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AUTOMATISMOS Y CONTROL
AUTOMATISMOSYCONTROL
Dpto. de Ingeniera de Sistemas y Automtica
INDICE
1. La automatizacin y el control industrial
2. Sistemas bsicos de control
3. Diseo de automatismos
4. El autmata programable
5. Sensores
6. Actuadores
7. Regulacin y control industrial
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6. ACTUADORES
INTRODUCCIN
Un actuador o accionamiento es un dispositivo capaz de intervenir en el proceso que pretendemos controlar.
El actuador puede funcionar directamente bajo el control directo de la parte de mando, pero en muchas ocasiones es necesario algn preaccionamiento (en algunos casos llamados Drivers) para amplificar la seal de mando.
Hay una gran variedad de actuadores pero los ms usados son los destinados a producir movimiento (motores y cilindros), los destinados a trasiego de fluidos (bombas) y los de tipo trmico (hornos, intercambiadores, etc.).
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6. ACTUADORES
CLASIFICACIN
Segn el tipo de energa empleada se pueden distinguir en:
Accionamientos elctricos.
Accionamientos neumticos.
Accionamientos hidrulicos.
Accionamientos trmicos.
A su vez, dentro de cada una de estas tecnologas encontramos accionamientos de dos tipos:
Accionamientos todo o nada.
Accionamientos de tipo continuo.
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6. ACTUADORES
ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS
De alguna manera, todos los accionamientos y preaccionamientos que se conectan a los autmatas suelen tener mando elctrico. Pero dentro de este apartado nos referiremos nicamente a los puramente elctricos.
Tipos de actuadores elctricos:
Rels y contactores.
Motores de corriente continua (DC).
Motores de corriente continua sin escobillas o motores brushless.
Motores de corriente alterna (AC).
Asncronos.
Sncronos.
Motores paso a paso.
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6. ACTUADORES
ACCIONAMIENTOS ELECTRICOS
Los motores elctricos son los ms utilizados y presentan las siguientes caractersticas generales:
Fciles de controlar.
Precisos y de alta repetitividad.
Sencillos, pero de construccin delicada.
Ms pesados que los neumticos e hidrulicos a igualdad de potencia.
Amplia variedad de cargas y velocidades, con variada precisin.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
Son dispositivos electromagnticos que conectan o desconectan un circuito elctrico de potencia al excitar un electroimn o bobina de mando.
Los rels se suelen utilizar para accionar potencias del orden del kW, mientras que los contactores pueden accionar potencias del orden de cientos de kW.
La principal ventaja que proporcionan estos dispositivos es que separan la parte de mando (baja potencia) de la parte de potencia (motores, etc.). De esta forma el autmata est aislado y, por lo tanto protegido de las posibles sobrecargas y sobretensiones.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
Principio de funcionamiento:
en la figura se puede observar el funcionamiento interno de un rel, donde un electroimn es activado elctricamente produciendo por atraccin la conexin de un par de contactos normalmente abiertos (NA) y la desconexin del otro par de contactos normalmente cerrados (NC).
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
En el contactor, el principio de funcionamiento es el mismo pero principalmente vara la estructura mecnica y la capacidad elctrica para manejar grandes potencias.
Estos dispositivos son utilizados para realizar un control a distancia de los dispositivos a controlar ya que su mando es elctrico y no manual.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
Caractersticas: cuando se va a seleccionar un rel o un contactor habr que tener en cuenta algunas caractersticas. Entre las ms importantes vamos a destacar las siguientes.
Tensin de mando: tensin de alimentacin de la bobina de mando. Puede ser continua o alterna, siendo esta la ms habitual, y con tensiones de 12 V, 24 V, 48V o 220 V.
Tensin de empleo: tensin de trabajo que tendrn que bloquear los contactos cuando estn abiertos.
Corriente de empleo o de servicio (Ie): es la corriente que el dispositivo es capaz de accionar e interrumpir para cada tensin de empleo y con carga resistiva.
Corriente trmica (Ith): es la corriente que el contactor puede soportar en condicin cerrado por un mnimo de horas, sin que su temperatura exceda los lmites dados por las normas.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
-Caractersticas:
Vida elctrica: expresada en ciclos de maniobra, es una condicin adicional para la eleccin de un contactor y permite prever su mantenimiento. En los catlogos de contactores se incluyen curvas de vida elctrica en funcin de la categora de utilizacin. Podemos necesitar un contactor que cierre una o dos veces al da, o quizs otro que est continuamente abriendo y cerrando sus contactos. Hay que tener en cuenta el arco elctrico que se produce cada vez que esto ocurre y el consiguiente deterioro.
Tiempos de accionamiento: tiempos que tarda en abrir y cerrar el circuito. Los valores suelen ser del orden de ms.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
Los tipos de servicio ms frecuentes segn normas IEC (International Electrotechnical Commission) son:
Categora AC1. Se aplica a todos los aparatos de utilizacin en corriente alterna (receptores), cuyo factor de potencia es al menos igual a 0,95. Ejemplos: calefaccin, distribucin, iluminacin.
Categora AC2. Se refiere al arranque, al frenado en contracorriente y a la marcha por impulso de los motores de anillos. Al cierre, el contactor establece la intensidad de arranque del orden de 5 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura el contactor debe cortar la intensidad de arranque con una tensin menor o igual a la tensin de la red. Ejemplos: puentes gra, gras prtico con motores de rotor bobinado.
Categora AC3. Se refiere a los motores de jaula, y el corte se realiza a motor lanzado. Al cierre, el contactor establece la intensidad de arranque con 5 a 7 veces la intensidad nominal del motor. A la apertura, corta la intensidad nominal absorbida por el motor. En este momento la tensin en los bornes de sus polos es del orden del 20% de la tensin de la red, por lo que el corte es fcil. Ejemplos: todos los motores de jaula, ascensores, escaleras mecnicas, compresores, bombas, ventiladores, etc.
Categora AC4. Esta categora se refiere a las aplicaciones con frenado a contracorriente y marcha por impulso utilizando motores de jaula o de anillos. El contactor se cierra con un pico de corriente que puede alcanzar 5, incluso 7 veces, la intensidad nominal del motor. La tensin puede ser igual a la de la red. El corte es severo. Ejemplos: metalurgia, elevacin, ascensores, etc.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
Tipos de contactos:
Contactos principales: su funcin es establecer o interrumpir el circuito principal, consiguiendo as que la corriente se transporte desde la red a la carga.
Contactos auxiliares: son contactos cuya funcin especfica es permitir o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o los elementos de sealizacin, por lo cual estn dimensionados nicamente para intensidades muy pequeas. Los tipos ms comunes son:
Instantneos: actan tan pronto se energiza la bobina del contactor, se encargan de abrir y cerrar el circuito.
Temporizados: actan transcurrido un tiempo determinado desde que se energiza la bobina (temporizados a la conexin) o desde que se desenergiza la bobina (temporizados a la desconexin).
De apertura lenta: el desplazamiento y la velocidad del contacto mvil es igual al de la armadura.
De apertura positiva: los contactos cerrados y abiertos no pueden coincidir cerrados en ningn momento.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
Tipos de contactores:
Contactor unipolar NA con contacto auxiliar NA.
Contactor bipolar NA con contacto auxiliar NA.
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6. ACTUADORES
RELS Y CONTACTORES
Tipos de contactores:
Contactor tripolar NA, con contactos auxiliares NA y NC.
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6. ACTUADORES
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
Principio de funcionamiento:
El motor de corriente continua est formado por el estator que induce un campo magntico (mediante imanes permanentes o devanados) y por el rotor que gira al actuar sobre ste una fuerza proporcional al campo inductor y a la corriente que circula por sus devanados rotricos. Para que la corriente circule por el rotor siempre en la misma posicin relativa es necesario un mecanismo de conmutacin formado por el colector de delgas y las escobillas. Esta es una de las principales desventajas de este tipo de motor, ya que se produce desgaste en las escobillas debido a que se producen chispas y calentamiento, con lo que es necesario el mantenimiento.
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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
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6. ACTUADORES
La principal caracterstica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vaco a plena carga.
Su fcil control de posicin, par y velocidad la convirti en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatizacin de procesos.
Con la llegada de la electrnica ha cado en desuso pues los motores de corriente alterna del tipo asncrono, pueden ser controlados de igual forma (mediante variadores de frecuencia) a precios ms accesibles.
A pesar de esto se usan en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvas) o de precisin (mquinas, micromotores, etc.).
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
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6. ACTUADORES
Los motores sin escobillas son la solucin al problema de mantenimiento y calentamiento de los motores de CC con escobillas. La principal diferencia con respecto a los vistos anteriormente es que el rotor no posee bobinado, sino que est compuesto por imanes permanentes y desaparecen las escobillas y las delgas, con lo que disminuye el mantenimiento.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS O MOTORES BRUSHLESS
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6. ACTUADORES
Principio de funcionamiento:
Su funcionamiento se basa en la alimentacin secuencial de cada una de las fases del estator de forma sincronizada con el movimiento del rotor. De esta forma, los imanes permanentes siguen el movimiento del campo magntico estatrico, cuyo desplazamiento depende a su vez del giro del rotor.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS O MOTORES BRUSHLESS
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6. ACTUADORES
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SIN ESCOBILLAS O MOTORES BRUSHLESS
La eliminacin de las escobillas conlleva la necesidad de un circuito electrnico encargado de alimentar las distintas fases en funcin de la posicin del eje y la de un sistema de sensores, tres por lo general, para detectar la posicin del mismo. Estos sensores suelen ser del tipo Hall, sensibles al campo magntico, colocados en el devanado del estator y cerca de los imanes del rotor.
La existencia de estos elementos presenta algunos inconvenientes, como son la menor fiabilidad y la complejidad de montaje de los sensores y de su cableado, lo que encarece la fabricacin del motor. Por todo ello, en los ltimos aos se han desarrollado sistemas de deteccin sin sensores para aquellas aplicaciones donde no se requiere par motor a muy baja velocidad.
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6. ACTUADORES
MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN
Son probablemente los ms utilizados en la industria debido a sus numerosas ventajas como son:
Fcil mantenimiento.
Bajo calentamiento.
Fcil control de la velocidad mediante sistemas electrnicos.
Mayor potencia que los de continua, a igualdad de peso, versatilidad, etc.
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6. ACTUADORES
MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN
Principio de funcionamiento y tipos:
Su funcionamiento est basado en que el estator genera un campo magntico giratorio, a velocidad de sincronismo, que corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de induccin y esta hace que circule una corriente. La accin mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinmica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor.
Entre la velocidad del rotor y del campo magntico generado por el estator siempre hay una pequea diferencia que se denomina deslizamiento. Esta falta de sincronismo es por lo que a este motor se le denomina motor asncrono.
Este tipo de motores incluyen en el estator devanados, divididos en dos mitades (polos), dispuestos en posiciones diagonalmente opuestas y desfasados entre s.
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6. ACTUADORES
MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN
En el rotor existen dos posibilidades, jaula de ardilla o rotor bobinado (tambin llamado de anillos rozantes).
El ms utilizado es el de jaula de ardilla ya que es un sistema eficaz, simple y robusto. Consiste en una estructura de barras cortocircuitadas elctricamente mediante anillos en los extremos.
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6. ACTUADORES
MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN
El motor de rotor bobinado o de anillos rozantes es mucho ms complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a travs de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un reostato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, as como el reducir la corriente de arranque.
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6. ACTUADORES
MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN
Existen otras dos alternativas que son:
El rotor de doble jaula de ardilla.
El de ranuras profundas.
Estos tipos de rotores ofrecen mejora a la hora de reducir las altas corrientes que se producen en el arranque.
Estos problemas tambin pueden ser minimizados mediante:
Arranque estrella-triangulo.
Insercin de resistencias (perdida energtica).
Autotransformador.
Arrancadores progresivos o los variadores de frecuencia. Son mejores opciones tecnolgicamente hablando pero a un coste mayor. Estos ltimos sirven adems para variar la velocidad del motor.
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6. ACTUADORES
MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN
Formas de conexin:
Cableado y posicin de las chapas conductoras en la caja de conexiones o bornero.
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MOTORES ASNCRONOS O DE INDUCCIN
Formas de conexin:
Para conseguir el cambio de sentido de giro del motor basta con intercambiar dos fases.
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6. ACTUADORES
MOTORES SNCRONOS
Los motores sncronos son llamados as, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magntico del estator son iguales. Esta velocidad est dada por la relacin:
N = 120 f / p
donde f es la frecuencia de la red y p el numero de polos.
De esta propiedad surge la limitacin de uso de los motores sincrnicos, que se emplean cuando se requiere una velocidad absolutamente constante. Este tipo de motor se usa en mquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante. Para los dems casos se prefieren los motores asincrnicos que son ms sencillos y generalizados. Un inconveniente importante es que para arrancar necesitan dispositivos auxiliares de arranque.
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6. ACTUADORES
MOTORES SNCRONOS
Principio de funcionamiento y tipos:
El estator es similar al del motor asncrono y es alimentado con un sistema trifsico de tensiones, similar al motor de induccin.
El rotor, o parte rotativa, de una mquina sncrona es bastante diferente al de una mquina asncrona. Contiene un devanado de corriente continua denominado devanado de campo y un devanado en cortocircuito, que impide el funcionamiento de la mquina a una velocidad distinta a la de sincronismo, denominado devanado amortiguador. Adems, contiene un circuito magntico formado por apilamiento de chapas magnticas de menor espesor que las del esttor.
El arranque de un motor sncrono no es tan sencillo como el de un motor asncrono, existen diferentes mtodos como son el arranque mediante un motor auxiliar de potencia reducida o dotando al motor de un arrollamiento especial para que arranque como asincrnico.
Dentro de la familia de los motores sncronos debemos distinguir:
Los motores sncronos.
Los motores asncronos sincronizados, que llevan un rotor similar al de anillos rozantes de los motores asncronos.
Los motores sncronos de imn permanente.
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6. ACTUADORES
MOTORES PASO A PASO
El motor paso a paso es un dispositivo electromecnico que convierte una serie de impulsos elctricos en desplazamientos angulares discretos. Es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control.
Se pueden mover un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90 hasta pequeos movimientos de tan solo 1.8.
Estos motores pueden quedar enclavados en una posicin si una o ms de sus bobinas est energizada o bien totalmente libres si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
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6. ACTUADORES
MOTORES PASO A PASO
Principio de funcionamiento y tipos:
Existen varios tipos de motores paso a paso:
Los de imn permanente (los ms utilizados).
Los de reluctancia variable.
Los hbridos de paso que son una mezcla de los dos anteriores.
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MOTORES PASO A PASO
Principio de funcionamiento y tipos:
Bsicamente estos motores estn constituidos normalmente por:
Un rotor sobre el que van aplicados una estructura mecanizada con dientes que en un caso estn imantadas (imanes permanentes) y en el otro es un ncleo de hierro dulce (reluctancia variable).
Un estator en el que se alojan un cierto nmero de bobinas excitadoras.
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MOTORES PASO A PASO
Principio de funcionamiento y tipos:
Cuando las bobinas del estator son excitadas su ncleo atrae a los imanes del rotor y estos van variando su posicin a medida que se van excitando las bobinas del estator.
La alimentacin tiene que ser un tren de pulsos debidamente sincronizados que harn que el motor gire.
Variando la frecuencia con la que se aplican los pulsos, tambin estaremos variando la velocidad con que se mueve el motor, lo que nos permite realizar un control de velocidad.
Por ltimo si invertimos la secuencia de los pulsos de alimentacin aplicados a las bobinas, estaremos realizando una inversin en el sentido de giro del motor.
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6. ACTUADORES
MOTORES PASO A PASO
Principio de funcionamiento y tipos:
Se pueden encontrar motores paso a paso en robtica, control de discos duros, flexibles, unidades de CDROM o de DVD, impresoras, en sistemas informticos, manipulacin y posicionamiento de herramientas y piezas en general.
Si cabe citar algn inconveniente de los motores paso a paso sera que presentan una velocidad angular limitada.
Para finalizar hay que tener en cuenta que los motores paso a paso pueden ser unipolares o bipolares en funcin de cmo se conecten sus bobinados estatricos.
En la figura anterior se pueden observar los esquemas de bobinas estatricas de un motor bipolar (4 cables), un motor unipolar sin conexin entre tomas intermedias (6 cables) y un motor unipolar con conexin entre tomas intermedias (5 cables). El control de cada tipo ser obviamente diferente.
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6. ACTUADORES
SERVOMOTORES
Un servomotor es un motor elctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posicin. Debe tener integrado o adosado al menos un detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad.
Los servomotores pueden ser de CC o de CA.
Su caracterstica principal es que estn diseados especialmente para obtener una elevada dinmica, control de par, precisin de velocidad y posicionamiento.
Aplicaciones: los servos se usan en aplicaciones como corte, impresin, etiquetado, empacado, manipulacin de alimentos, robtica y automatizacin de fbricas.
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6. ACTUADORES
SERVOMOTORES
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ACCIONAMIENTOS NEUMTICOS
Los actuadores neumticos son mecanismos que convierten la energa del aire comprimido en trabajo mecnico por medio de un movimiento lineal de vaivn, o de motores.
Se clasifican en dos grandes grupos:
Cilindros (movimiento rectilneo).
Motores (movimiento rotatorio).
VENTAJAS:
Sencillez de los sistemas de mando: vlvulas, cilindros, etc.
Rapidez de respuesta.
Economa de los sistemas neumticos una vez instalados.
INCONVENIENTES:
Instalaciones caras en general.
El mantenimiento del aire en buenas condiciones es costoso.
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CILINDROS
Existen cilindros de diferentes tipos, pero los ms bsicos son:
De simple efecto: entrada de aire por un nico punto del cilindro que desplaza el vstago. Cuando la presin desaparece vuelve a su posicin original mediante el muelle de retorno.
De doble efecto: el desplazamiento del vstago se da en ambos sentidos.
De accin diferencial: permiten mantener el embolo en cualquier posicin.
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VALVULAS DISTRIBUIDORAS
Las vlvulas distribuidoras permiten el accionamiento de cilindros y motores Y pueden ser activados de forma manual o elctrica.
En cuanto al mando elctrico se pueden diferenciar las vlvulas accionadas mediante rel (electrovlvulas) y pueden ser controladas por un autmata.
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VALVULAS DISTRIBUIDORAS
Tipos bsicos y simbologa:
Para entender el smbolo de cada vlvula hay que entender algunos aspectos de las mismas:
El nmero de cuadrados indica el nmero de posiciones de la vlvula.
Las lneas representan la conexin y el recorrido del fluido.
En las vlvulas de dos posiciones, la posicin normal de la vlvula es la representada tal cual aparece en su smbolo en la parte derecha.
En las de tres posiciones, cada cuadrado indica la conexin en cada una de las posiciones.
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VALVULAS DISTRIBUIDORAS
Conexiones tpicas:
Control de un cilindro de simple efecto.
Mediante un vlvula 3/2.
Accionada por pulsador o mando elctrico, retorno mecnico por muelle.
Al activarse conecta la entrada de aire a presin con la entrada del cilindro.
En reposo se conecta la cmara del pistn a la salida, liberando el aire.
Control de un cilindro de doble efecto.
Mediante un vlvula 4/2.
El cilindro trabaja a presin en los dos recorridos.
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6. ACTUADORES
MOTORES NEUMATICOS ROTATIVOS
Transforma la energa del aire comprimido en movimiento rotatorio.
Este tipo de motores tiene las siguientes caractersticas:
Son ligeros y compactos.
Desarrollan ms potencia con relacin a su tamao que la mayora de los otros tipos de motores.
Arranque y parada muy rpidas.
Velocidad y par variables.
Control simple.
Difcil control de posicin.
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6. ACTUADORES
MOTORES NEUMATICOS ROTATIVOS
Tipos:
Motores de paletas rotativas. Son los mas utilizados.
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6. ACTUADORES
MOTORES NEUMATICOS ROTATIVOS
Motores de pistones. Consigue un par elevado a bajas velocidades, baja vibracin. Los hay radiales y axiales.
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MOTORES NEUMATICOS ROTATIVOS
Motores de engranajes. Este tipo de motor es de bajo rendimiento.
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OTROS DISPOSITIVOS NEUMTICOS
Ademas de los dispositivos vistos anteriormente hay que tener en cuenta que en un sistema neumtico tambin sern necesarios otros dispositivos, como son los compresores, sistemas de preparacin del aire comprimido (filtros, reguladores, lubricadores, purgas de condensado, secadores,),vlvulas reguladoras, amortiguadores, pinzas, ventosas, controladores de flujo, etc.
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6. ACTUADORES
ACCIONAMIENTOS HIDRULICOS
La diferencia con los neumticos es que estos utilizan aceite a presin, pero en esencia la tecnologa es similar.
VENTAJAS:
Puede desarrollar grandes fuerzas.
Sencillez de operacin.
INCONVENIENTES:
Instalaciones muy caras en general.
Suciedad de las instalaciones.
Velocidad de respuesta muy lenta.
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ACCIONAMIENTOS HIDRULICOS
Caractersticas:
Destacaremos algunas caractersticas que diferencian esta tecnologa de la neumtica, aunque la esencia es la misma:
El grado de compresibilidad del aceite es superior al del aire, lo que le da mayor precisin.
Repetitividad entre 2,3 y 0,2mm.
No presentan problemas de refrigeracin.
Gran potencia en poco volumen.
Pueden soportar cargas elevadas sin aporte de energa.
El mantenimiento no es muy complejo.
Los cilindros y motores son similares a los neumticos.
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ACCIONAMIENTOS HIDRULICOS
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VALVULAS DISTRIBUIDORAS
Las vlvulas distribuidoras permiten el accionamiento de cilindros y motores Y pueden ser activados de forma manual o elctrica.
En cuanto al mando elctrico se pueden diferenciar las vlvulas accionadas mediante rel (electrovlvulas) y pueden ser controladas por un autmata.
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SERVO-VALVULAS HIDRULICAS
La diferencia con las vlvulas es que estas son de tipo todo o nada, mientras que las servovlvulas tienen la posibilidad de controlar la presin o el caudal. Una seal elctrica de entrada de milivatios controla as una potencia hidrulica de muchos kilovatios.
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