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Capítulo 1

Automatismos mecánicos, eléctricos, hidráulicos y neumáticos

1. Introducción

Hoy en día, la destreza manual del hombre en los procesos industriales ha quedado relegada a un segundo papel. También ha cambiado la concepción tradicional de las máquinas y los procesos industriales debido al adelanto tecnológico. Actualmente, además de tecnología estrictamente mecánica, se incluye tecnología electrónica, eléctrica, hidráulica, neumática, etc.

La automatización es el uso de un sistema de control formado por sensores, aparatos de control, equipos de transmisión y aplicaciones informáticas que permiten verificar las operaciones industriales reduciendo el esfuerzo del ser humano.

En la industria actual, el vertiginoso desarrollo de las tecnologías, el incremento de producción de los bienes de consumo, el aumento de los estándares de calidad y la exigencia por parte de los mercados, unidos al incremento del valor de la mano de obra, han repercutido en la concepción de una industria cada vez más automatizada.

La inmensa mayoría de los procesos industriales son susceptibles de automatizar.

2. Identificación de automatismos

A continuación se van a describir con detalle los significados de automatismo, automatizar y automatización. Además se mostrarán los elementos de una instalación automatizada, concretando los automatismos semiautomáticos y automáticos.

2.1. Automatismos, automatizar y automatización industrial

Los automatismos son máquinas o dispositivos capaces de funcionar de forma autónoma, eliminándose por tanto, parcial o totalmente, la acción humana.

La automatización industrial es la utilización de técnicas y dispositivos para controlar procesos industriales de forma que reduzca la interacción humana al tiempo que son capaces de repetir ciclos indefinidamente. Esencialmente se incluyen sensores, transmisores, sistemas de control y aplicaciones software.

Ejemplo de automatización industrial

2.2. Elementos de una instalación automatizada

Una instalación que haya sido automatizada se compone, como mínimo, de las siguientes partes:

1 Máquinas: son los dispositivos que se pretende controlar o gobernar.

2 Accionadores: son dispositivos que actúan sobre las máquinas para gobernarlas físicamente. Pueden ser de tipo mecánico, eléctrico o electromecánico, neumático, hidráulico o electrónico.

3 Captadores: son los sensores y transmisores encargados de recoger las señales necesarias para conocer el estado del proceso, para luego enviarlas a la unidad de control.

4 Unidad de control: es el elemento de cálculo y verificación que gobierna el proceso. Se denomina autómata y conforma el cerebro de la instalación automatizada.

2.3. Automatismos semiautomáticos (electro-neumo-hidráulicos)

A continuación, se van a describir con detalle cada uno de los automatismos semiautomáticos.

Automatismos semiautomáticos mecánicos

Son los sistemas más complejos por la variedad de mecanismos existentes y por su rigidez, o su poca maleabilidad en el momento del diseño o instalación. Por el contrario, no necesitan personal altamente cualificado, lo que se traduce en montajes y mantenimientos más económicos. Están constituidos por los siguientes elementos:

1 Ruedas dentadas.

2 Poleas.

3 Mecanismos biela-manivela.

4 Piñón y cremallera.

5 Levas y palancas.

6 Trinquetes.

Automatismos semiautomáticos eléctricos y electromecánicos

Se trata de dispositivos o elementos eléctricos o electromecánicos como relés, contactores, etc. Permiten controlar la corriente eléctrica que alimenta a cualquier máquina o sistema gobernando sus movimientos o protegiéndolos de sobretensiones, cortocircuitos, calentamientos, etc., además de salvaguardar a las personas de cualquier riesgo eléctrico.

Cuando se alimenta eléctricamente cualquier máquina, el circuito eléctrico se divide en dos: el principal o de potencia y el secundario o de mando o gobierno.

Nota

El circuito de mando o gobierno normalmente es monofásico con tensiones no superiores a 220 V, ofreciendo por tanto garantías al independizar el circuito de potencia (con altas tensiones e intensidades) del contacto humano.

En automatización eléctrica se cuenta con multitud de dispositivos utilizados para circuitos de mando, potencia, protección o señalización, como por ejemplo:

1 Pulsadores e interruptores.

2 Contactor.

3 Relé térmico.

4 Fusible.

5 Seccionador.

6 Interruptor magnetotérmico.

7 Interruptor diferencial.

Automatismos semiautomáticos neumáticos

Son dispositivos que generan movimiento por la acción del aire comprimido producido por un compresor. Deberá existir por tanto, un compresor, una instalación de conductos para hacer llegar el aire comprimido y otros dispositivos como filtros para eliminar impurezas, o reguladores de presión del circuito.

Los accionadores de los automatismos neumáticos, según el tipo de movimiento que generen, se dividen en dos grandes grupos: cilindros generadores de movimiento rectilíneo y motores generadores de movimiento circular. Los más usuales son:

1 Cilindro de simple efecto.

2 Cilindro de doble efecto.

3 Motores.

4 Cilindro basculante.

Automatismos semiautomáticos hidráulicos

Son, al igual que los automatismos neumáticos, dispositivos que generan movimiento, pero en este caso el fluido es aceite en vez de aire.

Los sistemas hidráulicos tienen la ventaja de poder transmitir fuerzas mayores debido a la incompresibilidad del aceite. También son capaces de realizar movimientos con más precisión, velocidades más controladas y cambios de sentido más bruscos sin ocasionar problemas en la instalación.

Ejemplo de un automatismo hidráulico. Sistema hidráulico completo instalado en una máquina excavadora

Nota

Los sistemas hidráulicos son más costosos que los neumáticos debido al mantenimiento de sus elementos.

Pero por otro lado, el fluido es más caro, se contamina con partículas o se degrada, y su mantenimiento también es más costoso. Los más importantes son los cilindros.

Automatismos semiautomáticos electrónicos

Con los elementos de los automatismos eléctricos se podía automatizar un sistema, pero presentaba un problema debido al gran espacio que los componentes ocupaban. Posteriormente, y a medida que la tecnología avanzaba se introdujeron nuevos componentes electrónicos de dimensiones mucho más reducidas (diodos, resistencias, transistores, etc.), para controlar los automatismos. A esta técnica se le denominó lógica cableada.

Actualmente, la lógica cableada ha sido sustituida por los microprocesadores, capaces de ser programados con las funciones a realizar. Estos reducen el espacio notablemente, aunque con el inconveniente de tener que elaborar un nuevo circuito impreso para cualquier modificación. Esta técnica se denomina lógica programable.

Finalmente, para resolver los problemas de espacio y también los de programabilidad y posterior modificación, aparecen los autómatas programables o PLC (Programable Logic Controller).

Ejemplo de un autómata programable

Nota

Un PLC es un dispositivo electrónico capaz de ser programado para realizar procesos industriales automatizados en tiempo real.

2.4. Automatismos automáticos (manipuladores, robots)

A continuación se detallan cada uno de estos automatismos.

Manipuladores

Se llama manipulador al conjunto de elementos mecánicos que articulados entre sí son capaces de coger o desplazar objetos. Un manipulador puede ser controlado directamente por la acción humana o mediante dispositivos lógicos programables.

Normalmente combinan automatismos eléctricos, mecánicos, neumáticos, etc. Existen infinidad de manipuladores destinados a uso industrial, textil, madera, etc.

Ejemplo de un manipulador operado por un hombre. Gracias al manipulador se puede mover la carga sin esfuerzo humano.

Ejemplo de un manipulador operado por un hombre. Gracias al manipulador se puede mover la carga sin esfuerzo humano.

Según el sistema de gobierno, los manipuladores se clasifican en:

1 Manual: cuando es un operario el que ejecuta la acción sobre el manipulador.

2 De secuencia fija: cuando el manipulador repite una orden cíclicamente.

3 De secuencia variable: cuando el ciclo de trabajo permite modificaciones en sus repeticiones.

Robots

Se entiende por robot a un manipulador automático o máquina programable capaz de coger y desplazar objetos siguiendo los movimientos ordenados para ejecutar tareas de forma cíclica.

Sabía que...

En medicina, un cirujano puede operar a un paciente a miles de kilómetros de distancia con ayuda de un robot cirujano. El robot de alta sensibilidad es gobernado por el profesional médico.

Un robot tiene más fuerza que un ser humano, puede trabajar en un entorno peligroso, no presenta fatiga por largos periodos de trabajo o por tareas repetitivas. Estas junto a otras cualidades hacen al robot industrial un elemento imprescindible en las grandes fábricas.

Los robots más comunes pueden englobarse en la siguiente clasificación:

1 Androides: son robots de apariencia humana.

2 Robots móviles: tienen mecanismos que les permiten desplazarse sobre todo tipo de superficies, como por ejemplo robots bípedos, cuadrúpedos, etc.

Ejemplo de un robot bípedo

1 Industriales: son manipuladores automáticos o máquinas programables capaces de coger y desplazar objetos siguiendo los movimientos ordenados para ejecutar tareas industriales de forma cíclica.

2 Telemanipulados: cuando las acciones del robot son ordenadas por un ser humano a distancia.

Las aplicaciones más usuales de la robótica en la industria son:

1 Almacenamiento, paletización de cargas y transporte.

2 Mecanización de piezas, pintura, soldadura, montaje, etc.

3 Manipulación de residuos tóxicos o peligrosos.

Ejemplo de un robot industrial utilizado en soldadura de piezas automovilísticas

3. Estructuras internas de automatismos

En esta sección se detallan en profundidad los actuadores más comunes de automatismos industriales. Para ello se comenzará por los mecánicos, por ser los más intuitivos y fáciles de comprender.

3.1. Automatismos mecánicos. Mecánica

La estructura de los automatismos mecánicos se compone de los siguientes elementos:

Ruedas dentadas y poleas

Son usadas para la transmisión de movimiento circular o de potencia.

Ejemplo de un automatismo mecánico. Engranajes

Mecanismos de biela-manivela

Empleados para la transformación de un movimiento circular en rectilíneo.

Piñón-cremallera

Este elemento, además de transformar elementos circulares en rectilíneos, también es capaz de transformar el movimiento rectilíneo en circular.

Levas y palancas

Se utiliza para la obtención de trayectorias, movimientos o recorridos controlados.

Trinquete

Usados para movimientos intermitentes.

3.2. Automatismos eléctricos y electromecánicos. Electrónica

A continuación se muestra de forma detallada la estructura de los automatismos eléctricos.

Pulsador

Se utiliza para establecer el paso de la corriente a voluntad, es decir, pulsándolo se activa el paso de la corriente a través de él. Dejando de presionar se abre el circuito.

Ejemplo de un accionador. Pulsador

Nota

Si no es necesario seguir manteniendo presionado dicho dispositivo se puede utilizar un interruptor.

Contactor

Se emplea para establecer o interrumpir el paso de la corriente en los circuitos eléctricos de potencia.

Consta de tres partes:

1 Contactos principales o de fuerza. Son los encargados de abrir o cerrar el circuito de fuerza.

2 Contactos auxiliares. Son los contactos donde se conecta el circuito de mando o control.

3 Electroimán.

Al elegir un contactor se deben tener en cuenta las siguientes características:

1 Tipo de corriente. Puede ser de corriente alterna o continua.

2 Frecuencia de uso. Un contactor que dé servicio a un motor con pocos arranques diarios se deteriorará mucho menos que el que lo hace continuamente.

3 Intensidad de corriente. Dependerá del motor al que alimente.

Ejemplo de un accionador electromecánico. Contactor

Relé térmico

Son los dispositivos utilizados para proteger a los motores de sobreintensidades de pequeño valor. Sin embargo, una duración prolongada puede quemarlos.

Está compuesto de tres láminas bimetales con diferente coeficiente de dilatación rodeadas de tres bobinas conectadas a cada una de las fases de corriente. Cuando el consumo de corriente eléctrica es elevado durante un tiempo determinado, las láminas se calientan por efecto Joule curvándose y empujando al sistema de disparo que a su vez manda la señal a la bobina del contactor. El rearme de un relé solo es posible cuando sus láminas bimetales están frías y recuperan su forma original.

Nota

Durante el arranque del motor se produce un consumo alto de intensidad pero no afecta al relé térmico por ser de corta duración.

Ejemplo de un accionador electromecánico. Relé

Fusible

Se utiliza para garantizar la seguridad de las instalaciones eléctricas en caso de sobrecalentamiento. Cuando la intensidad que circula por él supera el valor nominal del fusible se funde cortando el paso de la corriente.

Los fusibles pueden ser cilíndricos, de cartucho, de cuchilla, etc.

Ejemplo de un accionador electromecánico. Fusible cilíndrico

Seccionador

Permite aislar eléctricamente cualquier instalación o máquina para su manipulación en condiciones seguras.

Ejemplo de un accionador electromecánico. Seccionador

Interruptor magnetotérmico

Permite interrumpir de forma automática la corriente eléctrica para proteger un aparato, cuando la intensidad que circula por él es superior a un valor determinado durante un periodo de tiempo, o por un cortocircuito.

Básicamente un interruptor magnetotérmico dispone de dos sistemas de disparo:

1 Disparo por sobreintensidad. Cuando un aparato a proteger consume una intensidad superior a la especificada se produce una sobreintensidad. Un magnetotérmico dispone de un bimetal calibrado para que se curve por efecto Joule al paso de una corriente especificada haciendo abrir sus contactos.

2 Disparo por cortocircuito. Cuando existe un cortocircuito eléctrico, la intensidad que circula por el cable es extremadamente alta. El magnetotérmico dispone de una bobina que se excita con estos niveles de intensidad, haciendo abrir igualmente los contactos.

Para elegir un interruptor magnetotérmico se debe seleccionar previamente:

1 Su calibre: de tal forma que su valor quede por encima de la intensidad que consuma el aparato que se quiere proteger y por debajo de la que soporta el cable de dicha instalación.

2 Su poder de corte: significa que el magnetotérmico debe tener un poder de corte (KA) normalizado, superior a la máxima corriente de cortocircuito que pueda pasar por él, para asegurar que corta el paso de la corriente antes de destruirse.

3 Número de polos: puede ser unipolar, bipolar, tripolar o tetrapolar. Bipolar para instalaciones eléctricas monofásicas y tetrapolar o tripolar para instalaciones trifásicas con o sin neutro respectivamente.

4 Curva de disparo: según sean los límites que posea la curva característica de un magnetotérmico, así será su comportamiento. Es por ello que esta se debe elegir en función de la instalación a proteger. En España está en vigor la norma UNE que especifica una serie de curvas características para los magnetotérmicos: la curva B permite la protección de las personas. La curva C se aplica para evitar los disparos indeseados en el caso de la protección de receptores que presentan, una vez en servicio, puntas de corriente de cierta consideración y la curva D es adecuada para instalaciones que alimentan receptores con fuertes puntas de arranque.

Ejemplo de un accionador electromecánico. Interruptor magnetotérmico

Importante

El calibre de un interruptor magnetotérmico debe ser superior a la intensidad que consume la máquina conectada e inferior a la intensidad que soporta el cable.

Aplicación práctica

Usted debe proteger mediante un interruptor magnetotérmico una sierra monofásica de corte por cinta para metales. ¿Cuáles deben ser las características del interruptor?

SOLUCIÓN

Para elegir correctamente un interruptor magnetotérmico, primero se debe conocer el amperaje que consumirá la sierra de cinta. En este caso se sabe que es monofásica pero no se conoce el valor de la potencia o intensidad consumida.

Si se observa la placa de datos técnicos de la sierra de cinta se puede observar el valor de la intensidad consumida. Este valor debe ser inferior al del calibre del magnetotérmico y a la intensidad máxima admisible que el cable de alimentación es capaz de soportar. Este último valor se podrá obtener en el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) o en tablas de fabricantes.

Se sabe también que el interruptor magnetotérmico debe ser bipolar, ya que tiene que cortar la fase y el neutro simultáneamente.

Y por último se elegirá la curva de disparo, que para el caso de un motor, debe ser de tipo D (según el REBT).

Interruptor diferencial

Realiza el corte del paso de la corriente eléctrica automáticamente cuando detecta fallos de aislamiento, como por ejemplo, una derivación a tierra o un contacto con una persona.

El interruptor diferencial consta básicamente de un núcleo toroidal en forma de anillo y sobre él, tres bobinas. La primera conectada a la fase, la segunda al neutro y la tercera al mecanismo de apertura. Si hubiera una derivación a tierra o por contacto humano, las intensidades de corriente que circularían por cada una de las dos primeras bobinas serían distintas, induciendo, por flujo magnético, una corriente en la tercera bobina capaz de hacer disparar el mecanismo de apertura.

Para elegir adecuadamente un interruptor diferencial se deben observar las siguientes características:

1 Calibre o amperaje. Intensidad máxima que es capaz de soportar el elemento.

2 Número de polos. Bipolar, tripolar o tetrapolar, para instalaciones monfásicas o trifásicas con o sin neutro.

3 Sensibilidad. Hace referencia a la máxima cantidad de corriente de fuga o derivada que es capaz de permitir un circuito eléctrico. Por encima de esta se activará el sistema de disparo. Las diferentes clases de sensibilidades son: muy alta sensibilidad 10 mA, alta sensibilidad 30 mA y sensibilidad normal: 100 y 300 mA.

Ejemplo de un accionador electromecánico. Interruptor diferencial

Importante

Recuerde elegir, además de la sensibilidad del interruptor diferencial, el amperaje que es capaz de soportar.

Ejemplo

Para proteger un motor la sensibilidad del interruptor diferencial debe ser más permisiva, unos 300 mA, que para proteger el circuito eléctrico de una vivienda, 30 mA con carácter general.

3.3. Automatismos neumáticos

A continuación se muestra con detalle la estructura de los automatismos neumáticos.

Cilindro de simple efecto

En este accionador de un automatismo neumático, la acción del aire genera una fuerza sobre el vástago que hace que este sobresalga de su posición de reposo, la vuelta a esta posición se produce bien por un muelle o por acciones exteriores.

Cilindro de doble efecto

Al igual que en el cilindro de simple efecto se produce un movimiento rectilíneo por la acción de la fuerza que provoca el aire comprimido. La diferencia estriba en que el pistón es controlado en ambas direcciones debido a la doble entrada-salida de aire que posee.

Motor de paletas

Producen el movimiento circular debido a un rotor con ranuras, encerrado en una carcasa. En cada una de las ranuras existe una paleta que se mantiene siempre en contacto con la carcasa. El par motor se provoca por la acción del aire a presión sobre las paletas.

Cilindro basculante

Produce un movimiento circular. Suelen abarcar un sector de giro determinado aunque regulable.

Compresores

Los compresores son los encargados de proporcionar el aire a presión en una instalación neumática. Las características más importantes a tener en cuenta en este elemento son el caudal que proporciona y la relación de compresión o presión máxima que es capaz de alcanzar.

Nota

No es propiamente un actuador pero es significativo en las instalaciones automatizadas neumáticas.

Los compresores más comunes suelen ser:

1 Compresores alternativos de pistón.

2 Compresores centrífugos.

3 Compresores de tornillo.

Depósitos

Como parte de una instalación sirven de almacenamiento de aire comprimido para amortiguar las demandas de aire, haciendo que los compresores reduzcan su trabajo. Existen de diversas formas y tamaños, siendo las necesidades de la instalación las que determinen estas características.

Válvulas

Son los dispositivos de control para los actuadores o automatismos neumáticos. Son capaces de controlar el sentido, la presión y el caudal del aire que las atraviesa.

Las válvulas se clasifican según su función en:

1 Válvulas distribuidoras: encargadas de abrir o cerrar un circuito, cambiar el sentido del flujo, etc.

2 Válvulas antirretorno: encargadas de permitir en un único sentido el paso del fluido.

3 Válvulas reguladoras de la presión: regulan la presión del fluido en una instalación neumática.

4 Válvulas reguladoras de caudal: regulan el caudal que pueda necesitar, por ejemplo, un actuador.

Designación de las válvulas

Las válvulas son designadas por las siguientes características:

1 Número de vías: se llama vía a una entrada o salida de aire.

2 Número de posiciones: son las distintas posiciones que la válvula puede adoptar.

3 Tipo de accionamiento: pulsador, pedal, palanca, rodillo, bobina, neumático, etc.

4 Modo de retroceso: muelle o acción exterior.

Posiciones de las válvulas

Las válvulas pueden tener varias posiciones, cada una de ellas se representa simbólicamente mediante un recuadro.

Representación de paso abierto y cerrado en válvulas

Sea una posición cualquiera de una válvula, el paso del fluido se representa con una flecha que atraviesa dicha posición. Si no existiera dicho paso se considerará posición de bloqueo.

Ejemplo

La designación simbólica de una válvula 2/2 normalmente cerrada es la que se aprecia el la siguiente figura. En el cuadro de la izquierda se observa una flecha que indica el sentido del flujo que atravesará la válvula. En el segundo cuadro, la válvula tiene sus conductos cerrados o bloqueados. Observe que la posición por defecto es la que se indica al principio, normalmente cerrada.

Ejemplo

La designación válvula 3/2 rodillo/muelle hace referencia a una válvula distribuidora de tres vías y dos posiciones por accionamiento por rodillo y retroceso por muelle.

Ejemplo de un accionador neumático. Válvula distribuidora 3/2 rodillo/muelle

Otras válvulas y dispositivos

Existen una gran variedad de válvulas: válvula reductora de presión, reguladora de caudal, filtros, lubricadores, secadores, etc. A continuación se muestran algunos de los más utilizados: