guia 4 dispositivos actuadores

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS SECCIONAL TUNJA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

GUÍA DE LABORATORIO AUTOMATIZACION

Ing. FABIAN JIMÉNEZ LOPEZ 1

GUIA DE LABORATORIO No. 4

ACTUADORES ELÉCTRICOS, NEUMATICOS Y ELECTRONEUMATICOS

OBJETIVO Conocer y describir las características y especificaciones técnicas de los actuadores utilizados en procesos industriales, mediante el análisis e interpretación de circuitos eléctricos, neumáticos y electro neumáticos, para establecer su operación en aplicaciones específicas de proyectos de automatización industrial. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1. Conocer los actuadores eléctricos, neumáticos sensores mas comúnmente utilizados en procesos industriales y de automatización. 2. Adquirir destreza en el manejo e interpretación de planos eléctricos, neumáticos y electro neumáticos. 3. Establecer las especificaciones de operación y aplicaciones de actuadores eléctricos, neumáticos y electro neumáticos, más utilizados en la regulación de potencia en procesos industriales. 4. Conocer las características físicas, mecánicas y eléctricas de los actuadores. 5. Diseñar e implementar circuitos neumáticos y electro neumáticos, utilizando accionamientos eléctricos, mecánicos y dispositivos sensores, temporizadores e indicadores con el software de simulación fluidSIM-P. FUNDAMENTACIÓN TEORICA Los dispositivos actuadores también conocidos como accionamientos, son aquellos subsistemas que regulan la potencia en una planta, proceso o automatismo. Los actuadores pueden estar bajo el control directo de la parte de mando o puede requerir algún preaccionamiento para amplificar la señal de mando. En el campo de la automatización los autómatas programables o PLCs, proporcionan las señales de mando o control para que los actuadores actúen, energicen, arranquen o conecten elementos en un proceso. Los actuadores más comunes se destinan a producir movimientos (motores y cilindros), a trasiego de líquidos (bombas) y los de tipo térmico (hornos, intercambiadores, etc.).

Los actuadores se pueden clasificar de acuerdo ala tecnología o tipo de energía que emplean en el accionamiento en accionamientos eléctricos, mecánicos, neumáticos, hidráulicos, térmicos, electromecánicos, electro neumáticos entre otros. Dentro de cada una de estas tecnologías se encuentran a su vez actuadores de dos tipos todo o nada y de tipo continuo. ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS Son los actuadores más comunes entre los que se destacan los solenoides, reles, motores de corriente continua, motores de corriente alterna y motores paso a paso.

Figura 1. Motor Eléctrico DC.

Los reles y contactores son dispositivos electromecánicos que conectan o desconectan un circuito electricote potencia al excitar un electroimán o bobina de mando. La diferencia entre un rele y un contactor esta en la potencia que es capaz de seccionar cada uno. Los reles están previstos para accionar pequeñas potencias, generalmente inferiores a 1 Kw., mientras que los contactores pueden accionar grandes potencias en el orden de los cientos de kilowatios.

Figura 2. Reles y Contactores Eléctricos.




Las características más relevantes de reles y contactores son: • Tensión de Mando. • Potencia de Mando. • Tensión de Aislamiento. • Tensión de Trabajo. • Corriente Térmica. • Corriente de Trabajo. • Poder de corte. Los reles y contactores pueden trabajar con tensiones de mando DC o AC, y de igual manera pueden operar para manejar cargas DC o AC. Los servomotores DC son dispositivos de tamaños variados que tienen un eje de rendimiento controlado. Estos pueden ser llevados a posiciones angulares o velocidades específicas al alimentarlos con una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señal codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia. En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, y por supuesto, en robots.

Figura 3. Servomotor DC desmontado.

Los motores son de pequeñas dimensiones en sistemas de control numérico y robots, e internamente tienen una circuitería de control que los hace sumamente poderosos para su tamaño puesto que poseen un torque que es bastante fuerte para su tamaño. Los servomotores AC presentan muchas aplicaciones en la industria, y su ventaja frente a los servos DC es la ausencia de colector y escobillas. Dentro de los motores AC se distinguen los motores síncronos y asíncronos.

Los motores asíncronos no son apropiados en sistemas que requieran precisión, debido al deslizamiento y la poca linealidad de sus características par – velocidad. Se utilizan junto con sistemas variadores de de frecuencia, para accionamientos de velocidad variable, donde gracias a un control a lazo cerrado se obtienen precisiones aceptables. Los motores síncronos clásicos, disponen de un devanado estatórico, alimentado en AC y un devanado rotórico alimentado en DC a través de escobillas y un sistema de anillos rodantes. Los servomotores de AC suelen estar constituidos por un bloque de hierro (motor de reluctancia) o por un imán permanente, para evitar la existencia de escobillas. Estos motores a nivel industrial funcionan con devanados trifásicos en el estator y uno o más polos por fase de manera que generan un campo giratorio sin saltos. Los motores, tanto de corriente continua como de corriente alterna, son muy efectivos en muchas labores industriales pero debido a problemas tales como la inercia mecánica o su dificultad para controlar su velocidad, se desarrollaron otro tipo de motores cuya característica principal es la precisión de giro. En efecto, en un motor paso a paso no sólo se puede controlar la cantidad de vueltas del mismo, sino que hasta centésimas de las mismas. Los motores Paso a Paso o también llamados PAP o steppers, son dispositivos que convierten comandos digitales en movimientos incrementales de exactitud conocida. En otras palabras, al contrario de los motores AC y DC convencionales, que operan a partir de voltajes de entrada aplicados continuamente y producen usualmente un movimiento rotatorio continuo, los motores paso a paso se mueven en pasos discretos, usualmente dado en grados por paso. Desde el punto de vista constructivo, los motores paso pueden ser de reluctancia variable, de imán permanente o híbridos, cada uno con sus propias características funcionales. ACTUADORES NEUMATICOS Y ELECTRONEUMATICOS La tecnología de la Neumática juega un papel importante en la automatización desde hace mucho tiempo. En este sentido la neumática es




utilizada para la ejecución de las siguientes funciones: • Detección de estados mediante sensores. • Procesamiento de información mediante

procesadores. • Accionamiento de actuadotes mediante

elementos de control. • Ejecución de trabajos mediante actuadores. Para controlar maquinas y equipos suele ser necesario efectuar una concatenación lógica y compleja de estados y conexiones. Ello se logra mediante la actuación conjunta de sensores, procesadores, elementos en accionamiento y actuadores incluidos en un sistema neumático. La neumática es aplicada en las siguientes técnicas de fabricación: • Perforar • Tornear • Fresar • Cortar • Acabar • Deformar • Controlar.

El proceso experimentado en relación con materiales, métodos de montaje y fabricación ha tenido como consecuencia una mejora de la calidad y diversidad de elementos neumáticos, contribuyendo así a una mayor difusión de la neumática en el sector de la Automatización. Aplicaciones generales de la técnica de manipulación: • Sujeción de piezas • Desplazamiento de piezas • Posicionamiento de piezas • Orientación de piezas • Bifurcación de flujo de materiales.

Aplicaciones generales en diversas técnicas especializadas: • Embalaje • Llenado • Dosificado • Bloqueo • Accionamiento de ejes • Abrir y cerrar puertas • Transporte de materiales • Giro de piezas • Separar piezas • Apilar piezas

• Estampar y Prensar piezas Características y Ventajas de la Neumática 1. Transporte: Es fácil transportar aire a grandes distancias a través de las tuberías. 2. Almacenamiento: Tiene la posibilidad de almacenarse aire comprimido en acumuladores. 3. Temperatura: El aire comprimido es prácticamente indiferente a oscilaciones de la temperatura. 4. Seguridad: No alberga riesgos en relaciones con fuego o explosiones. 5. Limpieza: El aire comprimido no lubricado no contamina el medio ambiente. 6. Composición: Los elementos de trabajo son de composición sencilla y por lo tanto, su precio es relativamente bajo. 7. Velocidad: El aire comprimido es un medio de trabajo rápido, permite obtener elevadas velocidades y tiempos de conmutación cortos. 8. Sobrecarga: Las herramientas y los elementos neumáticos pueden funcionar hasta que sean totalmente detenidos. Para evaluar correctamente los campos de aplicación de la neumática, también es necesario conocer sus desventajas. 1. Acondicionamiento: El aire comprimido tiene que ser acondicionado, ya que de lo contrario puede producirse un desgaste precoz de los elementos por efecto de las partículas de suciedad y agua condensada. 2. Compresión: El aire comprimido no permite obtener velocidades homogéneas y constantes de los émbolos. 3. Fuerza: El aire comprimido es económico solamente hasta determinados niveles de presión (6 a 7 bar). 4. Aire de escape: El escape de aire produce mucho ruido. Sin embargo este problema puede ser resuelto de modo satisfactorio utilizando materiales que atenúan el ruido y silenciadores.

Figura 4. Estructura de un sistema Neumático

.




Los sistemas neumáticos tienen varios niveles. El primer nivel corresponde a elementos compresores, acumuladores y acondicionadores de aire (filtros, secadores, lubricadores) este nivel en forma esquemática se ubica en la parte inferior. El segundo nivel esta previsto para los sistemas de control, que corresponde a la red de distribución de presión y velocidad de aire, utilizando elementos de regulación y control denominados válvulas, que pueden ser activadas manual, neumática, mecánica hidráulica o eléctricamente. Las válvulas se pueden clasificar entres grandes grupos: • Válvulas Antirretorno y Selectora. • Válvulas de Regulación. • Válvulas de dirección o distribución. Finalmente en el nivel superior se encuentran los elementos actuadores neumáticos que transforman la energía neumática en energía generalmente de tipo mecánico. Los actuadores neumáticos pueden ser cilindros de efecto simple o de doble efecto y motores neumáticos. ACTUADORES NEUMATICOS Actuador: Un actuador transforma la energía del aire comprimido en trabajo. La señal de salida es controlada por el mando y el actuador relaciona dicha señal por acción de los elementos de maniobra. Los actuadotes Neumáticos pueden clasificarse en dos grupos según el movimiento. Si es lineal o giratorio. Movimiento Rectilíneo 1. Cilindros de simple efecto 2. Cilindros de doble efecto. 3. Actuadores de carro. Movimiento Giratorio 1. Motor Neumático 2. Actuador Giratorio 3. Actuador Oscilante. Cilindro de Simple efecto: Los cilindros de simple efecto reciben aire a presión solo de un lado. Por lo tanto solo pueden ejecutar el trabajo en un sentido. El retroceso esta a cargo de un muelle incluido en el cilindro se produce por efecto de una fuerza externa.

La fuerza del muelle hace retroceder el vástago del cilindro a suficiente velocidad pero sin que el cilindro puede soportar una carga. Cilindro de Doble efecto: Los cilindros de doble efecto poseen dos conexiones que son utilizadas correspondientemente para la alimentación y la evacuación del aire a presión. Ofrecen la ventaja de poder ejecutar trabajos en ambos sentidos. Se trata, por lo tanto, de cilindros sumamente versátiles. La fuerza ejercida sobre el vástago es algo mayor en el movimiento de avance que de retroceso porque la superficie en el lado de el embolo es mas grande que en lado del vástago. Si un cilindro tiene la función de mover grandes masas, o altas velocidades, los amortiguadores de final de carrera se encargan de evitar un golpe seco y, por tanto, un daño de los cilindros. Por su diseño, los cilindros de simple efecto pueden ejecutar diversas funciones de movimientos tales como: • Entregar • Bifurcar • Juntar • Accionar • Fijar • Expulsar Los cilindros de simple efecto están equipados con una junta simple en el embolo, en el lado sometido a presión. La estanqueidad de los cilindros de metal o plástico se logra utilizando material flexible (perturban). Los bordes de la junta se deslizan a lo largo de l camisa del cilindro este ejecuta los movimientos. Los cilindros de simple efecto también pueden ser de membrana o membrana enrollable. La membrana pude ser de goma, de plástico o de metal. El vástago esta fijado en el centro de la membrana. Trabajos de fijación, prensado o elevación. VALVULAS DE VIAS Las válvulas de vías son dispositivos que influyen en el paso, el bloqueo y la dirección del flujo del aire. El símbolo de las válvulas informa sobre la cantidad de conexiones, la posición de conmutación y sobre el tipo de accionamiento.




Sin embargo los símbolos nada indican sobre la composición de las válvulas, limitándose a mostrar su función. SIMBOLOGIA NEUMATICA

MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO Computador. Bancos de trabajo. FluidSIM. Normas IEC 1189. Normas ISA S 5.1.




PROCEDIMIENTO 1. Abra el programa de simulación FluidSim, describa brevemente las herramientas de trabajo del software, identifique y clasifique los elementos de la biblioteca de componentes de FluidSim, de acuerdo a su nomenclatura, en elementos acumuladores, distribuidores, de control, actuadores, sensores, indicadores, componentes eléctricos, etc. 2. Describa el procedimiento básico para el montaje y simulación de un sistema neumático básico. Explore las barras de herramientas y explique como se puede configurar y adquirir la descripción técnica de cada dispositivo. 3. Realice el diseño, montaje y simulación de los siguientes sistemas neumáticos: • Accionamiento directo de un cilindro de

simple efecto (A+,A-) Ciclo único. • Accionamiento indirecto de un cilindro de

simple efecto (A+,A-) Ciclo único. • Accionamiento directo de un cilindro de doble

efecto (A+,A-) Ciclo único. • Accionamiento indirecto de un cilindro de

doble efecto (A+,A-) Ciclo único. • Accionamiento automático con pulsador de

arranque y parada de un cilindro de doble efecto (A+,A-, A+,A-,…) Ciclo Continuo.

• Accionamiento automático con pulsador de arranque y parada de dos cilindros de doble efecto (A+, B+, A-,B-,…) Ciclo Continuo.

4. Para cada uno de los ejercicios anteriores: 4.1 Describa su operación. 4.2 Realice diagrama de fases. 4.3 Establezca una aplicación industrial para cada ejemplo. Dibuje un plano de situación. 4.4 Realice sus respectivas observaciones y conclusiones. 5. Realice el diseño, montaje y simulación de los siguientes sistemas electroneumáticos: • Accionamiento de un cilindro de simple efecto

(A+,A-) Ciclo único y continuo. • Accionamiento de un cilindro de doble efecto

(A+,A-) Ciclo único y continuo. • Accionamiento automático en cascada de dos

cilindros de doble efecto utilizando fines de curso mecánicos (A+, B+, A-, B-, …) con pulsador arranque y parada Ciclo continuo.

• Accionamiento automático en cascada de dos

cilindros de doble efecto utilizando sensores inductivos y capacitivos (A+, A-, B+, B-,…) con pulsador arranque y parada Ciclo continuo.

• Accionamiento automático en cascada de tres cilindros de doble efecto utilizando sensores ópticos y magnéticos (A+, B+, C+, C-, A-, B-, …) con pulsador arranque y parada Ciclo continuo.

• Accionamiento automático en cascada de tres cilindros de doble efecto utilizando sensores fines de curso, temporizadores e indicadores (A+, A+, B+, C+, C-, B-, …) con pulsador arranque y parada Ciclo continuo.

• Accionamiento Toggle. 6. Repetir el numeral 4 para el numeral 5. 7. Interprete la información que brindan los planos esquemáticos de instrumentación y eléctricos anexos. Utilice norma ISA S 5.1. Realice una lista de elementos y sus referencias según la norma. PREGUNTAS 1. Describa cuales son las características de los motores PAP unipolares y bipolares, su conexión, polarizacion y funcionamiento. Consulte Valor comercial. 2. Describa la importancia, rangos de operación, aplicaciones y diferencias entre seccionadores, disyuntores y guardamotores en instalaciones eléctricas. 3. Obtenga una hoja técnica de datos de un motor trifásico típico. Resuma cuales son los parámetros de selección mas relevantes de un motor, que consideraciones de montaje, protecciones y accesorios adicionales son necesarios para su apropiada operación. Consulte Valor Comercial. 4. Describa las características, parámetros de selección y aplicaciones de los cilindros de simple y doble efecto. 5. Defina que es una válvula de vías, válvula de reguladora de presión, válvula limitadora de presión, válvula de estrangulamiento o reguladora de caudal, válvula de cierre, válvula Antirretorno,




6. Explique brevemente y con un ejemplo que es un temporizador al trabajo y un temporizador al reposo. PARA INVESTIGAR

Normas Estándar para Simbología eléctrica, neumática, electro neumática e hidráulica.

Normalización de la señal indicada por transmisores neumáticos 3 – 15 PSI o 0.2 a 1 Bar, sus equivalencias y unidades.

Servoválvulas y sus aplicaciones industriales.

Nanomotores. Actuadores de Potencia Inteligentes.

FUENTES DE INFORMACION. • www.siemens.com • www.schneider_electric.com • www.festo.com • www.telemechanique.com • www.endress+hauser.com • www.abb.com • Balcells Joseph y Romeral José Luis. Autómatas Programables. Serie Mundo Electrónico. Editorial Marcombo. • Piedrahita Ramón. Ingeniería de la Automatización Industrial. Editorial Afaomega. • Pallas Ramón. Sensores y Acondicionadores de Señal. Editorial Marcombo. • Curso Práctico de Electrónica Industrial y Automatización. Cekit Editores. • Centro de Automatización Industrial. Neumática, Electroneumática e Hidráulica. Festo Didactic. • Norma IEC- 1189. • Norma ISA S 5.1.




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