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ELECTRONEUMÁTICA I
ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE CIRCUITOS ELECTRONEUMÁTICOS.
El uso de sistemas automatizados en la industria ha crecido de forma sostenida, y entre ellos, los sistemas electroneumáticos ocupan un lugar destacado por su fiabilidad, bajo costo y facilidad de mantenimiento. Estos sistemas combinan la fuerza y velocidad del aire comprimido con el control preciso de los circuitos eléctricos, siendo ampliamente utilizados en procesos de manufactura, ensamblado, manipulación y transporte de materiales. Para abordar con solidez el estudio de los sistemas electroneumáticos, es fundamental comenzar por los circuitos simples, que incorporan un solo actuador (como un cilindro de simple o doble efecto, un actuador giratorio o un motor). Estos circuitos permiten comprender de manera clara la estructura básica, la lógica de control y la función de cada componente, sentando las bases para el diseño de automatismos más complejos. Este curso propone una introducción progresiva y práctica al mundo de la electroneumática, enfocándose en la estructura y componentes esenciales de los circuitos. A través del análisis, la interpretación de esquemas y la realización de ejercicios, se busca que el participante adquiera competencias técnicas que le permitan diseñar, montar y verificar el funcionamiento de sistemas básicos. El recorrido está pensado como la primera etapa de una formación más amplia, que continuará con el estudio de circuitos con múltiples actuadores y automatismos secuenciales, necesarios para abordar los desafíos reales de la automatización industrial.
Unidad 1
Capítulo 1
INTRODUCCIÓN AL MANDO ELECTRONEUMÁTICO
1. ¿Qué es la electroneumática?
La electroneumática es una tecnología que combina el uso de aire comprimido con señales eléctricas para automatizar movimientos y procesos. En estos sistemas, la energía neumática se emplea para realizar el trabajo físico (movimiento de cilindros, motores, por ejemplo), mientras que el control del sistema (arranque, secuencia, temporización, inversión de sentido) se realiza mediante componentes eléctricos como relés, sensores, temporizadores o PLC. Esta integración permite diseñar sistemas más flexibles, automáticos y seguros que los neumáticos convencionales, con mayor facilidad para implementar secuencias complejas, monitorear estados y adaptarse a cambios en el entorno de operación. La integración entre control eléctrico y potencia neumática que caracteriza a la electroneumática puede entenderse mejor si se analiza en términos de cadenas funcionales. En un sistema electroneumático, la cadena de mandos, indica el sentido de fluencia de las señales. Podemos dividir en tres grandes grupos, La parte de mando del circuito, el procesamiento y la parte de potencia. Las señales de entrada (como un pulsador o sensor) forman parte del mando o comando , que da inicio al ciclo. Estas señales luego, se procesan, compuesta por dispositivos eléctricos que toman decisiones lógicas (como relés o temporizadores). Finalmente, la orden se transmite a la parte de potencia , donde se activan las válvulas y actuadores neumáticos que ejecutan físicamente la acción. Esta división ayuda a organizar, diseñar y diagnosticar sistemas complejos. Esta división da origen a un concepto clave en la automatización industrial y que representa la relación entre los componentes fundamentales en cualquier sistema automatizado: sensado , procesamiento y actuadores. Estos tres elementos trabajan en conjunto para controlar un proceso de manera eficiente y automática.
o Definición : Los actuadores son dispositivos que realizan una acción física sobre el proceso en función de las órdenes que reciben del sistema de procesamiento. Estos pueden ser eléctricos, neumáticos o hidráulicos , dependiendo del tipo de energía utilizada. o Ejemplos : Motores eléctricos, cilindros neumáticos, válvulas solenoides, bombas, etc. o Función dentro del triángulo : Los actuadores son la parte del sistema que lleva a cabo la acción física necesaria para modificar el estado del proceso. Actúan sobre el entorno o el sistema de producción, ya sea moviendo una pieza, abriendo una válvula o iniciando un motor. Relación entre los tres elementos El triángulo de la automatización se basa en la interacción continua entre estos tres componentes:
- El sensor recoge datos del proceso y los envía al procesador (controlador).
- El procesador analiza estos datos, los compara con los valores deseados o de referencia, y decide qué acción ejecutar.
- El actuador recibe la señal procesada y lleva a cabo la acción física para ajustar el proceso, cerrando así el ciclo. En sistemas simples es probable que no exista la etapa de proceso de señales y sea el emisor de señal de entrada (sensor) el elemento que ejecuta esta acción implícitamente. Ejemplo de aplicación : Imaginá un sistema de control de temperatura:
- El sensor de temperatura mide la temperatura del ambiente o de un fluido.
- El procesador (PLC o termostato) recibe la señal del sensor y la compara con el valor de referencia (temperatura deseada).
- Si la temperatura no es la correcta, el actuador (un calentador o aire acondicionado) se activa para ajustar la temperatura hasta llegar al valor deseado.
3. Cadena de mandos electroneumáticos
En el contexto de la automatización industrial, una cadena de mandos (también llamada cadena de control o secuencia de mandos) es el conjunto estructurado y ordenado de órdenes o señales que permiten controlar el funcionamiento de un sistema automático.
Según la norma DIN^1 19226, el "mando" o "control" se define como el fenómeno que se produce dentro de un sistema, donde uno o varios parámetros de entrada influyen sobre otros parámetros de salida, de acuerdo con las leyes propias de ese sistema. En esencia, el mando es el proceso por el cual se dirige o regula un sistema. El mando no es una acción externa, sino un proceso que ocurre dentro del sistema. Estas órdenes se transmiten desde los dispositivos de entrada (sensores, pulsadores, interruptores) hacia los dispositivos de salida (actuadores como cilindros, motores, válvulas) a través de elementos de procesamiento o control (como relés, PLCs o válvulas lógicas). ¿Para qué sirve una cadena de mandos?
- Permite ejecutar una secuencia lógica de acciones en una máquina o proceso.
- Asegura que las condiciones necesarias para cada paso del proceso estén cumplidas antes de pasar al siguiente.
- Mejora la seguridad, eficiencia y coordinación del sistema. Como vimos anteriormente, en un sistema electroneumático, el triángulo de automatización tiene una implementación directa:
- Sensado : Pulsadores, Interruptores, Sensores de posición, de presión o de proximidad que detectan el estado de los actuadores o del proceso.
- Procesamiento : Relés, contactores, electroválvulas, toman las señales de la etapa de sensado y deciden las acciones a tomar.
- Actuadores : Cilindros neumáticos o válvulas solenoides que llevan a cabo la acción de mover una pieza, accionar una máquina, etc. Este concepto es crucial para comprender cómo funcionan y se interrelacionan los sistemas automáticos, ya que refleja la estructura básica de cualquier automatización moderna. El triángulo de la automatización detalla las funciones, mientras que la cadena de mandos describe la estructura de cómo se conectan esas funciones. Ambas herramientas permiten analizar y diseñar sistemas automatizados de forma clara, didáctica y funcional.
4. Diferencias entre Neumática y Electroneumática
Tal como hemos mencionado más arriba, los sistemas neumáticos se basan exclusivamente en el uso del aire comprimido como fuente de energía para realizar movimientos o acciones. (^1) DIN : acrónimo de "Deutsches Institut für Normung", que en español se traduce como "Instituto Alemán de Normalización". Es una organización alemana que se encarga de establecer normas y estándares para diversos campos, especialmente en la industria y la tecnología.
Repasemos la cadena de mandos de un sistema neumático: Estos componentes refieren a elementos que manejan señales puramente neumáticas, sin embargo, cuando hablamos de sistemas electroneumáticos, necesitamos, en algún momento, convertir la señal eléctrica en una señal neumática. Es por esta razón que la cadena de mandos electroneumáticas se representa, en general, con el agregado de una nueva etapa que es la que se denomina “Conversión de señales”. De este modo, nuestra cadena de mandos electroneumática quedaría conformada de la siguiente forma: Figura 2 - Estructura de sistemas neumáticos
En general, y como veremos más adelante en este curso, en los mandos electroneumáticos, los elementos que componen la etapa de Entrada de señales (Etapa de Sensado) son componentes de accionamiento manual, mecánico o eléctrico, con una respuesta eléctrica, por ejemplo, pulsadores, detectores de proximidad, etc.; mientras que, nuestros actuadores son cilindros o motores que trabajan con suministro de aire comprimido. Por esta razón necesitaremos convertir la señal eléctrica en una respuesta neumática. El elemento que nos brinda esta conversión es la electroválvula, esto es una válvula distribuidora neumática con accionamiento eléctrico. Entrada de Señales Proceso de Señales Conversión de Señales Salida de Señales Electricidad - Electricidad *Pulsadores Interruptores Finales de carrera *Emisores de señal sin contacto *Contactores electromagnéticos *Relés *Motores eléctricos *Motores de inducción lineal Neumática – Neumática *Pulsadores Interruptores Finales de carrera *Emisores de señal sin contacto *Válvulas de vías. *Válvulas de cierre (mixtas, selectoras, etc.) *Amplificador es neumáticos *Cilindros, *Motores neumáticos Electricidad – Neumática *Pulsadores Interruptores Finales de carrera *Emisores de señal sin contacto *Contactores electromagnéticos *Relés *Electroválvul as *Cilindros, *Motores neumáticos TÉCNICA DE SENSORES
TÉCNICA DE
PROCESADORES
TÉCNICA DE ACTUADORES
Figura 4 - Correspondencia entre elementos neumáticos y eléctricos Entrada de Señales Procesamiento de Señales Conversión de Salida de Señales Señales Transductor Amplificador Figura 3 - Cadena de mandos electroneumática
máquina. Existen distintos tipos de contadores, pero los más comunes en sistemas de automatización electroneumática son: o Contadores ascendentes: aumentan el valor del conteo con cada señal recibida. o Contadores descendentes: parten de un valor prefijado y restan uno por cada pulso hasta llegar a cero. o Contadores bidireccionales: permiten sumar y restar según el tipo de señal recibida.
- Actuadores neumáticos: Son los elementos que convierten la energía del aire comprimido en movimiento mecánico. o Cilindros de simple efecto: un solo sentido de empuje. o Cilindros de doble efecto: empuje en ambos sentidos. o Motores neumáticos o Actuadores giratorios Simbología combinada En un circuito electroneumático, los esquemas eléctricos y neumáticos se representan de forma separada pero conectada lógicamente. Normas utilizadas: ISO 1219-1 e IEC 81346, IEC 60617. En la parte neumática se representa el circuito de potencia (unidad de mantenimiento, actuadores, válvulas). En la parte eléctrica se representa el circuito de mando (relés, sensores, pulsadores, bobinas de solenoides). La relación entre ambas partes se indica con etiquetas que las identifican en ambos esquemas. Seguridad en sistemas combinados La combinación de electricidad y aire comprimido requiere considerar los riesgos inherentes a ambos tipos de energía. Pautas de seguridad: Verificar las tensiones de alimentación (24VCC o 220VAC) y sus protecciones.
- Incorporar interruptores de emergencia (Tipo “hongo”) visibles y accesibles.
- Usar protecciones eléctricas adecuadas: fusibles, térmicos, disyuntores diferenciales.
- Identificar claramente los actuadores móviles y señalizar sus recorridos si es posible.
- Controlar el estado de reposo seguro de válvulas y actuadores al finalizar un ciclo o ante corte de energía.
6. Tecnología neumática o electroneumática vs. Tecnología eléctrica:
¿cómo elegir la mejor para automatizar un proceso?
A la hora de diseñar una solución de automatización industrial, es fundamental conocer las características y limitaciones de las dos tecnologías más extendidas: la electroneumática y la eléctrica. Ambas presentan ventajas y desventajas; la clave está en evaluar sus prestaciones según los requerimientos de cada aplicación.
1. Velocidad y dinámica de movimiento - Neumática : o Respuesta ultrarrápida en recorridos cortos. o Ideal para ciclos de alta frecuencia (p. ej. prensados, pinzas, soplado). - Eléctrica : o Buena velocidad, aunque algo menor en distancias muy cortas. o Su punto fuerte es el control fino de la aceleración y deceleración. 2. Precisión y repetibilidad - Neumática : o Precisión limitada por la compresibilidad del aire. o Repetibilidad aceptable en aplicaciones simples. - Eléctrica : o Control posicional milimétrico (y submilimétrico). o Excelente repetibilidad y ajuste de velocidad/torque. 3. Contaminación sonora y mantenimiento - Neumática : o Requiere compresor (ruido y espacio dedicado). Ruido producto de los escapes de aire a la atmósfera. o Mantenimiento periódico de filtros, secadores y lubricadores. - Eléctrica : o Operación prácticamente silenciosa. o Mantenimiento mínimo: revisión de cables y rodamientos. 4. Eficiencia energética - Neumática : o Pérdidas inherentes al almacenamiento y transporte de aire comprimido.
Capítulo 2
SEÑALES
1. Señales Eléctricas: Fundamentos y Clasificación
En los sistemas eléctricos y electrónicos, una señal eléctrica es una variación de voltaje o corriente que transporta información. Estas señales son fundamentales para el funcionamiento de circuitos de comunicación, control, medición y procesamiento. Comprender los tipos de señales eléctricas es clave para interpretar fenómenos eléctricos, diseñar sistemas de control y diagnosticar fallas en dispositivos tecnológicos.
- Clasificación General de las Señales Eléctricas Las señales eléctricas pueden clasificarse desde distintos criterios. A continuación, se detallan los más relevantes: 1. Según su variación en el tiempo: 1 .1. Señales continuas (DC o CC): Son señales de voltaje o corriente constantes en el tiempo. No varían su valor ni cambian de polaridad. Ejemplo: La salida de una batería o una fuente de alimentación regulada. 1 .2. Señales alternas (AC o CA): Cambian de polaridad cíclicamente, siguiendo una forma de onda (generalmente senoidal). Pueden tener distintas formas: senoidal, cuadrada, triangular, etc. Ejemplo: Transmisión de energía (red eléctrica), osciladores, señales de control. 2. Según su forma de onda: 2 .1. Senoidal: Onda suave y periódica. Representa muchas señales naturales, como la corriente alterna de la red eléctrica. 2.2. Cuadrada: Alterna entre dos niveles (alto y bajo) de forma abrupta. Usada en circuitos digitales y conmutación. 2 .3. Triangular y diente de sierra: Formas de onda lineales crecientes y decrecientes. Comunes en osciladores y moduladores. Voltaje Tiempo Tiempo Voltaje Figura 5 - Señal continua y alterna
2 .4. Pulsos: Señales breves de duración corta, aisladas o en trenes de pulsos. Fundamentales en control y lógica secuencial. 3. Según su naturaleza: 3 .1. Señales analógicas: Pueden tomar un número infinito de valores dentro de un rango. Varían de forma continua. Ejemplo: Señal de un micrófono, un termómetro analógico o un potenciómetro. 3 .2. Señales digitales: Es una señal eléctrica que representa información a través de valores discretos, es decir, en niveles separados, no continuos. Puede tener más de dos niveles, aunque en la mayoría de los sistemas digitales se usan dos (alto y bajo). Se utiliza para representar datos en forma codificada, como números, caracteres, etc. Ejemplo: Un termómetro digital. 3 .2.1Señal digital binaria: Solo pueden tener dos valores: 0 y 1 (nivel bajo o alto). Usadas en sistemas binarios, computadoras, microcontroladores. Figura 6 - Clasificación según forma de onda Figura 7 - Ejemplos de dispositivos analógico, digital y digital binario
Capítulo 3
FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD APLICADA
La electricidad es una forma de energía fundamental en los sistemas tecnológicos modernos, presente en casi todos los aspectos de la vida cotidiana y en el funcionamiento de la industria, la automatización, las comunicaciones y el transporte. El estudio de los fundamentos de electricidad aplicada permite comprender cómo se genera, transmite y utiliza la energía eléctrica, y cómo se comportan los distintos componentes de un circuito. Esta base es esencial para analizar, diseñar y mantener sistemas eléctricos y electrónicos de forma segura y eficiente.
1. Generación de energía eléctrica
Existen diferentes tipos de generación de energía eléctrica, incluyendo fuentes renovables y no renovables. Algunas de las fuentes más comunes son la energía eólica, solar, hidroeléctrica, geotérmica, biomasa, nucleares y termoeléctricas (de combustibles fósiles). Fuentes Renovables:
- Energía Eólica: Se utiliza la fuerza del viento para mover turbinas que generan electricidad.
- Energía Solar: Se aprovecha la radiación solar para generar electricidad a través de paneles solares fotovoltaicos o para calentar agua y producir vapor que mueve turbinas (térmica solar).
- Energía Hidroeléctrica: Se aprovecha el movimiento del agua en ríos o represas para mover turbinas y generar electricidad.
- Energía Geotérmica: Se extrae el calor del interior de la Tierra para calentar agua y generar vapor que mueve turbinas.
- Biomasa: Se utilizan materiales orgánicos (como madera, cultivos agrícolas) para generar electricidad a través de la combustión o gasificación. Fuentes No Renovables:
- Combustibles Fósiles: Se utilizan combustibles como carbón, petróleo o gas natural para calentar agua y generar vapor que mueve turbinas.
- Energía Nuclear: Se aprovecha la energía de la fisión nuclear de uranio para calentar agua y generar vapor que mueve turbinas. Además de estas fuentes principales, existen otras tecnologías emergentes, como la energía mareomotriz o la energía undimotriz, que aprovechan la energía de las olas y las mareas. https://www.youtube.com/watch?v=wNGOQliTOoo
2. Magnitudes eléctricas
Entre los conceptos iniciales más importantes se encuentran las magnitudes eléctricas básicas: 1.Tensión : La tensión eléctrica (o voltaje ) es la fuerza que impulsa a los electrones a moverse a través de un conductor. Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Representa la “fuerza” que impulsa a los electrones a moverse. Técnicamente, es la energía necesaria para mover una carga eléctrica de un punto a otro. Su unidad es el voltio y se lo representa con la letra V. 𝑉 =
V: voltaje en voltios E: energía en Joules Q: carga en Coulomb Sin tensión, no hay movimiento de electrones. 2.Corriente: Es un concepto fundamental en la electricidad y la electrónica. Indica el flujo de carga eléctrica que circula por un conductor en un determinado tiempo. Indica cuántos coulomb^2 de carga pasan por un punto por segundo. Su símbolo es: I y la unidad de medida es el Amperio (A). Para que los electrones circulen por el interior de un conductor tiene que haber una diferencia de potencial eléctrico (voltaje). La dirección de circulación convencionalmente va del polo positivo al negativo , aunque los electrones se mueven del negativo al positivo. 𝐼 =
I: intensidad de corriente en Amperios Q: carga en Coulomb T: tiempo en segundos Tipos de corriente: a) Corriente continua (CC o DC): El flujo de carga es constante y en una sola dirección. Ejemplo: pilas o baterías. b) Corriente alterna (CA o AC): El flujo de carga cambia de dirección periódicamente. También varía su intensidad de forma sinusoidal. Ejemplo: Alimentación domiciliaria. c) Corriente mixta: Es una combinación de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) en un mismo circuito y al mismo tiempo. Se representa como una señal alterna superpuesta sobre un nivel constante de voltaje. Ejemplo: Sistemas de comunicación electrónica. Circuitos de amplificadores. (^2) Un coulomb (símbolo C ) es la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI).
5. Efecto Fisiológico : La corriente puede afectar el cuerpo humano o animal, causando contracciones musculares o quemaduras. Aplicaciones/control: - Riesgo eléctrico (choques) - Usado de forma controlada en medicina: electroestimulación, desfibriladores
4. Conductores Eléctricos
Se entiende por conductores eléctricos aquellos materiales que permiten el paso de la electricidad con un nivel de resistencia muy reducido. Gracias a sus propiedades específicas, facilitan el movimiento y traslación de electrones a través de su superficie, favoreciendo la transmisión de electricidad. Generalmente son metales o aleaciones metálicas. Suelen ser sólidos a temperatura ambiente (aunque hay excepciones, como el mercurio). Ejemplos comunes de conductores:
- Cobre : Se utiliza en cables eléctricos y en electrónica
- Aluminio : Para redes eléctricas, líneas de alta tensión
- Plata : Se usa en contactos eléctricos, conexiones especiales (muy caro)
- Oro : Utilizado en componentes electrónicos delicados (resistente a la corrosión)
- Hierro : Usado en estructuras, es menos conductor que los anteriores ¿Por qué el cobre y el aluminio son los más usados? Cobre : Excelente conductor, buena ductilidad (se puede estirar), resistente a la corrosión, fácil de trabajar. Aluminio : Más ligero y barato que el cobre, aunque menos conductor, se usa en líneas de transmisión y cables de gran longitud. Conductividad y resistencia La conductividad eléctrica indica la capacidad de un material para conducir electricidad (se mide en Siemens por metro, S/m). La resistencia eléctrica depende del material, su longitud, sección transversal y temperatura.
5. Materiales que NO son conductores:
Los no conductores, también conocidos como aislantes eléctricos, son materiales que no permiten el paso de la corriente eléctrica fácilmente. Ejemplos de no conductores (aislantes) comunes:
- Madera: Se utiliza en muebles, estructuras y otros objetos, evitando el contacto con la electricidad.
- Vidrio: Es un aislante muy común, utilizado en ventanas, pantallas de dispositivos electrónicos y otros objetos.
- Cerámica: Se usa en revestimientos, utensilios y otros objetos, evitando el contacto con la electricidad.
- Plástico: Es un material versátil que se utiliza para una gran variedad de aplicaciones, incluyendo cables aislados y cubiertas de aparatos eléctricos.
- Goma: Es el material principal de los guantes de goma, que protegen de la electricidad.
- Papel y cartón: Se utilizan para embalaje y otros fines, siendo buenos aislantes.
- Aguas destiladas: El agua purificada no conduce bien la electricidad.
- Cintas aislantes: Se utilizan para cubrir los extremos de los cables y evitar el contacto con la corriente.
- El aire: El aire es un buen aislante, por lo que las conexiones eléctricas se realizan dentro de cajas aislantes que están rellenas de aire.
- Aceite: Se usa en transformadores y otros equipos para aislar las partes conductoras.
- Plástico (PVC): Material común para revestir cables eléctricos.
- Silicona: Material aislante utilizado en cables y otros componentes eléctricos.
- Teflón: Un plástico muy resistente que se utiliza como aislante en aplicaciones de alta temperatura.
- Kapton (poliamida): Otro tipo de plástico que se utiliza para aislar cables y otros componentes.
- Polietileno: Un plástico común utilizado para aislar cables.
- El caucho: Un material natural que se utiliza como aislante en guantes y otros productos. ¿Por qué son importantes los no conductores?: Los no conductores son esenciales en instalaciones eléctricas y otros sistemas para:
- Proteger a las personas: Evitan que la corriente eléctrica pase a través del cuerpo al tocar un objeto con electricidad.
- Aislar circuitos eléctricos: Previene que la electricidad salte de un conductor a otro, lo que podría provocar un cortocircuito o un incendio.
- Aumentar la seguridad: Reduce el riesgo de accidentes eléctricos.
- Permitir la operación segura de equipos: Evita que los componentes eléctricos se calienten excesivamente y causen fallas. Peligros de la corriente eléctrica en el ser humano
