IND286 - Guía 1 _27ago2015_v2

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA IND286 LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL Laboratorio N°1-INSTRUMENTACIÓN DE PROCESOS Y DIAGRAMAS P&ID (Semestre 2015 - 2) OBJETIVOS • • • Comprender la importancia de los elementos empleados en un sistema de control. Conocer el principio de funcionamiento y el rol de los sensores, actuadores y controladores en la automatización industrial. Comprender y reconocer la importancia de los diagramas de instrumentación y tuberías (P&ID, Piping and Instrumentation Diagram). CONTENIDO 1. Introducción. 2. Sistemas de control. 3. Elementos de un sistema de control. 3.1. Sensores. 3.1.1. Estructura y principio de funcionamiento. 3.1.2. Clasificación de los sensores 3.1.2.1. Clasificación según tipo de funcionamiento 3.1.2.2. Clasificación según el formato de la señal que generan 3.1.2.3. Clasificación según el rango de valores que proporcionan 3.1.2.4. Clasificación según el nivel de integración 3.1.2.5. Clasificación según la variable física medida 3.1.2.6. Clasificación según la naturaleza de la magnitud o variable medida 3.1.3. Principales sensores en la industria. 3.1.3.1. Sensores de proximidad 3.1.3.2. Sensores de presión 3.1.3.3. Sensores de nivel 3.1.3.4. Sensores de temperatura 3.1.3.5. Sensores de flujo (Flujómetros) 3.1.4. Acondicionamiento de señal. 3.2. Actuadores. 3.2.1. Neumáticos 3.2.2. Hidráulicos 3.2.3. Eléctricos. 3.2.3.1. Servomotores. 3.2.3.2. Motor eléctrico 3.2.4.Ventajas y desventajas según el tipo de actuador 3.3. Controladores. 4. Diagramas P&ID. 4.1. Simbología. 4.2. Lectura de un lazo simple de control. 1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, la industria moderna cuenta con un sistema de instrumentación y control. La medición de los distintos parámetros que intervienen en un proceso de fabricación o transformación industrial, es básica para obtener un control directo sobre los productos y mejorar la calidad y competitividad. Así pues, el conocimiento del funcionamiento de los instrumentos de medición y de control, y su papel dentro del proceso que intervienen, es básico para quienes desarrollan su actividad profesional dentro de este campo. 2. SISTEMAS DE CONTROL Un sistema es un conjunto de elementos relacionados entre sí, dispuestos para realizar una o varias funciones. Este concepto se aplica, no solamente a sistemas físicos, como los encontrados en la industria, sino también, a fenómenos abstractos y dinámicos, como los sistemas económicos, biológicos, químicos y similares. El sistema de control es aquel sistema compuesto básicamente por elementos que leen información/datos sobre proceso, luego la analizan y finalmente ejecutan acciones para ejercer control una variable de interés (por ejemplo el nivel de agua en un tanque o la temperatura en un cuarto) con el fin de mantenerlo dentro de unos límites determinados. Esta acción de control puede ser de tipo manual o automático. En el primero, un operario es parte del ciclo de trabajo del sistema empleando sus sentidos y experiencia para modificar el resultado final; por ejemplo, el cocinero que prueba la calidad de un lote de chocolate antes enviarla a la zona de empaquetado. En el segundo, todo el ciclo de trabajo del sistema es controlado por computadoras y máquinas especializadas sin la interacción directa del operario; por ejemplo, en la misma planta de chocolate anteriormente mencionada, los sensores revisan la calidad el chocolate antes de enviar el lote a la zona de empaquetado. Los sistemas de control industriales, en su mayoría, son automáticos y están enfocados principalmente en dos actividades: control de movimiento y control de procesos. Los primeros se utilizan para controlar la posición física de un objeto mediante servomecanismos o servos; como ejemplos de este tipo de sistemas se tienen a los controles de banda transportadora o al servomotor de un brazo robótico industrial encargado de soldar partes en una línea de ensamblaje. Por otra parte, los sistemas encargados del control de procesos, se utilizan para controlar procesos caracterizados por una serie de pasos o cambios graduales que se suceden uno a continuación de otro; su función es permitir el mantenimiento y regulación de variables del proceso como presión, caudal, temperatura, pH, etc. 3. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL Para mantener una planta o proceso realizando su función de manera eficiente se emplean los sistemas de control. Así mismo, en la industria se emplean sistemas de control automático, los cuales constan, principalmente, de cuatro elementos: • • • • Planta o Proceso Controladores Actuadores Sensores Dentro del sistema de control existen 2 tipos de elementos: funcionales y auxiliares. Los elementos funcionales realizan funciones principales dentro del sistema como leer la información, procesar y generar una respuesta y enviarla al sistema. Los sensores, actuadores y controladores son denominados elementos funcionales. Por otra parte los elementos auxiliares son aquellos que asisten a los funcionales para realizar sus tareas. Por tanto elementos tales como los controladores del actuador (circuito de potencia) y las unidades acondicionadoras de la señal del sensor son denominadas elementos auxiliares debido a que son unidades complementarias del sistema de control. En la siguiente figura se muestra la relación de estos elementos con la planta o proceso. Figura 1 - Elementos funcionales y auxiliares en un sistema de control. El controlador del sistema proporciona la inteligencia para el sistema de control; es decir, es el cerebro del sistema. El controlador lógico programable (PLC), el microprocesador, el microcontrolador, una computadora análoga o digital, un juego de relés y/o contactores son algunos ejemplos de controladores. Los actuadores o transductores de salida se comportan como los músculos del sistema de control, convierten la potencia eléctrica, neumática o hidráulica aplicada a ellos en alguna forma de acción física. Ejemplos de actuadores son los motores, los frenos, los embragues, los solenoides, los relés, las válvulas y las bombas. Los sensores o transductores de entrada actúan como los sentidos de un sistema de control, convierten los parámetros a ser medidos, controlados o supervisados en señales eléctricas equivalentes que pueden ser interpretadas por el controlador. Existen sensores para cada necesidad industrial, incluyendo la medición de velocidad, posición, peso, volumen, tensión, temperatura, presión, humedad, densidad, torque, etc. Un elemento esencial de todos los sistemas de control automático es el principio de retroalimentación o lazo cerrado, el cual permite dotar a una máquina de capacidad de auto corrección. Un sistema de control automático de lazo cerrado cuenta con un dispositivo mecánico, neumático o electrónico (sensor) que detecta una magnitud física como la temperatura, el tamaño o la velocidad (variable de proceso), la compara con un valor deseado, y realiza la acción correctiva (algoritmo de control) necesaria para mantener la variable del proceso dentro de los límites deseados mediante el actuador. En la Figura 2 se analiza el termostato doméstico, el cual emplea un bucle de realimentación (flechas rojas) para controlar la temperatura de una habitación. Este compara la temperatura deseada con la temperatura real y envía las instrucciones pertinentes a la caldera. Mediante repeticiones continuas de este bucle de realimentación, se alcanzará y mantendrá la temperatura deseada. Figura 2 - Un termostato doméstico que emplea el principio de retroalimentación. Otro ejemplo de un sistema que emplea el principio de retroalimentación es el control del rumbo de un automóvil. En este caso el objeto de control o “Planta” es el automóvil, ya que contiene la variable (rumbo) que se requiere mantener en un valor deseado. Cuando un humano controla esta planta, necesita ver si está en el rumbo correcto o no. Para esto, utiliza el “sentido de la vista”. Esta información es enviada al “cerebro”, en el que se toma la decisión de corregir el rumbo o mantenerlo; en el caso de corregir el rumbo, evalúa en qué dirección y en qué magnitud. Sin embargo, el cerebro por sí mismo no puede corregir el rumbo. Es así, que ordena a los “músculos de la mano” que muevan el timón para realizar la corrección. Este ciclo se repite varias veces por segundo, lo que asegura que siempre se mantenga el rumbo deseado. En este ejemplo de un sistema de control manual se tendría que reemplazar la interacción del hombre para convertirlo en automático siguiendo las siguientes pautas: Sentido de la vista - Sensor Cerebro - Controlador Músculos de la mano - Actuador La planta, el sensor, el controlador y el actuador son los elementos básicos de todo sistema de control automático. El flujo de información en un lazo cerrado de control, así como la interacción entre todos los elementos del sistema se puede esquematizar mediante el diagrama de bloques que se muestra en la Figura 3. Figura 3 - Diagrama de bloques de un sistema de control. Para el caso del ejemplo anterior (control de rumbo de un automóvil), se quiere mantener el rumbo en una dirección deseada; esta sería nuestra variable de interés o también conocida como variable de proceso (PV, siglas en ingles). Por lo tanto, es necesario “leer” esta variable mediante un sensor y llevar la información del rumbo actual a un “cerebro” o controlador. En este se resta la posición actual (PV) con respecto a la posición deseada o Set Point (SP), lo que permite conocer el error en ese instante. Este error ingresa a un “algoritmo de control”, el cual es un software de computadora que calcula una señal de corrección de rumbo o variable de control (CV). Si el error es cero, el rumbo es correcto y no se envía ninguna señal de corrección. Si el error no es cero, el controlador calcula la magnitud de la variable de control y esta se envía a un actuador. Para este ejemplo el actuador sería los músculos de la mano que sujetan el timón y permiten el cambio de dirección. Como ya se mencionó anteriormente, este ciclo debe repetirse varias veces por segundo para que el automóvil siga en el rumbo correcto. Cabe resaltar que en la industria todo sistema siempre está expuesto a perturbaciones externas (ruido eléctrico o magnético, movimientos bruscos, etc.) que modifiquen el resultado final de la planta, para las cuales el algoritmo de control debe estar preparado. El empleo de la computadora facilita enormemente el uso de lazo de retroalimentación en los procesos de fabricación. En combinación, las computadoras y los lazos de retroalimentación permite el desarrollo de máquinas controladas numéricamente y centros de maquinado (máquinas herramientas que pueden realizar varias operaciones de maquinado diferentes). Además, la aparición de las combinaciones de microprocesadores y computadoras ha hecho posible el desarrollo de la tecnología de diseño y fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM). 3.1. SENSORES Los sensores constituyen el principal medio de comunicación entre las variables de los procesos industriales y los circuitos de control, procesamiento y monitoreo. Estos, son dispositivos que transforman una variable física cualquiera que se encuentra en su entorno (ejemplo temperatura) en una variable física equivalente (ejemplo desplazamiento mecánico), la cual es posible de cuantificar y/o manipular. Por ejemplo, en la siguiente figura se muestran dos tipos de sensores: una fotorresistencia o LDR y un termómetro bimetálico1. 1 Imagen tomada de http://www.sapiensman.com/medicion_de_temperatura/ , 19/08/2015,13:00h Figura 4: Ejemplos de sensores: LDR y termómetro bimetálico. El LDR o fotorresistencia es un sensor de intensidad luminosa (variable física de entrada). Este detecta la intensidad luminosa del ambiente que le rodea y proporciona un valor de resistencia equivalente (variable eléctrica); la cual, dependiendo de la configuración y necesidad, se traduce en corriente eléctrica o en un diferencial de potencial (señal eléctrica). Los termómetros bimetálicos utilizan como sensor una placa bimetálica formada por dos metales con diferente coeficiente de dilatación. La temperatura (variable térmica) genera un desplazamiento de la placa (movimiento mecánico) proporcional a los grados de temperatura detectados; es decir, este tipo de termómetros transforman una señal térmica en un movimiento mecánico proporcional al valor de la temperatura medida. En general, tanto la entrada como la salida de un sensor puede ser una combinación de cualquiera de los seis tipos básicos de variables existentes en la naturaleza: eléctricas, mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas, químicas o moleculares. • Variables eléctricas: tensión o voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia, constante dieléctrica, polarización, campo eléctrico, frecuencia, momento dipolar, etc. • Variable mecánica: Longitud, área, volumen, fuerza, torque, presión, velocidad, aceleración, posición, longitud de onda acústica, intensidad acústica, etc. • Variables térmicas: temperatura, calor, entropía, flujo calórico, etc. • Variables magnéticas: intensidad de campo magnético, densidad de flujo, momento magnético, permeabilidad, etc. • Variables ópticas: intensidad, polarización, fase, reflectancia, transmitancia, índice de refracción, etc. • Variables químicas o moleculares: composición, concentración, potencial redox, rata de reacción, pH, olor, etc. En el presente laboratorio, se estudiarán sensores eléctricos. Estos sensores ofrecen a la salida una señal eléctrica de corriente o de voltaje, la cual está codificada en forma analógica o digital. El término analógico hace referencia a la señal eléctrica como un valor definido y constante en el tiempo (0-5V o 0-20mA para aplicaciones simples). Mientras que, el término digital refiere a una señal eléctrica que envía pulsos de voltaje interpretados como arreglos de “1” y “0” (código binario) por el computador. Este tipo de sensores (sensores eléctricos) son los preferidos en la industria dado que presentan las siguientes ventajas: • La variación de cualquier parámetro no eléctrico (temperatura, presión, peso, etc.) está íntegramente relacionado con la variación de un parámetro eléctrico (resistencia, capacitancia, inductancia, etc.). Esto permite realizar sensores eléctricos prácticamente para cualquier variable, eléctrica o no eléctrica. • Se dispone de una amplia variedad de recursos (filtros, circuitos de linealización, convertidores A/D, etc.) para acondicionar o modificar las señales a necesidades particulares, así como para presentar o registrar la información suministrada. Estos recursos se encuentran dentro de la etapa de acondicionamiento de la señal, lo cual, facilita su uso. La etapa de acondicionamiento de la señal, actualmente, algunos sensores, ya lo incluyen dentro de su empaquetado. • La transmisión de señales eléctricas es más versátil, limpia y segura que la de otros tipos de señales (mecánicas, hidráulicas, neumáticas, etc.). Sin embargo, en algunas situaciones específicas, estas últimas pueden ser más convenientes, por ejemplo en atmósferas altamente explosivas. 3.1.1. Estructura y Principio de Funcionamiento Todo sensor para convertir una variable de entrada a una variable de salida más adecuado para el monitoreo de cada proceso particular, utiliza principios físicos o químicos llamados principios de transducción. Debido al uso de estos principios son también llamados transductores (o transductores de entrada: término menos frecuente). Sin embargo, un sensor puede hacer uso de varios principios de transducción y además, incorporar otras etapas que le permita entregar una señal estandarizada según las condiciones bajo las cuales es requerido su uso. Por ende, cuando en esta guía se refiere a un sensor, se está refiriendo básicamente, a un elemento o dispositivo que usa uno o varios principios de transducción. En la siguiente gráfica se muestra la estructura genérica de un sensor para producir una salida útil en respuesta a la cantidad, propiedad o magnitud física que se desea medir o detectar. Figura 5 - Estructura genérica del principio de funcionamiento de un sensor. Los principios de transducción se clasifican en principios primarios de transducción y principios secundarios de transducción. Los primarios son aquellos que tienen como variable de entrada la señal o variable de interés, mientras que los secundarios, la variable de entrada es la que resulta de la aplicación de un principio primario de transducción. Esta diferencia en los principios de transducción solo se establece cuando un sensor usa dos o más principios para realizar la transducción de la señal de entrada. Si usa un solo principio, a este solo se le denomina únicamente principio de transducción. El sensor electrónico de presión mostrado en la siguiente figura 5, por ejemplo, usa dos principios de transducción, en la figura 6 se muestra el diagrama de bloques de este sensor y a continuación de este, se explica su funcionamiento. Figura 6 - Sensor electrónico de presión2 Figura 7 - Diagrama de bloques del sensor de presión (figura 6) En este caso, la presión asociada con el fluido se traduce inicialmente en un desplazamiento o deflexión proporcional utilizando como transductor primario un diafragma u otro elemento elástico especialmente diseñado para esta función A continuación, esta deflexión es convertida en una señal eléctrica equivalente utilizando como transductor secundario una galga extensiométrica semiconductora u otro tipo de elemento especialmente diseñado para convertir movimiento en electricidad. Por último, la señal eléctrica producida se acondiciona, modifica o procesa mediante circuitos electrónicos adecuados con el fin de obtener la respuesta y las características finales deseadas (en este caso un voltaje entre 0 y 5V proporcional a valores de presión absoluta entre 0 y 6000 psi con una exactitud de ±.0.5%).3 Como se puede observar, para este sensor en particular, el transductor primario convierte la presión en desplazamiento y el transductor secundario, el convierte en voltaje. A continuación del sensor propiamente dicho, viene la etapa de acondicionamiento de la señal eléctrica a formas estandarizadas con la finalidad de adaptar plenamente la señal de salida a las condiciones de trabajo; pero esta etapa no es propia de los sensores sino una etapa adicional que algunos sensores (empaquetados) lo tienen, en otros casos se tiene que adicionar. 2 3 https://sites.google.com/site/654sensoresindustriales/principio-de-funcionamiento https://sites.google.com/site/654sensoresindustriales/principio-de-funcionamiento, 17 agosto 2015 3.1.2. Clasificación de los Sensores Actualmente, dada la cantidad de sensores que existen, es complicado realizar una única clasificación para los sensores; sin embargo, a continuación se presenta las clasificaciones más generales. Figura 8 - Clasificación de los sensores. 3.1.2.1. Clasificación según el principio de funcionamiento Esta clasificación se basa en el uso o no uso de fuentes externas por parte del sensor para realizar la transducción de la señal. De este modo se tiene que los sensores pueden ser pasivos o activos. Sensores pasivos o modulares son aquellos que usan una o más fuentes de energía externa y se emplean principalmente para la medición de señales débiles, entre estos tenemos por ejemplo a los RTD o termoresistencias, a los sensores de presión capacitivos, los LDR o fotoresistencias, etc. Sensores activos o generadores: son aquellos que para realizar el proceso de transducción, no requieren de fuentes auxiliares de energía. Un ejemplo típico de este tipo de sensores son las termocuplas. En la siguiente figura se muestran dos ejemplos de sensores, uno pasivo como es el LDR y el otro activo como la termocupla. Como se observa, en el primer caso, El LDR, depende de una fuente externa (5V) para que realice su función; es por ello que es un sensor pasivo. En cambio, para la termocupla funciona sin necesidad de proporcionarle una fuente de energía externa; es por ello que se le clasifica dentro de los sensores activos. Figura 9: Ejemplos de sensores activo y pasivo. En la siguiente gráfica se muestran algunos tipos de sensores según su principio de funcionamiento. Figura 10 - Tipos de sensores según el tipo de funcionamiento 3.1.2.2. Clasificación según el formato de la señal que generan Los sensores según el tipo de señal de salida que generan pueden ser digitales, analógicos o temporales. A continuación se muestra la clasificación de los sensores según el tipo de señal que entregan. Figura 11 - Clasificación de los sensores según el formato de las señales que generan4 Sensores analógicos: los sensores analógicos entregan como salida un voltaje o una corriente continuamente variable dentro de un rango de medida especificado. Los rangos de voltaje de salida más usuales son: +10V, +5V, ±10V, ±5V y ±1V; los rangos de corriente de salida están más estandarizados, siendo actualmente el más común el de 4 a 20 mA, donde 4mA corresponde a cero de la variable medida y 20 mA a la escala plena (también existen sensores con rangos de salida de 0 a 20mA y de 10 a 50mA). Por ejemplo, en el siguiente gráfico se muestra una termocupla que entrega una señal analógica de voltaje. Figura 12 - Termocupla usada para producir una señal analógica. Sensores digitales: estos sensores entregan como salida un voltaje o corriente variable en forma de saltos o pasos discretos de manera codificada (entregan directamente bytes o 4 Autómatas programables y sistemas de automatización, Enrique Mandado Pérez; Jorge Marcos Acevedo, Celso Fernández Silva, José I. Armesto Quiroga. Segunda edición, septiembre 2009. Pág.437. palabras). Esta característica es muy importante ya que les permite interactuar con un microcontrolador o un computador, como lo harían dos computadores conectados en red. Esta es la característica principal de los denominados sensores inteligentes. A continuación se muestra un sensor de luz digital (Digital Light Sensor) que cuenta las muescas (slots) que tiene un disco giratorio (Rotaring Disc with Slots). En este caso, el disco gira, cuando el sensor detecta un slot, traduce la existencia de este slot en una señal digital (secuencia de ceros y unos) y es la señal que entrega el sensor digital. Esta señal, es entregada a un contador digital que lleva la cuenta de los slot detectados, y para interactuar con el usuario, se muestra la cuenta en un display decimal. Figura 13 - Ejemplo de un sensor de luz usado para producir una señal digital http://www.electronics-tutorials.ws/io/io_1.html, 19/08/2015, 2:000h. En el ejemplo, se tiene un sensor digital que cuenta slots, es decir, algún evento u ocurrencia. Sin embargo, no todos los sensores son para contar, sino también para medir, como es el caso de un termómetro digital. En este caso, la temperatura que mide el termómetro, es una señal analógica, esta señal debe ser convertida a una señal digital. Por ende, dentro del encapsulado del termómetro se debe realizar esa conversión. Es así que, los sensores digitales, que usan principios de transducción analógica, presentan otras etapas adicionales (dentro del encapsulado) a fin de entregar una señal digital. A continuación se muestra las etapas básicas de un sensor digital paralelo con principios de transducción analógico. Figura 14 - Diagrama de bloques de un sensor digital paralelo con principios de transducción que entregan una señal analógica. En el diagrama se observa que la señal de entrada pasa por un transductor analógico, el cual, obviamente entrega una señal analógica. Luego, la señal analógica generada pasa por una etapa de acondicionamiento, etapa que la prepara según los requerimientos de entrada del conversor análogo digital, etapa donde se digitaliza la señal. A la salida del sensor, se tiene varias señales en paralelo que, todas juntas, representan el valor de la temperatura medida. Como la salida es de varias señales en paralelo, se dice que es un sensor digital con salida paralela; esto permite transmitirlo en varios canales de datos. Si se desease un sensor para transmitir la señal por un solo canal, se elige un sensor digital con salida serial. El sensor digital con salida serial, adiciona en su empaque un conversor paralelo/serie, justo después de la salida del sensor paralelo mostrado en el diagrama. Y si se requiere más prestaciones por parte del sensor, estas características las adiciona en su empaque y todo esto constituye un sensor digital. Se debe tener en cuenta que un sensor digital no necesariamente trabaja con señales digitales, pero sí, entrega señales digitales, es decir, la información se encuentra en los “ceros” y “unos” que entrega; es decir, en la presencia (“unos”) o ausencia(“ceros”) de señal que puede indicar presencia o ausencia, o el valor medido de una variable de interés. Sensores temporales: estos sensores proporcionan a su salida señales eléctricas en las que la información está asociada al parámetro tiempo. Las señales eléctricas temporales pueden ser sinusoidales o cuadradas. Estos sensores a su vez, se clasifican según la forma de la señal y el tipo de parámetro que entregan. Por ejemplo, el HC-SR04 es un sensor de distancia por ultrasonido. En términos generales, este sensor mide la distancia a la que se encuentra de un objeto. Este procedimiento lo realiza mediante la emisión de una onda ultrasónica y la detecta por rebote, el tiempo (parámetro de medición) que demora en detectar el rebote de la onda (Echo back), es convertido a distancia mediante una relación matemática y con ello se puede conocer la distancia a la que se encuentra el objeto. Figura 15 - HC-SR04, sensor ultrasonido medidor de distancia. https://www.aimagin.com/hc-sr04-ultrasonic-sensor.html 3.1.2.3. Clasificación según el rango de valores que proporcionan Según el rango de valores que proporcionan, los sensores pueden ser de medida o todo o nada (on-off). Sensores de medida: este tipo de sensores entregan todos los valores posibles dentro de los valores que puede tomar la variable de entrada dentro de un determinado rango. Por ejemplo, algunos sensores de distancia por ultrasonido, los cuales sirven, sobre todo para medir en superficies como cristal, plástico transparente, agua, fibra, espuma, etc, cuentan con un display que muestra la distancia medida y proporciona, como mínimo, una salida analógica de corriente, por lo regular de 4 a 20mA, donde 4mA representa mínimo del rango de medida y 20mA el valor máximo del mismo rango. Sensores todo o nada: llamados también (on-off) debido a que entregan un valor discreto ( “alto” o “bajo”, “cero” o “uno”); es decir, solo presenta dos estados en los que indican si se ha detectado o no la variable de interés (ejemplo, si un fluido rebasa un determinado nivel de referencia). Se pueden usar para detectar por ejemplo, presencia, posición, material, color, marcas, movimiento y presión, pero de manera discreta: existe o no existe. Por ejemplo, en el caso del sensor óptico que sirve para detectar objetos, este emite un haz de luz (diodo emisor de luz) y mientras no exista nada que atraviese el haz de luz, el receptor óptico recibe la señal y entrega un diferencial de voltaje. Cuando algo se interpone entre el sensor y la superficie reflejante, el valor del voltaje a la salida cambia. En este caso, entrega solo dos niveles de voltaje que indican o presencia o ausencia de un objeto. En la siguiente figura se muestra un esquema de este tipo de sensores. Figura 16 - sensores para medir distancia5 y sensor detectar objetos6 3.1.2.4. Clasificación según el nivel de integración Esta clasificación se basa en las etapas que contiene el encapsulado que contiene el sensor o en qué tipo de funciones adicionales puede realizar este. Sensores discretos: son aquellos en donde solo se realiza el proceso de transducción. El acondicionamiento de la señal se realiza en otro encapsulado, el cuál no está integrado al sensor. Sensores integrados: son aquellos que, dentro del encapsulado, tienen también la etapa de acondicionamiento de la señal. Sensores inteligentes7: aquellos que pueden realizar, entre otras funciones, como mínimo una de las siguientes: • • • Indicación del valor de la variable de interés cálculos numéricos comunicación en red 5 http://www.sensores-de-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-TRANSDUCTORES_35/Sensores-dedistancia_36/Sensor-de-distancia-por-ultrasonidos_261/, 19/08/2015, 22:21h. 6 http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/Carreras/electronica/opteca/OPTOPDF3_archivos/UNIDAD3T EMA1.PDF, 19/08/2015, 22:21h. 7 Autómatas programables y sistemas de automatización, Enrique Mandado Pérez; Jorge Marcos Acevedo, Celso Fernández Silva, José I. Armesto Quiroga. Segunda edición, septiembre 2009. Pág.443. • • autocalibración y autodiagnóstico múltiples medidas con identificación del sensor. 3.1.2.5. Clasificación según la variable física medida Esta clasificación se agrupa en función a qué tipo de variable se mide, en este caso existen sensores que miden variables mecánicas, eléctricas, magnéticas, acústicas, químicas, ópticos, radiación. Como ya se mencionó, los sensores preferidos en la industria, son los que ofrecen una señal de salida eléctrica (Voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, etc). 3.1.2.6. Clasificación según la naturaleza de la magnitud o variable medida. Según esta clasificación se tiene, por ejemplo, sensores de temperatura, presión, posición, proximidad, humedad, nivel, flujo, caudal, velocidad, fuerza, vibración, etc. A continuación se muestra una tabla que indica las variables físicas que se pueden medir con sensores basados en distintos principios de funcionamiento. Esto constituye una guía para seleccionar el tipo de sensor adecuado en diferentes aplicaciones. Figura 17 - variable física medida según el principio de funcionamiento de los sensores.8 3.1.3. PRINCIPALES SENSORES EN LA INDUSTRIA A continuación se explica el funcionamiento de los principales sensores utilizados en la industria, en especial de aquellos que se verán en el presente laboratorio. Se revisarán los sensores de proximidad, de presión, de nivel, de temperatura, flujo, así como el acondicionamiento de la señal del sensor. 8 Autómatas programables y sistemas de automatización, Enrique Mandado Pérez; Jorge Marcos Acevedo, Celso Fernández Silva, José I. Armesto Quiroga. Segunda edición, septiembre 2009. Pág.446. 3.1.3.1. Sensores de proximidad Son sensores que detectan la presencia o ausencia de un objeto dentro de un área de influencia sin entrar en contacto físico con él y, entregan como respuesta una señal binaria del tipo todo o nada equivalente a un contacto abierto o cerrado. Los detectores de proximidad electrónicos son ampliamente usados en servomecanismos y sistemas de control de procesos debido a que presentan, entre otras ventajas, las siguientes: • • • • • • • • pueden operar a muy altas velocidades no necesitan estar en contacto físico con el objeto que detectan no tienen piezas móviles no se desgastan pueden trabajar en ambientes hostiles tienen una larga vida útil pueden detectar objetos muy frágiles y delicados son compatibles con PLC, etc. Estos pueden ser usados, por ejemplo, cuando se desea: • Verificar si una determinada parte de una máquina ha alcanzado cierta posición. • Verificar si partes de un proceso de ensamble están correctamente colocados según los procedimientos de ensamble. • Contar el número de objetos que son transferidos a una banda transportadora. • Contar los dientes de un engranaje o medir las revoluciones de un eje para determinar la velocidad rotacional de una máquina o parte de ella. • Determinar la presencia, el tamaño, el color, el contenido, la alineación u otra característica particular de un producto que pasa por un punto de inspección. Figura 18 - sensor de proximidad que cuenta número de objetos9. Los detectores de proximidad más comunes son los de tipo inductivos, capacitivos y ópticos. Sensor inductivo de proximidad: Se utilizan para detectar la presencia de objetos metálicos. Cuando se ubica un objeto metálico dentro del campo magnético del sensor se inducen corrientes eléctricas activando el sensor. Los objetos no metálicos no inducen corriente alguna, es por ello que no son detectados. Un ejemplo de uso sería para detectar si un contenedor tiene una placa metálica de inter. 9 http://www.balluff.com/balluff/MMX/es/news/La-busqueda-del-mejor-sensor-de-proximidad-empiezaaqui.jsp , 20/08/2015, 18:52h. Figura 19 - detector inductivo de proximidad10 Los sensores capacitivos de proximidad: se utilizan tanto para detectar objetos metálicos como no metálicos. Cuando un objeto no metálico entra al campo eléctrico del detector, la capacitancia aumenta mientras que si el objeto es metálico, la capacitancia disminuye. Ambos hacen variar el estado del sensor logrando su activación. La sensibilidad de este tipo de sensor depende del tipo de material a detectar, de la temperatura y la humedad ambientales; por ello deben ajustarse para cada material y situación particular. Este tipo de sensor es empleado, principalmente, para detectar objetos no metálicos, tiene un mayor alcance que los detectores inductivos y funciona a través de paredes. Un ejemplo de uso sería para detectar si un contenedor está lleno. Figura 20 - sensor capacitivo de proximidad11 Sensores ópticos de proximidad: Son dispositivos electrónicos que pueden abrir o cerrar un circuito eléctrico por la acción de un haz de radiación electromagnética visible o no y, un elemento fotosensible. Garantizan una gran inmunidad a otras formas de radiación ambientales, un alto rendimiento luminoso, una alta velocidad de respuesta, la insensibilidad a choques y vibraciones, y una vida útil prácticamente ilimitada. Funcionan según el principio de transmisión y recepción de luz: reflexión difusa, barrera fotoeléctrica de reflexión y barrera fotoeléctrica unidireccional. 10 Imagen del sensor inductivo: http://www.directindustry.es/prod/wenglor-sensoric/product-6132557086.html, 20/08/2015, 2028. Imagen del principio de funcionamiento del sensor inductivo de proximidad: http://agreda-saez.blogspot.com/ entrada publicada lunes 16 de abril del 2012. 11 Imagen completa: http://slideplayer.es/slide/802776/ , diap.23/29, 20/08/2015, 18:47h. Figura 21 - Sensores ópticos de proximidad12 3.1.3.2. Sensores de Presión Estos sensores detectan presión y la convierten inicialmente en movimiento mediante transductores primarios especialmente diseñados y construidos para producir una deflexión proporcional a la presión aplicada. Luego, esta deflexión (movimiento) es convertida en una señal eléctrica equivalente utilizando galgas extensiométricas, potenciómetros u otros tipos de transductores secundarios. De esta manera, la presión se convierte en movimiento y el movimiento en señal eléctrica. En la siguiente figura se muestran algunos elementos mecánicos comúnmente utilizados en los sensores de presión para convertir presión en movimiento. Figura 22 - Configuración típica de transductores primarios utilizados en sensores de presión. 12 Sensor optoelectrónico de barrera fotoeléctrica unidireccional: http://www.balluff.com/balluff/MMX/es/news/La-busqueda-del-mejor-sensor-de-proximidad-empiezaaqui.jsp ; sensor de proximidad cilíndrico con fuente luminosa led: http://www.directindustry.es/prod/monarch-instrument/product-7418-29133.html sensor óptico reflectivo infrarojo: http://electronilab.co/tienda/tcrt5000l-sensor-optico-reflectivoinfrarrojo/ ; Los tubos de Bourdon por ejemplo, son tubos metálicos curvados, abiertos en un extremo y sellados en el otro, con una sección transversal ovalada. El fluido cuya presión se desea medir ingresa por el extremo abierto, anclado mecánicamente. Como resultado, aparece una fuerza en el extremo sellado que causa la deflexión del tubo. Los diafragmas por su parte, utilizan un material flexible plano, con un lado expuesto a la presión del proceso y el otro, a una presión de referencia. El diafragma se dobla hacia el lado de más baja presión. En ambos casos, el movimiento mecánico resultante puede ser transmitido al núcleo de un transformador lineal variable diferencial (LVTD)13 o al cursor de un potenciómetro, para convertirlo a una señal eléctrica. Los sensores de presión pueden ser de varios tipos dependiendo de la tecnología utilizada para convertir la información del transductor primario en una señal eléctrica. Desde este punto de vista, existen transductores potenciométricos, inductivos, capacitivos, piezoeléctricos, de galgas (piezorresistivos), micro mecánicos, etc. Los sensores de presión inductivos utilizan el movimiento del transductor primario para accionar el núcleo de una bobina, o un transformador para variar la inductancia o el acoplamiento inductivo entre el primario y el secundario. En la siguiente figura se muestra como ejemplo la estructura interna de un sensor de presión inductivo que utiliza un LVDT accionado por una cápsula. Figura 23 - Estructura de un sensor de presión inductivo con LVDT. Los sensores de presión capacitivos, como el mostrado en la figura que se muestra a continuación, utilizan un transductor tipo diafragma como una de las placas de un condensador. Al aplicar una presión, el diafragma se deflacta y varía la capacitancia. Este cambio, se aprovecha para controlar la frecuencia de un oscilador o el acoplamiento de una señal AC a través de una red, y transmitirse en forma de una señal eléctrica. 13 Un transductor LVTD convierte el desplazamiento en un cambio de tensión alterna. Esto se da debido a la alteración de las líneas de campo magnético entre dos o más enrollamientos que produce el desplazamiento. Figura 24 - Estructura de un sensor de presión capacitivo. Los sensores de presión piezoeléctricos, como el mostrado en la figura a continuación, utilizan una lámina metalizada de cuarzo o material cerámico, para convertir la fuerza transmitida por un diafragma en una señal eléctrica periódica, generalmente una onda seno o un tren de pulsos. En este caso, las cargas del sensor piezoeléctrico tienen una carga uniforme en ausencia de presión (1), cuando actúa la presión, las cargas se desplazan espacialmente (2) generando esto, una tensión eléctrica. Se emplean principalmente para medir presiones variables, y se caracterizan por su excelente estabilidad térmica. Figura 25 - sensor de presión piezoeléctrico.14 Los sensores de presión de galga extensiométrica utilizan un diafragma que se deflacta proporcionalmente a la presión aplicada y una galga o puente de galgas adheridas a él, varían su resistencia de acuerdo a la magnitud de la fuerza resultante. Tanto el diafragma como las galgas pueden ser de material metálico o semiconductor, siendo esta última la opción más utilizada en la actualidad. Estas galgas, que son mucho más sensibles que las metálicas, se denominan piezorresistores y constituyen el núcleo de los sensores de presión piezorresistivos modernos. El efecto piezorresistivo es el principio de transducción de presión estándar adoptado por la industria semiconductora. Típicamente hay cuatro piezorresistores dentro del área del diafragma de un sensor piezorresistivo, y los mismos están interconectados formando un puente de Wheatstone, con dos de ellos sometidos a tensión tangencial y los otros dos a tensión radial. 14 http://www.aficionadosalamecanica.net/sensores4.htm , 21/08/2014: 12h. Los sensores de presión micromecanizados como el mostrado en la siguiente figura, consisten básicamente de una delgada estructura tipo puente de galgas, aislada térmicamente y suspendida sobre una cavidad hecha en el silicio a través de la cual pasa el fluido. Se utilizan para mediciones de baja presión en aplicaciones donde puede tolerarse un pequeño flujo a través del elemento, por ejemplo, sistema HVAC o de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Figura 26 - Sensor de presión micromecanizado. También se dispone de interruptores de presión, los cuales permutan el estado de uno o más contactos cuando la presión medida alcanza un nivel predeterminado o Set Point. Este cambio de estado puede ser utilizado, por ejemplo, para señalizar un circuito lógico, un microcontrolador, un PLC, etc. o para energizar directamente un actuador, digamos una electroválvula, una bomba de vaciado, un compresor, etc. Los sensores explicados forman parte de los bloques funcionales de un sensor, dado que actualmente la tendencia es hacia sensores con mayor nivel de integración, es decir, los sensores de presión inteligentes15. 3.1.3.3. Sensores de nivel Los sensores de nivel detectan o miden nivel; es decir, la altura a la cual un material llena un tanque, una tolva, un silo, un bolsillo, una bodega, u otro tipo de contenedor. El material puede ser un líquido o un producto sólido en forma de polvo, granos, hojuelas, etc. En la siguiente figura se muestran algunos ejemplos de transductores de nivel. 15 Vistos en el tema de clasificación de los sensores por nivel de integración Figura 27 - Tipos de sensores de nivel. El nivel se mide localizando la frontera entre dos medios, por ejemplo, un líquido o un polvo en contacto con el aire en un tanque abierto, o una capa de aceite flotando sobre agua. Esta medición puede hacerse por métodos directos, por ejemplo, utilizando un flotador; o por métodos indirectos (ejemplo, midiendo la presión en el fondo de un tanque). En la siguiente figura, se muestra un ejemplo sobre la medición del nivel entre columnas de agua y aceite empleando un sensor capacitivo (la emulsión sirve como capa fronteriza entre ambos fluidos). Figura 28 - medición de nivel mediante un sensor capacitivo de nivel. Los métodos directos son generalmente, invasivos; es decir, implican un contacto directo del sensor con el material a medir; mientras que los métodos indirectos son típicamente, no invasivos. Estos últimos son los preferidos cuando se trabaja con materiales corrosivos, peligrosos o sometidos a altas temperaturas o altas presiones. Actualmente se dispone de una gran variedad de tecnologías de sensores que miden y detectan nivel puntual o continuo de manera directa o indirecta y, permiten la implementación de sistemas de control automático. Los más comunes son los basados en flotadores y efectos vibratorios, de desplazamiento, conductivos, ópticos, capacitivos y ultrasónicos; así como los basados en la medición de presión, peso, temperatura y otras variables indirectas. 3.1.3.4. Sensores de temperatura La temperatura es una variable crítica utilizada para controlar la calidad de los productos en muchos procesos industriales. Estos requieren un control preciso para obtener productos de calidad o prevenir sobrecalentamientos, rupturas, explosiones y otros tipos de problemas. Por ejemplo, las temperaturas elevadas son necesarias para ablandar metales y fundir plásticos antes de ser moldeados en formas específicas. Asimismo, las bajas temperaturas son necesarias para conservar los productos perecederos en una industria procesadora de alimentos. En el mercado existen diferentes tipos de sensores de temperatura, como son los sensores bimetálicos, termo-resistivos, termoeléctricos, monolíticos, piro-eléctricos. En la presente guía explicaremos brevemente el principio de funcionamiento de las termocuplas y de los RTD. Termocuplas o termopares: Son transductores de temperatura constituidos por dos alambres conductores hechos de metales diferentes y soldados por uno de sus extremos formando una unión (figura siguiente). Al calentar esta última (unión de medida) se produce en el otro extremo de la termocupla (unión fría) un voltaje proporcional a la diferencia de temperaturas entre las uniones. La unión fría debe estar a una temperatura de referencia, generalmente 0°C. Este efecto se conoce como efecto termoeléctrico o Seebeck. . Figura 29 - Esquema de una termocupla industrial. Los elementos de los termopares se fabrican a base de metales y aleaciones metálicas especiales, como platino, hierro, cobre, rodio, renio, tungsteno, cromel (90% Ni, 10% Cr), constantán (57% Cu, 43% Ni), alumenl (94% Ni, 2% Al, 3% Mn, 1% Si), nicrosil (Ni-CrSi), nisil (Ni-Si-Mg), etc. Los mismos están protegidos mediante una funda o cubierta metálica, generalmente de acero inoxidable, cuyo espesor determina la velocidad de respuesta y la robustez de la sonda Detectores de Temperatura Resistivos (RTD): Son dispositivos basados en la variación normal que experimenta la resistencia de un conductor metálico puro con la temperatura, como resultado del cambio de su resistividad y sus dimensiones. Esta variación es directa; es decir, si la temperatura aumenta o disminuye, la resistencia también aumenta o disminuye en la misma proporción. Todos los metales puros exhiben este comportamiento; sin embargo, no existen dos metales con el mismo coeficiente de temperatura. Por tanto, una vez conocidas las propiedades de un metal, puede ser establecida una curva de Resistencia vs. Temperatura única para él. 3.1.3.5. Sensores de flujo Los sensores de flujo detectan y miden la transferencia de materiales de un sitio a otro a través de tuberías, mangueras, canales, bandas transportadoras, conductos abiertos y cerrados, etc. Este tipo de sensores, comúnmente se denominan caudalímetros o flujometros y pueden ser electromagnéticos, de presión diferencial y de área variable o rotámetro. Caudalímetros electromagnéticos: La ley de Faraday establece que la tensión inducida através de cualquier conductor que se mueve dentro de un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor (ver figura siguiente). Este principio es el usado por los medidores de caudal magnéticos: el conductor es el líquido y la tensión generada en el conductor, es captada por dos electrodos rasantes en la superficie interior del tubo. Este tipo de sensores se utilizan generalmente con fluidos difíciles y corrosivos, así como con emulsiones, ácidos, aguas residuales, detergentes, comidas líquidas, etc. Figura 30 - Principio de funcionamiento del caudalímetro o flujómetro electromagnético. Caudalímetros de presión diferencial: estos se utilizan para medir el flujo de fluidos a través de tuberías. En la siguiente figura se muestra un caudalímetro de obstrucción o presión diferencial. En este caso, en la tubería se interpone una placa con un orificio de tamaño y forma específica cuya función es la reducir el área a través de la cual circula el líquido para cambiar su velocidad y crear así una diferencia de presión a ambos lados de la placa. Esta presión puede ser medida con un sensor de presión diferencial y usada para calcular la velocidad del fluido, y la velocidad es multiplicada por el área de la sección de tubería y por un factor de corrección obteniéndose así el caudal volumétrico. Figura 31 - Caudalímetro de obstrucción o presión diferencial. Caudalímetro de área variable o rotámetro: este tipo de sensores consisten en un tubo cónico provisto en su interior de un pistón el cual es arrastrado por el fluido, en el cual se mantiene constante la diferencia de presión a ambos lados del pistón y se varía la sección de paso del fluido. La posición del pistón puede ser leída con sensores ópticos o magnéticos. En la figura siguiente se muestra el principio de funcionamiento de un rotámetro. Figura 32 - Principio de funcionamiento de un rotámetro. 3.1.4. Acondicionamiento de Señal Por ejemplo, el LDR es simplemente una resistencia (variable eléctrica) que varía en función a la intensidad luminosa (variable medida). Si este se desea usar para prender un led. La señal que entrega, debe pasar por una etapa de acondicionamiento de tal forma que permita realizar el control del encendido y apagado del led. Sin embargo, el sensor electrónico de presión explicado anteriormente ya cuenta con una etapa de acondicionamiento de la señal. Esta última etapa entrega un voltaje entre 0 y 5V donde 0V representa 0psi (nivel más bajo de la presión medida) y 5V, 6000 psi (nivel más alto de la presión medida) con una exactitud de ±.0.5%. Esta señal, dependiendo del uso que se le quiera dar, podría ser usada directamente sin mayor tratamiento. Eso depende de las características de la señal de entrada que requiera el controlador. En general, los acondicionadores de señal son elementos de un sistema de control que ofrecen, a partir de una señal de salida del sensor electrónico, una señal apta para ser presentada, registrada o procesada mediante un equipo o instrumento estándar, los cuales son generalmente un sistema de adquisición de datos, un controlador lógico programable o una computadora. Estos, generalmente están conformados por circuitos electrónicos que realizan funciones específicas y generales tales como compensación, amplificación, filtrado, adaptación de impedancias, modulación, demodulación, aislamiento, multiplexación, etc. En los sensores integrados y en los inteligentes, esta etapa ya viene incorporada dentro del encapsulado; en los sensores discretos, se debe agregar a la salida con la finalidad de acondicionar la señal para poder procesarla de manera exacta y confiable. 3.2. Actuadores Los actuadores o accionamientos son una parte muy importante en los sistemas de control industriales puesto que son los encargados de: 1) Regular finalmente la potencia de la planta o proceso. 2) Amplificar las señales de mando de la misma. Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre un proceso automatizado. Este recibe la orden de un regulador o controlador y en función a ella, genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula. Según el tipo de energía empleada, los actuadores pueden ser básicamente de tres tipos: neumáticos, hidráulicos, eléctricos. Figura 31 - Tipos de actuadores según la fuente de energía que transforman.16 3.2.1. Actuadores Neumáticos Son elementos que transforman la energía del aire comprimido u otro tipo de gas en trabajo mecánico de movimiento circular o movimiento rectilíneo. Estos se clasifican en dos grandes grupos: Actuadores lineales o de rotación. Generalmente trabajan con aire a presión entre 5 y 10 bar. Como ejemplos de actuadores neumáticos se tiene: • • • • • 16 Cilindro neumático de simple y doble efecto. Motor neumático Ventosas Válvulas y servo-válvulas. Motor rotatorio con pistón http://4.bp.blogspot.com/q9c7DFA7Zn4/TjlEYvm3lmI/AAAAAAAAANE/s5OtTWmsb_Q/s1600/actuadores.jpg 24/08/2015, 12:00h 3.2.1.1. Cilíndricos Neumáticos Los cilindros neumáticos de acuerdo a cómo realizan su función se clasifican en de simple efecto y doble efecto. Cilindro neumático de simple efecto, estos desarrollan un trabajo en un solo sentido y pueden ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”. En este caso, conforme se observa en la figura 32, el vástago se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Figura 332 - Cilindro de simple efecto17. Cilindro neumático de doble efecto, este desarrolla un trabajo en ambos sentidos. El campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple efecto, incluso cuando no es necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Esto se debe a que asegura el posicionamiento ya que, por norma general (en función del tipo de válvula empleada para el control), los cilindros de doble efecto siempre contienen aire en una de sus dos cámaras. Figura 34 - Cilindro de doble efecto18. 17 http://www.portaleso.com/usuarios/Toni/web_neumatica/imagenes/cilindro_simpleefecto_muelle.jpg 24/08/2015, 15:00h 18 http://www.portaleso.com/usuarios/Toni/web_neumatica/imagenes/cilindro_dobleefecto.jpg 24/08/2015, 15:00h. 3.2.1.2. Motores Neumáticos Son los encargados de transformar la energía neumática en energía mecánica de rotación. En función a cómo realizan el giro se tienen: actuadores de giro limitado, actuador de piñón cremallera, motores de aleta rotativa. Actuadores de accionamiento limitado: Son aquellos que proporcionan movimiento de giro pero no llegan a producir una revolución. En el actuador de accionamiento limitado, el aire a presión acciona una aleta oscilante. El movimiento de la aleta oscilante se transmite directamente al árbol de accionamiento. Se pueden obtener ángulos de giro de 0 a 270°. Figura 35- Actuador de paletas o de giro limitado19. Actuador Piñón Cremallera: Es una cremallera que acciona un piñón y transforma el movimiento lineal en un movimiento giratorio. Al recibir el aire por una de las entradas este posee un vástago el cual es impulsado hacia uno de los lados generando el movimiento lineal. 19 http://industrial-automatica.blogspot.com/2010/09/elementos-de-fuerza-cilindros-y-motores.html , 24/08/2015, 15:00h. Figura 36 - Actuador Piñón - cremallera20. Motores de paleta rotativa: en este tipo de motores, entra el aire a presión en uno de los compartimientos y se sale por otro, donde tiende a girar a un sentido. Figura 37 - Motor de paletas21. 3.2.2. Actuadores Hidráulicos Los actuadores hidráulicos transforman la energía potencial almacenada en un aceite comprimido u otro líquido en energía mecánica. Estos son similares a los actuadores neumáticos, sin embargo, dado a las presiones con las que trabajan (neumáticos, entre 5 y 10 bar e hidráulicos, entre 50 y 100 bar) los hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia y los neumáticos para simples posicionamientos. Además, los hidráulicos requieren mucho más equipo para el suministro 20 http://3.bp.blogspot.com/9lbPxrILhWU/T9AtNlDwoSI/AAAAAAAAAss/ZWm_Q5wkXBE/s1600/actuador+giratorio+2.png , 24/08/2015, 15:00h. 21 http://www.portaleso.com/usuarios/Toni/web_neumatica/imagenes/motor_paletas.jpg . 24/08/2015, 15:05h. de energía y de mantenimiento más frecuente que los neumáticos. Se clasifican en dos grandes grupos: cilindros hidráulicos y motores hidráulicos. 3.2.2.1. Cilindro Hidráulico De acuerdo con su función se clasifican como de simple efecto, doble efecto, presión dinámica y telescópico. Cilindro de efecto doble: La carga puede colocarse en cualquiera de los lados del cilindro. Se genera un impulso horizontal debido a la diferencia de presión entre los extremos del pistón. Figura 38 - Diagrama de presión de cilindro de doble efecto. 3.2.2.2. Motor Hidráulico En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores se clasifican en dos grandes grupos: motor con pistón eje inclinado, motor oscilante con pistón axial. El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranajes son accionados directamente por aceite a presión y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor. Este último, tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. Como ejemplos de motores hidráulicos se tiene: • • • • Tipo oscilante Motor con eje inclinado. Motor oscilante con pistón axial Motor hidráulico Motor de leva excéntrica Motor de engranaje Figura 39- Motor hidráulico.22 _______________________________________________________________________________ 22 http://www.hydraulicmotor.es/1-hydraulic-motor/1-2-1b.jpg24/08/2015, 15:00h. Motor con pistón eje inclinado: El aceite a presión que fluye desde la entrada empuja el pistón contra la brida y la fuerza resultante en la dirección radial hace que el eje y el bloque del cilindro giren en la dirección de la flecha. Este tipo de motor es muy conveniente para usos a alta presión y a alta velocidad. Es posible modificar su capacidad al cambiar el ángulo de inclinación del eje. Figura 40 - Motor hidráulico con eje inclinado. 23 Motor oscilante con pistón axial: Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise. Figura 41 - Motor hidráulico con pistón axial. 24 ____________________________________________________________________________ 23 http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/motor-hidraulico-piston-axial-cilindrada-fija13611-4038554.jpg. 24/08/2015, 15:05h. 24 http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/motor-hidraulico-piston-axial-cilindrada-fija13611-4038554.jpg. 24/08/2015, 15:05h. 3.2.3. Actuadores Eléctricos: La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que solo requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entre la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y son fáciles de usar con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. Los actuadores eléctricos más utilizados son los motores debido a que presentan varias ventajas, entre ellas, las siguientes: • • • • No necesitan de instalación neumática. Mínimo consumo eléctrico. Menores costos de instalación y mantenimiento. No necesitan convertidor ya que trabajan directamente con señales eléctricas. Y entre las desventajas se encuentra las siguientes: • • • • • Su elevado precio. Necesitan de protección eléctrica. Riesgo a explosión. Menor potencia específica. Son más lentos que los neumáticos. A continuación se explican las principales clases de motores y su uso industrial. 3.2.3.1. Servomotores Este término se emplea para definir cualquier tipo de motor que utilice una señal de realimentación brindada por un sensor para monitorear su velocidad o posición. Los servomotores pueden ser AC o DC, operan con bajos niveles de potencia y están especialmente diseñados para proporcionar el gobierno preciso de la posición o la velocidad de objetos en sistemas de control de movimiento. Los servomotores DC operan en forma similar a los motores DC de excitación independiente convencionales, excepto que sus características constructivas, principalmente la forma del rotor. Estos son ligeramente diferentes con el fin de obtener un comportamiento dinámico rápido y estable, así como un par de arranque importante. Pueden ser de rotor bobinado, de bobina móvil, o sin escobillas. Figura 421 – Ejmplos de Servomotores 3.2.3.2. Fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico) Las características de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos han hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales. Entre estos se tiene a los motores de corriente continua (DC), motores paso a paso, motores de corriente alterna (AC), motores aíncronos y motores síncronos. Motores de corriente continua (DC): Están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido. Las velocidades de rotación que se consiguen con estos motores son del orden de 1000 a 3000 rpm con un comportamiento muy lineal y bajas constantes de tiempo. Motores paso a paso: Son dispositivos que convierten comandos digitales en movimientos incrementales de exactitud conocida, es decir se mueven en pasos discretos. Puesto que la marcha a pasos (stepping) ocurre en estricta concordancia con los comandos digitales de entrada proporcionados, la posición final del eje es muy precisa y siempre la misma para el mismo comando digital. Figura 432 - Motor hidráulico con pistón axial. Motores de corriente alterna (AC): La construcción de los motores síncronos sin escobillas. El uso de convertidores estáticos que permiten variar la frecuencia el empleo de la microelectrónica, que permite una gran capacidad de control. Motores asíncronos: Son probablemente los más sencillos y robustos de los motores eléctricos. Motores síncronos: Opera exactamente a la misma velocidad que le campo del estator, sin deslizamiento. En los motores síncronos la velocidad de giro depende únicamente de la frecuencia de la tensión que alimenta el inducido. 3.2.4. Ventajas y desventajas según el tipo de actuador A continuación se muestra las ventajas y desventajas de los actuadores según el tipo de energía que transforman. Tabla 125: Ventajas y desventajas de los actuadores según el tipo de energía que transforman Dadas las ventajas y sus aplicaciones en la industria, los actuadores más usuales son los siguientes: • Cilindros neumáticos e hidráulicos. Realizan movimientos lineales. • Motores (actuadores de giro) neumáticos e hidráulicos. Realizan movimientos de giro por medio de energía hidráulica o neumática. • Válvulas. Las hay de mando directo, motorizadas, electroneumáticas, etc. Se emplean para regular el caudal de gases y líquidos. • Resistencias calefactoras. Se emplean para calentar. • Motores eléctricos. Los más usados son de inducción, de continua, sin escobillas y paso a paso. • Bombas, compresores y ventiladores. Movidos generalmente por motores eléctricos de inducción. 3.3. CONTROLADORES Son dispositivos electrónicos inteligentes, los cuales reciben los datos de entrada captados por los sensores, los procesan dependiendo de los algoritmos previamente implementados (desde la fábrica o por el usuario) y entregan datos de respuesta que luego, son ejecutados por los actuadores. Principalmente se puede mencionar cuatro tipos de controladores: Autómatas o PLC, microcontroladores, control por computadora, controladores PID. Autómatas o PLC: Los controladores lógicos programables (PLC por sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos de procesamiento que poseen entradas y salidas de diferentes tipos de señales. Su funcionamiento depende de un programa previamente introducido por el usuario (programable), este programa tiene una determinada secuencia la cual se ejecuta en forma completamente automática. Este tipo de controlador se caracteriza por ser robusto y confiable para labores industriales. http://www.electricistas.cl/articulo8.html Microcontroladores: Son circuitos integrados programables, que ejecutan órdenes previamente grabadas en su memoria por el programador. Este dispositivo generalmente operan con voltajes de 0 a 5 voltios (entrada y salida) por tanto para labores industriales requiere de hardware adicional (electrónica de potencia). Una de las principales ventajas de usar este tipo de controladores es que permite gran flexibilidad de integración softwarehardware, sin embargo, su uso está orientado a desarrolladores de nuevos productos o máquinas debido a que es complejo de programar. http://www.protostack.com/microcontrollers Control por computadora: Generalmente se usan dispositivos dedicados como PLCs para la labor industrial; sin embargo, el uso de las computadoras también está incluido en el control y supervisión de procesos y maquinaria industrial. Con ellos se puede obtener información más completa y detallada sobre determinados procesos y a la vez ejecutar mediante software especializado, labores automáticas que prescinden de la intervención del hombre para su ejecución. Controladores PID: Los controladores que implementan algoritmos PID son los más usados en el mundo para controlar procesos industriales. Estos dispositivos llevan a cabo una acción de corrección PID (Proporcional, Integral y Derivativa), el cual es un algoritmo matemático que se aplica sobre el error del proceso. Este error se define como la diferencia entre la variable medida y el valor deseado, el cual, a través de una acción correctiva proporcional al error (proporcional), considerando la magnitud del error en el tiempo (integral) y su variación (derivativo) se pretende minimizarlo. El resultado obtenido es la señal que se introducirá al actuador para obtener una respuesta lo más rápida posible que compense posibles perturbaciones externas. https://www.thorlabs.com/tutorials.cfm?tabID=5dfca308-d07e-46c9-baa0-4defc5c40c3e 4. DIAGRAMAS P&ID Los Diagramas de Instrumentación y Tuberías (P&ID) son diagramas de bloque que emplean la simbología ISA y se encuentran en un sistema de control. Estos diagramas son una descripción gráfica de un proceso industrial que muestra una vista general de los instrumentos empleados (sensores, actuadores, controladores y elementos auxiliares) en un formato estándar. Y en cada diagrama está identificado cada uno instrumentos, su función y su relación con los otros componentes del proceso. 4.1. SIMBOLOGÍA El símbolo ordinario para presentar un instrumento es un círculo que contiene líneas, letras y números, los cuales identifican la localización del instrumento, su función en el proceso y especifican si el instrumento es empleado para indicar, medir, almacenar o controlar una variable. En un diagrama P&ID, el círculo se emplea para instrumentos autónomos; un círculo encerrado por un cuadrado indica un instrumento que posee un display o un control compartido; un hexágono denota funciones de computadora y; un cuadrado con un rombo interno, identifica controladores lógicos programables. Un instrumento multifunción deberá simbolizarse por tantos círculos como variables de medida, salidas y/o funciones tenga. Mientras que, las líneas internas se emplean para informar cómo están montados los instrumentos: línea continua, para montaje en panel; doble línea, para montaje en localidad auxiliar; línea de trazos, para montaje atrás del panel y; ausencia de línea, para montaje en campo. En la Tabla 2 se ve una descripción de los posibles elementos que se encuentran en un diagrama P&ID. Tabla 2 – Representación de elementos en un diagrama P&ID Montado en Tablero Normalmente accesible al operador Montado en Campo Ubicación Auxiliar. Normalmente accesible al operador. Ubicación parte posterior del panel no accesible al operador Instrumento discreto o Aislado Display compartido, Control compartido. Función de Computadora Control Lógico Programable En el interior del símbolo se presenta una etiqueta alfanumérica o código de identificación de instrumentos. Esta etiqueta contiene dos tipos de identificadores: el de la función del instrumento y el del lazo de control en el que el instrumento encuentra (Figura siguiente). Figura 44: Ubicación de los dos tipos de identificadores en un instrumento. Como se mencionó anteriormente un lazo de instrumentación y control está conformado por una combinación de instrumentos dispuestos para medir y controlar una variable de proceso. Por lo que cada lazo debe estar identificado por un número y además cada instrumento en el lazo debe tener asignado el mismo número del lazo en la identificación de lazo. La identificación funcional de un instrumento consiste caracteres alfabéticos. La primera letra indica la variable medida y las siguientes (una o más letras) describen la función secundaria y principal (en ese orden) que cumple en el lazo de control. Cuando la función secundaria no es necesaria se puede omitir. La Tabla 3 muestra las diferentes letras que se utilizan para clasificar los instrumentos del identificador funcional. Tabla 3 - Codificación ISA empleada para la identificación de instrumentos 1° Letra Letra Letras sucesivas Variable Medida A Análisis B Combustión C Conductividad, concentración D Densidad, Peso especifico E Voltaje F Flujo G Calibre H Manual I Corriente Eléctrica J Potencia K Tiempo L Nivel M Humedad Función de lectura pasiva Función de Salida Letra de Modificación Alarma Regulación (ON-OFF) Control Sensor Vidrio Alarma de alta Indicación (indicador) Estación de Control Luz Piloto Alarma de baja Medio o intermedio N Libre a elección O Orificio P Presión o vacío Q Cantidad R Radiactividad S Velocidad o frecuencia Interruptor T Temperatura Transmisor U Multivariable V Viscosidad W Peso o Fuerza Vaina X Libre a elección Libre a elección Y Evento, Estado, Presencia Relé, Computadora Z Posición Actuador, Manejador Punto de prueba o conexión Registro Multifunción Multifunción Multifunción Válvula Libre a elección Libre a elección Además, se sugieren las siguientes abreviaturas para representar el tipo de alimentación (o bien de purga de fluidos): AS Alimentación de aire. ES Alimentación eléctrica. GS Alimentación de gas. HS Alimentación hidráulica. NS Alimentación de nitrógeno. SS Alimentación de vapor. WS Alimentación de agua. Con estos datos presentes se pueden describir los ejemplos de la Tabla 3. Tabla 3: Ejemplo de simbología de instrumentos en un lazo de control. Instrumento localizado en el campo Variable Medida : Flujo (F) Función Secundaria : Registrador (R) Función Principal : Controlador (C) Lazo de Control : 105 Instrumento localizado en el panel Variable Medida : Presión (P) Función Secundaria : Indicador (I) Función Principal : Transmisor (T) Lazo de Control : 101 Para conocer cómo se interconectan los elementos así como las tuberías dentro del lazo de control, se utilizan distintas líneas de conexión. Las líneas pueden indicar diferentes tipos de señales tales como neumáticas, eléctricas, ópticas, señales digitales, ondas de radio etc., tal como se muestra en Tabla 4. Tabla 4: Tipos de líneas utilizadas para expresar conexión entre instrumentos y tuberías. Conexión al proceso, enlace mecánico, o alimentación de instrumentos. Señal indefinida ó E.U. Señal Eléctrica Internacional Señal Hidráulica Señal Neumática Señal electromagnética o sónica (guiada) Tubo capilar Enlace de sistema interno (software o enlace de información) Enlace mecánico En el control de procesos industriales, los actuadores, por lo general, recaen en tres tipos distintos: válvulas regulables de control, motores y pistones (neumáticos o hidráulicos). Debido a la gran variedad de estos elementos en el mercado, se han desarrollado una gran cantidad de símbolos que permiten identificarlos con precisión. En el caso de las válvulas regulables, podemos distinguir dos componentes: la válvula propiamente dicha, que interrumpe o permite el flujo; y el actuador, que acciona la válvula. Este actuador puede ser neumático, hidráulico o eléctrico. Los actuadores más comunes utilizados en la industria son los diafragmas con muelle y los motores rotativos. Para válvulas “todo o nada” se utilizan solenoides y en ese caso, reciben el nombre de “electroválvulas”. Los símbolos utilizados para representar las válvulas y sus actuadores se muestran en las Tablas 5 y 6 respectivamente. Tabla 5: Símbolos utilizados para representar distintos tipos de válvulas de control. Compuerta Ángulo Tres vías Mariposa Bola Globo Diafragma Cuatro vías Tabla 6: Símbolos utilizados para representar actuadores de válvulas. Posicionador neumático Diafragma con muelle Cilindros: Motor rotativo Simple efecto Doble efecto Para Válvula de alivio o de seguridad Solenoide Un actuador se encuentra en fallo cuando no tiene alimentación para mover la válvula. Por ejemplo, un motor rotativo que no está conectado a una fuente de alimentación, por más que se indique abrir o cerrar la válvula, no funcionará. Los símbolos utilizados para representar la condición de fallo se muestra en la Tabla 7. Tabla 7: Símbolos utilizados para representar la condición de fallo de los actuadores. Abre en fallo Cierra en fallo Abre en fallo a vía A-C Abre en fallo a vías A-C y D-B Se bloquea en fallo Posición indeterminada en fallo Los accesorios más utilizados para la conversión de un tipo de señal en otra (transductores) pueden representarse de la siguiente forma: En el cual “I” (input) y “O” (output) pueden codificarse con las siguientes letras: I = Corriente, E = Voltaje, P = Presión de aire, H = Hidráulico, F = Frecuencia Este símbolo se coloca cerca de la esquina superior derecha del símbolo ISA que representa el instrumento. A continuación, para aclarar el uso de la simbología ISA analizaremos un lazo de control. 4.2. LECTURA DE UN LAZO SIMPLE DE CONTROL En la Figura 21 se muestra el uso de la simbología ISA en la descripción de un lazo de control. Con observar el diagrama de instrumentación y tuberías (P&ID) se puede obtener información de cualquier sistema. Para este ejemplo observamos la primera letra identificadora en todos los instrumentos: L (nivel). Con ello, se determina que el propósito primario para este lazo es la medición y control de nivel de un tanque. Los instrumentos en el lazo incluyen un sensor de nivel (LE), un transmisor indicador de nivel (LIT), un controlador indicador de nivel (LIC) y un elemento final de control (válvula de control LV). Como elemento accesorio se tiene un transductor o conversor de corriente a presión I/P (LY). Figura 45: Ejemplo de un lazo de control empleando un diagrama P&ID. Al observar el símbolo del sensor y del transmisor se concluye que están montados en campo, debido a que no hay una línea dentro del círculo. La línea dentro del círculo del controlador indica que el instrumento puede ser accedido por el operador en la sala de control. La línea punteada dentro del círculo del conversor I/P indica que está montado en una posición fuera del alcance del operario. La simbología de las líneas indica que la señal que ingresa al sensor es de tipo electromagnética y la señal que sale del mismo, es de tipo eléctrica. Asimismo, la señal enviada del transmisor hacia el controlador es de tipo eléctrica. La señal que sale del controlador es enviada al conversor I/P que convierte la señal eléctrica en una señal neumática. La señal neumática posiciona la válvula de compuerta con posicionador neumático y cerrada en fallo (LV) de acuerdo con la señal de salida que recibió del controlador. REFERENCIAS http://cursos.aiu.edu/sistemas%20hidraulicas%20y%20neumaticos/pdf/tema%204.pdf Separatas de Oleohidráulica, curso para mecánicos –Benjamin barriga 2010 http://www.hydraulicmotor.es/big_img.html?etw_path=http://www.hydraulicmotor.es/1-12-spool-valve-motor.html&big_etw_img=1-hydraulic-motor/1-2-1b.jpg http://img.directindustry.com/images_di/photo-g/axial-piston-hydraulic-motor-fixeddisplacement-13611-4038554.jpg http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/motor-hidraulico-piston-axial-cilindradavariable-13611-4038706.jpg