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METODOLOGÍA PASO A PASO DE DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRONEUMÁTICOS Y /O ELECTROHIDRÁULICOS CON VARIOS CILINDROS
Básicamente existen dos métodos para diseñar circuitos de control electroneumáticos: el método “intuitivo” o los métodos “sistemáticos”.
En el método “intuitivo” se obtiene el circuito solución, disponiendo de mucha experiencia y de amplios conocimientos en automatismos eléctricos, y si el sistema electroneumático es complicado, también de mucho tiempo.
Es preferible optar por un método sistemático, que funciona según una metodología basada en reglas que permiten definir claramente el funcionamiento del automatismo, claro está, sin dejar de tener conocimientos teóricos básicos bien fundados.
Al desarrollar un circuito de control se persigue siempre el objetivo de crear un mando que funcione fiablemente, desechándose las soluciones baratas.
En el presente capítulo se explica la forma de abordar un problema de automatización de circuitos electroneumáticos que involucren más de un cilindro empleando un método sistemático como el denominado paso a paso.
Existen otros métodos para el diseño sistemático de circuitos electroneumáticos como el de cascada y el método basado en lógica binodal aplicada al GRAFCET que se desarrollaran en volúmenes posteriores.
2.1. METODOLOGÍA PASO A PASO PARA EL DISEÑO DEL CICLO ÚNICO DE UN CIRCUITO ELECTRONEUMÁTICO CON MÚLTIPLES CILINDROS.
Lo primero que debe abordarse en el diseño de un sistema de control electroneumático/hidráulico complejo, es la obtención de la solución de su ciclo único.
Para encontrar una solución en lógica cableada de un circuito de control electroneumático/hidráulico es necesario hacer el análisis funcional del trabajo a realizar, conocer el funcionamiento de cada uno de los equipos involucrados en estos circuitos, estar familiarizado con los principios de controles eléctricos y tener una estrategia que guie paso a paso para el diseño de circuitos de control eléctricos, para ello es importante el uso de software de simulación aplicados a sistemas electroneumáticos.
A continuación, se describen los pasos necesarios para resolver una secuencia de pasos que involucra circuitos electroneumáticos/hidráulicos, así:
1. Descripción del automatismo: Consiste en especificar el tipo de máquina, y requerimiento de automatización que se quiere implementar, describiendo los modos de funcionamiento y las especificaciones del control, el conjunto de condiciones que debe cumplir el circuito, como por ejemplo Ciclo Único (CU), Ciclo Continuo (CC), Ciclo X3 (CX3), Paro de Emergencia (PE), Pieza, condiciones STOP etc.
2. Croquis de situación= Se debe tener una idea general de la máquina o dispositivo a controlar, realizando un croquis de situación.
3. Tablero de control: Se definen y dibujan los elementos de entrada de señales que harán parte del tablero de control, como son pulsadores, interruptores, etc.
4. Circuito electroneumático/hidráulico: Se dibuja el circuito electroneumático/hidráulico en el que se proyectan el número de cilindros que tiene la máquina, los tipos de electroválvulas ya sean
electroneumáticas como las 5/2 monoestable, 5/2 biestable o 5/3 centro cerrado, como las electrohidráulicas 4/2 monoestables, 4/3 centro cerrado con doble accionamiento eléctrico, los sensores o finales de carrera y las válvulas reguladoras de caudal que están incorporadas al mando de cada cilindro.
5. Diagrama espacio-fase: La secuencia de movimientos que deben realizar los cilindros, incluyendo las temporizaciones del ciclo de trabajo se deben visualizar con un diagrama espacio-fase.
6. Funciones lógicas: Cada uno de los eventos principales del ciclo, se definen sobre el diagrama espacio- fase, las condiciones de activación de los relés y su acción principal, a esta combinación de señales se le conoce como las funciones lógicas.
7. Circuito de control eléctrico del ciclo único: Se arma el circuito de control eléctrico basado en los lineamientos de las funciones lógicas dibujadas sobre el diagrama espacio - fase.
8.
Incorporación de condiciones de control adicionales:
Una vez obtenido el circuito de control del ciclo único se debe proceder a incorporar las condiciones adicionales del automatismo, como la condición de Ciclo Continuo, la condición de Ciclo X3, Pieza, Paro de emergencia, etc.2.1.1. Descripción del automatismo
Se aplicará el estudio al caso de una estampadora electroneumática descrita por el Diagrama espacio fase de la figura 41 que cumpla con las siguientes condiciones de funcionamiento.
El sistema de control debe permitir la selección entre Ciclo Único (CU), Ciclo Continuo (CC) o Ciclo X3.
El CC o CX3 deben quedar interrumpido (termina el ciclo actual y se detiene) por la acción de conmutar a CU (solicitud de parada a fin de Ciclo).
El dispositivo se explora a través de un detector de pieza, sin pieza no puede iniciar ningún ciclo y tampoco puede repetirse el ciclo.
Cuando se terminan las piezas en el depósito de gravedad y está en CC o Cx3, ha de pararse la instalación en su posición base, debiendo quedar interrumpido el ciclo en el que estaba.
Después de haber realizado los (3) tres ciclos de ciclos del CX3 sólo puede iniciarse el funcionamiento en cualquier otro ciclo después de pulsar RESET.
Una vez accionado el pulsador de paro de emergencia, deben retornar todos los cilindros a la posición de partida, el sistema debe asegurar que el cilindro A regrese solo cuando el cilindro B haya hecho completamente. Debiendo quedar al final los dos cilindros retraídos en su posición inicial, mientras esté pulsado el botón de EMERGENCIA (PE) no debe permitir el accionamiento de ninguna bobina. Al desclavar el botón PE, no debe accionarse de ninguna bobina.
En CC o en CX3 el sistema debe asegurar una temporización de 3s entre ciclos.
2.1.2. Croquis de la situación
Se debe tener una idea general de la máquina o dispositivo a controlar, realizando un CROQUIS DE SITUACIÓN.
Figura 1. Croquis de la situación
Fuente: Elaboración propia
2.1.3. Tablero de control
Se definen y dibujan los elementos de entrada de señales que harán parte del tablero de control, como son pulsadores, interruptores, etc.
Figura 2. Tablero de mando
Fuente: Elaboración propia
2.1.4. Circuito electroneumático o electrohidráulico
Se dibuja el circuito electroneumático en el que se proyectan el número de cilindros que tiene la máquina, los tipos de electroválvulas ya sean electroneumáticas como las 5/2 monoestable, 5/2 biestable o 5/3 centro cerrado, como las electrohidráulicas 4/2 monoestables, 4/3 centro cerrado con doble accionamiento eléctrico, los sensores o finales de carrera y las válvulas reguladoras de caudal que están incorporadas al mando de cada cilindro.
Figura 3. Circuitos electroneumáticos o electrohidráulicos
o con Fuente: Elaboración propia
2.1.5. Diagrama espacio-fase.
La secuencia de movimientos que deben realizar los cilindros, incluyendo las temporizaciones del ciclo de trabajo se deben visualizar con un diagrama espacio-fase.
el diagrama espacio-fase refleja la secuencia de movimientos que debe seguir la máquina, que en este caso es [A+/B+/TEMP1/B-/A-/A+/A-] y sobre él se plasmarán la cadena de señales que se requieren para generar esos movimientos.
2.1.6. Funciones lógicas.
Cada uno de los eventos principales del ciclo, se definen sobre el diagrama espacio-fase, las condiciones de activación de los relés y su acción principal, a esta combinación de señales se le conoce como las funciones lógicas. Las funciones lógicas representan la base de conocimiento que posteriormente se verán reflejadas literalmente en cada una de las ramas del circuito de control eléctrico, Zhang.H Chang (1996).
Más adelante se comprobará que la información obtenida del diagrama espacio fase es crucial para elaborar el circuito eléctrico del ciclo único.
Figura 4. Diagrama espacio-fase
Fuente: Elaboración propia
2.1.6.1 Descripción de las funciones lógicas.
El ciclo de movimientos descrito en la figura 41 es un ejemplo de sistemas secuencial, en el que el estado de las salidas (Ki), no solo dependen del estado de las entradas, sino que también depende del estado en el que se encuentra actualmente.
Las funciones lógicas son el conjunto de condiciones que se deben presentar en cada evento (i) para que se active el relevo (Ki). En ellas se observar que para la activación de (Ki) se requiere la activación previa de (Ki- 1), así K4 requiere de K3 y K6 necesita de K5 sucesivamente.
Sobre el diagrama espacio-fase se plasmarán la cadena de señales de activación que se requieren para generar las acciones (movimientos).
Llamaremos evento a cada una de las situaciónes en las que se dé una señal de inició, salga un cilindro, regrese un cilindro, finalice una temporización, se cumpla un conteo, etc.
En este caso se presentarran 8 eventos, el 1er evento se presenta al accionar el pulsador de CU, el 2do evento se dá cuando sale el cilindro A por primera vez y toca el final de carrera A1, el 3er evento se presenta al salir el cilindro B y accionar el final de carrera B1, el 4to evento se presenta al cumplirse la temporización TEMP1, el 5to evento resulta al regresar el cilindro B y tocar el sensor B0, el 6to evento ocurre al momento de regresar el cilindro A y tocar el final de carrera A0, el 7mo evento se presenta cuando al salir el cilindro A por segunda vez toca el final de carrera A1 y el 8avo y último evento se presenta, cuando viene regresando el cilindro A por segunda vez y toca el final de carrera A0.
Esta metodología se basa en el hecho de activar un relé (i) cada vez que se presente un evento (i) es así como el 1er evento active el relé K1, el 2do evento active el relé K2 y así sucesivamente.
Cada vez que se activa un relé, este se auto retendrá hasta que se presente la señal de desactivación.
Las condiciones que representan cada evento, como el relé que se activa y la acción a realizar se representan en una matriz de señales denominada FUNCIONES LÓGICAS.
Como se puede observar es importante incluir en la condición de activación del primer evento (K1) el hecho que exista PIEZA y que los cilindros A y B estén en su posición de reposo, evidenciados por los sensores A0 y B0.
Al ser un sistema de control netamente secuencial, la activación de un relé no será el producto del estado de las entradas sino también del estado previo en el que se encuentre, por ello se hace indispensable el uso de los contactos de preparación que existen en los eventos 2,3,5,6,7 y 8 los cuales no se pueden dar si no se ha presentado el evento o el relé justamente anterior, por ejemplo, solo se podrá activar K2 si lo está K1 y solo se podrá activar K3 si lo está K2 y así sucesivamente, etc.
La descripción del flujo de señales se debe observar a luz del diagrama espacio-fase con sus funciones lógicas acopladas.
En las FUNCIONES LÓGICAS no se incluyen las señales de desactivación de cada relé porque en principio no se está muy seguro de cual sea, y además porque puede haber más de una opción que sirva para desactivar cada relé, de todas maneas el mismo desarrollo del circuito demandará la desactivación de los relés correspondientes que generan bloqueo para que se puedan dar los movimientos.
Por regla general las señales de desactivación de cada relé Ki (t) son contactos NC de otros relés activados con posterioridad KJ (t+∆t).
Como puede verse en el circuito de estudio, es frecuente que se desactive un relé cuando ya haya cumplido con su propósito. Por ejemplo, el relé K4 desactiva a K3 esto debido a que el relé K3 tiene como misión alimentar la temporización TEMP1, una vez se cumple la temporización se activa K4 y ya no sería necesario mantener activo K3. Situación similar se presenta entre los relés K4 y K5, debido a que K4 tiene como acción hacer que regrese el cilindro B y K5 se activa justo cuando el cilindro B regresó, es decir que K4 cumplió su misión y puede ser desactivado por K5.
2.1.7. Circuito de control eléctrico del ciclo único
Descripción paso a paso del circuito de control eléctrico
A+) La condición de activación del 1er evento se presenta al existir la señal del sensor PIEZA, junto con las señales de los sensores A0 y B0 indicando que la máquina está en su posición de reposo y al accionar el pulsador de CU, lo cual hace que se active el relé K1, el cual se auto retiene con uno de sus contactos NO y activando a la bobina Y1 para que se inicié el movimiento A+.
B+) El 2do evento se dá cuando vá saliendo el cilindro A por primera vez, evidenciado por un contacto NO de K1 y toca el final de carrera A1, esta representa la condición de activación del relé K2, que debe auto retenerse y hacer que salga el cilindro B, activando con uno de sus contactos NO la bobina Y3.
TEMP1) El inicio de la temporización TEMP1 se dá como resultado de la presencia del 3er evento el cual se presenta al salir el cilindro B y accionar el final de carrera B1, activando el relé K3, que se auto retiene y que tiene como única misión alimentar el temporizador.
B-) El regreso del cilindro B es producto de la activación del relé K4 por efecto de la presencia del 4to evento, representado por el cumplimiento de la temporización TEMP1.
A-) El 5to evento resultado del regreso del cilindro B (K4) y del accionamiento del sensor B0, activa el relé K5 el cual se auto retiene y debe hacer que regrese el cilindro A (A-), para ello debe asegurarse de desactivar el relé que está activando a Y1 y activar a Y2, en este caso K5 desactiva a K1.
A+) La segunda salida del cilindro A es producto del cumplimiento del el 6to evento que ocurre al momento de regresar el cilindro A y tocar el final de carrera A0, condición que activa el relé K6 el se auto retiene y debe asegurar la desactivación de cualquier relé que este activando a la bobina Y2, como en este caso desactiva K6 desactiva a K5 y activa la bobina Y1.
A-) El regreso del cilidro A por segunda vez se presenta al cumplirse la condición del el 7mo evento el cual se presenta cuando al salir el cilindro A por segunda vez y toca el final de carrera A1, lo que genera la activación del relé K7 el cual se auto retiene y debe hacer que regrese el cilindro A (A-), para ello debe asegurarse de desactivar el relé que está activando a Y1 y activar a Y2, en este caso K7 desactiva a K6 y K7 activa a Y2.
Al finalizar el ciclo único se activará un relé llamado FIN_CICLO, en este momento se cumple el 8avo y último evento que se forma cuando viene regresando el cilindro A por segunda vez y toca el final de carrera A0. Este relé se usa para desactivar el relé K7.
Se arma el circuito de control eléctrico basado en los lineamientos del paso anterior.
Figura 5. Circuito de control eléctrico
Fuente: Propia
Actividad: en este enlace https://youtu.be/oNHMFWXVHzY se explica la “Metodología de circuito electroneumático CU #1”
2.1.8. Incorporación de condiciones de control adicionales
2.1.8.1. Incorporación de la condición de Ciclo Continuo (CC) al circuito
Siguiendo con el control del circuito electroneumático planteado anteriormente se requiere incorporar la condición de ciclo continuo, la cual consiste en dar incicio a la repetición continua del ciclo de trabajo mediada por un temporización entre ciclos, para ello se crea un relé KCC que se activa al pulsar CC, con el fin de recordar que se encuentra en el modo de funcionamiento continuo, los contactos de KCC permite activar la temorización de final de ciclo T2, con la que se repite el ciclo al usar uno de sus contactos en paralelo con el pulsador CU. El ciclo continuo puede ser interrumpido, desactivando KCC, lo que ocacionará que al finalizar el ciclo, este no pueda repetirse.
Figura 6. Circuito electroneumático y tablero de mando
Fuente: Propia
Figura 7. Incorporación de la condición CC al circuito
Fuente: Propia
Actividad: en este enlace https://youtu.be/h4EtyinHUYU se explica la “Metodología de circuito electroneumático CC #2”
2.1.8.2. Incorporación de la condición de Ciclo x 3 (CX3) al circuito
De forma similar a la implementación del CC, una vez activado el pulsador CX3 se iniciará el ciclo y ademas se activará un relé llamado KCX3, que servirá para recordar que está en el modo CX3, tal que al finalizar el ciclo, habilitará tanto la temporizador T2 como el descuento en los ciclos del contador CONT1. Una vez termine el tercer ciclo CONT1 se activará, impidiendo que se repita el ciclo al usar uno de sus contactos NC en la primera
linea, en esta situación no será posible inciar ningún ciclo a menos que se resetee el contador con el puldador RESET.
Puede verse que se incorporan contactos de enclavamiento entre KCC y KCX3 que impiden estar en ambos modos al tiempo, es importante anotar que la ausencia de pieza también desctivará cualquier modo de funcionamieno en el que esté, la señal de cumplimiento de los 3 ciclos emitida por el contador serán usadas para sacar el sistema de cualquier modo en el que esté.
Figura 8. Circuito electroneumático con incorporación de la condición CX3 (1)
Fuente: Elaboración propia
Actividad: en este enlace https://youtu.be/Zr18ir-KFzI se explica la “Metodología de circuito electroneumático CX3 #3”
Figura 9. Circuito electroneumático con incorporación de la condición CX3 (2)
Fuente: Elaboración propia
2.1.8.3. Incorporación de la condición de paro de Emergencia (PE) al circuito
Como especificación final de este proyecto se debe contemplar que al pulsar el boton de Paro de Emergencia (PE), se deberá asegurar como primera medida, el retorno del cilindro B y luego el retorno del cilindro A.
Al pulsar el PE pueden presentar tres (3) situaciónes:
a) Que solo este afuera el cilindro B : Al pulsar PE y si el cilindro B está afuera se activa el relé K10 el cual tendrá como objetivo hacer que regrese el cilindro B, el relé K10 necesariamente tendrá que desactivar la bobina Y3, desactivando el relé K2. Una vez viene regresando B, evidenciado por K10, toca el sensor B0 y el cilindro A está recogido tocando A0, se activa K11, que sirve para desactivar a K10
b) Que tanto el cilindro B como el cilindro A esten afuera: en este caso el relé K10 mencionado en el caso anterior hace que primero regrese el cilindro B, al suceder esto y estar el cilindro A afuera se activará el relé K12 con la función A- el cual desactivará a Y1 y activará a Y2.
c) Que solo el cilindro A esté afuera: en este caso el pulsador PE activará a K14, cuya única labor será deactivar la bobina Y3, desactivando el relé K2.
Figura 10. Circuito electroneumático con incorporación de la condición PE (1)
Fuente: Elaboración propia
Figura 11. Circuito electroneumático con incorporación de la condición PE (2)
Fuente: Elaboración propia
Este circuito simulado en el software Fluidsim® representa la fase más importante en el proceso de diseño, ya que tiene incorporada toda la lógica secuencial y combinacional necesaria para ser implementada en cualquier autómata programable.
Actividad: en este enlace https://youtu.be/n-OvsZigj-g se explica la incorporación de la condición de paro de emergencia al circuito “Metodología de circuito electroneumático PE #4”
Actividad: observa el video “Circuito electrohidráulico con 2 cilindros condiciones” en el que se explican las condiciones que debe cumplir el sistema de control, en el enlace
https://youtu.be/XMb743PIBZ4
