La automatización de procesos industriales puede llevarse a cabo mediante técnicas cableadas y programadas. Dentro del grupo de las técnicas cableadas encontramos la implementación de sistemas de mando electroneumáticos o electrohidráulicos, los cuales están compuestos por componentes eléctricos y electrónicos. Su diseño está determinado por la función que cumplirán, e incluyen componentes electromecánicos, por ejemplo, relés.

En el campo de los actuadores eléctricos, la fuente de energía es la electricidad. Su implementación permite diseñar sistemas de control para operar por ejemplo motores, de tal forma que sea posible transformar energía eléctrica en movimiento rotacional. Esto es sencillamente un ejemplo básico frente a las tarea de control mediante dispositivos eléctricos y electrónicos que se llevan a cabo en la actualidad, puesto que ahora se desarrollan actividades de control que en el pasado eran impensadas.

Ahora bien, es relevante atribuir a la implementación de sistemas automatizados mediados por electricidad y electrónica, el aumento de la productividad y la reducción de los costos de producción, contribuyendo al aumento de los niveles de calidad.

Sin embargo, se reconoce que, a pesar de mejorar de las condiciones de trabajo, esta técnica ofrece mayor riesgo para el personal.

Propósito general

Describir los tipos de actuadores eléctricos, mecánicos y electroneumáticos para el control de procesos y simularlos por medio de un software específico.

Propósitos específicos

• Identificar los distintos sistemas eléctricos, electrónicos, sus sistemas de control y simularlos por medio del software aplicativo.
• Identificar los distintos sistemas mecánicos, sus sistemas de control y simularlos por medio del software aplicativo.

Los sistemas de actuación eléctricos permiten obtener una mayor exactitud y repetitividad, por tanto, son utilizados en la industria para obtener trabajos de alta precisión. Para mencionar un caso en particular, en la actualidad los robots se pueden accionar mediante la interacción de sistemas eléctricos y electrónicos, por ejemplo, contactos, motores paso a paso o servomotores. Los elementos mencionados se pueden agrupar en elementos generadores, conductores de señales, elementos de maniobra y control.

Los elementos de control o de maniobra son dispositivos que nos permiten abrir o cerrar el flujo de corriente hacia algún dispositivo. Lo anterior permite inferir que, un proceso industrial por simple que sea requiere de elementos que puedan energizar un conjunto, encender un sistema, llevar a cabo una parada de forma programada o, apagar una máquina de forma repentina. En cuanto a la función, se distinguen elementos de contacto de cierre, contacto de apertura y contacto de conmutación.

Desde una perspectiva amplia, son elementos importantes que permiten optimizar tiempos, controlar procesos o salvaguardar la integridad física de los operadores. Con base en lo anterior, estos dispositivos deben incluirse en los planes de mantenimiento programado, de tal forma que sean verificados con detalle.

Los contactos de cierre, interruptores y pulsadores comprenden el grupo de elementos de maniobra, cuya función está determinada por la acción de permitir el flujo eléctrico entre dos puntos de un circuito eléctrico. Este tipo de elementos son incorporados en las máquinas para ponerlas en funcionamiento, llevar a cabo paradas de emergencia, o sencillamente encender un piloto que nos indique una señal. En la interactividad sobre elementos de maniobra eléctricos, se estudiará la simbología, la función y se observarán algunas imágenes para poderlos reconocer.

Hay otro elemento que es usualmente implementado en el control de máquinas con el objeto de permitir marcha en dos direcciones o cambiar la dirección de la corriente entre dos conductores. Este elemento es denominado conmutador eléctrico.

Por otro lado, el principio de funcionamiento de relés y contactores es similar, así mismo que la representación en un esquema eléctrico.

Conozca los Relés y contactores y como funcionan.

Un Solenoide consiste en un bobinado el cual lleva en su núcleo un elemento desplazable que a su vez lleva adosado una corredera, carrete o spool.

Cuando se energiza el solenoide el campo magnético en el núcleo desplaza a la corredera con lo cual se logra cambiar de una posición a otra a la electroválvula.

A nivel industrial encontramos solenoides discretos y continuos.

Los motores eléctricos tienen múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico a reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.

Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde circula una corriente eléctrica.

Le brindamos una ayuda para profundizar en el tema motores eléctricos.

Los servos son otro tipo de actuador muy común en proyectos de robótica. Un servo recibe una señal pulsada generada por un procesador, que transmite la posición que se desea y el servo autónomamente se posiciona en esa posición.

Por otro lado, los motores paso a paso (también llamados stepper) son otro tipo de motor muy empleado en robótica. En este tipo de motores el eje gira un ángulo fijo llamado "paso" cuando es indicado por un procesador. El paso varía del modelo de motor, siendo valores habituales 1.8º (200 pasos por vuelta) y 3.75º (96 pasos por vuelta).

Para tener en cuenta… Un motor paso a paso necesita obligatoriamente un procesador para funcionar no siendo posible activarlos simplemente conectándolos a corriente.

La simulación es una técnica que permite usar herramientas basadas en software para realizar experimentos por medio de una computadora, PDA’s y dispositivos móviles, de tal forma que sea posible observar comportamientos de componentes, en este caso, de circuitos electrónicos.

Una herramienta que ayuda a desarrollar simulaciones en el campo de la electrónica es PROTEUS.

Pasando ahora a la simulación de sistemas de control eléctrico, Automation Studio es un software de programación orientada a objetos que cuenta con un módulo de electrotecnia para dimensionar componentes y modificar parámetros de simulación con base en la norma IEC y JIC.

Se usan los sensores para obtener información sobre el estado de un sistema y pasar esta información al control. En los sistemas electrohidráulicos, o electroneumáticos, los sensores son principalmente usados para las siguientes tareas:

• Obtener la posición de componentes de accionamiento.
• Medir y supervisar la presión y temperatura del fluido utilizado
• Para el reconocimiento de material.

Los sensores tienen la posibilidad de convertir la señal de salida, en señales de tipo análoga o digital. Una señal analógica, se pude entender como una señal de tipo continua en el tiempo, por ejemplo, un voltaje o corriente eléctrica que asume diferentes valores en la media que el tiempo transcurre. Por otra parte, las señales digitales se presentan en la forma de un conjunto de bits de estado o de pulsaciones que pueden ser contadas.

Para estudiar los sensores es pertinente dividir este tema en dos familias, los sensores por contacto y los sensores de proximidad, le invitamos a conocerlos.

A continuación, se aborda el tema de los mecanismos, dispositivos que tienen la función de convertir el movimiento en tanto que permiten transformarlo de una forma a otra.

Por ejemplo, en la industria es necesario convertir por medio de un mecanismo, un movimiento lineal a un movimiento rotacional; un movimiento que se produce en una dirección en otro con otra dirección y ángulo normal respecto al inicial; un movimiento lineal cíclico en uno rotacional.

Cabe resaltar, que entre algunos elementos que conforman los sistemas de actuación mecánica están: las barras articuladas, las levas, los engranes, los sistemas piñón-cremallera, las cadenas, las correas de transmisión, entre otros.

Observe un ejemplo en donde intervienen los elementos mencionados.

El ser humano en busca de mejorar su entorno construye objetos para satisfacer sus necesidades y las de la sociedad, de tal forma que se obtenga bienestar y calidad de vida. Cuando observamos a nuestro alrededor podemos comprobar en muchos de los objetos cotidianos que se produce algún tipo de movimiento (una bicicleta, una lavadora, un reloj de pared, un ascensor…). El movimiento que se percibe en los objetos mencionados anteriormente es necesario para que realicen su función de forma correcta: la bicicleta convierte el movimiento de los pedales en movimiento circular disponible en la rueda trasera, la lavadora gira para que la ropa pueda lavarse, el péndulo del reloj de pared hace girar las agujas para cambiar los segundos, minutos y las horas.

Cada conjunto de elementos móviles y fijos que logran en perfecta armonía las actividades que con anterioridad mencionamos, se denominan mecanismos.

Estudie los tipos de movimiento que se pueden llevar a cabo por actuadores de tipo mecánico.

Cuando una serie de elementos están conectados de forma que intervengan en la producción de un movimiento en combinación, se denomina cadena cinemática. Es necesario hacer hincapié en que una cadena cinemática no es necesariamente un mecanismo, en tanto que uno de los elementos desarrolle un movimiento, y este a su vez transmita o produzca otro.

La cadena cinemática puede ser de tipo cerrada si a cada una se le conecta por lo menos con otros dos circuitos cerrados y, si la cadena no forma circuitos cerrados, se le denomina cadena cinemática abierta (López, Enrique, Hernández, Wasik, & Problema, 2015).

Revise el siguiente ejemplo de la presencia de cadenas cinemáticas.

Material de apoyo

La leva es un dispositivo cuyo perfil geométrico es especialmente diseñado para que un operador móvil (seguidor de leva), haga seguimiento de las variaciones del perfil de la leva cuando esta gira sobre un eje circular, logrando movimiento repetitivo lineal o alternativo. En aplicaciones industriales, la leva se encuentra solidaria con un eje que le transmite el movimiento; y en algunos casos recurren a montar varias levas sobre un mismo eje o árbol, denominado árbol de levas, permitiendo la sincronización del movimiento de los seguidores.

Amplie la información sobre el dispositivo leva.

Los engranajes son de ruedas dentadas que permiten transmitir grandes potencias entre ejes próximos paralelos, perpendiculares u oblicuos, según su diseño, se articulan entre sí por medio de dientes, de manera que las ruedas que conducen el movimiento (las motrices) lo transmiten a las conducidas (las arrastradas).

Este tipo de sistema de transmisión de movimiento en comparación con otros (poleas, correas y cadenas) es bastante ruidoso, su costo es elevado y la manufactura es compleja.

Sin embargo, presentan ventajas respecto a los sistemas mencionados con anterioridad, puesto que ocupan espacios muy reducidos, minimizan perdidas por deslizamiento, transmiten una gran capacidad de potencia del orden de 50000 Kilowatios, poseen un rendimiento elevado y requieren bajo mantenimiento.

Profundice sobre las partes y tipos de engranajes que existen.

Se puede establecer una clasificación de los elementos terminales, grippers (pinzas o elementos de sujeción) o de una herramienta. Los primeros se pueden clasificar según el sistema de sujeción empleado.

En la siguiente tabla podrá conocer algunos elementos de sujeción usados para agarrar y sostener los objetos.

Revise algunos aspectos que debe tener en cuenta con los elementos de sujeción.

La simulación es una tecnología que facilita el diseño de nuevos productos, el desarrollo de procesos de fabricación y la evaluación del rendimiento de los mismos.

Lo anterior se pude lograr con múltiples software disponibles en el mercado, los cuales integran el análisis de elementos finitos y cuentan con capacidades de simulación para piezas individuales, el análisis de conjuntos, la definición y análisis de sistemas completos.

A continuación, observe dos aplicaciones, Solid Edge y MSC Nastran, que permiten a las empresas ampliar sus capacidades, al tiempo que les da la libertad de escalar competitivamente.

La electroneumática, es una alternativa para automatizar procesos industriales en donde es posible tener el hibrido neumática-electricidad para accionar elementos de control. Esta técnica ha experimentado un espectacular desarrollo en los últimos años, debido principalmente a su simplicidad de mando y sus múltiples posibilidades de combinación con otras técnicas de mando (eléctrica, electrónica, autómatas programables, etc.). Es necesario entender que en esta técnica de automatización por lógica cableada la energía eléctrica puede llegar a sustituir a la energía neumática cuando se requiere de la conmutación de los elementos de control, gracias a la velocidad de la señal de la luz, sin embargo, el elemento natural para la generación de señales de trabajo continúa siendo el aire comprimido.

La electroneumática presenta ventajas frente a otras formas de automatización en términos de lograr fuerzas medias, altas velocidad de operación, minimización de los riesgos de contaminación y flexibilidad en los procesos (cambios de los programas).

Esta tecnología ofrece desventajas que pueden darse cuando tenemos que mover grandes cargas y el costo de la generación del aire comprimido.

El dispositivo fundamental en un circuito electroneumático es la válvula electroneumática. Esta válvula conmuta gracias a la energía eléctrica, proveniente de los solenoides, de tal forma que el aire comprimido transite a los actuadores o a otra válvula.

En esencia, consisten en una válvula neumática a la cual se le adhiere un solenoide por el que se hace pasar una diferencia de potencial, generando un campo magnético que, finalmente, proporciona un movimiento en la corredera interna de la válvula, generando así el cambio de estado de trabajo de esta.

Como se estudió en la unidad de Sistemas de actuadores neumáticos e hidráulicos, estas válvulas tienen la función de distribuir el aire comprimido dentro de un circuito neumático. A continuación, se ampliará el contexto de aplicación a circuitos donde es necesario llevar a cabo una tarea de forma secuencial.

Le invitamos a realizar la lectura del artículo propuesto en el material de apoyo, que implementa una técnica sistemática que se puede utilizar en electroneumática para el diseño de circuitos secuenciales en donde se produzcan cruce de señales.

Actividad de aprendizaje

Para finalizar realice la actividad propuesta y autoevalué su proceso de aprendizaje.

Material de apoyo

La automatización industrial mediante sistemas de mando eléctricos y electrónicos incorpora dispositivos de control que permiten energizar un conjunto, encender un sistema, llevar a cabo una parada de forma programada o, apagar una máquina de forma repentina. Lo anterior se logra con la implementación de interruptores, pulsadores, conmutadores, relés, contactos y sensores de tipo mecánico, así como de proximidad.

Además de los elementos de control mencionados, en los proyectos de automatización se requieren dispositivos de potencia, es decir aquellos que reciben una señal para convertirla en trabajo. En el campo eléctrico, esta función la cumplen los motores, máquinas encargadas de transformar la energía eléctrica en energía mecánica, de tal forma que esté disponible en forma de movimiento circular en un eje. Tienen múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento.

A continuación, le invitamos a tener presente algunos aspectos importantes en el desarrollo de esta temática.

Actividad de aprendizaje

Para finalizar analice el caso propuesto y con ayuda de su profesor seleccione la mejor alternativa.