TRANSMISORES DE SEÑAL Si se ha elegido una termocupla o una termorresistencia como el sensor apropiado para una aplicación dada, hay dos formas de transportar la información de temperatura hasta el lugar de uso. La primera es conectar directamente el sensor, es decir, prolongar el propio alambre del sensor o utilizar un alambre de extensión compatible hasta el punto de uso y transmitir sobre esta línea la salida real del sensor. La segunda opción es transmitir la salida real del sensor hasta un transmisor cercano que produce una señal eléctrica amplificada que puede ser transportada al lugar de uso a través de un alambre de cobre común. El cableado directo de una termocupla o termorresistencia tiene cierto atractivo. Pero es importante tener en cuenta que este enfoque presenta al menos tres inconvenientes: la exactitud, la estabilidad de la señal y el costo. La instalación de un alambre de termocupla requiere mucho cuidado. Se deben tomar precauciones para evitar el corte del alambre o someter los conductores a distintas temperaturas. Estos aspectos afectan la exactitud de la medición y el costo de la instalación. Si se utiliza alambre para transmitir las mediciones, es inevitable que éste actúe como una antena gigante y por lo tanto capture interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia, o sea ruido eléctrico. Ya que la salida eléctrica de la propia termocupla es muy pequeña (la tensión en muchos casos es menor que 0,000036 V por ºC de cambio de temperatura). La exactitud y la estabilidad de esta señal de temperatura se verán afectados por el ruido. La captación de sólo 0,01 V puede significar un error de medición de 28°C. Tal interferencia es generada por muchas fuentes, incluyendo motores eléctricos, líneas de corriente alterna y wailkie-tailkies. Como referencia, observe que un metro de longitud de alambre colocado cerca de un wailkie-tailkie puede generar un potencial electrónico de 5 V. En muchos casos, el ruido es intermitente y resulta difícil de seguir y eliminar. El uso de un alambre blindado ayuda pero esto adiciona costos y no ofrece garantías. El tercer inconveniente del cableado directo es el costo, ya que se trata de una tarea difícil y por consiguiente cara. La termorresistencia no requiere alambre especial pero, tal como se mencionó anteriormente, cada instrumento necesita de tres o cuatro conductores. Ellos también están sujetos al ruido eléctrico, aunque no en tal alto grado como las termocuplas. Para las termorresistencias se recomienda un cableado blindado, que se suma al costo de cableado y de instalación. Finalmente: el cableado directo también resulta caro en lo que hace a mantenimiento y reparación. El personal de reparaciones no debe recurrir a técnicas de empalme ya que los empalmes son fuentes conocidas de error de señal. Por las razones ya apuntadas, el uso del cableado directo debe estar limitado a distancias cortas. En consecuencia, se debe pensar en transmisores si la información de temperatura debe ser enviada a más de 30 metros de distancia; incluso se deben preferir transmisores para distancias más cortas si el ambiente es eléctricamente ruidoso o si se necesita una inusual exactitud o consistencia en las mediciones. Los transmisores son capaces de enviar señales amplificadas de la salida del sensor a miles de metros sin degradación. Los transmisores pueden clasificarse como dispositivos de dos o cuatro alambres, lo que depende del número de alambres necesarios para proveer la entrada de alimentación y para enviar la señal de salida. Los transmisores también pueden dividirse según la salida del transmisor varíe con la tensión o con la corriente. Y hay una tercera diferenciación entre transmisores aislados y no aislados. Finalmente, el usuario puede elegir entre versiones analógicas o digitales. Recientemente, ha surgido una nueva clase de transmisores de temperatura basados en microprocesadores y computación digital. Comúnmente se los conoce como transmisores "inteligentes", habiendo sido diseñados con muchas características previamente no disponibles en los diseños analógicos.

Dos alambres vs. Cuatro alambres En los transmisores de dos alambres o bifilares, la energía eléctrica que alimenta al dispositivo proviene de una batería u otra fuente en el circuito de salida del transmisor. Los únicos otros alambres adosados al dispositivo son aquellos que provienen del sensor. Estos transmisores de dos alambres son considerados generalmente como instrumentos de baja potencia; su salida varía de 4 a 20 mA según la temperatura medida, y el transmisor debe ser diseñado de modo que funcione aún en el extremo inferior de ese rango. En los transmisores de cuatro alambres o tetrafilares, la fuente de alimentación no se encuentra en el circuito de salida; en lugar de ello; el dispositivo está conectado a una fuente independiente. En consecuencia, los transmisores de cuatro alambres no se consideran normalmente como dispositivos de baja potencia. Las dos opciones de transmisor se muestran en la parrte inferior de la figura 4. La razón más obvia para utilizar un transmisor de dos alambres es el ahorro en el costo del alambre. Los transmisores de dos alambres por sí mismos raramente cuestan más que una versión de cuatro alambres y consumen menos potencia, de modo que el argumento a favor de los transmisores de dos alambres es muy fuerte. Los dispositivos de cuatro alambres se siguen usando por haber sido los primeros disponibles en el mercado. También son imprescindibles en ocasiones cuando, para ciertos equipos receptores, se requiere un rango de señales de base cero desde el transmisor (por ejemplo, de O a 5 V) En lo que hace a la elección entr e salida basada en tensión o en corriente, esta última es la mas común. No está sujeta a pérdidas en la transmisión: la corriente que circula a lo largo de un lazo es siempre la misma en cualquier lugar. También es más exacta, ya que la salida de tensión está sujeta a pérdidas de potencial eléctrico asociadas con la resistencia del alambre, la corrosión de las junturas de los terminales y otros factores similares.

Aislados vs. no aislados Tal como se mencionó anteriormente, las termocuplas suelen usar un sensor de juntura conectada a tierra para mejorar el tiempo de respuesta. En una planta típica, hay varios circuitos eléctricos conectados a tierra. Desafortunadamente cuando dos tierras están ubicadas a cientos de metros de distancia una de otra, su potencial eléctrico puede ser bastante diferente y una conexión directa entre ellas hará circular una corriente eléctrica. Este fenómeno se denomina lazo de tierra. La pequeña corriente de un lazo de tierra puede causar un error significativo en una señal eléctrica. Para evitar este problema, se dispone de transmisores con circuitos especiales que aislan la salida de la entrada; estos transmisores deben usarse siempre con las termocuplas de juntura conectada a tierra. Aunque los sensores de termorresistencia por lo general no están conectados a tierra, tal aislación es una buena garantía contra lazos de tierra parásitos.

Inteligentes vs. Analógicos La familia relativamente nueva de transmisores de temperatura basados en microprocesadores o "inteligentes" ofrece numerosas ventajas sobre los transmisores analógicos. Una ventaja clave es la versatilidad. Un transmisor inteligente típico recibe entradas de cualquier tipo de termocupla y acepta a la mayoría de las termorresistencias. . (Si bien los sensores de temperatura industriales, particularmente las termocuplas, son dispositivos significativamente no lineales, los transmisores inteligentes linealizan la señal). Los transmisores de temperatura inteligentes tienden inherentemente a ser muy estables ante cambios en la temperatura ambiente. En la figura 5 se compara el desempeño de los transmisores analógicos y los inteligentes ante cambios en la temperatura ambiente.

Algunos Fabricantes mejoran esta estabilidad calibrando los transmisores a diversas temperaturas. Y otros han ido más allá incorporando autocalibración automática en sus transmisores. Estos últimos cuentan con tensiones de referencia internas que se actualizan periódicamente para la temperatura ambiente prevaleciente; los ajustes internos permiten compensar cualquier deriva a largo plazo. La autocalibración elimina virtualmente el mantenimiento periódico asociado con transmisores analógicos.

Todo es digital Todos los transmisores basados en microprocesador realizan operaciones matemáticas digitales y la salida de prácticamente todos ellos es digital. La comunicación digital simplifica la configuración de un transmisor, pero suele requerir una terminal de mano propietaria. Sin embargo, la salida de algunos dispositivos se basa en la norma RS-232 y por lo tanto, puede ser leída por una computadora personal. Los fabricantes de algunos transmisores de temperatura inteligentes también ofrecen un método para la puesta a punto de un transmisor sin el empleo de una terminal. En este caso se usa un menú "analógico” para subir o bajar la corriente de salida del transmisor en pasos definidos, cada uno de acuerdo a un parámetro de puesta a punto. A la luz de todos estos atractivos que ofrecen los transmisores inteligentes, ellos serán la elección frente a los transmisores analógicos en la mayoría de las aplicaciones. La única excepción quizás sea la situación antes mencionada donde la señal de salida del transmisor debe ser de tensión con 0 V en el extremo inferior del rango.

ACTUADORES El actuador es el elemento final de control que, en respuesta a la señal de mando que recibe, actúa sobre la variable o elemento final del proceso. Un actuador transforma la energía de salida del automatismo en otra útil para el entorno industrial de trabajo. Los actuadores pueden ser clasificados en eléctricos, neumáticos e hidráulicos: • Los actudores eléctricos son adecuados para movimientos angulares y en el control de velocidad de ejes. Utilizan como fuente de energía la eléctrica

Actuadores eléctricos • Los actuadores neumáticos son adecuados para aplicaciones en movimientos lineales cortos que se producen, por ejemplo, en operaciones de transferencia, ensamblajes, aprietes...Utilizan el aire comprimido como fuente de energía. • Los actuadores hidráulicos sólo se utilizan cuando los esfuerzos a desarrollar son muy importantes o cuando las velocidades lentas deben ser controladas con precisión. Los actuadores más utilizados en la industria son: cilindros, motores de corriente alterna, motores de corriente continua, etc. Los actudores son gobernados por la parte de mando, sin embargo, pueden estar bajo el control directo de la misma o bien requerir algún preaccionamiento para amplificar la señal de mando. Esta preamplificación se traduce en establecer, interrumpir o regular la circulación de energía desde la fuente al actuador. Algunos ejemplos de preaccionadores podrían ser contactores, variadores (preaccionadores eléctricos) o válvulas distribuidoras (preaccionadores neumáticos).

Preaccionadores Eléctricos

de

velocidad

Dentro de los elementos finales de control, y preaccionadores veremos las características principales de alguno de ellos por ser de vasta presencia en los procesos industriales mas comunes, por ejemplo: Válvulas de control Válvula solenoide de tres vías Variador de velocidad Contactores Cilindros neumáticos

Válvulas de control Es un elemento final de lazo de control que interrumpe o deja pasar el fluido según la señal correctora que le llegue desde el controlador Elementos: – Cuerpo y partes internas: regulan el paso del fluido – Actuador o servomotor: actúa sobre el obturador de la válvula modificando su apertura, en función de la señal que le llega.

Clasificación de las válvulas según los tipos de cuerpo

Mariposa: Ventajas: Alta capacidad con baja caída de presión a través de la válvula. Apta para un gran rango de temperaturas, dependiendo del tipo de cierre. Mínimo espacio para instalación. Económica, especialmente en grandes tamaños. Su menor peso le hace más manejable en su mantenimiento.

Desventajas: Necesita actuadores potentes o de gran recorrido si el tamaño de la válvula es grande o la presión diferencial es alta. No adecuada para “fluidos cavitantes” o aplicaciones de ruido.

Bola: Ventajas: Excelente control ante fluidos viscosos, erosivos, fibrosos o con sólidos en suspensión. Alta rangeabilidad de control (aprox.: 300:1). Mayor capacidad que las válvulas de globo. Desventajas: Precio elevado. No adecuada para “líquidos cavitantes”. Puede provocar ruido con caídas de presión altas.

Globo: El flujo lo restringe un obturador que se desplaza perpendicularmente al asiento de la válvula. Ventajas: Disponibles en todos los “ratings”. Amplia selección de materiales constructivos. Posibilidad de diversas características de caudal. Partes internas aptas para el tipo de estanqueidad requerida. Desventajas: Considerables pérdidas de carga a grandes caudales. Precios más elevados que las válvulas de mariposa en servicios de baja presión y temperatura. Formas constructivas:

Simple asiento: Óptimos cuando queremos alto nivel de estanqueidad. Doble asiento: Permiten trabajar con fluidos a alta presión, con un Caja: El asiento de la válvula esta agujereado. Membrana: Se usa para fluidos muy corrosivos, de alta viscosidad, en la industria alimentaria. Tres vías: Se usa para partir una corriente en dos o unir dos corrientes en un actuador standard.

Característica de caudal: Características isoporcentual: incrementos iguales en el recorrido de la válvula producen cambios en igual porcentaje en el caudal existente. Característica lineal: la capacidad de la válvula varia lineal con la carrera. Característica todo nada: El cambio de caudal es máximo a bajos recorridos, siendo luego muy pequeño.

Válvulas Solenoide

Las válvulas de solenoide permiten un control on-off mediante variaciones de corriente eléctrica en su bobina. Son utilizadas ampliamente en control de flujo en sistemas neumáticos. En muchas aplicaciones es necesario controlar el paso de algún tipo de flujo, desde corriente eléctrica hasta gases o líquidos. Esta tarea es realizada por válvulas. En particular, las accionadas por solenoides permiten su implementación en lugares de difícil acceso y facilitan la automatización del proceso al ser accionadas eléctricamente. ¿Qué es una válvula de solenoide? Este tipo de válvulas es controlada variando la corriente que circula a través de un solenoide (conductor ubicado alrededor de un émbolo, en forma de bobina). Esta corriente, al circular por el solenoide, genera un campo magnético que atrae un émbolo móvil. Por lo general estas válvulas operan de forma completamente abierta o completamente cerrada, aunque existen aplicaciones en las que se controla el flujo en forma lineal. Al finalizar el efecto del campo magnético, el émbolo vuelve a su posición por efecto de la gravedad, un resorte o por presión del fluido a controlar. Electroimanes El solenoide, bajo el efecto de corriente circulante, se comporta como un electroimán. Atrae materiales ferromagnéticos, producto de la alineación de momentos magnéticos atómicos. El campo magnético, creado al circular corriente por el solenoide, actúa sobre el émbolo móvil de material magnético. Se produce una fuerza que ocasiona el desplazamiento del émbolo permitiendo el cierre o apertura de la válvula. En la Figura Nº1 se aprecia un esquema del fenómeno. La bobina o solenoide genera un campo magnético, de acuerdo a la Ley de Ampere:

Este campo produce una fuerza sobre el émbolo o núcleo móvil, tal como se aprecia en la Figura Nº2.

La acción de esta fuerza de origen magnético constituye el principio de funcionamiento de toda válvula de solenoide.

Clasificación

Existen muchos tipos de válvulas de solenoide. Todas ellas trabajan con el principio físico antes descrito, sin embargo se pueden agrupar de acuerdo a su aplicación, construcción o forma: Según su aplicación: Acción Directa u Operadas mediante piloto. Según su construcción: Normalmente abierta o Normalmente cerrada. Según su forma: De acuerdo al número de vías. A continuación se profundizarán cada una de estas categorías, detallando su funcionamiento y aplicación.

Válvulas de solenoide de acción directa En este tipo de válvulas, el émbolo móvil controla el flujo debido al efecto de la fuerza de origen magnético directamente. Para ejemplificar el modo de trabajo de estas válvulas en general, se estudiará el funcionamiento de la válvula de solenoide de acción directa, normalmente cerrada de dos vías de la Figura Nº3.

En ella, al no circular corriente por la bobina, la aguja asociada a la parte inferior del émbolo cierra el orificio deteniendo el flujo. Al energizar el solenoide, se genera un campo magnético que ejerce fuerza sobre el émbolo atrayéndolo hacia arriba. De esta manera la aguja se levanta, permitiendo el paso del fluido. Al finalizar el efecto de la corriente eléctrica, la fuerza ascendente sobre el émbolo cesa. Este cae, por efecto de la gravedad, cerrando mediante la aguja el orificio, impidiendo de esta manera el paso del flujo por la tubería. En otras aplicaciones, se ocupan resortes que permiten la instalación de la válvula en posiciones no verticales, prescindiendo de esta manera de la fuerza de gravedad. Desde luego, mientras mayor sea la diferencia de presión entre la entrada y la salida del fluido, mayor tendrá que ser la fuerza ejercida sobre el émbolo móvil para cerrar (o abrir dependiendo del caso) el orificio de la válvula. Debido a lo anterior, existe un límite máximo de diferencia de presiones con las que puede trabajar cada válvula. Este límite se conoce como “Diferencial Máximo de Presión de Apertura”. Diferencial Máximo de Presión de Apertura (MOPD): Tal como se dijo anteriormente, mientras mayor sea la diferencia de presiones entre la entrada y la salida, más fuerza será necesaria para abrir o cerrar la válvula. También, mientras mayor sea el orificio de la válvula, mayor será el área afectada por esta diferencia de presiones, haciendo aún más difíciles los movimientos de la aguja asociada al émbolo. Por lo tanto, dado la fuerza máxima con que el electroimán puede atraer al émbolo, existe un límite para la diferencia de presiones entre la entrada y la salida. Si la presión excede este límite, el solenoide será incapaz de mover al émbolo, dejando a

la válvula sin capacidad de actuación. Si se requiere de un gran MOPD, la fuerza que deberá ejercer el campo sobre el émbolo deberá ser grande. De esta manera, será necesaria una gran bobina, aumentando los costos de construcción de la válvula. Debido a lo anterior, las válvulas de acción directa se limitan a aplicaciones en las que se trabaja con diferencias de presiones y caudales pequeños. Para grandes flujos y presiones se utilizan válvulas de solenoide operadas por piloto.

Válvulas de solenoide operadas por piloto Las válvulas de solenoide operadas por piloto se basan en una combinación de la bobina solenoide, descrita anteriormente, y la presión de la línea o tubería. En este tipo de válvulas, el émbolo está unido a un vástago de aguja, que a su vez cubre un orificio piloto en vez del puerto principal. En la Figura 4 se aprecia, a modo de ejemplo, una válvula de solenoide operada por piloto, normalmente cerrada, de dosvías con pistón flotante.

Existen tres tipos básicos de válvulas operadas por piloto: • Pistón Flotante. • Diafragma Flotante. • Diafragma Capturado. Los tres tipos de válvulas operan con el mismo principio. Cuando la bobina es energizada, el émbolo es atraído hacia el centro de la bobina, abriendo el orificio piloto. Una vez hecho esto, la presión atrapada arriba del pistón o diafragma se libera a través del orificio piloto, creando así un desbalance de presión a través del pistón o diafragma. De este modo, la presión inferior es mayor a la superior, forzándolo a subir y produciendo la apertura del puerto principal. Cuando se desenergiza la bobina solenoide, el émbolo cae y el vástago de aguja cierra el orificio piloto, provocando la igualación de las presiones sobre y bajo el pistón o diafragma, los cuales caen para cerrar el puerto principal. En la Figura 5 es posible apreciar un diseño de válvula solenoide idéntico al de la Figura 4, sólo que ésta posee un diafragma flotante en vez de un pistón. Es usual observar en válvulas de tamaño mediano, que el orificio piloto se localiza encima del pistón o del diafragma. En válvulas grandes, donde es mayor el movimiento del diafragma o pistón, es frecuente ubicar el orificio piloto en un punto alejado del dispositivo móvil, por cuestión de diseño práctico. Se aprecia en la Figura 6 como la válvula solenoide piloto no hace contacto con el pistón, sino que maneja la presión que afecta a este a través de sus conexiones a la línea y a la cámara piloto. De esta manera, cuando la solenoide piloto está desenergizada, se acumula presión alta en la cámara piloto, provista a través de una conexión de alta presión, forzando la clausura del pistón. Al

energizarse el solenoide, se libera la presión de la cámara piloto y se igualan las presiones, haciendo que el resorte levante el pistón y abra la válvula. Estas válvulas son conocidas también como “operadas por piloto externo”, dejando para las válvulas anteriores la denominación de “operadas por piloto interno”.

Al igual que las válvulas de acción directa, se deben tener ciertas consideraciones sobre la relación entre las presiones que afectan al pistón o diafragma. De esta forma, las válvulas solenoide operadas por piloto requieren de una mínima diferencia de presiones entre la entrada y la salida para producir la apertura del puerto principal y mantener al pistón o diafragma en posición abierta. Esta diferencia de presiones es conocida como “Diferencial Mínimo de Presión de Apertura”. Diferencial Mínimo de Presión de Apertura (MinOPD): Según se explicó, una válvula de acción directa no puede actuar si las presiones de la tubería exceden su MOPD. Ello exigiría una mayor fuerza magnética, lo que implica un gasto excesivo en una bobina del tamaño adecuado. Es por esto que en aplicaciones de actuación en presencia de presiones mayores, se utilizan las válvulas de solenoide operadas por piloto. El objetivo de la actuación, la apertura del orificio piloto, es que sea realizada con el menor esfuerzo posible. Sin embargo, en las válvulas operadas por piloto es necesario un diferencial de presión específico una vez que el orificio piloto ha permitido la igualación de las presiones de entrada y salida. Este MinOPD es requerido para levantar al pistón o diafragma del puerto principal. Es importante señalar que las válvulas operadas por piloto, al igual que las de acción directa, deben evitar exceder su MOPD, para lograr un flujo adecuado dentro de la línea.

Variantes para Válvulas de Solenoide: Los principios de operación ya vistos se aplican a una gran variedad de válvulas de solenoide, las cuales difieren entre ellas según ciertas variantes mecánicas y de construcción. Algunos ejemplos de estas variantes son: • Émbolos de Carrera Corta: Están rígidamente conectados a la aguja. Éstos siempre serán utilizados en válvulas de acción directa. • Émbolos de Carrera Larga: Dan un “golpe de martillo” a la válvula al producirse la apertura. • Construcción interconectada mecánicamente de pistón a émbolo: Se utiliza cuando no hay disponible una presión diferencial que haga flotar el pistón. Esta construcción permite que una válvula

de solenoide relativamente grande abra y permanezca en posición abierta, con una mínima caída de presión a través de la válvula. Se usa principalmente en trabajos con líneas de succión. • Válvulas operadas por piloto y cargadas con resorte: Se utilizan en puertos de diámetros grandes.

Válvulas de dos vias De acuerdo a su forma, las válvulas se pueden clasificar según la cantidad de entradas y/o salidas que ella posee. De esta manera, los tres tipos principales de válvulas son las de dos, tres y cuatro vías. La válvula de dos vías es el tipo de válvula solenoide más común, ya que posee una conexión de entrada y una de salida, controlando el flujo del fluido en una sola línea. Ya se ha explicado en profundidad el funcionamiento de válvulas de acción directa y operadas por piloto y pistón, por lo que ahora se dará una reseña del funcionamiento de las válvulas con diafragma flotante. En la Figura 7 se aprecia una válvula operada por piloto, normalmente cerrada y con diafragma flotante. Estas válvulas poseen un orificio igualador que comunica la presión de la entrada con la parte superior del diafragma, empujándolo contra el asiento y manteniendo, de esta manera, cerrada la válvula. El orificio piloto debe ser más grande que el orificio igualador. Cuando se energiza la bobina, el émbolo es atraído por el campo magnético y levanta la aguja del orificio piloto, produciendo la reducción de la presión arriba del diafragma, igualándola con la de salida. El diferencial de presión resultante a través del diafragma crea una fuerza que lo levanta del puerto principal generando la apertura de la válvula. Al desenergizar la bobina se cerrará el orificio piloto, provocando que la presión de entrada se vaya por el agujero igualador y se igualen las presiones sobre y bajo el diafragma. De esta forma, el dispositivo se volverá a sentar y se cerrará la válvula.

Otra especificación de las válvulas de solenoide Corresponde agruparlas según su construcción, ya fuera como normalmente abierta o normalmente cerrada. Básicamente, para el caso de las válvulas solenoide la especificación dependerá del sentido en que actúe la fuerza de la bobina sobre el émbolo. Para la válvulas de acción directa, en los casos en que la aplicación de energía a la bobina abra el puerto principal se hablará de una situación normalmente cerrada, ya que este será el estado de la válvula desenergizada. Esto se aprecia en la Figura 8. En cuanto a las válvulas operadas por piloto, será normalmente abierta cuando el solenoide deba ser energizado de tal forma que produzca un desequilibrio de presiones para forzar el cerrado del pistón o diafragma. En algunos casos, la válvula estará normalmente abierta gracias a un resorte que forzará la apertura del pistón y ejercerá una fuerza opuesta a la del émbolo. La ventaja de las válvulas normalmente abiertas radica en que permanecerán abiertas en caso de fallas en el sistema eléctrico, algo necesario en algunos casos. Estas válvulas con utilizadas especialmente en labores que requieren que haya un flujo de fluido la mayor parte del tiempo.

V álvulas de tres vias Las válvulas de tres vías tienen una conexión de entrada que es común a dos conexiones de salida distintas, como la que se muestra en la Figura 10. Las válvulas de tres vías son, básicamente, una combinación de la válvula de dos vías normalmente cerrada y de la válvula de dos vías normalmente abierta, en un solo cuerpo y con una sola bobina. La mayoría de estas válvulas son operadas por piloto.

Veamos su funcionamiento. Al estar la bobina desenergizada, con el orificio piloto clausurado, en la parte superior del ensamble del pistón se tiene una presión P1, la cual llega a través de la conexión piloto externa que se observa a la derecha y arriba de la figura. La parte inferior del pistón se encuentra directamente expuesta a la presión de la entrada, P2, produciéndose una diferencia de presiones P2 - P1 que levanta el pistón. Esto permite el flujo de fluido desde la entrada hacia la salida inferior, ya que cierra el puerto para la salida lateral y lo abre para la salida de abajo. Para producir el efecto de desviación, se debe energizar la bobina, con lo cual se levanta el émbolo y la aguja destapa el orificio piloto. De esta forma, se permite el paso del fluido presente en la entrada a través del tubo capilar y hacia la parte superior del ensamble del pistón. Así, se consigue una igualación de las presiones sobre y bajo el pistón, el cual es finalmente empujado hacia abajo por un resorte ubicado sobre éste.

Se tendrá entonces que el puerto lateral se abre y el inferior se cierra, con lo que flujo se moverá hacia la salida lateral.

V álvulas de cuatro vías Estas válvulas solenoide son conocidas comúnmente como válvulas reversibles, cuya forma más usual se aprecia en la Figura 11. Éstas poseen una entrada y tres salidas. El funcionamiento de la válvula de cuatro vías se detalla en las Figuras 12 y 13, según el estado energético de la bobina. Cuando la bobina de la válvula piloto se encuentra sin energía, el pistón deslizante está posicionado de tal forma que conecta los puertos B con D1 y S1 con A. De esta forma, la sección superior del deslizante principal está acumulando la presión alta presente en la línea de descarga D. Por otro lado, la parte inferior del deslizante, provisto de un sello que lo aísla de la sección superior, se encuentra expuesta a la presión baja de la línea de succión S. Con esto, se genera un desbalance de presiones en el deslizante principal que provoca la fuerza que lo mantiene en su posición “abajo”. En estas condiciones, se comunican los puertos S y 1 a modo de válvula reversible, mientras los puertos D y 2 mantienen el flujo del fluido principal a través del deslizante de la válvula de cuatro vías. Cuando el solenoide piloto se energiza, atrae hacia arriba el pistón y produce la comunicación entre los puertos A con D1 y los puertos B con S1. Esto produce una acumulación de la alta presión de la línea de entrada en la sección inferior del deslizante principal, mientras que la sección superior está expuesta a presión relativamente baja del canal S. Con esto, el deslizante principal es empujado hacia arriba, producto de la fuerza que aparece dada la diferencia de presiones en los extremos del deslizante. Finalmente, el flujo principal será sido desviado desde D hacia 1 y la válvula reversible ahora comunicará los puertos S y 2.

Ejemplo de aplicación Las válvulas de solenoide tienen múltiples aplicaciones, dada su versatilidad como actuador en controles on-off. Control de Nivel de Líquido Si desean manipular el nivel de líquido dentro de un estanque o recipiente, se puede colocar una válvula de solenoide para líquido, seguida de una válvula de expansión manual. La línea de líquido conduce a un recipiente o tambor, en el cual el nivel de fluido está controlado por un interruptor de flotador, como se muestra en la Figura 14. La válvula de solenoide para líquido es accionada por el interruptor del flotador. Cuando el nivel del líquido baja a un nivel predeterminado, el interruptor abre la válvula. Al alcanzarse el nivel deseado, el interruptor cierra la válvula. También se puede obtener la acción inversa intercambiando el sentido de la apertura de la válvula en relación al nivel máximo y mínimo

Fig. 14. Control de nivel de líquido

Variadores de velocidad Una gran parte de los equipos utilizados en la industria moderna funcionan a velocidades variables, como por ejemplo los trenes laminadores, los mecanismos de elevación, las máquinas-herramientas, etcétera. En los mismos se requiere un control preciso de la velocidad para lograr una adecuada productividad, una buena terminación del producto elaborado, o garantizar la seguridad de personas y bienes. Los principales factores a considerar para el diseño de un sistema de regulación de velocidad son: a) Límites o gama de regulación. b) Progresividad o flexibilidad de regulación. c) Rentabilidad económica. d) Estabilidad de funcionamiento a una velocidad dada. e) Sentido de la regulación (aumento o disminución con respecto a la velocidad nominal). f) Carga admisible a las diferentes velocidades. g) Tipo de carga (par constante, potencia constante, etcétera). h) Condiciones de arranque y frenado.

El estudio de este fenómeno para cada caso particular tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores y variadores a instalar para un servicio determinado, requieren el conocimiento de las particularidades de éste proceso. La preferencia actual por la regulación a frecuencia variable se debe a la posibilidad de utilizar el sencillo y robusto motor de jaula de ardilla; cuyo mantenimiento es mucho más fácil que el de un motor de contactos deslizantes, lo que resulta muy importante en máquinas que operan bajo condiciones ambientales difíciles. Además este tipo de motor eléctrico resulta más económico y compacto que los restantes. Asimismo, este método permite transformar fácilmente un equipo de velocidad fija en un accionamiento de velocidad variable, sin realizar grandes modificaciones.

Con este tipo de regulación se puede obtener un amplio control de velocidades, con el máximo par disponible en todas las frecuencias con un elevado rendimiento. Si se prolonga la característica al cuadrante generador se puede obtener un frenado muy eficiente por reducción de frecuencia, con una recuperación de energía hacia la red de alimentación. Si bién pueden utilizarse distintos tipos de convertidores de frecuencia rotativos (semejantes al sistema Ward-Leonard), en la actualidad la modificación de la frecuencia se realiza fundamentalmente por medio de variadores estáticos electrónicos que ofrecen una regulación suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas y originando un ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes. Los mismos se construyen generalmente con tiristores gobernados por un microprocesador que utiliza un algoritmo de control vectorial del flujo, y consisten básicamente en un convertidor estático alterna-alterna (cicloconvertidor) ó alterna-continua-alterna (convertidor de enlace), que permiten la modificación progresiva de la frecuencia aplicada, con la consiguiente modificación de la corriente y el par motor. En algunos casos se agregan filtros de armónicas. En el cicloconvertidor se sintetiza una onda de menor frecuencia a partir de una alimentación polifásica de mayor frecuencia, conectando sucesivamente los terminales del motor a las distintas fases de la alimentación. La onda sintetizada generada es rica en armónicos y en algunos casos el circuito puede generar subarmónicos que podrían llegar a producir problemas si excitasen alguna resonancia mecánica del sistema. Por otro lado, el cicloconvertidor ofrece una transformación simple de energía de buen rendimiento, permite la inversión del flujo de potencia para la regeneración y la transmisión de la corriente reactiva; proporcionando una gama de frecuencias de trabajo que va desde valores cercanos a cero hasta casi la mitad de la frecuencia de alimentación, con fácil inversión de fase para invertir el sentido de rotación. En ciertos casos este tipo de convertidor se emplea en motores asincrónicos de rotor bobinado con alimentación doble, estando el estator conectado a la red y el rotor al convertidor. En el convertidor de enlace la alimentación de la red de corriente alterna se rectifica en forma controlada y luego alternativamente se conmutan las fases del motor al positivo y al negativo de la onda rectificada, de manera de crear una onda de alterna de otra frecuencia. La tensión y frecuencia de salida se controlan por la duración relativa de las conexiones con las distintas polaridades (modulación del ancho de pulso) de manera de conservar constante el cociente tensión / frecuencia para mantener el valor del flujo magnético en el motor. Aunque la onda de tensión obtenida no es sinusoidal, la onda de corriente tiende a serlo por efecto de las inductancias presentes. Además, de este modo se obtiene una amplia gama de frecuencias por encima y por debajo de la correspondiente al suministro, pero exige dispositivos adicionales c.c./c.a. para asegurar el flujo de potencia recuperada. Hay que considerar que las corrientes poliarmónicas generan un calentamiento adicional que disminuye el rendimiento y puede llegar a reducir el par (por ejemplo, el 5º armónico produce un campo giratorio inverso). También cabe acotar que la vibración de los motores aumenta cuando se los alimentan con conversores electrónicos de frecuencia y que la componente de alta frecuencia de la tensión de modo común de los conversores de frecuencia puede causar un acoplamiento con la tierra a través de la capacidad que se forma en los rodamientos, donde las pistas actúan como armaduras y la capa de grasa como dieléctrico. Asimismo digamos que los variadores de velocidad generalmente también sirven para arrancar o detener progresivamente el motor, evitando por ejemplo, los dañinos golpes de ariete que pueden aparecer en las cañerías durante la parada de las bombas. Estos convertidores poseen protecciones contra asimetría, falla de tiristores, sobretemperatura y sobrecarga; además de vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente, control de servicio con inversión de marcha, optimización del factor de potencia a carga parcial, maximización del ahorro de energía durante el proceso.

Contactores El contactor es un interruptor accionado o gobernado a distancia por un electroimán.

Partes constitutivas: 1- Se denomina corriente de llamada a la corriente que acciona el electroimán. La corriente absorbida por la bobina es relativamente elevada debido a que prácticamente la única resistencia es el conductor con que está hacha la bobina. En estas condiciones, el Cos ð es alto (0,8 a 0,9) y la reactancia inductiva muy baja por existir mucho entrehierro entre el núcleo y la armadura. Una vez cerrado el circuito magnético la impedancia de la bobina aumenta, de manera tal que la corriente de llamada se reduce considerablemente. La corriente formada se la denomina de mantenimiento o trabajo. Ésta es mucho más baja - de 6 a 10 veces con un Cos ð más bajo, pero con capacidad para mantener el circuito cerrado. 2- El núcleo es una parte metálica, de material ferromagnético y generalmente en forma de E, y que va fija a la carcaza. Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina - colocada en la columna central del núcleo - para atraer con mayor eficiencia la armadura. Se construye con una serie de láminas delgadas, de acero al silicio con la finalidad de reducir al máximo las corrientes parásitas, aisladas entre sí pero unidas fuertemente por remaches. El magnetismo remanente se elimina completamente por medio de la inserción de un material paramagnético, complementando al pequeño entrehierro. Cuando se alimenta a la bobina con, el núcleo debe llevar un elemento adicional llamado espira de sombra o anillo de desfasaje. Este elemento, al estar desfasado de la onda principal, suministra al circuito magnético un flujo adicional creando una especie de CC. Esto evita ruidos y vibraciones, evitando la elevación la corriente de mantenimiento.

Los contactos son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de la corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el de mando, tan pronto como se energice la bobina. Éstos se pueden dividir en contactos principales y contactos auxiliares.

Contactos Principales: Son contactos instantáneos cuya función específica es establecer o interrumpir el circuito principal, a través del cual se transporta la corriente desde la red a la carga, por el cual deben estar debidamente

calibrados y dimensionados para permitir el paso de intensidades requeridas por la carga sin peligro de deteriorarse. Por su función, son contactos únicamente abiertos.

Cuando un contactor bajo carga se desenergiza produce una chispa, de manera que aunque la parte móvil se haya separado de la fija, el circuito no se interrumpe inmediatamente. Por eso, y más al trabajar con intensidades muy altas, se necesita de una cámara apagachispas, la cual tiene como función evitar la formación de arco o la propagación del mismo de distintos sistemas.

Contactos Auxiliares: Son aquellos contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de corriente a las bobinas de los contactos o a los elementos de señalización, por lo cual están diseñados para intensidades débiles.

Éstos actúan tan pronto se energiza la bobina a excepción de los retardados. Existen dos clases: Contactos NA: llamados también instantáneos de cierre, cuya función es cerrar un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen. Contactos NC: llamados también de instantáneos apertura, cuya función es abrir un circuito cuando se energiza la bobina del contactor al cual pertenecen. Un contactor debe llevar necesariamente un contacto auxiliar instantáneo NA Uno de los contactos auxiliares NA debe cumplir la función de asegurar la autoalimentación de la bobina, por lo cual recibe el nombre específico de auxiliar de sostenimiento o retención. Existen contactores que tienen únicamente contactos auxiliares, ya sean NA, NC o NA y NC. Estos se los llama contactores auxiliares o relés. Cuando un contactor no tiene el número suficiente de contactos auxiliares se puede optar por Bloques aditivos o Contactores auxiliares Para identificar a un contacto auxiliar, a pesar de las marcas del fabricante se utiliza un sistema de números: Si son NC, la entrada es (11, 21, 31, 41...) y la salida (12, 22, 32, 42...) Si son NA, la entrada es (13, 23, 33, 43...) y la salida (14, 24, 34, 44...)

Funcionamiento: Cuando la bobina es recorrida por la corriente eléctrica, genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo atrae con un movimiento muy rápido. Al producirse este movimiento, todos los contactos del contactor (tanto principales como auxiliares) cambien de posición solidariamente: Los contactos cerrados se abren y los abiertos se cierran. Para volver los contactos a su posición inicial reposo basta con desenergizar la bobina.

Clasificación: Se los puede clasificar en: Por tipo de corriente que alimenta la bobina: AC o DC Por la función y la clase de contactos: Contactores principales (con contactos principales y auxiliares) Contactores Auxiliares (con contactos únicamente auxiliares)

Por la carga que pueden maniobrar (o categoría de empleo): Se tiene en cuenta la corriente que el contactor debe establecer o cortar durante las maniobras. Para ello se toman en cuenta el tipo de carga que controla y las condiciones en las cuales se efectúan los cortes: 

AC1: cargas no inductivas o débilmente inductivas, cuyo factor de potencia es mínimo 0,95.



AC2: para arranques de motores de anillos, inversión de marcha, frenado por contracorriente, marcha a impulsos de motores de anillos, cuyo factor de potencia es de 0,3 a 0,7.



AC3: para el control de motores jaula de ardilla que se apagan a plena marcha y que en el arranque consumen de 5 a 7 veces la intensidad normal.



AC4: Arranque de motores de rotor en cortocircuito, inversión de marcha, marcha a impulsos, frenado por contracorriente.

Ventajas: Control y automatización de equipos y máquinas con procesos complejos, con la ayuda de los aparatos auxiliares de mando como los interruptores de posición, detectores, presostatos, etc. Automatización en el arranque y paro de motores. Posibilidad de maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas mediante corrientes débiles. Posibilidad de controlar completamente una máquina desde varios puntos de maniobra (estaciones). Ahorro de tiempo al realizar maniobras prolongadas.

Criterios de elección: Para elegir al contactor adecuado hay que tener en cuenta lo siguiente: Tipo de corriente, tensión y frecuencia de alimentación de la bobina. Potencial nominal de la carga. Condiciones de servicio: ligera, normal, dura, extrema. Frecuencia de maniobra, robustez mecánica y robustez eléctrica. Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos auxiliares que necesita. Posición del funcionamiento del contactor vertical u horizontal. Categoría de empleo o clase de carga.

Causas de deterioro o daño: Cuando un contactor o no funciona o funciona en forma deficiente, lo primero que debe hacerse es revisar el circuito de mando y de potencia verificando el estado de los conductores y de las conexiones. Otras partes del contactor que suelen sufrir daño o desgaste son: La bobina: Por utilizar más o menos corriente de la especificada por el fabricante El núcleo o la armadura: Cuando no se juntan o lo hacen, pero de manera ruidosa es necesario verificar la tensión en la bobina, que no sea menor a la especificada, que los muelles estén vencidos o muy tensos o la presencia de cuerpos extraños en el entrehierro.

Los contactos: Su deterioro prematuro ocurre cuando circula a través de ellos corrientes superiores a las que fueron diseñados. De tal manera que conviene revisar: Si se eligió bien el contactor (que corresponda a la potencia nominal del motor), pero si el contactor el es adecuado el daño puede tener su origen en el circuito de mando o por caídas de tensión, cortes de tensión y micro cortes.

Actuadores Neumáticos

Elementos neumáticos de trabajo Lo energía del aire comprimido se transforma por medio de cilindros en un movimiento lineal de vaivén, y mediante motores neumáticos, en movimiento de giro. Elementos neumáticos de movimiento rectilíneo (cilindros neumáticos) A menudo, la generación de un movimiento rectilíneo con elementos mecánicos combinados con accionamientos eléctricos supone un gasto considerable 1 Cilindros de simple efecto Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una fuerza externa. El resorte incorporado se calcula de modo que haga regresar el émbolo a su posición inicial a una velocidad suficientemente grande. En los cilindros de simple efecto con muelle incorporado, la longitud de éste limita la carrera. Por eso, estos cilindros no sobrepasan una carrera de unos 100 mm. Se utilizan principalmente para sujetar, expulsar, apretar, levantar, alimentar, etc.

Cilindro de émbolo La estanqueidad se logra con un material flexible (perbunano), que recubre el pistón metálico o de material plástico. Durante el movimiento del émbolo, los labios de junta se deslizan sobre la pared interna del cilindro. En la segunda ejecución aquí mostrada, el muelle realiza la carrera de trabajo; el aire comprimido hace retornar el vástago a su posición inicial . · Aplicación: frenos de camiones y trenes. · Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía.

Cilindros de doble efecto La fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno Los cilindros de doble efecto se emplean especialmente en los casos en que el émbolo tiene que realizar una misión también al retornar a su posición inicial. En principio, la carrera de los cilindros no está limitada, pero hay que tener en cuenta el pandeo y doblado que puede sufrir el vástago salido. También en este caso, sirven de empaquetadura los labios y émbolos de las membranas.

Cilindros con amortiguación Interna Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, al objeto de evitar un choque brusco y daños es utiliza un sistema de amortiguación que entra en acción momentos antes de alcanzar el final de la carrera. Antes de alcanzar la posición final, un émbolo amortiguador corta la salida directa del aire al exterior .En cambio, es dispone de una sección de escape muy pequeña, a menudo ajustable.

El aire comprimido se comprime más en la última parte de la cámara del cilindro. La sobrepresión producida disminuye con el escape de aire a través de las válvulas antirretorno de estrangulación montadas (sección de escapo pequeña). El émbolo se desliza lentamente hasta su posición final. En el cambio de dirección del émbolo, el aire entra sin obstáculos en la cámara del cilindro por la válvula antirretorno.

Cilindros de doble efecto, en ejecución especial Cilindros de doble vástago Este tipo de cilindros tiene un vástago corrido hacia ambos lados. La guía del vástago es mejor, porque dispone de dos cojinetes y la distancia entre éstos permanece constante. Por eso, este cilindro puede absorber también cargas pequeñas laterales. Los elementos señalizadores pueden disponerse en el lado libre M vástago. La fuerza es igual en los dos sentidos (los superficies del émbolo son iguales).

Cilindro de doble vástago

Cilindro tándem Está constituido por dos cilindros de doble efecto que forman una unidad. Gracias a esta disposición, al aplicar simultáneamente presión sobre los dos émbolos se obtiene en el vástago una fuerza de casi el doble de la de un cilindro normal M mismo diámetro. Se utiliza cuando se necesitan fuerzas considerables y se dispone de un espacio determinado, no siendo posible utilizar cilindros de un diámetro mayor.

Ejecuciones especiales de cilindros Cilindros de vástago reforzado.

Juntas de émbolo, para presiones elevadas

Cilindros de juntas resistentes a altas temperaturas

Camisa de cilindro, de latón

Superficies de deslizamiento, de cromo

Vástago de acero anticorrosivo

Cuerpo recubierto de plástico y vástago de acero anticorrosivo

Longitud de carrera La longitud de carrera en cilindros neumáticos no debe exceder de 2000 mm. Con émbolos de gran tamaño y carrera larga, el sistema neumático no resulta económico por el elevado consumo de aire. Cuando la carrera es muy larga, el esfuerzo mecánico del vástago y de los cojinetes de guía es demasiado grande. Para evitar el riesgo de pandeo, si las carreras son grandes deben adoptarse vástagos de diámetro superior a lo normal. Además, al prolongar la carrera la distancia entre cojinetes aumenta y, con ello, mejora la guía del vástago. Velocidad del émbolo La velocidad del émbolo en cilindros neumáticos depende de la fuerza antagonista de la presión del aire, de la longitud de la tubería, de la sección entre los elementos de mando y trabajo y del caudal que circula por el elemento demando. Además, influye en la velocidad la amortiguación final de carrera. Cuando el émbolo abandona la zona de amortiguación, el aire entra por una válvula antirretorno y de estrangulación y produce una reducción de la velocidad. La velocidad media del émbolo, en cilindros estándar, está comprendida entre 0,1 y 1,5 m/s. Con cilindros especiales (cilindros de impacto) se alcanzan velocidades de hasta 10 m/s. La velocidad del émbolo puede regularse con válvulas especiales. Las válvulas de estrangulación, antirretorno y de estrangulación, y las de escape rápido proporcionan velocidades mayores o menores (véase el diagrama en la figura 71).

Componentes Unidad de avance autónoma Esta unidad (cilindro y válvula de mando) se llama también cilindro de accionamiento autónomo . Un cilindro neumático retrocede automáticamente al llegar a la posición final de carrera. Este movimiento de vaivén se mantiene hasta que se corta el aire de alimentación. Este diseño permite emplear estos elementos en máquinas o instalaciones que trabajan en marcha continua. Ejemplos de aplicación son la alimentación y expulsión de piezas de trabajo, y el avance rítmico de cintas de montaje.

Esta unidad puede ser conmutada directa o indirectamente. Conviene emplearla para velocidades de émbolo que oscilen entre 3 rn/min y 60 m/min. Gracias a su construcción compacta, existe la posibilidad de montarla en condiciones desfavorables de espacio. La longitud de desplazamiento y la posición de los finales de carrera pueden ajustarse sin escalones. La velocidad de avance y de retorno se pueden regular cada una por separado mediante sendos reguladores de caudal. Los silenciadores incorporados directamente reducen los ruidos del escape de aire.

CONTROLADORES En todo proceso automático, se encuentra un controlador, que será el encargado de ejecutar las acciones de control por medio de los actuadores finales y de acuerdo a la información entregada por los sensores y trasmisores. El primer controlador conocido a nivel mundial y utilizado fuertemente fue el regulador de Watt. Este aparato fue utilizado para regular la velocidad de la máquina manipulando el caudal de vapor por medio de una válvula. Por lo tanto, están presentes todos los elementos de realimentación. Aún cuando el principio de control por realimentación existía desde muchos años en la antigüedad, su estudio teórico aparece muy tarde en el desarrollo de la tecnología y la ciencia.

Regulador de Watt Este invento resultará ser de gran importancia en el desarrollo histórico de la Regulación Automática, dado que incorpora el sensor y el actuador en un único ingenio, sin disponer de un amplificador de potencia que aislará el sensor del actuador. Sobre 1868 existían unos 75,000 reguladores de Watt operando en Inglaterra. Los reguladores de Watt suministraban una acción de tipo proporcional y el control de velocidad solo era exacto con una determinada carga mecánica. Además solamente podían operar en un reducido rango de velocidades y necesitaban un continuo y costoso mantenimiento. Se les denominaban moderadores, no controladores. Los primeros reguladores de Watt eran bastante estables debido al gran rozamiento existente entre sus elementos. El mejoramiento de las máquinas y la invención de los sistemas de control automático para regularlos, dio inicio a la Revolución Industrial

En la actualidad, existen controladores de procesos tipo analógico y todo o nada u on-off. Al llevar a cabo la función de control, el controlador automático usa la diferencia entre el valor de consigna y las señales de medición para obtener la señal de salida hacia el actuador. La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación básica en la habilidad del controlador para controlar correctamente la medición. Si el transmisor no envía una señal precisa, o si existe un retraso en la medición de la señal, la habilidad del controlador para manipular el proceso será degradada. Al mismo tiempo, el controlador debe tener una señal de valor de consigna precisa (set-point ) En controladores que usan señales de valor de consigna neumática o electrónica generadas dentro del controlador, un falla de calibración del transmisor de valor de consigna resultará necesariamente en que la unidad de control automático llevará a la medición a un valor erróneo. La habilidad del controlador para comandar correctamente el actuador es también otra limitación. Por ejemplo si existe fricción en la válvula, el controlador puede no estar en condiciones de mover la misma a una posición de vástago específica para producir un caudal determinado y esto aparecerá como una diferencia entre la medición y el valor de consigna. Para controlar el proceso, el cambio de salida del controlador debe estar en una dirección que se oponga a cualquier cambio en el valor de medición.

La figura 3 muestra una válvula directa conectada a un control de nivel en un tanque a media escala. A medida que el nivel del tanque se eleva, el flotador es accionado para reducir el caudal entrante, así , cuanto mas alto sea el nivel del líquido mayor será el cierre del ingreso de caudal . De la misma manera, a medida que el nivel cae, el flotante abrirá la válvula para agregar más líquido al tanque. La respuesta de éste sistema es mostrada gráficamente.

A medida que el nivel va desde el 0% al 100%, la válvula se desplaza desde la apertura total hasta totalmente cerrada. La función del controlador automático es producir este tipo de respuesta opuesta sobre rangos variables, como agregado, otras respuestas están disponibles para una mayor eficiencia del control del proceso. Veremos ahora el control tipo on-off ejercido por los controladores todo o nada.

El principio de funcionamiento de estos controladores se basa en la comparación de una variable de entrada proveniente de un sensor de campo y un valor de consigna. La salida del controlador tendrá 2 estados (on-off) dados por comparación de las variables antes mencionadas. Con este tipo de control se producirá una oscilación de la variable alrededor del valor de consigna, provocando un cambio de estado constante de la salida.

La sensibilidad del control on-off (también llamado “histéresis” o “banda muerta”) se diseña de modo que la salida no cambie de sí a no demasiado rápido. Si el rango de histéresis es muy angosto, habrá una conmutación demasiado rápida que se conoce como tableteo. Este tableteo hace que los contactos de los contactores tengan una vida más corta. Entonces la histéresis deberá ajustarse de modo que haya un retardo suficiente entre los modos “on” y “off”. Debido a la necesidad de esta histéresis habrá siempre lo que se llama “overshoot” y “undershoot”. El “overshoot” es la magnitud en que la temperatura rebasa a la del setpoint, el “undershoot” es lo contrario. Debido a la histéresis necesaria, esta oscilación de la variable estará siempre presente, la magnitud de esta oscilación dependerá de las características del sistema en cuestión

CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE PLC Un PLC es un equipo electrónico programable que permite almacenar una secuencia de ordenes (programa) en su interior y ejecutarlo de forma cíclica con el fin de realizar una tarea. Aunque se podría pensar que es el equivalente a un ordenador, existen diferencias entre ambos. El PLC está diseñado para trabajar en ambientes industriales, ejecutar su programa de forma indefinida y es menos propenso a fallos o "cuelgues" que un ordenador convencional. Además, su programación está mas orientada al ámbito industrial, incluso existen lenguajes que "simulan" el comportamiento del equipo con el de un sistema de relés y temporizadores .

Campos de aplicación

El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. 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 Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso

Ejemplos de aplicaciones generales: Maniobra de máquinas Maquinaria industrial de plástico Máquinas transfer Maquinaria de embalajes Maniobra de instalaciones: Instalación de aire acondicionado, calefacción... Instalaciones de seguridad Señalización y control: Chequeo de programas Señalización del estado de procesos

Ventajas e inconvenientes No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones me obligan e referirme a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.

Ventajas 

Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos 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 cableado.



Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción.

Inconvenientes 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 esta solucionado porque las universidades ya se encargan de dicho adiestramiento. 

El coste inicial también puede ser un inconveniente.

Funciones básicas de un PLC 

Detección:

Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación. 

Mando:

Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores. 

Dialogo hombre maquina:

Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso. 

Programación:

Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la maquina.

Nuevas Funciones 

Redes de comunicación:

Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de memoria compartida. 

Sistemas de supervisión:

También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de programas de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador. 

Control de procesos continuos:

Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el autómata. 

Entradas- Salidas distribuidas:

Los módulos de entrada salida no tienen porqué estar en el armario del autómata. Pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata mediante un cable de red. 

Buses de campo:

Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus captadores y accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.

Estructura interna El autómata está constituido por diferentes elementos, pero tres son los básicos: 

CPU



Entradas



Salidas

Con las partes mencionadas podemos decir que tenemos un autómata pero para que sea operativo son necesarios otros elementos tales como:



Fuente de alimentación



Interfaces



La unidad o consola de programación



Los dispositivos periféricos

La CPU(Central Procesing Unit) es la parte inteligente del sistema. Interpreta las instrucciones del programa de usuario y consulta el estado de las entradas. Dependiendo de dichos estados y del programa, ordena la activación de las salidas deseadas. La CPU está constituida por los siguientes elementos: 

Procesador



Memoria monitor del sistema



Circuitos auxiliares

Funciones básicas de la CPU En la memoria ROM del sistema, el fabricante ha grabado una serie de programas ejecutivos, software del sistema y es a estos programas a los que accederá el µp para realizar las funciones. El software del sistema de cualquier autómata consta de una serie de funciones básicas que realiza en determinados tiempos de cada ciclo. En general cada autómata contiene y realiza las siguientes funciones: 

Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda de un determinado tiempo máximo. A esta función se le denomina Watchdog.



Ejecutar el programa usuario.



Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a dichas entradas.



Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas, obtenida al final del ciclo de ejecución del programa usuario.



Chequeo del sistema.

Interfaces En el control de un proceso automatizado, es imprescindible un dialogo entre operador-máquina junto con una comunicación entre la máquina y el autómata, estas comunicaciones se establecerán por medio del conjunto de entradas y salidas del citado elemento. Los autómatas son capaces de manejar tensiones y corrientes de nivel industrial, gracias a que disponen un bloque de circuitos de interfaz de E/S muy potente, que les permite conectarse directamente con los sensores y accionamientos del proceso. De entre todos los tipos de interfaces que existen, las interfaces especificas permiten la conexión con elementos muy concretos del proceso de automatización. Se pueden distinguir entre ellas tres grupos bien diferenciados: 

Entradas / salidas especiales.



Entradas / salidas inteligentes.



Procesadores periféricos inteligentes.

Las interfaces especiales del primer grupo se caracterizan por no influir en las variables de estado del proceso de automatización. Únicamente se encargan de adecuar las E/S, para que puedan ser inteligibles por la CPU, si son entradas, o para que puedan ser interpretadas correctamente por actuadores (motores, cilindros, etc.), en el caso de las salidas. Las del segundo grupo admiten múltiples modos de configuración, por medio de unas combinaciones binarias situadas en la misma tarjeta. De esta forma se descarga de trabajo a la unidad central, con las ventajas que conlleva. Los procesadores periféricos inteligentes, son módulos que incluyen su propio procesador, memorias y puntos auxiliares de entrada / salida. Estos procesadores contienen en origen un programa especializado en la ejecución de una tarea concreta, a la que le basta conocer los puntos de consigna y los parámetros de aplicación para ejecutar, de forma autónoma e independiente de la CPU principal, el programa de control.

Entradas salidas Hay dos tipos de entradas: 

Entradas digitales



Entradas analógicas

La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, y las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas, relés... aquí también existen unos interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos. Hay dos tipos de salidas: 

Salidas digitales



Salidas analógicas

Entradas digitales Los módulos de entrada digitales permiten conectar al autómata captadores de tipo todo o nada como finales de carrera pulsadores... Los módulos de entrada digitales trabajan con señales de tensión, por ejemplo cuando por una vía llegan 24 voltios se interpreta como un "1" y cuando llegan cero voltios se interpreta como un "0"

El proceso de adquisición de la señal digital consta de varias etapas. 

Protección contra sobretensiones



Filtrado



Puesta en forma de la onda



Aislamiento galvánico o por optoacoplador.

Entradas analógicas Los módulos de entrada analógicas permiten que los autómatas programables trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión o el caudal. Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un numero que se deposita en una variable interna del autómata. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el autómata solo trabajar con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad. El proceso de adquisición de la señal analógica consta de varias etapas: 

Filtrado



Conversión A/D



Memoria interna

Salidas digitales Un módulo de salida digital permite al autómata programable actuar sobre los preaccionadores y accionadores que admitan ordenes de tipo todo o nada. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé. En los módulos estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los componentes electrónico como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos son contactos de relés internos al módulo. Los módulos de salidas estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar sobre elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salida electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas. El proceso de envío de la señal digital consta de varias etapas: 

Puesta en forma



Aislamiento



Circuito de mando (relé interno)



Protección electrónica



Tratamiento cortocircuitos

Salidas analógicas Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del autómata se convierta en tensión o intensidad.

Lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (numero de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de los tiristores de los hornos, reguladores de temperatura... permitiendo al autómata realiza funciones de regulación y control de procesos continuos. El proceso de envío de la señal analógica consta de varias etapas: 

Aislamiento galvánico



Conversión D/A



Circuitos de amplificación y adaptación



Protección electrónica de la salida

Como hemos visto las señales analógicas sufren un gran proceso de adaptación tanto en los módulos de entrada como en los módulos de salida. Las funciones de conversión A/D y D/A que realiza son esenciales. Por ello los módulos de E/S analógicos se les considera módulos de E/S especiales.

COMUNICACIONES – BUSES DE CAMPO Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FieldBus, desarrollo un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma.

Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en señales analógicas (neumáticas de 3 a 15 psi en las válvulas de control y electrónicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos históricamente; su precisión es diez veces mayor que la de la señal típica de 4-20 mA cc. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus.

La tecnología fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad que esta creada para remplazar la clásica señal de 4-20 mA que aún se utiliza en muchos de los sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinación y dirección de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un fabricante por otro similar. Es claro que estas tecnologías cerradas tienden a desparecer ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y así tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. Con el mejoramiento de los protocolos de comunicación es ahora posible reducir el tiempo necesitado para la transferencia de datos, asegurando la misma, garantizando el tiempo de sincronización y el tiempo real de respuesta determinística en algunas aplicaciones.

La tecnología de buses de campo

Físicamente podemos considerar a un bus como un conjunto de conductores conectando conjuntamente más circuitos para permitir el intercambio de datos. Contrario a una conexión punto a punto donde solo dos dispositivos intercambian información, un bus consta normalmente de un número de usuarios superior, además que generalmente un bus transmite datos en modo serial, a excepción de algún protocolo de bus particular como SCSI, o IEEE-488 utilizado para interconexión de instrumentos de medición, que no es el caso de los buses tratados como buses de campo. Para una transmisión serial es suficiente un número de cables muy limitado, generalmente son suficientes dos o tres conductores y la debida protección contra las perturbaciones externas para permitir su tendido en ambientes de ruido industrial.

Ventajas de un bus de campo - El intercambio puede llevar a cabo por medio de un mecanismo estándar. - Flexibilidad de extensión. - Conexión de módulos diferentes en una misma línea. - Posibilidad de conexión de dispositivos de diferentes procedencias. - Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reducción masiva de cables y costo asociado. - Simplificación de la puesta en servicio.

Desventajas de un bus de campo - Necesidad de conocimientos superiores. - Inversión de instrumentación y accesorios de diagnóstico. - Costos globales inicialmente superiores.

Procesos de comunicación por medio de bus El modo más sencillo de comunicación con el bus es el sondeo cliente/servidor. Más eficiente pero también más costoso es el Token bus ( IEEE 802.4), desde el punto de vista físico tenemos un bus lineal, desde el punto de vista lógico un token ring. El procedimiento token passing es una combinación entre cliente/servidor y token bus. Todo servidor inteligente puede ser en algún momento servidor.

Algunos tipos de bus La mayoría de los buses trabajan en el nivel 1 con interfaz RS 485.

ASI (Actuator Sensor Interface) Es el bus más inmediato en el nivel de campo y más sencillo de controlar, consiste en un bus cliente/servidor con un máximo de 31 participantes, transmite por paquetes de solo 4 bits de dato. Es muy veloz, con un ciclo de 5 ms aproximadamente. Alcanza distancias de máximo 100 m.

BITBUS Es el más difundido en todo el mundo, es cliente/servidor que admite como máximo 56 clientes, el paquete puede transmitir hasta 43 bytes de dato.

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) Es el estándar europeo en tecnología de buses, se encuentra jerárquicamente por encima de ASI y BITBUS, trabaja según procedimiento híbrido token passing, dispone de 31 participantes hasta un máximo de 127. Su paquete puede transmitir un máximo de 246 Bytes, y el ciclo para 31participantes es de aproximadamente 90 ms. Alcanza una distancia de hasta 22300 m.

FieldBus en OSI En la arquitectura OSI, fieldbus ocupa los niveles 1 (Físico), 2 (Enlace de Datos) y 7 (Aplicación); teniendo en cuenta que este último no solo se encarga de la interfaz de usuario sino de aplicaciones especificas dependiendo de cada aplicación.

Clasificacion de las redes industriales. Si se clasifican las redes industriales en diferentes categorías basándose en la funcionalidad, se hará en:

Buses Actuadores y Sensores Inicialmente es usado un sensor y un bus actuador en conexión simple, dispositivos discretos con inteligencia limitada, como un foto sensor, un switch limitador o una válvula solenoide, controladores y consolas terminales.

Buses de Campo y Dispositivos Estas redes se distinguen por la forma como manejan el tamaño del mensaje y el tiempo de respuesta. En general estas redes conectan dispositivos inteligentes en una sola red distribuida.

Estas redes ofrecen altos niveles de diagnóstico y capacidad de configuración, generalmente al nivel del poder de procesamiento de los dispositivos más inteligentes. Son las redes más sofisticadas que trabajan con control distribuido real entre dispositivos inteligentes, tal es el caso de FIELDBUS FOUNDATION.

Componentes de las redes industriales. En grandes redes industriales un simple cable no es suficiente para conectar el conjunto de todos los nodos de la red. Deben definirse topologías y diseños de redes para proveer un aislamiento y conocer los requerimientos de funcionamiento.

Bridge Con un puente la conexión entre dos diferentes secciones de red, puede tener diferentes características eléctricas y protocolos; además puede enlazar dos redes diferentes.

Repetidor El repetidor o amplificador es un dispositivo que intensifica las señales eléctricas para que puedan viajar grandes distancias entre nodos. Con este dispositivo se pueden conectar un gran número de nodos a la red; además se pueden adaptar a diferentes medios físicos como cable coaxial o fibra óptica.

Gateway Un gateway es similar a un puente ya que suministra interoperabilidad entre buses y diferentes tipos de protocolos y además las aplicaciones pueden comunicarse a través de él.

Enrutadores Es un switch "Enrutador" de paquetes de comunicación entre diferentes segmentos de red que definen la ruta.

Topologia de redes industriales Los sistemas industriales usualmente consisten de dos o mas dispositivos, como un sistema industrial puede ser bastante grande debe considerarse la topología de la red; las topologías más comunes son: La Red Bus, Red Estrella y Red Híbrida

Beneficios de una red industrial - Reducción de cableado (físicamente) - Dispositivos inteligentes (funcionalidad y ejecución) - Control distribuido (Flexibilidad) - Simplificación de cableado de las nuevas instalaciones - Reducción de costo en cableado y cajas de conexión - Aplicable a todo tipo de sistema de manufactura - Incremento de la confiabilidad de los sistemas de producción - Optimización de los procesos existentes.

Redes industriales con plc Muchos sistemas están conformados por equipos de diferentes fabricantes y funcionan en diferentes niveles de automatización; además, a menudo se encuentran distanciados entre sí; pero sin embargo, se desea que trabajen en forma coordinada para un resultado satisfactorio del proceso. El objetivo principal es la comunicación totalmente integrada en el sistema. Al usuario, esto le reporta la máxima flexibilidad ya que también puede integrar sin problemas productos de otros fabricantes a través de las interfaces software estandarizadas. En los últimos años, las aplicaciones industriales basadas en comunicación digital se han incrementado haciendo posible la conexión de sensores, actuadores y equipos de control en una planta de procesamiento. De esta manera, la comunicación entre la sala de control y los instrumentos de campo se han convertido en realidad. La Comunicación digital debe integrar la información provista por los elementos de campo en el sistema de control de procesos.

Soluciones con ethernet

Aunque los buses de campo continuarán dominando las redes industriales, las soluciones basadas en Ethernet se están utilizando cada vez más en el sector de las tecnologías de automatización, donde las secuencias de procesos y producción son controladas por un modelo cliente/servidor con controladores, PLC y sistemas ERP (Planificación de los recursos de la empresa), teniendo acceso a cada sensor que se conecta a la red. La implementación de una red efectiva y segura también requiere el uso de conectores apropiados, disponibles en una amplia variedad y para soluciones muy flexibles. Los Gateway son dispositivos de capa de transporte; en donde la capa de aplicación no necesariamente es software por lo general las aplicaciones son de audio (alarmas), video (vigilancia), monitoreo y control (sensores), conversión análoga/digital y digital/analóga. Para la programación de gateway de alto nivel se utiliza el C++ y para la programación menos avanzada se hace con hojas de cálculo. Estos dispositivos pueden ser programados de tal forma que en caso de una emergencia o un simple cambio a otro proceso no se haga manualmente sino realmente automático.

Conclusión Hoy en día las tecnologías que triunfan en el mercado son aquellas que ofrecen las mejores ventajas y seguridad a los clientes, cada vez se está acabando con tecnologías cerradas; que en un mundo en proceso de globalización, es imposible que sobrevivan.

A nivel industrial se está dando un gran cambio, ya que no solo se pretende trabajar con la especificidad de la instrumentación y el control automático, sino que existe la necesidad de mantener históricamente información de todos los procesos, además que esta información este también en tiempo real y que sirva para la toma de decisiones y se pueda así mejorar la calidad de los procesos. Las condiciones extremas a nivel industrial requieren de equipos capaces de soportar altas temperaturas, ruido excesivo, polvo, humedad y demás condiciones adversas; pero además requiere de personal capaz de ver globalmente el sistema de control y automatización industrial junto con el sistema de red digital de datos.

EJEMPLOS DE PROCESOS

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