Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad Andreas Barner*, Tilmann Bork** Festo AG & Co. KG, SM-P, Ruiter Str. 82, D-73734 Esslingen, [email protected] ** Festo AG & Co. KG, DE-T, Ruhlsdorfer Str. 4, D-12623 Berlin, [email protected]

*

Versión resumida: las válvulas biestables de Festo pueden utilizarse en aplicaciones sujetas a criterios de seguridad, siempre y cuando se respeten las instrucciones contenidas en las informaciones sobre específicas sobre el producto. Las válvulas biestables tienen dos posiciones de conmutación estables y fiables. La posición de conmutación (memorizada) se mantiene aunque se dejen de aplicar las fuerzas de accionamiento. Por lo tanto, las válvulas biestables son consideradas apropiadas para asumir funciones en estas aplicaciones. En muchos casos, las válvulas biestables son una solución apropiada (y única, en muchos casos) para cumplir la función de seguridad.

1 Funcionamiento Una válvula biestable1 conmuta reaccionando frente a señales alternas que actúan sobre un elemento interruptor móvil. Al retirar la señal, el estado de conmutación de la válvula biestable se mantiene hasta que la válvula recibe una señal contraria. De esta manera se abren o bloquean una o varias líneas de flujo [1-3]. Lo dicho se aplica en todos los casos, sin importar si se trata de una electroválvula biestable, de una válvula biestable neumática servopilotada (como aparece en el símbolo Fig. 1), o si es una válvula de accionamiento directo. En caso del accionamiento neumático del elemento de conmutación de la válvula, el control se realiza en todos los casos modificando la presión de mando puesta en la conexión 12 o 14.

Fig. 1: símbolo de una válvula biestable neumática de 5/2 vías, de accionamiento eléctrico

2 Tipos de fallos y errores Para configurar y convalidar correctamente las funciones de seguridad de los componentes, es necesario considerar, entre otros, los posibles fallos y errores de los componentes utilizados [4; 5].

1

A continuación se utilizará únicamente el término general de válvula biestable, sin importar su tipo.

Reporte Técnico II/2012

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

2

Los fallos que pueden ocurrir en válvulas biestables pueden deducirse de la descripción de su funcionamiento en el capítulo 1. Una válvula biestable puede conmutar con retardo o de manera no prevista 2 de una posición a la otra, así como puede tener fugas entre las conexiones 3. Las fugas albergan el peligro que reviente el cuerpo de la válvula. Sin embargo, en el caso de Festo se excluye ese peligro debido al sobredimensionamiento del cuerpo de sus válvulas biestables, siempre y cuando no se superen los valores máximos admisibles de los parámetros de funcionamiento. Considerando que el uso de válvulas biestables en aplicaciones sujetas a criterios de seguridad casi siempre tiene la finalidad de evitar cambios de estado involuntarios o imprevistos, puede constatarse que las informaciones contenidas en las normas sobre posiciones aseguradas generan dudas entre los usuarios. La causa de estas dudas que despiertan las normas [5; 6] son los medios auxiliares ofrecidos con fines de convalidación. Por lo general se trata de tablas de uso sencillo, que contienen criterios que permiten una evaluación rápida y sencilla. Sin embargo, esas tablas suelen estar incompletas. En relación con este tema se explica en [5] que el elemento móvil de un componente debe mantener cada una de sus posiciones por medios mecánicos, indicándose que la fricción por sí sola no es suficiente. En [6] se ofrece una explicación similar. Si se opta por no profundizar el tema, considerando que esta información es suficiente, se desaprovecha la oportunidad que ofrece la norma de recurrir a otros métodos para comprobar si un componente es apropiado o no. En algunos casos es suficiente estudiar minuciosamente la documentación técnica disponible. En [5] es posible consultar detalladamente bajo qué circunstancias puede excluirse que se produzca un cambio de la posición normal (sin presencia de una señal de mando) de una válvula reguladora.

Una válvula biestable por sí sola no es ni segura ni peligrosa cuando falla.

Cabe anotar que una válvula biestable puede fallar. El fallo, de por sí, ni es seguro ni peligroso. La clasificación únicamente puede hacerse considerando el fallo y su relación con una determinada función de seguridad claramente definida y, además, teniendo en cuenta todas las circunstancias del caso concreto [7-12]. La evaluación únicamente puede

2

3

Incluye el abandono de una posición de conmutación o la conmutación incompleta de una posición a la otra En la siguiente edición de la serie de informes técnicos se abordará el tema de la evaluación de fugas según criterios de seguridad

No basta con cumplir las normas. Más bien es necesario considerar el avance de la ciencia y tecnología.

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

3

ser correcta y completa si se establece una relación con la función de seguridad que deben cumplir la máquina o el equipo. En el capítulo 3 del presente informe técnico se trata de disipar las dudas ofreciendo las informaciones científicas y técnicas pertinentes. En el sector de la seguridad de productos no basta con simplemente acatar las normas, especialmente si la tecnología entretanto avanzó o si la norma no la tiene en cuenta exhaustivamente [7; 8; 13; 14].

3 Posición de conmutación segura por fricción por adhesión 3.1 Consideraciones básicas Dado que el uso de válvulas biestables en aplicaciones de relevancia para la seguridad casi siempre tiene la finalidad de evitar un cambio imprevisto de estados, el modelo mecánico que se muestra a continuación (fig. Fig. 2) supone una posición de conmutación estática definida y un caudal 𝑄!"#$ de casi cero. ΔV QLeck = lim V →0 Δt !

(1)

Además, todas las válvulas biestables de Festo con corredera tiene una geometría que se apliquen fuerzas axiales substanciales en la corredera, aunque se surjan flujos repentinos. Por esta razón no se considerarán las fuerzas de flujos en lo que resta del presente informe.

Fig. 2: Esquema de una válvula biestable de 5/2 vías y símbolo

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

4

En el esquema que se muestra en la fig. Fig. 2 se pueden apreciar las fuerzas que actúan sobre el elemento de conmutación. Aplicando las leyes básicas de Newton, se puede obtener la ecuación del movimiento (2) que ejecuta el elemento de conmutación.

∑F

x

= 0: 0 = F14 − F12 −

!

x H − mx x

(2)

Las fuerzas de accionamiento 𝐹!" y 𝐹!" necesarias para la conmutación del elemento móvil se generan mediante presión neumática 𝑝 (aplicada a través de las conexiones 12 y 14 sobre las correspondientes superficies de accionamiento 𝐴 de la válvula).

Fig. 3 Superficies de accionamiento A12 y A14 del elemento móvil de conmutación (corredera)

F = p12 A12 ! 12

(3)

F = p14 A14 ! 14

(4)

Si no se aplican impulsos (señales) de presión (lo que sucede en el caso de válvulas biestables una vez que conmutan), es válido lo siguiente:

∑F

x

!

= 0: 0 = −

x H − mx x

(5)

En ausencia de señales de presión, la posición de conmutación únicamente puede cambiar si se supera la fuerza de fricción por adhesión 𝐻. Según 4, el valor máximo de la fuerza de fricción por adhesión 𝐻! es, en principio, proporcional a la fuerza normal 𝑁. El factor proporcional es el coeficiente de fricción 𝜇! .

4

Charles Augustin de Coulomb, físico francés (1736-1806)

Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae. Es decir: la fuerza y la aceleración tienen el mismo sentido y son proporcionales entre sí.

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

5

Según se indica en la fig. Fig. 4, considerando la fuerza de fricción por adhesión 𝐻 y la fuerza normal 𝑁 se obtiene la fuerza resultante 𝑊. El sentido de 𝑊 depende del ángulo 𝜑.

Fig. 4: Cuña de fricción en el elemento de conmutación de una válvula biestable

En el límite de la fuerza de adhesión 𝐻 = 𝐻! , el ángulo 𝜑 se transforma en ángulo límite o ángulo de adhesión 𝜌! . Aplicando el ángulo de adhesión 𝜌! en ambos lados de la normal n en Fig. 4, se obtiene una cuña de adhesión. Mientras que la resultante 𝑊 se encuentra dentro de la cuña, se cumple la condición de adherencia

!

H ≤ H 0 = µ0 N

(6)

El elemento de conmutación de la válvula biestable mantiene su posición de conmutación. En [15; 16] se ofrecen informaciones más detalladas sobre la fuerza de fricción por adhesión 𝐻 y sobre el desgaste que produce la fricción en las superficies del elemento de conmutación. En la práctica es posible que cualquier componente de una máquina o equipo esté expuesto a fuerzas externas. Estas fuerzas externas se enfrentan a fuerzas de reacción, que bien pueden actuar en sentido axial sobre el elemento de conmutación. Aplicando los cálculos de resistencia de Bach5 [17] y considerando los correspondientes esfuerzos y cargas ideales, se explicará a continuación la fuerza de adhesión que se aplica en el caso de las válvulas biestables.

3.2 Esfuerzos y cargas en la práctica Esfuerzo estático (carga tipo I): El elemento de conmutación móvil está expuesto a una fuerza constante. La magnitud y el sentido de esta fuerza no cambian.

5

Julius Carl von Bach, ingeniero mecánico alemán (1847-1931)

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

Montando la válvula biestable en posición vertical se obtiene un buen ejemplo de esfuerzo estático aplicado en el elemento de conmutación. El esfuerzo tipo I debería aprovecharse seleccionando la posición inferior de la corredera como posición segura del elemento de conmutación.

(a)

(b)

Fig. 5:

Válvula biestable con fase previa en posición paralela (a) y perpendicular (b) en relación con la fase principal

Al hacerlo, no deberá tenerse en cuenta únicamente la orientación de la fase principal de la válvula biestable. Tratándose de válvulas servopilotadas, también es relevante la orientación de la fase previa. Las válvulas que se muestran a modo de ejemplo en la fig. Fig. 5 tienen una fase previa dispuesta en paralelo (a) y perpendicular (b) en relación con la fase principal. Esfuerzo creciente (carga tipo II) El elemento de conmutación está expuesto a una fuerza creciente, que empieza desde cero y alcanza su máximo valor. La magnitud cambia, mientras que no cambia el sentido de la fuerza. Montando la válvula biestable en un plato divisor se obtiene un buen ejemplo de esfuerzo creciente aplicado en el elemento de conmutación (fig. Fig. 6). El eje del elemento de conmutación (corredera) está dispuesto en posición horizontal en relación con el eje de giro del plato.

6

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

Fig. 6: Carga tipo II, montaje de la válvula biestable en un plato divisor

La carga tipo II se puede aprovechar de manera similar a la carga tipo I. En este caso, el sentido de la fuerza que se aplica en la corredera debe elegirse de tal modo que dicha fuerza esté orientada hacia la posición segura de la corredera. Otras posibles fuerzas: - Fuerza por flujo (en este caso puede obviarse debido a la estructura de la válvula, tal como se indicó antes). - Fuerza por vibración o impacto debido a fuerzas externas. - Fuerza por vibración o impacto debido al montaje sobre partes móviles de la máquina. En los dos últimos casos se trata muy probablemente del mismo tipo de fuerza. Sin embargo, no siempre es evidente que toda la máquina ejecuta movimientos. Además, debe tenerse en cuenta que además de las vibraciones o impactos, es posible que se apliquen otros tipos de fuerzas que actúan en sentidos diversos. Un ejemplo de ello es la fuerza que actúa sobre la corredera debido a campos magnéticos.

7

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

Los esfuerzos admisibles constan en la documentación técnica (hoja de datos), donde se indican los grados de esfuerzos admisibles6 causados por vibraciones o impactos. Entre otros, se indica el grado admisible en el caso de las válvulas biestables de Festo según criterios que constan en [18-21]. Adicionalmente se explican los resultados de los experimentos realizados para analizar la fricción y el desgaste en las superficies de contacto del elemento de conmutación, así como para determinar la duración según [22; 23]. Asimismo se determinan la presión y el flujo característicos [24; 25]. Según los resultados pudo comprobarse que el coeficiente de adhesión 𝜇! aumenta en la medida en que aumenta la cantidad de maniobras. Esfuerzo cambiante (carga tipo III): Cambio constante entre el valor máximo positivo y negativo, con modificación de la magnitud y del sentido. Por lo general se trata de fuerzas inducidas: - Fuerza por vibración o impacto debido a fuerzas externas. - Fuerza por vibración o impacto debido al montaje sobre partes móviles de la máquina. También estos esfuerzos admisibles constan en la documentación técnica (hoja de datos), donde se indican los grados admisibles causados por vibraciones o impactos. Los criterios a tener en cuenta al realizar las pruebas de esfuerzo por vibraciones se indican, entre otros, en [20; 21]. Si la aplicación de una fuerza axial supera el límite admisible de adhesión (6), pueden consultarse las siguientes explicaciones sobre las posibilidades existentes para aumentar la resistencia de máquinas y equipos frente a esfuerzos crecientes o cambiantes.

3.3 Posibilidades de aumentar la resistencia De lo dicho en (2) puede concluirse que un flujo constante y/o la aplicación constante de una presión p en la correspondiente entrada de pilotaje, pueden aumentar la fuerza de retención H. Si se quiere aprovechar esta circunstancia, debe tenerse en cuenta que esta medida

6

En la siguiente edición de la serie de informes técnicos se abordará el tema de la clasificación de los grados de esfuerzos

8

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

podría oponerse al funcionamiento de otros sistemas de seguridad. Si, por ejemplo, se desconecta el aire de pilotaje de electroválvulas servopilotadas con el fin de evitar que se activen inesperadamente, es inadmisible aplicar la solución indicada líneas antes. Si únicamente se dispone de aire comprimido o se son válidas otras restricciones (por ejemplo, criterios de eficiencia energética), puede recurrirse al esquema neumático que se muestra en Fig. 7 con el fin de aumentar la fuerza de retención. Si se activa la válvula biestable 1V1 mediante una señal de presión puesta en 12 activando 1V5, la señal de mando puesta en 14 recibe una respuesta negativa de 1V4, por lo que la corredera cambia su posición, tal como se muestra en el esquema. Con este cambio se modifica el potencial de presión en las salidas 2 y 4. La presión ahora puesta en 2 también se aplica en 12 a través de 1V7 y 1V6. Si en estas circunstancias se desconecta la señal de mando en 1V5, el retorno de la presión inicial hacia 2 a través de 1V7 y 1V6 actúa sobre la corredera. Este estado se recupera incluso en caso de un corte de energía con posterior recuperación de la energía.

Fig. 7: Esquema de aumento de la fuerza de retención

4 Resumen Las válvulas neumáticas biestables pueden incluirse como componentes en sistemas con función de seguridad. Las válvulas biestables asumen posiciones de conmutación claramente definidas. Esta posición de conmutación (memorizada) se mantiene aunque se dejen de aplicar las fuerzas de accionamiento, siempre y cuando se cumplan determinadas condiciones complementarias al utilizar el componente.

9

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

10

En diversos casos, las válvulas biestables son una solución apropiada (y única, en muchos casos) para cumplir la función de seguridad. Al utilizar válvulas biestables debe tenerse en cuenta que es muy probable que en una máquina existan más que solo dos estados. Además de la detención o el modo de funcionamiento automático, pueden haber otros estados como, por ejemplo, modo de ajuste, modo de reacción a fallos (estado especialmente crítico si los fallos son causados por aprisionamiento o inclinación de piezas) o a intervenciones externas. Dependiendo de los estados posibles de la máquina, bien puede ser necesario prever una cantidad mayor de sistemas de protección. Lo dicho significa que con una sola válvula (en este caso, una válvula biestable) es imposible cumplir todas las condiciones que plantea una cadena secuencial. En estos casos siempre deberá optarse por una combinación de válvulas. En un esquema neumático completo, disponible bajo demanda, se explica esta situación. Además, ha quedado demostrado que seleccionado la posición de montaje más apropiada de la válvula en relación con los ejes que mayor fuerza aplican, es posible reducir o anular completamente las fuerzas que actúan sobre el elemento de conmutación. Si las fuerzas que actúan sobre el elemento de conmutación no supera un determinado valor y suponiendo que es válido (5), cabe suponer que el elemento de conmutación no cambiará su posición aunque dejen de actuar las fuerzas de accionamiento F12/F14. Ello significa que las válvulas biestables de Festo pueden considerarse seguras en estas aplicaciones.

Fórmulas y abreviaturas 𝐹

Fuerza

𝑁

𝐻

Fuerza de fricción por adhesión

𝑁

𝐻!

Fuerza límite de fricción por adhesión

𝑁

𝑚

Masa

𝑘𝑔

𝑁

Fuerza normal

𝑁

𝑝

Presión

𝑏𝑎𝑟

𝑄

Caudal

𝑚! 𝑠

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

11

𝑡

Tiempo

𝑠

𝑉

Volumen

𝑚!

𝑊

Fuerza resultante

𝑁

𝑥

Recorrido

𝑚

𝑥

Velocidad

𝑚 𝑠

𝑥

Aceleración

𝑚 𝑠!

𝜑

Ángulo

°

𝜌!

Ángulo de adhesión

°

𝜇!

Coeficiente de adhesión

Bibliography [1]

Croser, P. ; Ebel, F.: Pneumatik: Grundstufe. 2. Aufl. Berlin : Springer, 1999. – ISBN 3540664440

[2]

Standard ISO 5598 : 2008. Fluid power systems and components -

Vocabulary [3]

Stoll, Kurt: Pneumatische Steuerungen: Einführung und Grundlagen. 11. Aufl. Würzburg : Vogel Buchverlag, 1999. – ISBN 3802318056

[4]

Standard IEC 61508-5 : 2010. Functional safety of electrical, electronic,

programmable electronic safety-related systems. Part 5. Guidelines for methods of the determination of safety integrity levels [5]

Standard EN ISO 13849-2 : 2008. Safety of machinery - Safety-related parts

of control systems - Part 2: Validation [6]

Standard EN ISO 4414 : 2010. Pneumatic fluid power - General rules and

safety requirements for systems and their components [7]

Bauer, C. O.: Notwendiges Wissen vom Recht für Prüfingenieure (1). In: ZfPZeitung 14 (66) (1999), Nr. 66, S. 59-62

[8]

German Federal Court of Justice, Ruling of 16.06.2009, AZ: VI ZR 107/08

[9]

German Federal Court of Justice, Ruling of 23.10.1984, AZ: VI ZR 85/83

[10] German Federal Court of Justice, Ruling of 17.10.1989, AZ: VI ZR 258/88 [11] Standard IEC 61508-4 : 2010. Functional safety of electrical/ electronic/

programmable electronic safety-related systems - Part 4: Definitions and abbreviations

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

[12] Goble, William M. ; Cheddie, Harry: Safety Instrumented Systems

Verification: Practical Probabilistic Calculation. Research Triangle Park, NC : ISA, 2005. – ISBN 155617909X [13] Directive 2001/95/EC of the European Parliament and of the Council of 3 December 2001 on general product safety (as amended on Dec. 3rd, 2001) [14] Directive 2006/42/EC of the European Parliament and of the Council of 17 May 2006 on machinery, and amending Directive 95/16/EC (recast) (as amended on May 17th, 2001) [15] Brendel, Horst ; Winkler, Herbert: Wissensspeicher Tribotechnik.

Schmierstoffe, Gleitpaarungen, Schmiereinrichtungen. Wien : Springer, 1979. – ISBN 321181485X [16] Kragelski, Victorovic et al.: Grundlagen der Berechnung von Reibung und

Verschleiß. Berlin : Verlag Technik, 1982 [17] von Bach, Carl: Elastizität und Festigkeit. Die für die Technik wichtigsten

Sätze und deren erfahrungsmäßige Grundlage. 8. Aufl. Berlin : Springer, 1920 [18] Standard IEC 60068-2-27 : 2008. Environmental testing - Part 2-27: Tests -

Test Ea and guidance: Shock [19] Standard IEC 60068-2-6 : 2007. Environmental testing - Part 2-6: Tests -

Test Fc: Vibration (sinusoidal) [20] Standard IEC 60068-2-64 : 2008. Environmental testing - Part 2-64: Tests -

Test Fh: Vibration, broadband random and guidance [21] Standard MIL-STD-810G : 2008. Test Method Standard for Environmental

Engineering Considerations and Laboratory Tests [22] Standard ISO 19973-1 : 2007. Pneumatic fluid power - Assessment of

component reliability by testing - Part 1: General procedures [23] Standard ISO 19973-2 : 2007. Pneumatic fluid power - Assessment of

component reliability by testing - Part 2: Directional control valves [24] Standard DIN ISO 12238 : 2001. Pneumatic fluid power - Directional control

valves - Measurement of shifting time [25] Standard ISO 6358 : 1989. Pneumatic fluid power; components using

compressible fluids; determination of flow-rate characteristics

12

Válvulas biestables utilizadas en zonas de seguridad

Edición Editor: Festo AG & Co. KG www.festo.com

Redacción: Andreas Barner

Dr. Tilmann Bork

Product and Application Management

Centro técnico y de aplicaciones DE

SM

DE-T

Ruiter Straße 82

Ruhlsdorfer Str. 4

73734 Esslingen

12623 Berlin

Alemania

Alemania

Teléfono +49 (0)711 347-57379

Teléfono +49(30)56702026

Telefax

Telefax +49(711)34754-82032

+49 (0)711 347-54-57379

[email protected]

[email protected]

Reporte Técnico II/2012 La redacción del presente informe concluyó el 10.02.2012 © Copyright: Festo AG & Co. KG se reserva todos los derechos, incluyendo los de traducción a otros idiomas. Sin la expresa autorización de Festo AG & Co. KG, queda terminantemente prohibida la reproducción o difusión total o parcial de este documento, así como su procesamiento mediante sistemas electrónicos. Las denominaciones de los productos mencionados en la presente publicación que son marcas registradas, no están identificadas como tales explícitamente. La ausencia del signo ® no significa que el producto no corresponda a una marca registrada. Lo mismo se aplica en el caso de productos sujetos a patentes o modelos industriales registrados.

13