Montaje y reparación de sistemas eléctricos y electrónicos de bienes de equipo y máquinas industriales. FMEE0208

Bibliografía

Capítulo 1

Automatización Industrial

1. Introducción

La automatización ha estado presente en nuestra sociedad desde la antigüedad, empleándose a pequeña escala en tareas sencillas, vinculadas principalmente a la manufacturación.

Tenemos que esperar hasta entrada la década de los sesenta del siglo pasado para observar una auténtica revolución, provocada por la incorporación de computadoras digitales a los procesos, permitiendo una gran flexibilidad en la realización de cualquier tarea. Estas computadoras digitales se fueron introduciendo para el desarrollo tanto de tareas de tipo repetitivo como en aquellas que necesitaban de una determinada especialización.

Si atendemos al concepto propio de la automatización establecido por la Real Academia Española (RAE) podemos establecer que se trata de una aplicación automática a un proceso, a un dispositivo, sustituyendo al operador humano por una serie de dispositivos mecánicos o electrónicos.

Del mismo modo la Real Academia de las Ciencias (RAC) define la automatización como la aplicación de un conjunto de métodos y procedimientos que permiten la sustitución del operario en aquellas tareas físicas y mentales que han sido previamente programadas.

Teniendo en cuenta las definiciones anteriores, la automatización industrial es la utilización de diversos elementos o sistemas electromecánicos y computarizados para lograr controlar maquinarias y/o procesos industriales reduciendo la necesidad de intervención de operarios en el proceso. Este término se puede confundir en algunos aspectos con la mecanización industrial, aunque la esencia que los distingue es que la mecanización asiste a los operarios requiriendo su propia fuerza o intervención directa; y la automatización permite una gran reducción de la necesidad sensorial y mental del operario, permitiendo con esto una producción más eficiente y una considerable disminución de los riesgos del operario.

Los principales objetivos que rodean a la automatización industrial vienen relacionados con el incremento de la productividad, así como en lograr una mejora en la precisión y calidad de los productos generados. También es importante destacar la ventaja de poder reemplazar a operarios en tareas repetitivas, de alto riesgo o en aquellas fuera del alcance de sus capacidades, como son los trabajos en ambientes extremos o con manipulación de cargas pesadas.

Este capítulo se centra en aspectos relacionados con los procesos existentes de automatización, revisando los principales automatismos eléctricos como son relés o sensores, elementos y sistemas empleados, así como simbologías, herramientas y materiales propios de la automatización industrial.

2. Terminología básica

El conocimiento de la terminología propia es imprescindible para la diferenciación e interpretación de los diferentes elementos y procesos. Dentro del vocabulario básico pueden distinguirse los siguientes términos:

Automatismo. Se trata de un sistema que permite la ejecución de una o varias acciones sin precisar la intervención de un operario.

Órganos de mando/control. Son un conjunto de elementos que deciden cuándo se debe realizar una determinada acción, qué se realiza y qué valores han de tener ciertos parámetros que van a concretar una tarea o acción.

Órgano de mando/control

Procesos por lotes. Son aquellos procesos discretos en los que se obtiene la transformación en un solo producto, a partir de la utilización de más de un elemento o pieza inicial.

Sensores. También denominados elementos primarios, son los elementos que se encuentran en contacto físico con el medio, cuya variable se quiere medir y controlar. Estos instrumentos captan la variable que se quiere medir y controlar y envían una señal de salida predeterminada. Un tipo de sensor muy utilizado en las instalaciones automáticas es el sensor de contacto denominado final de carrera. Es un dispositivo que puede ser neumático, eléctrico o mecánico y que se sitúa al final del recorrido de un elemento móvil como, por ejemplo, un cilindro, con el fin de que cuando el elemento móvil llega al tope de su recorrido y activa por contacto el final de carreara, este envía una señal que modifica el estado del circuito que gobierna la instalación.

Órganos sensoriales

Regulación automática. Son una serie de mecanismos que permiten controlar un proceso dentro de unos valores determinados.

Sistemas de automatización. Son una serie de mecanismos desarrollados para controlar procesos y/o maquinaria industrial minimizando la intervención directa de operarios. Existen varios tipos de sistemas:

Sistemas mecánicos

Sistemas neumáticos

Sistemas hidráulicos

Sistemas eléctricos y electrónicos.

Autómata programable o PLC (Programable Logic Controler). Aunque en ocasiones la palabra autómata se refiera a un robot, en electrónica es un equipo electrónico programable en lenguaje no informático y que está diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente industrial procesos secuenciales, trabajando en base a la información recibida de los sensores, que a través de un programa lógico interno actúa sobre los accionadores o actuadores de la instalación automatizada.

PLC

PLD (Programable Logic Device). Es un dispositivo compuesto por circuitos integrados con una configuración inicial de fábrica, pero reconfigurable para adaptar el circuito final a unas necesidades específicas.

Contactor. Es un elemento de tipo electromecánico que permite la interrupción o el paso de corriente. Este tipo de elementos puede ser accionado a distancia, manteniendo un estado de reposo o espera hasta recibir algún mandato de acción por parte del circuito de mando.

Contactor

Ensamblador. Es un dispositivo que se encarga de traducir un determinado fichero fuente escrito en lenguaje ensamblador a otro fichero fuente que contiene código máquina. De esta forma obtendremos un lenguaje ejecutable directamente por la máquina. Existen dos tipos: básicos y modulares.

Sistema de alimentación. Conjunto de elementos que permiten el paso de la energía eléctrica en la forma requerida para un adecuado funcionamiento de todos los componentes del autómata, dado que desarrollan su trabajo con corrientes continuas de 24 V.

Comparador. Se trata de un dispositivo que detecta tensiones de entrada superiores a los valores límites establecidos.

Condensadores

Analógico. Circuito, sistema o dispositivo que procesa señales de tipo eléctrico que tienen infinitos valores dentro de un intervalo.

Digital. Circuito, sistema o dispositivo que procesa señales de tipo eléctrico que toman dos valores asignados a los dígitos 0 y 1.

Actuadores. Son dispositivos que transforman la energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso, generando un efecto sobre dicho proceso automatizado, quien recibe la orden de un regulador o controlador y, en función de ella, genera la orden para activar un elemento final de control, como por ejemplo una válvula. Existen varios tipos de actuadores como:

Electrónicos

Hidráulicos

Neumáticos

Eléctricos

Actuadores neumáticos

Ordenador o computador. Es un dispositivo electrónico que recibe instrucciones y las ejecuta mediante cálculos numéricos, o mediante la correlación y compilación de otros tipos de informaciones.

Relé. Dispositivo electromecánico que actúa como interruptor o inversor gobernado por un electroimán que acciona uno o varios contactos para permitir la apertura o el cierre de otros circuitos eléctricos independientes. Como el relé permite el control de un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, podemos considerar este como un amplificador eléctrico.

Resistencia. Es la propiedad física que hace que un cuerpo se resista u oponga a ser atravesado por una corriente eléctrica. Según la ‘Ley de Ohm’, la resistencia determina la cantidad de corriente que fluye en el interior del circuito cuando se le aplica un voltaje.

Transformador. Dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor que están devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético y aisladas entre sí eléctricamente, cuya única conexión es el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario, según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente.

Transformador

Transductores. Reciben la señal de entrada procedente del sensor en función de una o más características físicas y la convierten en una señal de salida, es decir, convierten la energía de entrada de una forma (mecánica, calorífica, etc.) en energía de salida de otra forma (neumática, eléctrica, hidráulica, etc.).

Un ejemplo de transductor es un relé que es un instrumento que convierte la energía eléctrica que recibe en energía mecánica que emplea en cerrar o abrir contactos eléctricos.

Sobrecarga. Se produce al utilizar una resistencia de carga pequeña que provoca que la tensión del amplificador disminuya considerablemente.

Definición

Automatismo

Sistema que permite la ejecución de una o varias acciones sin precisar la intervención de un operario.

Automatización

Es la aplicación de un conjunto de métodos y procedimientos que permiten la sustitución del operario en aquellas tareas físicas y mentales que han sido previamente programadas.

3. Procesos continuos y secuenciales

Los circuitos electrónicos están formados por distintos componentes pasivos y dispositivos electrónicos conectados con una determinada configuración. Esta configuración nos va a proporcionar una salida con una o varias señales que se pueden traducir en una función de tipo lineal o no lineal de otras señales aplicadas a la entrada de la misma.

En base a esta configuración, podemos hablar de dos tipos de magnitudes de trabajo:

Magnitudes continuas. Son aquellas magnitudes que tienen variaciones sin escalonamientos repentinos, tomando un número infinito de valores.

Magnitudes discretas. Son magnitudes que no sufren variaciones de forma uniforme, es decir, que tienen cambios de valor de forma repentina entre determinados valores.

Estas magnitudes son los referentes tanto para señales de corriente eléctrica como para las señales de tensión y eléctricas, teniendo como características principales las siguientes:

Se transmiten sin dificultad

Se pueden almacenar para reproducirlas posteriormente

Tienen bajo coste

Son muy fiables y fáciles de procesar

Teniendo en cuenta los anteriores conceptos podemos decir que la electrónica analógica es aquella que hace uso de señales de tipo continuo (intensidad y voltaje) presentando variaciones siempre uniformes; mientras que la electrónica digital utiliza señales eléctricas de tipo discreto (valores 0 y 1) con cambios no uniformes. La utilización de esta última domina hoy en día sobre la analógica.

Cuando hablamos de proceso nos referimos a esa parte del sistema que, mediante una determinada entrada (información, material, etc.), produce una o varias transformaciones que dan lugar a la obtención de material en forma de producto elaborado.

Dentro de los procesos industriales podemos diferenciar entre:

Procesos continuos. Son procesos caracterizados por la producción en forma de flujo continuo de material. Utiliza variables de tipo analógico.

Procesos secuenciales. Son procesos de producción en forma de unidades o número concreto de piezas. Utiliza variables de todo/nada.

La utilización en la industria de los procesos secuenciales deriva en la aparición de máquinas herramienta en la que se ejerce un control numérico por ordenador como centro del sistema de fabricación flexible. En este tipo de industria podemos destacar la utilización de estaciones robotizadas, de tal manera que en la actualidad es muy elevada la necesidad de automatización si en el entorno competitivo en el que nos encontramos pretendemos ofertar productos de buena calidad.

Con respecto a la utilización en la industria de procesos continuos, existen distintas fábricas de productos de naturaleza más o menos continua (petroquímica, cementera, etc.). El desarrollo de este tipo de industria se orienta hacia la investigación de nuevas tecnologías, destacando la formación con simuladores de sus operarios y la aplicación de algoritmos de control avanzado. La automatización tiene un nivel de desarrollo muy consolidado.

Se pretende alcanzar la optimización en los procesos de ambos tipos, ya sea centrándose en factores de costes o de calidad de los productos.

Atendiendo a las definiciones dadas sobre estos dos procesos, podemos concretar que en la industria existen dos grandes tipos de sistemas automáticos de control. Estos son:

Sistemas Automáticos de Control Secuenciales (procesos secuenciales).

Sistemas Automáticos de Regulación (procesos continuos).

3.1. Sistemas automáticos de control secuenciales

Los Sistemas Automáticos de Control Secuenciales son sistemas automáticos donde el proceso que se va a controlar es un sistema de eventos discretos. Es decir, controlan sistemas de tipo dinámico que cambian de estado por la aparición de una o varias señales (un pulso, paso por niveles, etc.). Un ejemplo de sistemas de control secuencial viene representado por el siguiente esquema.

3.2. Sistemas automáticos de regulación

Los Sistemas Automáticos de Regulación también son sistemas automáticos, aunque en estos el proceso que se va a controlar es de tipo continuo. Lo que se pretende en este sistema es que un conjunto de variables continuas del proceso lleguen a alcanzar determinados valores específicos en base a otras tantas referencias o consignas aportadas.

Un ejemplo de este sistema de regulación se estructura como el siguiente esquema.

Sabía que...

Ejemplos de Sistemas Automáticos de Regulación son el control de la posición del cabezal de un disco óptico y el control del cambio de rumbo de un buque.

4. Automatismos eléctricos (relés, contactores, sensores, actuadores, otros)

Desde que el hombre diera sus primeros pasos ha desarrollado su labor trabajando manualmente, pero el proceso evolutivo y las necesidades de mejora han potenciado su interés por alcanzar la automatización de distintos procesos de trabajo. En la actualidad se ha alcanzado un gran desarrollo en el control programado, así como con los autómatas, incluyendo distintos tipos de relés como elementos de control de potencia.

Se entiende por relé como un interruptor que tiene varios contactos accionados por efectos de tipo electromagnético. El paso de la corriente eléctrica a través de una bobina provoca la creación de un campo magnético que atrae una pieza, mediante un efecto palanca se acciona el contacto móvil, este toca el contacto fijo y ambos forman uno de los posibles contactos de un relé. Este movimiento permite el cierre del circuito eléctrico y el paso de la corriente eléctrica.

Sabía que...

Cuando hablamos de relés, no solo nos referimos a aparatos electromagnéticos, sino también a semiconductores que actúan de igual forma pero sin necesitar movimientos mecánicos.

El relé y el contactor tienen su funcionamiento en base al mismo principio, trabajando este último con tensiones más elevadas. Ambos no han sido sustituidos en muchas aplicaciones debido a sus características de seguridad eléctrica, capacidad de manejo de grandes potencias eléctricas, funcionamiento en ambientes hostiles y robustez.

Un ejemplo de su utilización lo encontramos en la aplicación de los mismos en sistemas de control de elementos de salida o actuadores de los autómatas programables. Aunque en la actualidad la parte de mando o control (lógica cableada) se sustituye por el control programado, si tratamos con grandes potencias el contactor se convierte en una pieza casi insustituible del sistema.

En esta unidad abordaremos aspectos centrados en el relé y sus tipos, los contactores y los sensores y actuadores.

4.1. El relé. Definición y funcionamiento

El relé es un tipo de interruptor electromagnético que se acciona por medio de un electroimán. Puede tener uno o varios contactos conmutados que pueden actuar tanto en la apertura como en el cierre de uno o varios circuitos.

El relé está compuesto por:

Bobina

Pivote

Armadura

Núcleo de material ferromagnético

Contactos NA/NC

Un relé electromagnético es un interruptor mandado a distancia que retorna a su posición inicial o de reposo cuando la fuerza que lo acciona deja de actuar. Su funcionamiento se basa en la exaltación de la bobina, se magnetiza el núcleo ferromagnético y este atrae la parte móvil que es donde se localizan los contactos.

El funcionamiento del relé electromagnético es el resultado de la acción conjunta de distintos elementos. Estos son:

Electroimán. Es un elemento que se compone de una bobina y un núcleo magnético. Atendiendo a cada uno de sus componentes podemos decir que:

Núcleo magnético. Se utilizan dos tipos en función de la corriente en uso:

Corriente alterna. Compuesto por chapas laminadas y aisladas entre sí.

Corriente continua. De acero macizo.

Esta diferenciación se dirime de las corrientes de Foucaul, que provocan un calentamiento del núcleo y causan pérdidas, y para evitar las pérdidas se utilizan chapas laminadas.

Bobina. Este elemento va liado sobre un carrete de material de tipo termoplástico o de baquelita. Está formada por varias capas de hilo de cobre aislado con esmalte.

Contactos NA/NC. La función de estos elementos es el cierre o apertura de los circuitos. Los contactores deben reunir una serie de características, destacando las siguientes:

Elevada dureza

Gran resistencia mecánica

Poca resistencia al contacto

Leve tendencia al soldeo

Escasa tendencia a la formación de sulfuros

Resistencia a la erosión

Gran conductividad térmica y eléctrica

Nota

El comportamiento de la bobina varía según el tipo de corriente utilizada.

Estas características hacen difícil encontrar un material, siendo la solución más idónea la utilización de aleaciones. Las más importantes son las de plata-níquel y la de plata-cadmio, que se utilizan si los relés realizan muchas maniobras o controlan corrientes de rango elevado. También podemos destacar la de platino-iridio si hay poco número de maniobras.

Funcionamiento del relé

El relé tiene un funcionamiento sencillo que consiste en que la bobina es alimentada por una tensión continua o alterna, según el nivel de potencia con el que se trabaje. Esta corriente pasa por la bobina generando en el núcleo una determinada fuerza magnetomotriz. De esta manera se produce un flujo de tipo magnético que origina una inducción magnética, apareciendo una fuerza de atracción sobre la armadura que hace que se