01-Introducción a los sistemas automáticos PDF

Sistemas Eléctricos y electrónicos Ciclo: 1º GS Mecatrónica Profesor: José Paredes Coloma 01. Introducción a los automatismos industriales. Contenidos. 1. Introducción............................................................................................................. 1 3. Tecnologías...

Sistemas Eléctricos y electrónicos Ciclo: 1º GS Mecatrónica Profesor: José Paredes Coloma 01. Introducción a los automatismos industriales. Contenidos. 1. Introducción............................................................................................................. 1 3. Tecnologías utilizadas en automatismos industriales.............................................. 3 2. Tipos de sistemas automáticos............................................................................... 3.1. Neumática................................................................................................. 3.2. Hidraúlica.................................................................................................. 3.3. Eléctrica.................................................................................................... 4. Fases de desarrollo de un automatismo industrial.................................................. 5. Comprobación y puesta en servicio de un automatismo industrial.......................... 6. Cuestionario de autoevaluación.............................................................................. 1 3 5 5 5 7 8 Sistemas eléctricos y electrónicos. Profesor: José Paredes Coloma 1. Introducción. En electricidad, se denomina automatismo al circuito que es capaz de realizar secuencias lógicas sin la intervención del hombre. Los automatismos se utilizan tanto en el sector industrial como en el doméstico, para operaciones tan dispares como arranque y control de maquinaria, gestión de energía, subida y bajada de persianas, riego automático, etc. Dependiendo de la tecnología utilizada, los automatismos pueden ser cableados o programados. En la primera, el funcionamiento lo define la conexión lógica, mediante cables, entre los diferentes elementos del sistema. En la segunda, es un programa el que procesa en la memoria de un dispositivo electrónico, la información que transmiten los diversos elementos que se le conectan. En esta unidad estudiarás los automatismos industriales cableados. En próximas unidades, tendrás oportunidad de iniciarte en los automatismos programados basados en PLC. 2. Tipos de sistemas automáticos. Existen básicamente dos formas de realizar el control automático de un proceso industrial: en bucle abierto y en bucle cerrado. Los sistemas en bucle abierto se caracterizan por que el valor de la señal de control no es afectada por los valores de las salidas del proceso o planta. FUENTE DE ENERGIA Alimentación de fuerza Alimentación de mando Operador Mando y señalización Sistema de control Señal de control Actuadores Proceso o planta Fig 1.1. Diagrama de bloques de un automatismo en bucle abierto. 01. Introducción a los sistemas automáticos. 1 Sistemas eléctricos y electrónicos. Profesor: José Paredes Coloma Los sistemas automáticos en bucle cerrado son aquellos en los que existe una comunicación entre el proceso y el sistema de control a través de sensores, lo que permite controlar el proceso del mismo. La mayoría de los procesos existentes en las instalaciones industriales son controlados a través de sistemas en bucle cerrado, dado que son más eficientes y permiten mayores posibilidades de control. FUENTE DE ENERGIA Alimentación de fuerza Alimentación de mando Operador Mando y señalización Sistema de control Señal de control Señal de realimentación Actuadores Sensores Proceso o planta Señal de realimentación Fig 1.2. Diagrama de bloques de un automatismo en bucle cerrado. · Proceso o planta. Es el elemento principal sobre el que se quiere realizar el control automático. Puede estar constituido por un único aparato (motor eléctrico, bomba hidráulica, compresor de aire, etc.) o por un conjunto de dispositivos más complejo (climatización de zona, sistema de riego, cinta transportadora, grúa puente, etc.) · Fuente de energía. Es el medio empleado para realizar el control. En un automatismo eléctrico este medio lo constituye la energía eléctrica de baja potencia aplicada a los dispositivos de control y señalización y la de mayor potencia utilizada para mover las máquinas o actuar sobre la planta. La energía utilizada también puede ser de naturaleza hidráulica o neumática. · Sistema de control. Es el dispositivo o conjunto de dispositivos encargados de establecer el criterio de control. Partiendo de las señales proporcionadas por el operador y los sensores instalados en la máquina el controlador determina las señales de control que se deben aplicar a los actuadores. · Actuadores. Es el dispositivo utilizado para controlar la energía aplicada a la máquina o planta. Los actuadores típicos en automatismos eléctricos son los relés, contactores, electroválvulas, tiristores, etc. 01. Introducción a los sistemas automáticos. 2 Sistemas eléctricos y electrónicos. Profesor: José Paredes Coloma · Sensores. Es el elemento empleado para medir o detectar la magnitud de una variable que se desea controlar. Adquiere o detecta el nivel de la variable y envía la correspondiente señal, habitualmente eléctrica, al dispositivo de control. · Operador. Es el conjunto de elementos de mando y señalización que facilita el intercambio de información entre personas y automatismos. Debemos considerar que la mayoría de automatismos deben posibilitar que el ser humano pueda incidir de forma directa y en el momento deseado sobre el proceso automático. Generalmente, el conjunto de dispositivos formado por el operador, el sistema de mando y los sensores se denomina circuito de mando y el constituido por los actuadores y el proceso o planta se denomina circuito de fuerza. En el circuito de mando se utilizan habitualmente señales de baja tensión y baja potencia que son fácilmente manipulables y más seguras para el operario mientras que en el circuito de fuerza se pueden encontrar tensiones e intensidades eléctricas elevadas. 3. Tecnologías utilizadas en automatismos industriales. En el sector de los automatismos industriales se utilizan, básicamente, tres tecnologías: eléctrica, neumática e hidráulica. Dependiendo de las características del automatismo se selecciona una u otra. Es común ver situaciones en las que se combinan diferentes tecnologías en las distintas partes de un automatismo, utilizando la más conveniente en cada parte. Debido al desarrollo de los autómatas programables es muy normal hoy en día que la parte de mando de un automatismo se realice con tecnología eléctrica/electrónica, mientras que la parte de fuerza se implemente utilizando otras tecnologías como neumáticas o hidráulicas. Hay excepciones muy concretas como, por ejemplo, el caso de instalaciones con riesgo de incendio o explosión en las que una chispa podría ser fatal. En este caso se podría utilizar un circuito de mando puramente neumático que disminuiría los riesgos. 3.1. Neumática Es la tecnología que utiliza el aire comprimido como vehículo para transmitir energía. Imágenes de cilindros neumáticos 01. Introducción a los sistemas automáticos. 3 Sistemas eléctricos y electrónicos. Profesor: José Paredes Coloma La energía neumática (aire comprimido) se obtiene haciendo pasar el aire existente en la atmósfera a través de un compresor para poder almacenarlo una vez comprimido y poder transformarlo en energía mecánica por medio de cilindros neumáticos. Las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad en el uso de los automatismos son: · Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas. · Transporte: 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 falta de estanqueidad en 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 económico. · Velocidad: Es un medio de trabajo muy rápido que permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas. (La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos puede regularse sin escalones.) · A prueba de sobrecargas: Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden trabajar hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas. Mediante el uso de válvulas se controla el paso del aire comprimido almacenado a los actuadores. Estas válvulas pueden ser gobernadas de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos, hidráulicos, neumáticos o mecánicos. Cuando son gobernadas por señales eléctricas se denominan electroválvulas. En estos casos el automatismo estaría compuesto por una parte de mando eléctrico-electrónico (operador, sistema de mando y sensores) y una parte de fuerza neumática (actuadores y el proceso o planta). Lo más usual es encontrar sistemas en los que el mando es electro-neumático, no obstante hay casos en los que es necesario utilizar sistemas puramente neumáticos por motivos de seguridad, por ejemplo cuando hay riesgo de incendio o explosión, en los que una chispa del sistema eléctrico podría provocar un accidente. 01. Introducción a los sistemas automáticos. 4 Sistemas eléctricos y electrónicos. 3.2. Hidráulica Profesor: José Paredes Coloma Imagen de una electroválvula. Es la tecnología que utiliza el aceite a presión como vehículo para transmitir energía. En esencia es similar a la neumática. Tiene las ventajas de poder desarrollar grandes fuerzas (mayores que la neumática) y su sencillez de operación. En cambio tiene los inconvenientes de que las instalaciones son muy costosas, no es una tecnología limpia y se velocidad de respuesta es lenta. El gobierno y control de los actuadores se lleva a cabo por medio de válvulas. Al igual que en los sistemas neumáticos, el mando se puede realizar mediante señales eléctricas utilizando electroválvulas, mejorando la rapidez del sistema, la sencillez del montaje y el mantenimiento y reduciendo el espacio necesario. 3.3. Eléctrica Utiliza la electricidad como medio para transmitir energía a los actuadores. Como hemos mencionado antes, el desarrollo de los autómatas programables y de dispositivos electrónicos de control ha hecho que esta sea la tecnología más utilizada en los sistemas de mando. El gobierno y control de los actuadores se realiza, principalmente, mediante el uso de contactores y relés. Entre los actuadores más habituales encontramos los motores eléctricos, bombas de agua, resistencias de caldeo, compresores, etc. Lo más usual encontrar sistemas híbridos en los que el mando se realiza mediante un sistema eléctrico y el circuito de fuerza se implementa mediante una combinación de dispositivos eléctricos, neumáticos e hidáulicos. 01. Introducción a los sistemas automáticos. 5 Sistemas eléctricos y electrónicos. Profesor: José Paredes Coloma 4. Fases de desarrollo de un automatismo industrial Como hemos visto, a pesar de la gran variedad de sistemas de automatización existentes, la mayor parte de los automatismos utilizan tecnología eléctrica/electrónica para su sistema de mando y control. Para llevar a cabo el correcto desarrollo y elaboración de un sistema automático es necesario conocer previamente las especificaciones del proceso que se va a controlar, teniendo en cuenta los requisitos económicos y el coste de cada situación planteada. Las fases del desarrollo completo se muestran en el siguiente diagrama: Necesidades del cliente Especificaciones técnicas y funcionales Estudio técnico-económico Lógica cableada Lógica digital Elección de materiales, componentes y equipos. Elección de tecnología, materiales, componentes y equipos. Elaboración de esquemas y documentación gráfica Elaboración de esquemas, documentación gráfica y programación. Ejecución de la instalación Comprobación y puesta en servicio 01. Introducción a los sistemas automáticos. 6 Sistemas eléctricos y electrónicos. Profesor: José Paredes Coloma Antes de seleccionar la opción más eficiente para la instalación es necesario valorar las necesidades del cliente y evaluar determinados parámetros como: · · · · Ventajas e inconvenientes de cada opción. Necesidades de futuras ampliaciones del sistema. Vida útil del sistema. Coste y complejidad del mantenimiento. En los automatismos con sistema de mando eléctrico es clave la elección entre un sistema de lógica cableada o de lógica programada, puesto que de esta decisión dependerán la elección de los materiales y equipos, la posible formación de los operarios, la posibilidad y complejidad de futuras modificaciones y/o ampliaciones, etc. 5. Comprobación y puesta en servicio de un automatismo industrial. La comprobación de un cuadro de automatismos comporta tareas que se realizan bajo tensión, por lo que se aplicarán las mismas normas: intervención de personal cualificado y habilitado y cumplimiento de la normativa sobre seguridad. Antes de conectar los conductores exteriores –comprobar la tensión y la frecuencia de la(s) red(es) de alimentación de los circuitos de potencia y mando. –comprobar que el tipo y el calibre de los fusibles y de los relés de protección están adaptados a los receptores que hay que proteger. Una vez efectuada la conexión de la línea de alimentación y la de todos los circuitos exteriores de potencia y de control, se puede proceder a los ensayos de conjunto del equipo, que se realizan en dos fases: Ensayo en vacío El objetivo es comprobar que todas las conexiones del circuito de mando (auxiliares de control y señalización, captadores, interruptores de seguridad, etc.) se han efectuado correctamente y son conformes al esquema. Para realizar esta prueba es necesario cortar la alimentación de todos los receptores. Estando alimentado el circuito de mando, una acción sobre el pulsador de arranque debe provocar el cierre del o de los contactores correspondientes y, en equipos más complejos, el arranque del ciclo automático. En este punto, se recomienda manejar manualmente los aparatos exteriores, o simular su funcionamiento, y provocar sistemáticamente y a conciencia todas las anomalías de control y de funcionamiento con el fin de comprobar la eficacia de los circuitos de control, interrelación, seguridad y señalización. Ensayo en carga Estando alimentado el circuito de potencia, se realiza un ensayo en carga para controlar la exactitud de la conexión y el funcionamiento de los distintos receptores. Dicho ensayo puede completarse por una serie de tests para comprobar que el equipo automático realiza correctamente el desarrollo de las distintas funciones mecánicas de la instalación. 01. Introducción a los sistemas automáticos. 7 Sistemas eléctricos y electrónicos. Profesor: José Paredes Coloma Proceso de puesta en servicio: Comprobación y puesta en servicio de un cuadro de automatismos Valores Operaciones Teórico Comprobaciones sin tensión Medición Observaciones Comprobación de cortocircuitos en los pulsadores de mando Comprobaciones con tensión en el circuito de mando Tensiones de alimentación trifásicas a la entrada del cuadro Tensiones en la protección del circuito de fuerza Tensiones en la protección del circuito de mando Comprobación del funcionamiento del circuito de mando Comprobación de cortocircuitos en los bornes de salida al motor Comprobaciones con tensión en el circuito de fuerza Comprobación de funcionamiento del circuito de fuerza Tensiones de alimentación trifásicas en bornes del motor Intensidades en las tres fases del motor 5. Cuestionario de autoevaluación. 1.1. ¿Qué diferencia hay entre un sistema en bucle abierto y uno en bucle cerrado? 1.2. En los sistemas neumáticos, ¿qué tecnología se utiliza para transmitir energía? 1.3. ¿Que ventajas tiene el uso de sistemas neumáticos? 1.4. En los sistemas hidráulicos, ¿qué tecnología se utiliza para transmitir energía? 1.5. ¿Que ventajas e inconvenientes tiene el uso de sistemas hidraúlicos? 1.6. ¿Qué diferencia hay entre las señales utilizadas en el circuito de mando y las utilizadas en el circuito de fuerza? 01. Introducción a los sistemas automáticos. 8