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Controles Elctricos y
Automatizacin
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Introduccin al Control Elctrico,
Electrnico y AutomatizacinNeumticaElectroneumticaIntroduccin a los Controladores Lgicos
Programables (PLC)
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Control y Automatizacin de Procesos
Industriales
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Tecnologa que trata de la aplicacin de sistemasmecnicos, electrnicos y basados en computadorpara operar y controlar un determinado proceso de
produccin DE FORMA AUTNOMA (sinintervencin del operador)
Objetivos de la Automatizacin:
ALTA PRODUCTIVIDADALTA CALIDAD PRODUCTOALTOS NIVELES DE ESTANDARIZACINMENOR TIEMPO DE FABRICACINALTA FLEXIBILIDAD
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Estructura de un Sistema de
Produccin
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Tipos de Procesos Industriales
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PROCESOS CONTINUOSIndustrias de procesos (produccin de energa, qumicas,
refineras, jabones, acero, etc.)
Central Nuclear Central Trmica Refinera de Petrleo
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PROCESOS DE EVENTOS DISCRETOSIndustrias de manufactura (fabricacin de piezas,
componentes, electrnica, estampacin, etc.)
Fabricacin de tarjetaselectrnicas
Fabricacin de piezas
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Tipos de Industrias
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Industria de Procesos Industria de Manufactura
Procesos continuos
Procesos de eventosdiscretos
Procesos continuos
Procesos de eventosdiscretos
Objetivos del control son diferentes en cada casoDiferentes tcnicas de Control y Automatizacin
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Proceso o Planta a Controlar
Proceso o Planta(Sistema Dinmico)
Entrada(variableindependiente)
Salida(variabledependiente)
Objetivo del Control?Hacer que la salida del proceso sea igual a una referencia oconsigna preseleccionada. Para ello se usa un Controlador
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Tipos de Control para Procesos
Continuos de acuerdo a su estructura
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Lazo Cerrado
Lazo Abierto
El controlador recibe informacin delcomportamiento del proceso
El controlador no recibe informacindel comportamiento del proceso
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Control Manual : Utilizado por el operador ybasado ms o menos en respuestas en bucleabiertoControl On-Off : Ej. Termostato de la habitacin
Control PID : El ms habitual en la industria de procesosPID Mejorados : ratio, cascada, feedforwardControl basado en modelo : Usa un modelo delproceso paradeterminar la accin de control (Control de Matriz Dinmica, Control
ptimo, Control Adaptivo)Control Inteligente:No necesita el modelo del proceso (ControlFuzzy, Control Neuronal)
Tipos de Control
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Tipos de Sistemas de Control de acuerdo a laTecnologa
Lgica cableada Lgica programada
Neumtica Elctrica
Hidrulica Electrnica
PLCs Procesadores
Computadora
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Controladores de Lgicacableada
Cuando no existan medios programables para el desarrollo deautomatismos, los controles se desarrollaban a medida por medio delo que se denomin WLC ( Wired Logic Controller), haciendo usode un lenguaje sumamente simple e inmediato denominado lgicade contactos.
Por lo general todos los dispositivos que conforman lasposibilidades de control son variaciones derivadas de los contactoresde diferentes envergaduras.El control consiste de dos partes bien diferenciadas, una referente al
control propiamente dicho o mando, y la otra referida al control dela potencia .Todo el esquema de mando est dibujado en una hoja que ademscontiene las catenarias de referencia, encargadas de vincular lneasde control entre s.
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Lgica cableada
Ventajas:Independencia tcnica.Barato?.
Desventajas:
Modificaciones oampliaciones muy complicadas.Dificultad para realizardiagnsticos.Obsoleto.
Dispositivos elctricos delgica cableada:
RelActa como intermediario paraalimentar un determinadocircuito en funcin de unaseal externa. se compone de
bobina, conjunto magntico ycontactos.
Contactor
Funcionalmente equivalente aun rel, pero mas robusto parasoportar mayores tensiones ycorrientes de cara a suaplicacin industrial.
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http://e/Ra%C3%BAl%20Benites/UNMASM/Controles_Elect_Neumat/Semana%201_5/Notas%20de%20clases/8502CT0402.pdf -
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Dispositivos mecnicos :
La automatizacin
mecnica se caracterizapor sistemas complejoscon abundancia decomponentes y escasaflexibilidad:
Ruedas dentadasPoleasPiones cremallera
Palancas, etc.
La automatizacin electrnica
se caracteriza por el empleo decomponentes electrnicos talescomo:Puertas lgicasRegistros de desplazamiento
TemporizadoresContadoresBiestablesMultiplexores
Demultiplexores, etc.
Dispositivos electrnicos :
Dispositivos electroneumticos y electrohidrulicos :
Dispositivos que permiten la conversin de una seal elctrica enseal neumtica o hidrulica, para la activacin de los actuadores
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EL RELPrincipio de funcionamiento
Un rel es un sistema electromecnico que permite abrir o
cerrar un interruptor con la activacin de un electroimn.
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Desactivado Activado
Simbologa
Aspecto fsico
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PARAMETROS Y CARACTERISTICAS
Resistencia interna. Corriente de activacin Tensin de activacin (margen de activacin)
Parmetros:
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Mxima tensin Mxima corriente Nmero mximo de conexiones Mxima velocidad de conmutacin
Caractersticas Elctricas:
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TIPOS DE RELES
Rels electromecnicos.
Estn formados por una bobina y unos contactos los cuales puedenconmutar corriente continua o bien corriente alterna. Vamos a ver losdiferentes tipos de rels electromecnicos.
Rels de tipoarmadura
Rels deNcleo Mvil
Rel tipo Reedo de Lengeta
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Rels de NcleoMvil
Rels de tipoarmadura
Altas corrientes
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Rel tipo Reed o de Lengeta
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Rels de estado slido
Son rels construidos a partir de semiconductores con funcionesparecidas a los de rels mecnicos
Circuito deentrada(control)
Circuito de salida(conmutacion)RELE
Tiristores
Triacs
Optotriacs, etc.
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Ventajas del uso de rels
La gran ventaja de los rels es la completa separacin elctrica entre lacorrientede accionamiento, la que circula por la bobina del electroimn, ylos circuitos controlados por los contactos, lo que hace que se puedanmanejar altos voltajeso elevadas potenciascon pequeas tensiones decontrol.
Corriente deaccionamiento
(bobina
electroimn)
Circuitoscontrolados por los
contactosRELE
Manejar altos voltajes o elevadas potencias conpequeas tensiones de control.
Separacin elctrica entre:
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http://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctrica -
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Manejar altos voltajes o elevadas potencias conpequeas tensiones de control.
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EL CONTACTOR
Podemos definir un contactor como un aparato mecnico deconexin y desconexin elctrica, accionado por cualquier formade energa, menos manual, capaz de establecer, soportar einterrumpir corrientes en condiciones normales del circuito,incluso las de sobrecarga.El contactor al igual que el interruptor manual, dispone de doselementos bsicos:Un juego de contactos elctricosUn mecanismo para abrir y cerrar dichos contactos.
En un interruptor manual, la mano del operador accionadirectamente el mecanismo de cierre y apertura , en cambio en uncontactor esta accin es efectuada por un electroimn.
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25/76Jos Antonio Poma Navarro
El contactor presenta pues la ventaja de ser gobernado a distancia,ya que elementalmente basta con tener dos hilos desde los bornesde alimentacin de la bobina hasta el lugar en que se hallaemplazado el punto de mando.
El contactor puede ser accionado, no solo por la accin directa deuna persona, sino por cualquier elemento que sea capaz de cerrar
un contacto.
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http://3.bp.blogspot.com/_vNFu_XRRH84/SZ7ukPEmzNI/AAAAAAAAFC8/71YaTWwYqN4/s1600-h/contactores+para+diversas+potencias+ABB+de+baja+tensi%C3%B3m.jpg -
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Jos Antonio Poma Navarro
Para permitir o interrumpir automticamente el flujo de corriente a
travs de motores y otros tipos de cargas de potencias.
Utilidad
Partes
CarcasaCircuito ElectromagnticoContactos
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CARCASA
Es el soporte fabricado enmaterial no conductor que
posee rigidez y soporta el
calor no extremo, sobre elcual se fijan todos loscomponentes conductoresal contactor.
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CIRCUITO ELECTROMAGNETICO
Este circuito consta de:
Bobina
Ncleo fijo Ncleo mvil o armadura
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http://3.bp.blogspot.com/_vNFu_XRRH84/SZ7v7B3WltI/AAAAAAAAFDs/OcrVmd6ZnFs/s1600-h/espira+sombra+1.jpg -
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CIRCUITO ELECTROMAGNETICO
BOBINAConsiste en una arrollamiento dealambre de cobre con unascaractersticas muy especialescon un gran nmero de espiras y deseccin muy delgada para producirun campo magntico. El f lujomagntico produce un par magntico
que vence los pares resistentes de los
muelles de manera que la armadura sepuede juntar con el ncleo
estrechamente.
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NUCLEO FIJOEs una parte metlica, de materialferromagntico, generalmente en forma
de E, que va fijo en la carcasa. Su funcines concentrar y aumentar el flujomagntico que genera la bobina (colocadaen la columna central del ncleo), paraatraer con mayor eficiencia la armadura.
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CIRCUITO ELECTROM GNETICO
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ARMADURA
Elemento mvil, cuya construccin es
similar a la del ncleo, pero sin espiras desombra. Su funcin es cerrar el circuitomagntico una vez energizada la bobina,ya que debe estar separado del ncleo, poraccin de un muelle. Este espacio de
separacin se denomina cota de llamada.
CIRCUITO ELECTROM GNETICO
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CONTACTOS
Son elementos conductores que tienen por objeto
establecer o interrumpir el paso de corriente en
cuanto la bobina se energice. Se dividen en:
Contactos principales
Contactos auxiliares
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Contactos principalesSe utilizan para conectar o desconectar la carga dela lnea de poder (ejm. un motor de 25HP de una red
trifsica de 440V).
Generalmente son de tipo NO.
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CONT CTOS
Contactos auxiliares
Se utilizan para permitir o interrumpir el paso de
la corriente a las bobinas de los contactoresprincipales o a los elementos de sealizacin.
Pueden ser NO o NC.
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http://4.bp.blogspot.com/_vNFu_XRRH84/SZ7winHJlnI/AAAAAAAAFEM/sZ_x_Bx28_g/s1600-h/detalle+contactor+NC+y+NA.jpg -
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CRITERIOS PARA LA ELECCIN DE UN CONTACTOR
Tipo de corriente, tensin de alimentacin de
la bobina y la frecuencia.
Potencia nominal de la carga.
Condiciones de servicio: ligera, normal, dura,
extrema. Existen maniobras que modifican la
corriente de arranque y de corte.
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Si es para el circuito de potencia o de mando yel nmero de contactos auxiliares quenecesita.
Para trabajos silenciosos o con frecuencias demaniobra muy altas es recomendable el usode contactores estticos o de estado slido.
Por la categora de empleo.
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CRITERIOS P R L ELECCIN DE UNCONT CTOR
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EJEMPLOS DE APLICACION
Contactor electrnicodiseado para el
control de varias cargas
industriales, por
ejemplo Elementos calefactores.
Motores monofsicos y
trifsicos.
Lmparas, etc.
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Diagramas de Procesos e InstrumentosInstrumentos:
IndicadoresTransmisoresRegistradoresConvertidores
ControladoresActuadoresTransductores
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Los sistemas de control de procesos se representan en losdiagramas de proceso e instrumentos utilizando smbolos e iconossimples
Estos diagramas permiten entender el funcionamiento integradodel proceso y del sistema de controlEn la norma ISA se emplean lneas slidas para representar lasconexiones del proceso y lneas a trazo discontinuo o lneas detrazo continuo con marcas para las comunicaciones entreinstrumentos
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Los instrumentos de los lazos de control se representan por uncrculo en cuyo interior se colocan las letras que designan alinstrumento.
El bucle al que pertenece se identifica por un nmero y elsmbolo indica la localizacin fsica del instrumentoLa identificacin del tipo de instrumento se realiza con dos o msletras:
La primera indica el tipo de variable que se mide, se indica, setransmite o se controla. p.e. T indica temperatura. La segunda letra indica la funcin que realiza el instrumento en el
bucle (control (C), indicacin (I), registro (R), etc. Ejemplos:TC controlador de temperaturaFT transmisor de caudal (Flow transmitter)PC controlador de Presin. (Pressure controller)LR registrador de nivel (Level register)TI indicador de temperatura (Temperature indicator)
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Control de un intercambiador de calor
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Variable controlada: Temperatura de salida del producto Variable manipulada: Flujo de vapor Actuador: Vlvula del flujo de vapor
Sensor: Termopar en el flujo del producto Perturbacin: Cambios en la temperatura del flujo de entrada delproducto (alimentacin)
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Normalmente los sensores y los actuadores se encuentranprximos al proceso
Los controladores pueden estar:en un armario de control (a varios metros del equipo demedida)en la sala de control (a decenas de metros)
en otro edificio (a centenares de metros)Es necesario transmitir la medida hasta los controladores ydesde stos al actuador. Para ello se requiere:
medio de transmisincdigo de interpretacin de la informacin
Transmisin de las medidas o seales
Medios deTransmisin
Tuberas: Lnea de transmisin neumticaCables elctricos: Lnea de transmisin elctricaEl espacio: Transmisin inalmbricaFibras pticas: Lnea de transmisin lumnica
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Comando y Proteccin de Motores
1. Esquema de Mando Simple con Retencin (memoria)
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ifil ( i i d i )
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2. Esquema Unifilar (Circuito de Potencia)
3. Esquema Multifilar (Circuito de Potencia)
4. Esquema Funcional (Circuito de Mando)
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http://localhost/var/www/apps/conversion/tmp/scratch_7/Comando_protec_motores.pdf -
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Sensores y Actuadores Industriales
Tipos de Sensores
ACTIVOSFenmenofsico
Sealelctrica
PASIVOSFenmenofsico
Variacionesde R, C y L
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SENSORES ACTIVOS
Electromagnticos yElectrodinmicos Termoelementos
Capacitivos activos Fotoelementos y Celdas
Solares
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Piezoelctricos Sondas PH
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Resistencia Ohmica Resistencia Variablecon la Temperatura
Potencimetro MecnicosGalgas
Extensiomtricas
Sensores
NTC
Sensor de Platino Pt100
Sensores Pasivos
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Opticos De TemperaturaInductivos De Fuerza, Presin y
Aceleracin
Capacitivos De Posicin (Lineal yAngular)
Ultrasonicos De NivelInfrarrojos Pasivos
(PIR)Inteligentes
Sensores mas usados
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Tabla de sensores de acuerdo a la magnituddetectada
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Listado de fabricantes y variedad de transductores y sensores en:http://www.unizar.es/euitiz/areas/aretecel/links/links_instrum.htm
Actuadores Industriales
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Para que un sistema electrnico de control pueda controlar un
proceso o producto es necesario que pueda actuar sobre el mismo.Los dispositivos que realizan esta funcin reciben diversosnombres, entre ellos: accionamientos y actuadores.
No existe una nica definicin de actuador aceptada de manerauniversal. Se considera, en general, que es todo dispositivo queconvierte una magnitud elctrica en una salida, generalmentemecnica, que puede provocar un efecto sobre el procesoautomatizado.
Tipos de accionamientos ms comunes en la industria:Elctricos
NeumticosHidrulicos
Actuadores Industriales
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Tipos de accionamientos elctricos:
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Tipos de accionamientos elctricos:Motor de corriente continuaMotor de corriente alterna (asncrono, jaula de ardilla)
Motor de corriente alterna (rotor bobinado)Motor paso a pasoServomotoresServomotor brushless DCServomotor brushless AC
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Caractersticas del motor de corriente continua:
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Caractersticas del motor de corriente continua:
Desde potencias fraccionarias hasta el millar de KWEn tareas de regulacin de velocidad o par
Regula desde cero rpm a velocidad nominal con muy buenaprecisinRegulacin de parCon par a cero rpm
Aplicaciones:
Regulacin de velocidad engeneral:
Mquinas de envase yembalaje
Cintas transportadorasVentilacin
Aplicaciones que requierenprecisin:
Posicionamiento
Regulacin de par y par a cerorpm:
EnrolladorasElevacin
Regulacin de motores depotencias grandes:
LaminadorasExtrusoras
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Motor de corriente alterna (asncrono, jaula de ardilla)
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Motor de corriente alterna (asncrono, jaula de ardilla)
Caractersticas:De potencias fraccionarias hasta centenas de KWCoste motor bajoArranque por contactores, arrancadores con contactoresCoste de arranque con contactores bajo
Regulacin de velocidad hasta la decena de KWBuena precisin entre 10 y 100% de la velocidad nominalPar nominal en ese tramoCoste variador altoCoste variador + motor mas caro que otras alternativas
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Aplicaciones:
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Aplicaciones:
Accionamientos directos con contactoresAccionamientos con arrancadores electrnicosVariadores de velocidad de poca potencia y precisinAplicaciones sin regulacin
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Motor de corriente alterna (rotor bobinado)
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Motor de corriente alterna (rotor bobinado)
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Caractersticas:
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Caractersticas:
Desde decenas a centenas de KWComo arrancador progresivoRegulador de velocidad por deslizamientoPrestaciones de regulacin mediasManiobras de elevacin
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Aplicaciones:
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Aplicaciones:
Arranque de motores de decenas y centenas de KWPor medio del sistema de resistencias rotricas permiten el
arranque con puntos de corriente reducidas.La corriente es inferior a la necesaria para un motor con rotor de
jaula con arrancador estrellatringulo.
Regulacin de maniobras de elevacin con motores de decenas ycentenas de KWPermite sustituir sistemas de corriente continua.
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Motor Paso a Paso
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o o so so
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Caractersticas:
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Potencias pequeasVelocidades bajas
Posicionamientos con precisin
Nmero de pasos fsicos: 200/ 400/ 500/ 1000Nmero de pasos: 2000/ 4000/ 5000/ 10000Angulo por paso segn tipo de paso: 1.8/ 0.9/ 0.72/ 0.36
Angulo en micropaso: 0.18/ 0.09/ 0.072/ 0.036
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Funcionamiento:
Tres formas de trabajo bsicas:Paso completo: 2 fases conectadas a la vezMedio paso: Secuencias de una fase y dos fasesMicropaso: Conmutacin continua
El rotor con polarizacin magntica constante, gira para orientar sus polos conel estatorLa polaridad del estator es variable, controlada por trenes de pulsosPor cada pulso, el rotor gira un nmero discreto de grados
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Aplicaciones:
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Aplicaciones:
Posicionamientos precisos en:La industria textil
Mquinas de envaseembalajeEquipos mdicos
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Servomotor
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Caractersticas:
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Motor sncrono con rotor de imanes permanentesPotencias pequeas con pares de hasta 70 Nm
Velocidades de hasta 6000 rpmLas ordenes de posicionamiento se generan en:
Control numricoEquipo dedicadoAutmata con tarjeta de control de ejes
Gran precisin de posicionamientoEstabilidad de velocidadAlta estabilidad de parRepetitividad del movimiento
Elevada respuesta dinmicaNota: Los primeros servos utilizaban motores de corriente continuade baja inercia; pero el uso de escobillas reduca su fiabilidad, porlo que se paso a los motores sncronos de imanes permanentes.
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Aplicaciones:
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Aplicaciones:
Servomotor BrushlessLa tecnologa Brushless DC fue la primera que se aplic para el control demotores Brushless sncronos. El desarrollo de la tecnologa del tratamientodigital de la seal ha permitido el desarrollo de la tecnologa Brushless AC.Los drivers Brushless DC requieren de un encoder de baja resolucin para
realizar la conmutacin, por razones de costo se opta por sensores de efectoHall. Normalmente hay seis puntos de conmutacin por rev. elctrica. LosBrushless AC necesitan un encoder absoluto de alta resolucin
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Los Brushless DC producen un
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prizado de par mayor que losBrushless AC; pero la electrnicade control es ms sencilla y son por
ello mas baratos.
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El mximo par y la mxima eficacia se da cuando el ngulo es de 90 acorriente constanteComo los drivers Brushless DC solo tiene 6 posibles posiciones deconmutacin por una revolucin, no es posibleque el ngulo sea de 90 en todomomento.En cambio, los Brushless AC al tener ms posiciones de conmutacin puedecontrolar la conmutacin siempre alrededor de 90.Consecuencia: El rizado de paren los motores Brushless DC es crtico a bajas
revoluciones.
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Tendencias:
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1. El nmero de aplicaciones de servomotores crecer en el futuroinmediato, en nuevas aplicaciones.
2. El variador de velocidad ha alcanzado: el rango de potencia,capacidad de generar par, y la precisin, para asumir laregulacin de motores AC de la casi totalidad de aplicaciones.En las aplicaciones ms sencillas sustituir a los servos.
3. El motor paso a paso mantendr su campo de aplicacin.4. El motor de CC y el de rotor bobinado tendern a desaparecer.5. Los motores Brushless reemplazarn (y ya estn reemplazando)
a las tareas que realizan los servomotores, especialmente enRobtica.