cableada del tablero o los circuitos impresos del sistema electrónico son reemplazados por un programa, confiriendo al PLC una gran flexibilidad y por lo tanto:
• Menor tiempo de trabajo en las conexiones a realizar en la puesta en marcha y ajuste del sistema.
• Facilidad de realizar cambios durante la operación del sistema (pudiendo cambiar la lógica completa si fuera necesario)
Además el PLC posee una gran confiabilidad, aumentando así notablemente el tiempo de servicio neto del sistema que controla
En la definición de PLC se habla de señales de entrada y de salida por ello es necesario definir señal.
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Figura 2 señal análoga y digital
Tipos de señales
• Entradas • Salidas
• Reles Int. 608 (240 C/Memoria) • Timers
• Contadores • Cont. Reversibles
• Reg. Desplazamiento 128 C/Memoria • Como Funciona Un Plc
Los antecesores del PLC fueron los sistemas de control basados en relés (1960). Una aplicación típica de estos sistemas utilizaba un panel de 300 a 500 relés y miles de conexiones por medio de alambres, lo que implicaba un costo muy elevado en la instalación y el mantenimiento del sistema, estimado en US $30 a $50 por relé.
El primer Controlador Lógico Programable fue construido especialmente para la General Motors HydramaticDivision y se diseñó como un sistema de control con un computador dedicado.
Este primer modelo MODICOM, el 084, tuvo una gran cantidad de modificaciones, obteniéndose como resultado los modelos 184 y 384 desarrollados a principios de la década de los '70.
Con estos controladores de primera generación era posible:
• Realizar aplicaciones en ambientes industriales.
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Los primeros PLC, que sólo incorporaban un procesador para programas sencillos y dispositivos de entrada/salida, evolucionaron hasta los equipos actuales, que integran:
• Módulos multiprocesadores.
• Entradas y salidas digitales de contacto seco, de relé o TTL. • Entradas y salidas analógicas para corriente o voltaje. • Puertas de comunicación serial o de red.
• Multiplexores análogos, • Controladores PID.
• Interfaces con CTR, impresoras, teclados, medios de almacenamiento magnético.
El PLC es usado en la actualidad en una amplia gama de aplicaciones de control, muchas de las cuales no eran económicamente posibles hace algunos años. Esto debido a:
• El costo efectivo por punto de entrada/salida ha disminuido con la caída del precio de los microprocesadores y los componentes relacionados. • La capacidad de los controladores para resolver tareas complejas de
computación y comunicación ha hecho posible el uso de PLC en aplicaciones donde antes era necesario dedicar un computador.
Existen 5 áreas generales de aplicación de PLC:
• Control secuencial. • Control de movimiento. • Control de procesos.
• Monitoreo y supervisión de procesos. • Administración de datos.
• Comunicaciones.
Los sistemas numéricos son utilizados para la representación de números. Un sistema numérico de base n tiene n numerales, dígitos o símbolos distintos. Mediante una combinación de los n dígitos es posible la representación de cualquier número. El sistema empleado por las personas es el decimal, debido al uso original de los diez dedos para contar. Sin embargo los sistemas digitales utilizan el sistema binario y sus derivados (octal y hexadecimal) ya que usan los bits: dígitos que sólo toman dos valores.
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El dígito de mayor ponderación es denominado MSD (MostSignificantDigit), y se ubica en la primera posición de izquierda a derecha.
El dígito de menor ponderación se denomina LSD (LeastSignificantDigit), y se ubica en la posición del extremo derecho.
Figura 3. Bit menos significativo y más significativo
En los computadores digitales se utilizan niveles de voltajes para las representaciones. Normalmente se adoptan los siguientes valores (niveles TTL).
Desde Hasta Representa
0.0 0.4 “0” lógico
0.4 2.4 Incertidumbre
2.4 5 “1” lógico
Tabla 1. Niveles TTL (transistor-transistor logic)
En general, 0 lógico = nivel bajo y 1 lógico = nivel alto. Sistema BCD (Binary - Coded - Decimal)
El sistema numérico BCD se basa en ponderaciones 8-4-2-1 empleando esta tabla.
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El sistema BCD es ampliamente utilizado en visualizadores digitales (Displays), donde cada dígito es codificado por separado.
Figura 4. Display de 4 dígitos
1.1.2 Circuitos lógicos
El diseño de circuitos lógicos se basa en la operación de variables digitales que sólo pueden tomar dos estados posibles:
• Abierto O Cerrado • Apagado O Encendido • Blanco O Negro • Off O On
La expresión matemática de estos conceptos requiere de los números binarios: A = 0 → FALSO, OFF, CONTACTO ABIERTO, RELÉ DESENER-GIZADO, LÁMPARA APAGADA.
A = 1 → VERDADERO, ON, CONTACTO CERRADO, RELÉ ENER-GIZADO, LÁMPARA ENCENDIDA.
El estado de un relé o contacto se identifica según su condición normal: NO = Normally open - normalmente abierto
NC = Normallyclose - normalmente cerrado
6 El circuito paralelo representa el concepto OR
Figura 6. circuito paralelo OR
La lámpara se encenderá si alguno de los contactores A o B (o ambos) están encendidos.
Con esto podemos hacer una operación lógica:
Esta función corresponde al sistema de arranque/paro del motor M con sobrecarga. El diagrama de circuito se representa como:
Figura 7. circuito arranque y paro de un motor
El motor (M) partirá sólo si el botón de paro (A) no está presionado y la sobrecarga (C) están cerradas y el botón de Arranque está presionado (B) o el contacto (M) está cerrado.
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El control lógico programable es importante ya que todos los procesos industriales experimentan una secuencia repetitiva fija de operaciones que envuelve pasos y decisiones lógicas. Un PLC es utilizado para controlar el tiempo y regular la secuencia.
Diseñado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los controladores lógicos programables, o PLC’s, presentan ciertas desventajas como es la necesidad de contar con técnicos calificados y adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento.
Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc. Por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.
Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, etc., hace que su eficacia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como:
• Espacio reducido
• Procesos de Producción periódicamente cambiantes • Procesos secuenciales
• Maquinaria de procesos variables
• Instalaciones de procesos complejos y amplios
• Revisión de programación centralizada de las partes del proceso
Un controlador lógico programable se compone de cuatro unidades funcionales: • Unidad de entradas
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Figura 8. Diagrama esquemático de un PLC
Como toda computadora, el PLC posee una CPU, Memoria, periféricos, etc. Analizaremos las funciones de cada elemento.
La CPU, también llamada unidad central de proceso es la encargada de ejecutar el programa almacenado en la memoria por el usuario. Podemos considerar que la CPU toma, una a una, las instrucciones programadas por el usuario y las va ejecutando. Cuando llega al final de la secuencia de instrucciones programadas, la CPU vuelve al principio y sigue ejecutándolas de manera cíclica.
Unidad Lógica, El corazón de un PLC es la Unidad Lógica, basada en un microprocesador. Ejecuta las instrucciones programadas en memoria, para desarrollar los esquemas de control lógico que se especifican.
Algunos equipos antiguos implementan la unidad lógica en base a elementos discretos: compuertas NAND, NOR, FLIP-FLOP, CONTADORES como máquinas de estado. Este tipo de controladores son HARDWIRE, versus aquellos que utilizan memorias, denominados SOFTWIRE.
La memoria almacena el programa de aplicación o del usuario, pero además guarda el estado de variables internas del programa como por ejemplo número de piezas procesadas o máxima temperatura medida. Almacena el código de mensajes o instrucciones que ejecuta la Unidad Lógica. La memoria se divide en PROM o ROM y RAM.
CPU
Entradas Salidas
Fuente de Alimentación Software de Programación Avanzada
Memoria (Programa y Datos)
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ROM: Memoria de sólo lectura (ReadOnlyMemory). Memoria no volátil que puede ser leída pero no escrita. Es utilizada para almacenar programas y datos necesarios para la operación de un sistema basado en microprocesadores.
RAM: Memoria de acceso aleatorio (Random Access Memory). Memoria volátil que puede ser leída y escrita según sea la aplicación. Cualquier posición de memoria puede ser accesada en cualquier momento.
Unidad de Entradas, proporciona el aislamiento eléctrico necesario y realiza el acondicionamiento de las señales eléctricas de voltaje, provenientes de los switches de contactos ON-OFF de terreno. Las señales se adecúan a los niveles lógicos de voltaje de la Unidad Lógica.
Unidad de Salidas, acepta las señales lógicas provenientes de la Unidad Lógica, en los rangos de voltaje que le son propios y proporciona la aislación eléctrica a los switches de contactos que se comandan hacia terreno. Las unidades de entrada/salida del PLC, son funcionalmente iguales a los bancos de relés, que se empleaban en los antiguos controladores lógicos de tipo tambor. La diferencia radica en que las unidades de entrada/salida de los PLC son de estado sólido.
La eliminación de contactos mecánicos se traduce en una mayor velocidad de operación y mayor tiempo entre fallas (MTBF).
Los periféricos constituyen la interfaz entre el PLC y el sistema controlado. Son como mínimo entradas y salidas lógicas (o sea capaces de tomar solo dos valores: 1 ó 0, abierto o cerrado, presente o ausente) y pueden también, dependiendo de la sofisticación de cada PLC, incluirse entradas y salidas analógicas (o sea, capaces de tomar cualquier valor entre determinados máximo y mínimo) o entradas especiales para pulsos de alta frecuencia como los producidos por encoders, o salidas para lazos de 4 a 20 mA. El tipo más común de entrada lógica o binaria es la optoacoplada, en la que la corriente de entrada actúa sobre un LED, que a su vez ilumina un fototransistor que es quien en definitiva informa a la CPU el estado de la entrada en cuestión. No existiendo conexión eléctrica entre la entrada en sí y la CPU (ya que la información es transmitida por la luz) se logra alta aislación, de alrededor de 1.5 kV entre entradas y masa.
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sobretensiones que aparecen sobre ellas, principalmente en el momento del apagado de las cargas a las que están conectadas. En la sección dedicada a instalación de sistemas daremos más detalles acerca de este tema. Existen dos formas constructivas básicas para los PLC: el tipo fijo y el tipo modular. El primero consiste en un solo gabinete en el que se integran la CPU, la fuente de alimentación (para el propio PLC y con capacidad de reserva que le permite también alimentar algunos sensores), y una determinada cantidad de entradas y salidas. La posibilidad de expandir este tipo de PLC es baja o nula. Por otra parte están los PLC modulares, en los que la CPU, la fuente de alimentación, las entradas, las salidas, etc., son cada una un módulo que se elige en función de la aplicación y se monta en riel o rack para conseguir la capacidad de cálculo, entradas, salidas, etc. que la aplicación requiera. La capacidad de expansión en este caso es altísima ya que fácilmente se alcanzan miles de puntos de entrada y salida, conexión a redes locales, dispositivos especiales de visualización, etc.
Un Ejemplo de Arquitectura Básica de un Sistema de Control que usa PLC es con la operación de un control de temperatura, El PLC lee permanentemente la entrada correspondiente al sensor de temperatura, cuando encuentra que la temperatura es menor a la deseada, conecta el calefactor y lo desconecta cuando es mayor que la deseada. Podría, además utilizarse otra salida para activar una alarma cuando la temperatura está fuera de tolerancia más de determinado tiempo. Si tuviéramos la posibilidad de trabajar con un PLC con entradas y salidas analógicas, podríamos implementar estrategias de control mucho más elaboradas, como por ejemplo control PID, control adaptativo, etc. todo integrado en un solo gabinete, y que además es reprogramable para adaptarse a posibles cambios en el diseño con facilidad.
Los PLC’s difieren en la velocidad de procesamiento y de eso depende su costo También es importante la tarjeta de comunicación para que varios PLC’s se comuniquen
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1 7 6 1 L 1 6 A W A
Figura 9. Tag del PLC
Caracteristicas
• Si se tiene un PLC con salidas a bobina, se tiene que poner un diodo en la bobina
• Tiene una memoria EPROM que no borra los datos y una memoria RAM que realiza acciones momentáneas.
• Maneja bits, byte el cual tiene 8 bits y bloques de 2 byte ( 16 bits) denominada Word.
• Para poder iniciar la programación en un plc • Se utiliza RsLink
• RsLogixEmulate 500
• Se observa la red eternet y se configura el driver para esto primero se da click en stop y después delete.. Para poder configurar un controlador y se encuentra el procesador a utilizar el cual es Micrologix 1000
Número de Boletín Unid ad Base Número de Unidade s de E/S. 16 ó 32
Señal de Entrada A=120 CA B=24
Tipos de Salida W=Relé (abre/cierra contacto) B=24 CD (MOSFET) A=120 ó 240 CA (TRIAC)
12 El PLC tiene 4 indicadores de operación :
• Modo POWER: Indica que está prendido el PLC
• Modo RUN: Corre el programa que tiene (si se quiere cargar un nuevo programa, se debe de salir del modo RUN)
¿Qué hace el PLC internamente? (Modo RUN)
1. Hace un escaneo en sus tarjetas de entrada, toma los datos de nuestros elementos de entrada
2. Los manda al programa 3. Los procesa
4. Toma lecturas 5. Manda resultados
6. Lee las tarjeta de memoria con los resultados
7. Hace servicios de comunicación y nada los resultados a donde se le requiera
8. Rastrea los contactores para un nuevo ciclo
Y todo esto lo realiza en ciclos de micro segundos (μs)
Modo FAULT: Se activa cuando hay incongruencia en el programa (ej. Cuando se desborda el programa o se divide entre cero)
Modo FORCE: SE activa cuando se fuerza una entrada a o salida a “1” o “0” , esto solo lo puede hacer un técnico experto en PLC que conozco todas las posibles consecuencias de forzar una entrada o salida
Pasos para configurar RSLogix 500:
1. Abrir RSLogix 500
2. Abrir Nuevo Archivo MicroLogix 1000 3. Menú Comunicaciones
4. Opción “Comunicación Sistema”
5. Seleccionar PLC, en este caso: Allen Bradley MicroLogix 1000 6. Aplicar proyecto
7. Opción “Cargar” 8. Opción “Guardar”
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13 1.1.3 Lenguajes Para Plc
El lenguaje de programación de un PLC permite la creación del programa que controlará su CPU.
Mediante este lenguaje el programador podrá comunicarse con el PLC y así dotarlo de un programa que controle las actividades que debe realizar.
Dependiendo del lenguaje de programación, es posible la realización del programa con distintos grados de dificultad.
Junto con el lenguaje de programación, los fabricantes suministran un software de ambiente de trabajo donde el usuario puede escribir sus programas. Estos softwares son amistosos y corren sobre computadores tipo PC bajo plataformas DOS o Windows.
Los métodos de programación más utilizados para PLC son:
• Programación con diagrama escalera • Programación con bloques funcionales • Programación con lógica boolena
Programación con diagrama escalera
El diagrama escalera es uno de los más utilizados en la programación de PLC. Fue desarrollado a partir de los sistemas antiguos basados en relés. La continuidad de su utilización se debe principalmente a dos razones:
1. Los técnicos encargados en darle mantenimiento a los PLC están familiarizados con este lenguaje.
2. A pesar del desarrollo de los lenguajes de alto nivel, han sido pocos los lenguajes que han cumplido satisfactoriamente los requerimientos de control en tiempo real que incluyan la representación de los estados de los puntos de entrada y salida.
El nombre escalera proviene del uso de "rieles" y "peldaños" en el diagrama, como en este ejemplo de arranque de un motor.
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Para la programación de los PLC’s en clase se usaron 2 programas, el RSLogix500 y el LogixPRO ambos se parecen pero la diferencia es que el RSLogix500 no tiene simulador y se tiene que conectar un PLC físico, en clases avanzadas pudimos ver que se puede hacer un emulador paraéste programa; El LogixPRO es un simulador de PLC en el cual tiene varias simulaciones como son el semáforo, los silos y el lach que hicimos en clase, ambos usan el diagrama tipo escalera y usan los siguientes comandos
Comandos de bit:
Línea nueva, en ella podemos poner todos los componentes
Este comando se usa para poner otros comandos en paralelo
Contactor Normalmente abierto
Contactor normalmente cerrado
Bobina, este es el lelemento de control de los contactores normalmente abiertos y cerrados
Bobina encavada, cuando se activa esta bobina, se queda enegizada
Bobina desenclavada, se usa para desenclavar la bobina antes encionada
Cuando el estado del OSR pase de “0” a “1” va a dejar pasar una vez 1 pulso durante un ciclo
Indica el fin de las líneas y por tanto el programa
Tabla 3. Imágenes y comandos de Bit
Temporizadores
En la programación se implementan diferentes tipos de temporizadores mediante un temporizador en concreto, el TON, que consiste en aplicar un retardo a la conexión.
Temporizador a bobina energizada (ON DELAY)
Temporizador a bobina des energizada (OFF DELAY)
Temporizador retenedor a la desconexión, funciona igual que el TOF pero a diferencia de este, almacena el dato en que se quedó contando
Restaura los valores de los temporizadores (Resetea)
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Conteo Positivo
Conteo Negativo
Restaura los valores de los temporizadores (Resetea)
Tabla 5. Contadores
Comandos de contadores
• CU: está contando • DN ya terminó de contar
• OV indica desbordamiento de memoria • CD: Contando hacia abajo
• UN: desbordamiento
1.1.4 Ventajas Del Plc en el proyecto
Menor tiempo empleado en la elaboración de galletas tipo pastiseta debido a que:
• No es necesario dibujar el esquema de contactos.
• No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande.
• La lista de materiales queda sensiblemente reducida, y al elaborar el presupuesto correspondiente eliminaremos parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega.
• Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.
• Mínimo espacio de ocupación.
• Menor coste de mano de obra de la instalación.
• Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías.
• Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.
• Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado.
16 Desventajas
• Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido, pero hoy en día ese inconveniente está solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento.
• El costo inicial
El PLC es usado en la actualidad en una amplia gama de aplicaciones de control, muchas de las cuales no eran económicamente posibles hace algunos años. Esto debido a:
• El costo efectivo por punto de entrada/salida ha disminuido con la caída del precio de los microprocesadores y los componentes relacionados. • La capacidad de los controladores para resolver tareas complejas de
computación y comunicación ha hecho posible el uso de PLC en aplicaciones donde antes era necesario dedicar un computador.
Características
• Es la parte de control
• Funciona a base de electricidad
• Los elementos de mando son pulsadores interruptores y sensores
• Las tarjetas de salida tienen como función llevar datos a dispositivos actuadores como pueden ser válvulas, lámparas y bobinas de contactores • Tiene un procesador el cual realiza operaciones lógicas
• El medio de comunicación es el software RS232 Serial
• El PLC realiza internamente un ciclo de operación el modo “RUN” comienza a correr el programa diseñado.
• Hace la función de escaneo de entradas las cuales tienen datos que están en los elementos de mando.
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17 1.1.5 Sensores
Sensores: clasificación y características generales.
•Sensores de proximidad. •Otros sensores:
•de temperatura. •de nivel.
•Clasificación de accionamientos
Sensor: Dispositivo que detecta una determinada acción externa, temperatura, presión, etc., y la trasmite adecuadamente.
Figura 11. Sensores industriales
Transductor: Dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión,la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal, normalmente eléctrica.
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Tabla 6. Tipos de sensores
Campo de medida: Rango de valores de la magnitud de entrada comprendido entre el máximo y el mínimo detectables por un sensor, con una tolerancia de error aceptable
Resolución: Mínima diferencia entre dos valores próximos que el sensor es capaz de distinguir.
Sensibilidad: Variación de la salida producida por una variación de entrada. Pendiente de la curva de calibración. Cuanto mayor, mejor.
Linealidad: Cercanía de la curva característica a una recta especificada. Linealidad equivale a sensibilidad cte.
Saturación: No linealidad producida por disminución de sensibilidad típicamente al principio o al final del rango.
Histéresis: Diferencia entre valores de salida correspondientes a la misma entrada, según la trayectoria seguida por el sensor.
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Precisión: capacidad de obtener la misma salida cuando se realizan varias lecturas de la misma entrada y en las mismas condiciones.
Respetabilidad. Estima la desviación de las medidas.
La mayor parte de los sensores tienen un comportamiento dinámico asimilable a un sistema de primer o segundo orden.
Velocidad de respuesta: capacidad para que la señal de salida siga sin retraso las variaciones de la señal de entrada.
Respuesta frecuencial: Relación entre la sensibilidad y la frecuencia cuando la entrada es una excitación senoidal. Representación mediante un gráfico de Bode.
Estabilidad: Desviación de salida del sensor al variar ciertos parámetros exteriores distintos del que se pretende medir.
Detectores de proximidad
Sensores de posición todo/nada que informan de la existencia o no de un objeto ante el detector. El más elemental es el interruptor final de carrera por contacto mecánico.
Sin contacto destacamos los siguientes:
Detectores inductivos
Estos aparatos se utilizan principalmente en aplicaciones industriales. Detectan cualquier objeto metálico sin necesidad de contacto: control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de contaje. El rango de distancias está entre 1mm y 30mm.
Detectores inductivos
Composición y funcionamiento
Un detector de proximidad inductivo consta de un oscilador, cuyos bobinados forman la cara sensible, y de una etapa de salida. El oscilador crea un campo electromagnético alterno delante de la cara sensible. La frecuencia del campo varía entre 100 y 600 kHz según el modelo. Cuando un objeto conductor penetra en este campo, soporta corrientes inducidas circulares que se desarrollan a su alrededor (efecto piel).
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cuando la reducción de la amplitud de las oscilaciones es suficiente para provocar el cambio de estado de la salida del detector.
Figura 12. Sensor inductivo
Detectores capacitivos
Los detectores capacitivos son adecuados para detectar objetos o productos no metálicos de cualquier tipo (papel, vidrio, plástico, líquido, etc.).
Su principio de funcionamiento y características son análogas a las de los detectores inductivos. En este caso, el elemento sensible es el condensador del circuito oscilante. Cuando se sitúa en este campo un material conductor o aislante de permisividad superior a 1, se modifica la capacidad de conexión y se bloquean las oscilaciones.
Estos detectores disponen de un potenciómetro de regulación de sensibilidad.
Figura 13. Sensores capacitivos
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21 Detectores ópticos
Detectores fotoeléctricos
Un detector fotoeléctrico detecta un objeto por medio de un haz luminoso. Sus dos componentes básicos son un emisor y un receptor de luz.
La detección es efectiva cuando el objeto penetra en el haz de luz y modifica suficientemente la cantidad de luz que llega al receptor para provocar el cambio de estado de la salida.
Sensores de temperatura
Podemos distinguir los siguientes grandes grupos de sensores térmicos:
Termostatos todo-nada: interruptores que conmutan a un cierto valor de temperatura. Los más simples están basados en la diferencia de dilatación de 2 metales, y los más sofisticados se suelen construir a base de un sensor de tipo analógico y uno o varios comparadores.
Termopares: sensores de tipo analógico basados en el efecto Seebeck, que consiste en la aparición de una tensión eléctrica entre dos piezas de diferentes metales unidas por un extremo, cuando éste se calienta (unión caliente) y se mantienen los otros dos extremos a una misma temperatura inferior (unión fría). La fem generada depende de la diferencia de temperaturas entre la unión fría y la unión caliente
Termorresistencias: sensores de tipo analógico basados en el cambio de la resistencia eléctrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura.
Pirómetros de radiación: sensores de tipo analógico utilizables en general para muy altas temperaturas, que están basados en la radiación térmica emitida por los cuerpos calientes.
Sensores de nivel
Se utilizan para conocer el estado de llenado de depósitos de líquidos o sólidos en forma de polvo o granulados.
Sensores todo-nada: para líquidos conductores es frecuente emplear flotadores con un contacto entre dos electrodos sumergidos. Para sólidos o líquidos no conductores suelen emplearse métodos fotoeléctricos o detectores de proximidad capacitivos.
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Sensores ultrasónicos: se basan en la medición del tiempo total de ida y vuelta de un impulso de presión (ultrasonido) que es reflejado por la superficie del material y recogido por un receptor colocado al lado del emisor. Este tiempo es proporcional a la distancia y a la densidad del medio
CAPÍTULO 2
“NEUMÁTICA Y
ACTUADORES”
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2.1 La importancia de la neumática en los procesos automatizados
La neumática es una fuente de energía de fácil obtención y tratamiento para el control de máquinas y otros elementos sometidos a movimiento. La generación, almacenaje y utilización del aire comprimido resultan relativamente baratos y además ofrece un índice de peligrosidad bajo en relación a otras energías como la electricidad y los combustibles gaseosos o líquidos. Ofrece una alternativa altamente segura en lugares de riesgo de explosión por deflagración, donde otras energías suponen un riesgo importante por la producción de calor, chispas, etc.
Por estas ventajas las instalaciones de aire comprimido son ampliamente usadas en todo tipo de industrias, incluso en todo tipo de transporte, aéreo, terrestre y marítimo.
La automatización tiene como fin aumentar la competitividad de la industria por lo que requiere la utilización de nuevas tecnologías; por esta razón, cada vez es más necesario que toda persona relacionada con la producción industrial tenga conocimiento de aquéllas.
La extensión de la automatización de forma sencilla en cuanto a mecanismo, y además a bajo coste, se ha logrado utilizando técnicas relacionadas con la neumática, la cual se basa en la utilización del aire comprimido, y es empleada en la mayor parte de las máquinas modernas.
La automatización industrial, a través de componentes neumáticos, es una de las soluciones más sencillas, rentables y con mayor futuro de aplicación en la industria.
El aire comprimido es la mayor fuente de potencia en la industria con múltiples ventajas.
Es segura, económica, fácil de transmitir, y adaptable. Su aplicación es muy amplia para un gran número de industrias. Algunas aplicaciones son practicante imposible con otros medios energéticos.
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Figura 15. Generación del aire comprimido
Dentro del campo de la producción industrial, la neumática tiene una aplicación creciente en las más variadas funciones, No sólo entra a formar parte en la construcción de máquinas, sino que va desde el uso doméstico hasta la utilización en la técnica de investigación nuclear, pasando por la producción industrial.
En la actualidad, la necesidad de automatizar la producción no afecta únicamente a las grandes empresas, sino también a la pequeña industria. Incluso la industria artesana se ve obligada a desarrollar métodos de producción racionales que excluyan el trabajo manual y no dependan de la habilidad humana. La fuerza muscular y la habilidad manual deben sustituirse por la fuerza y precisión mecánica.
La fuerza neumática puede realizar muchas funciones mejor y más rápidamente, de forma más regular y sobre todo durante más tiempo sin sufrir los efectos de la fatiga.
El costo del aire comprimido es relativamente económico frente a las ventajas y la productividad que representa. Por ejemplo el costo del aire comprimido mas el- valor de los equipos en su vida útil en el caso de un taladro neumático representa cerca del 10% al 25% del- costo total, el resto corresponde a salarios y administración. Aunque la dotación de sistemas de aire comprimido requiere de inversión de capital, esta se paga ampliamente con el incremento de la productividad.
Comparando el trabajo humano con el de un elemento neumático, se comprueba la inferioridad del primero en lo referente a capacidad de trabajo. Si a esto, añadimos que los costes de trabajo están en la proporción aproximada 1 : 50 (neumática: humana) quedan justificados los continuos esfuerzos de la industria por reemplazar total o parcialmente al hombre por la máquina en lo que actividades manuales se refiere.
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Relación entre los costes de trabajo obtenidos por diferentes formas de energía.
Eléctrica Hidráulica Neumática Humana 1 4 10 500
No obstante, sustituir actividades manuales por dispositivos mecánicos y neumáticos, sólo es un paso dentro del proceso de automatización de la producción industrial. Este paso está encaminado, al igual que otros muchos, a obtener el máximo provecho .con un costo mínimo.
La utilización de la máquina adecuada en cada caso será la forma de evitar que la adquisición de costosos equipos encarezcan el producto de forma desproporcionada, pudiéndose dar el caso de que una máquina especial construida con elementos de serie y que se adapte exactamente a las necesidades del proceso de fabricación, resulte más económica que una máquina estándar.
Otro factor importante es el problema de la escasez de personal para según que tipo de trabajos. Visto a largo plazo, se advierte una tendencia regresiva en el número de empleados de las industrias que realizan trabajos muy repetitivos, lo cual no solamente es debido a la creciente automatización, sino a que en un futuro próximo no se encontrará personal para según qué tipo de trabajos.
La energía neumática no es utilizable en todos los casos de automatización, las posibilidades técnicas de la neumática están sometidas a ciertas limitaciones en lo que se refiere a fuerza, espacio, tiempo y velocidad en el proceso de la información. Esta tecnología tiene su ventaja más importante en la flexibilidad y variedad de aplicaciones en casi todas las ramas de la producción industrial.
El rendimiento máximo de la automatización de un proceso de trabajo está condicionado por el material, la forma de la pieza a trabajar, la serie, la capacidad, el nivel de automatización y las condiciones mecánicas de la máquina y este sólo podría determinarse definitivamente, en cada caso particular, con todos los datos ya especificados.
Causará asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con .tanta rapidez Esto se debe. entre otras cosas. a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico.
¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad?
Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.
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Transportable: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.
Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas).
Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura; garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.
Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes. que son caras.
Limpio: El aire comprimido es limpio y. en caso de faltas de estanqueidad en tuberías o : elementos. no produce ningún ensuciamiento. Esto es muy importante, por ejemplo, en las industrias alimenticias. De la madera. Textiles y del cuero.
Constitución de los elementos: La concepción de los elementos de trabajo es simple y. por tanto, de precio económico.
Veloz: Es un medio de trabajo muy rápido y por eso permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos puede regularse sin escalones.
A prueba de sobre- cargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden utilizarse hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas. Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas.
Preparación: El aire comprimido debe ser preparado. antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).
Compresible: Como todos los gases el aire no tiene una forma determinada, toma la forma del recipiente que los contiene o la de su ambiente, permite ser comprimido (compresión) o y tiene la tendencia a dilatarse (expansión). Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades: uniformes y constantes.
Volumen Variable: El volumen del aire varía en función de la temperatura dilatándose al ser calentado y contrayéndose al ser enfriado.
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también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp).
Ruido: El escape de aire produce ruido. No obstante. este problema ya se ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales in sonorizantes.
Criterios de aplicación
La compresibilidad del aire es una característica que presenta ventajas o inconvenientes según el tipo de aplicación. La elección de la neumática depende de muchos factores, pero fundamentalmente del factor rentabilidad. La utilización óptima del aire comprimido se con- seguirá aprovechando las propiedades físicas que posee.
Estas mismas propiedades son las que conducen a los limites de utilización dé los sistemas neumáticos y que son principal- mente debidos a la ya citada compresibilidad del aire. Existe otro límite económico, principalmente cuando la aplicación exige fuerzas muy grandes o un notable consumo continuo de aire comprimido. En la práctica es indispensable comparar la energía neumática con otras fuentes de energía.
Para ello debe tenerse en cuenta, el conjunto completo del mando, desde la entrada de seña- les hasta los elementos de trabajo. Los elementos individuales pueden facilitar bastante la elección de una determinada técnica, pero es absolutamente necesario elegir el tipo de energía que mejor cumpla con las exigencias del conjunto. A menudo se comprueba que el elevado coste del aire comprimido no tiene importancia comparado con el rendimiento de! equipo.
2.1.2 Características físicas y de funcionamiento de los elementos que intervienen en un proceso de control neumático
Compresor: Aparato que sirve para comprimir un fluido, generalmente aire, a una presión dada. Existen dos categorías, las máquinas volumétricas (aumento de presión por reducción de volumen), y los turbocompresores (el aire arrastrado por una rueda móvil adquiere cierta velocidad, que se traduce en un aumento de presión en la rueda y en el difusor de salida).
El compresor de pistón o de émbolo es el más antiguo y extendido, se emplea exclusivamente para presiones elevadas.
En la primera carrera del émbolo, el aire es aspirado a una presión p1 y el volumen aspirado varía de 0 a V1.
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En la segunda parte o fase de la carrera el aire es expelido a presión p2.
Debido al trabajo de compresión, que desprende gran cantidad de calor, debe refrigerarse.
Para presiones muy elevadas, se procede en varias fases, realizándose en cada una un coeficiente de compresión del orden de 6 a 7.
El compresor a émbolos libres del sistema Pescara comprende un motor diesel de dos tiempos, con dos émbolos opuestos, cada uno de los cuales está unido rígidamente a un pistón compresor. Por una de sus caras, este último impele el aire comprimido útil. El volumen de aire comprimido que queda en el cilindro, al final de la carrera forma un colchón neumático y provoca el retroceso.
Por su otra cara, el pistón compresor, durante la carrera motriz, aspira aire atmosférico que, en el retroceso, y merced al empuje del colchón neumático citado, impele hacia el motor; es el aire de barrido y el aire comburente del motor.
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Funcionamiento De Un Circuito Válvula – Cilindro
Una válvula de tres orificios es un interruptor empleado para controlar el flujo de aire. El tipo que se ve en la figura tiene el componente denominado conjunto rotor, que se mueve dentro de la válvula cuando se pulsa o se suelta el botón. Su función es dirigir el flujo de aire por la válvula. Cuando se pulsa el botón, se deja pasar el aire comprimido del suministro de la tubería 1 a la tubería 2 (que está conectada al cilindro).
Un cilindro de accionamiento único usa aire comprimido para producir movimiento y fuerza. Tiene un pistón que puede deslizarse "hacia arriba" y "hacia abajo". Un muelle hace subir al pistón dentro del cilindro. Sin embargo, cuando la válvula se acciona, como se muestra en el dibujo, el aire comprimido entra en el cilindro y le obliga a bajar su émbolo. El aire del otro lado sale por el orificio de escape.
Figura 17. Cilindro de accionamiento
Válvula De Tres Vías Y Dos Posiciones (3/2)
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Observa que el símbolo muestra la vía 1 bloqueada, pero las vías 2 y 3 están conectadas, como en la válvula real.
Ahora no tengas en cuenta la mitad inferior del símbolo e imagina que cuando se pulsa el botón, la parte superior del símbolo se desliza por la mitad inferior, como se ve en el dibujo.
Esto indica que los orificios de la válvula real están conectados cuando se pulsa el botón.
La mitad inferior del símbolo indica las conexiones dentro de la válvula cuando no se pulsa el botón, y la superior cuando se pulsa
Figura 18. Válvula 3/2
Control Dual
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Figura 19. Control dual
Válvula de doble efecto y conector en T
La válvula de doble efecto tiene tres orificios, y contiene un pequeño pistón de caucho que se mueve libremente dentro de la válvula.
Si el aire entra por un orificio, el pistón es empujado a la posición contraria y el aire no podrá salir por allí. Si la válvula de doble efecto del circuito anterior se sustituyera por un conector tipo T, el circuito no funcionaría. Ni la válvula A ni la B podrían utilizarse para activar el cilindro.
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32 Fuerzas En Un Cilindro De Accionamiento Doble
La fuerza producida por un cilindro de accionamiento doble en el sentido que consideramos positivo, no es igual a la fuerza que produce en el sentido negativo. Esto puede explicarse mirando el pistón del cilindro y recordando que: F = p . S
Observar que las superficies de las caras "frontal" y "posterior" del pistón no son iguales. La biela del pistón reduce el área de la cara "posterior". Así que aunque la presión del aire en ambos lados del pistón sea la misma, la fuerza producida será menor para un pistón en sentido negativo.
Figura 21 cilindro de accionamiento doble
Válvula de 5 vías y dos posiciones
No tengas en cuenta la mitad superior del símbolo durante un momento. La mitad inferior indica las conexiones dentro de la válvula cuando la palanca está en una posición determinada.
Ahora no tomar en cuenta la mitad inferior del símbolo, e imagina que cuando se mueve la palanca a la otra posición, la mitad superior del símbolo se desliza sobre la mitad inferior. Esto indica las conexiones que hay ahora dentro de la válvula.
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Observar que aparece un símbolo de "palanca" en ambos extremos del símbolo de la válvula de cinco orificios o vías. Esto es algo confuso: solamente hay, por supuesto, una palanca en la válvula real.
Figura 22. Válvula 5/2
Válvula 5/2 Accionada Por Neumática
Uno de los peligros asociados con el equipo neumático son las presiones tan altas que a veces se usan. Por ejemplo, el aire a presión elevada que sale por una tubería sin fijar, hace que la tubería "dé latigazos" violentamente. Esto puede provocar daños. En la industria, para mantener a los empleados alejados del peligro, se utiliza el sistema representado en el esquema. El cilindro puede funcionar a muy alta presión y los controles de las válvulas pueden ser a presión baja.
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Figura 23. Válvula 5/2 accionada por neumática
Funcionamiento De Un Circuito Con Válvula 5/2
Además de los dos cilindros de doble efecto se usan en este esquema una válvula 5/2 y un regulador de caudal o de flujo. La válvula 5/2 es accionada por una palanca.
Cuando el conjunto rotor está en la posición indicada en el diagrama 1, el aire comprimido pasa por la válvula entre los orificios 1 y 2, y el aire hace que los pistones "salgan". El aire aprisionado debajo de los pistones sale por las tuberías y por la válvula saliendo a la atmósfera por el orificio 5.
Cuando la palanca se desplaza a la otra posición, el conjunto rotor sube, como se ve en el diagrama 2.
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Figura 24. Circuito con válvula 5/2
Regulador De Caudal O De Flujo
Las válvulas estranguladoras con retención, conocidas como válvulas reguladoras de velocidad, son híbridas. Desde el punto de vista de la estrangulación son válvulas de flujo y como tales se las emplea en neumática. La función de retención les hace ser al mismo tiempo una válvula de bloqueo.
El regulador de flujo se alimenta con aire del suministro. Dicho regulador emite un flujo de aire controlado en una conexión en T. Una tubería de esta conexión se conecta a la válvula accionada por diafragma y la otra se deja abierta para que salga aire a la atmósfera.
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Figura 25. Regulador de caudal de flujo
Válvula Antirretorno
Son aquellas que impiden el paso del aire en un sentido y lo dejan libre en el contrario. Tan pronto como la presión de entrada en el sentido de paso aplica una fuerza superior a la del resorte incorporado, abre el elemento de cierre del asiento de la válvula.
Figura 26. Válvula antirretorno
Válvula De Simultaneidad
Se utiliza para los equipos de enclavamiento y para los equipos de control. Tiene dos entradas P1 y P2 y una salida A. La señal de salida sólo está presente si lo están las dos señales de entrada.
