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Introduccion al Estudio de Sistemas Neumaticos y Electroneumaticos Luna Mendoza Jaime Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas, Programa Ingeniería Industrial, Politécnico Grancolombiano Bogotá DC, Colombia
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Abstract– This paper attempts to be an introduction for the study of pneumatic and pneumatic systems, based on the origin, classification, definitions and applications of this kind of systems, specifically speaking at level of industrial automation. Also contemblante the control systems. Carry out a bibliographical review of the main concepts, since the understanding of the techniques and technologies involves in industrial automation is of vital importance for the professional development. Resumen—El presente documento pretende ser una introducción al estudio de los sistemas Neumáticos y Electro neumático, partiendo del origen, clasificación de los sistemas, definiciones y aplicaciones de los mismos, específicamente hablando a nivel de la automatización industrial. Así como los sistemas de control. Realizando una revisión bibliográfica de los principales conceptos, dado que el entendimiento de las técnicas y tecnologías en automatización es de vital importancia para el desenvolvimiento profesional. Index Terms—electro neumática, neumática, automatización, circuitos, circuito neumático, circuito electro neumático, mecánica de fluidos.
1.
INTRODUCCION
Para el estudio de las técnicas de automatización industrial y de sistemas de control tales como los Controladores lógicos programables (PLC) es indispensable el entendimiento de la teoría y funcionamiento de los circuitos neumáticos y electro neumáticos, dado que son unos de los recursos mas usados en la industria dado su bajo coste y su alta eficiencia, así como por su bajo impacto ambiental, contrario a la tecnología hidráulica que si bien es mas eficiente en cuanto a potencia que los sistemas basados en aire, es altamente contaminante y carece de la precisión que puede llegar a suministrar un sistema neumático. El principio básico para la utilización de la neumática en la industria es como fuente de energía para transmitir movimiento en actuadores finales, sean estos pistones, pinzas, etc. Ademas resaltar la importancia de este tipo de sistemas dado que el nivel de automatización de una empresa es determinante en el aumento de su productividad y competitividad. Por los cual se exige
una constante inmersión y actualización por parte de los profesionales en cargo de las actividades productivas. El presente paper esta estructurado de forma tal que ilustra y define los conceptos básicos de la neumática en la industria así como los tipos de sistemas neumáticos, definiciones y sistemas de control, de igual manera manera para los sistemas electro neumáticos.
2.
NEUMATICA
La neumática en su estado fundamental es utilizada para producir fuerza a través de actuadores neumáticos, sean estos de tipo lineales o de rotación, pero además el para el control de los mismos éstos y la introducción de señales, fines de carrera y sensores, se emplean válvulas netamente neumáticas, es decir el mando, la regulación y la automatización se realiza de manera totalmente neumática, aun no presentan intervención electrónica o informática de ningún tipo en el sistema. Entonces se puede definir la neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse[4]. 2.1. ORIGENES DE LA NEUMATICA Y GENERALIDADES DE LA NEUMATICA El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas utilizadas por la humanidad, para reforzar sus recursos físicos. Se ha documentado que el primero que se ocupó de la neumática, es decir, utilizar el aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo de este tipo de energía, procede del siglo I D.C., y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente. Del griego antiguo se origina procede la expresión Pneuma, que designa lo etéreo, lo puro, el alma de los cuatro elementos fundamentales: aire, agua, tierra y fuego. Como derivación de la palabra Pneuma surge, entre otras cosas,
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el concepto neumático trata los movimientos y procesos del aire comprimido. Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo XX cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. A partir de 1950 se puede hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación. Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación, como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido). La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más evidente la exigencia de automatizar y racionalizar los procesos de trabajo, para reducir los costos de producción. En la actualidad, todo desarrollo industrial está concebido alrededor de los sistemas neumático, y en consecuencia se utilizan que emplean esta tecnología[1]. 2.2.
2.2.3. PROPIEDADES FISICAS : LA LEY DE BOYLEMARIOTT El aire puede comprimirse y tiene tendencia a expandirse. La ley de Boyle-Mariott describe estas propiedades del aire: El volumen de una cantidad determinada de gas contenido en un depósito cerrado es inversamente proporcional a la presión absoluta suponiendo una temperatura constante. O, en otras palabras: el producto de volumen y presión absoluta es constante suponiendo una cantidad determinada de gas, acorde a la siguiente igualdad algebraica p1*V1=p2*V2=p3*V 3 = constante [4]
AIRE COMPRIMIDO
Es la técnica por la cual aire que ha sido sometido a presión por medio de un compresor. En la mayoría de aplicaciones, el aire no sólo se comprime sino que también se deshumidifica y se filtra. El uso del aire comprimido es muy común en la industria, su uso tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido, aunque es mas preciso y no permite fuerzas grandes[1]. 2.2.1.
PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO
El aire es una mezcla de los gases de Nitrógeno y Oxigeno con una composición de N=78 % y O=22 %. [4]Además, el aire contiene rastros de vapor, dióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y xenón. 2.2.2.
PRESION
La presión es la magnitud física que mide la proyección de la fuerza aplicada por unidad de superficie, para el caso de los gases y hablando en términos del Sistema Internacional (SI) la unidad fundamental es el Pascal (Pa). 1 Pa equivale a la presión que aplica la fuerza vertical de 1N (newton) sobre una superficie de 1m2 [4]. La presión que presente en la superficie terrestre se denomina presión atmosférica (Pamb ), y es tomada como la presión de referencia para el trabajo con fluidos. Cualquier presión superior a la presión de referencia se llama sobrepresión (Pe > 0); la presión inferior se llama vacío (Pe < 0). La diferencia de la presión atmosférica Pe se calcula aplicando la ecuación Pe = Pabs − Pamb . La presión atmosférica no se mantiene constante para todas las altitudes. Su valor cambia según situación geográfica y dependiendo de las condiciones meteorológicas, especialmente la altitud frente al nivel del mar. Par contrarrestar los efectos del cambio en la presión atmosférica se ha estandarizado un nivel de presión denominado, NORMAL, en relación a la presión y la temperatura normalizados según la norma DIN1343 [3]. Temperatura normalizada Tn = 273,15 K, tn = 0 °C Presión normalizada P n = 101325 Pa = 1,01325 bar
Figura 1. Ley de Boyle-Mariott. Fuente: Fundamentos de las técnicas de Automatización. Festo
2.2.4. LEY DE GAY-LUSSAC La Ley de Gay-Lussac asume que el aire expande su volumen en 1/273 si la presión es constante y la temperatura aumenta 1 K partiendo de 273 K. entonces mientras no cambie la presión, y el volumen en un gas que este contenido en un depósito cerrado este se mantiene proporcional a la temperatura absoluta. [4]. Esto responde al principio algebraico denotado en la siguiente ecuación: VV12 = TT12 o de igual manera: VT . 2.2.5. ECUACIÓN GENERAL DE GASES Esta ecuación general considera todas las propiedades básicas de los gases (temperatura, volumen y presión) para gases contenidos en un sistema cerrado. De acuerdo con la siguiente igualdad donde todos se mantiene constante sin cambios en sus propiedades, evitando los fenómenos tanto, 1 2 isobáricos, isocóricos e isotérmicos. P 1∗V = P 2∗V T1 T 2 [4].
3.
CIRCUITO NEUMATICO
Un circuito neumático es un sistema en red por el cual se distribuye un flujo de aire a presión, análogo a los circuitos eléctricos cuenta con tes elementos clave, compresor
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las tuberías conductoras, análogas al cableado y material conductor en los circuitos eléctricos y los actuados finales, que convierten la fuerza del aire en movimiento, análogo en electrónica a los motores y demás dispositivos de accionamiento final.
3.1.
COMPONENTES DE UN CIRCUITO NEUMATICO
En básicamente un circuito neumático está compuesto por todos los elementos que se emplean para generar, transmitir y transformar fuerzas y movimientos por medio del aire comprimido, los cuales se describen en el presente literal. Figura 3. Filtro de Aire Comprimido y regulador de presión. Fuente: Festo Didactics
3.1.1.
COMPRESOR
Paralelo al caos de los circuitos eléctricos, los circuitos neumáticos también emplean fuentes de alimentación, estas fuentes de alimentación son compresores helicoidales o compresores de émbolo.
3.1.3.
REGULADOR DE PRESION
La válvula reguladora realiza el ajuste de presión necesaria en cada una de las partes del sistema. De esta manera es posible compensar posibles oscilaciones de presión que se producen en la red y mantener un flujo constante. 3.1.4.
VÁLVULAS DE CIERRE
Son utilizadas para separar entre sí redes de aire comprimido, contando el flujo mezclado. 3.1.5.
VÁLVULAS DE MANDO
Se encargan de bloquear el aire comprimido y lo conducirlo hacia los elementos de trabajo en el momento apropiado. 3.1.6.
VÁLVULAS DE TRABAJO
Son dependientes del tipo de cilindro a seleccionar, y alimentan cantidades especificas de aire en función del cilindro seleccionado.
Figura 2. Compresor helicoidal. Fuente. Festo Didactics
3.1.2.
FILTRO DE AIRE COMPRIMIDO
Estos filtros se utilizan para retener partículas de suciedad o condensado.
Figura 4. Válvulas Diversas. Fuente: Festo Didactics
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3.2.
CILINDROS
Los cilindros neumáticos son los actuadores finales en la mayoría de circuitos neumáticos y electro neumáticos caracterizados por su robustez lo que hace que sea pocos los fallos a sufrir proporcionando una amplia duración. Si tienen las dimensiones apropiadas, pueden ejecutar movimientos a gran velocidad. La configuración apropiada y el montaje correcto son indispensables para el buen funcionamiento del sistema. 3.2.1.
CILINDRO DE SIMPLE EFECTO
Los cilindros de simple efecto, reciben alimentación solo en uno de sus extremos. Por tal motivo, estos cilindros solamente pueden ejecutar un trabajo en un solo sentido. 3.2.2.
CILINDRO DE DOBLE EFECTO
Los cilindros de doble efecto reciben aire comprimido en sus dos extremos. Por ello, estos cilindros pueden ejecutar un trabajo en ambos sentidos, siendo mayor la fuerza ejercida en el sentido de avance que al retroceso.
especializados, peor con un alto grado de industrialización, como lo son: Agroindustria, Petroquímica, Farmacéuticos, Metalurgia, Silvicultura, Aviación. También su uso como herramientas de manipulación en los procesos de fabricación, o como maquinas totalmente neumaricas, como en los procesos de fabricación de piezas de plástico. Las aplicaciones neumáticas industriales son una de las tecnologías de mayor potencia en la industria moderna. Desde componentes individuales para lograr una completa aplicación neumática debe existir una completa integracion entre piezas de repuesto, localización de fallos y control.
5.
CONTROL
En adición a los actuadores, los sensores y detectores la etapa de control es un aspecto fundamental en el sistema de automatización, donde los equipos de control tienen las funciones especificadas por el cuadro 1. Controlar Regular Vigilar Adquisicion de Datos Comunicar Diagnosticar Cuadro 1 Funciones de control
Entonces se puede entender por control a la influencia que se ejerce sobre el flujo de energía o de materiales mediante una o varias señales en una cadena abierta. Los sistemas de control con frecuencia se usan para controlar procesos que se ejecutan paso a paso[4]. Algunos ejemplos son: Abrir una puerta cuando alguien se encuentra delante de ella Conmutar un semáforo a luz roja después de transcurrido un tiempo determinado Conectar la luz en un pasillo cuando se pulsa el interruptor y desconectarla transcurrido un tiempo determinado.
Figura 5. Cilindros y Actuadores Neumáticos. Fuente: Festo didactics
Figura 7. Diseño tipico en etapa de control. Fuente: Festo didactics
6. Figura 6. Componentes y grupos esenciales de un sistema de control neumático. Fuente Festo didactics
4.
NOMENCLATURA EN NEUMATICA
La nomenclatura usada en neumatica especificamente sta relacionada con el uso de los actuadores y de las valvulas de control y distribucion asi como de los imbolos adicionales para comprsores.
APLICACIONES DE LA NEUMATICA
La cantidad de aplicaciones se ve aumentada constantemente debido a la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías. Sus campos pueden variar de procesos netamente especializados y de precisión, como procesos no totalmente
6.1. DENOMINACIÓN Y SÍMBOLOS DE VÁLVULAS NEUMÁTICAS En la siguiente figura se muestran los tipos más importantes de válvulas de vías.
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operarios de la máquina pueden resultar afectados. Una de las ventajas de la transmisión neumática de energía es que la energía se puede controlar de forma relativamente fácil mediante el uso de válvulas.
7.2.
CONTROL DE PRESION
La presión en un sistema neumático debe ser controlada en dos puntos. Después del compresor y después del tanque del receptor de aire. El control de la presión se requiere después del compresor como una seguridad para el sistema. El control de la presión después de un tanque receptor de aire es necesario para que un actuador reciba una fuente de presión constante sin perdidas de energía.
7.3. CONTROL DE PRESION DESPUES DE LA COMPRESION
Figura 8. Denominación YSímbolos De Válvulas Neumticas. Fuente: Festo Didactics
6.2. TIPOS DE ACCIONAMIENTO DE VÁLVULAS NEUMÁTICAS En la siguiente figura se ofrece una información general sobre los tipos de accionamiento más importantes de las válvulas de vías.
En un sistema neumático, la energía suministrada por un compresor no se utiliza generalmente Inmediatamente, pero se almacena como energía potencial en el tanque receptor de aire en forma de aire comprimido. En la mayoría de los casos, un compresor está diseñado para que funcione intermitentemente. Un compresor normalmente suministra aire comprimido a un tanque receptor hasta que se alcanza alta presión, luego se apaga. Cuando la presión del aire en el tanque disminuye, el compresor entra y recarga el tanque. El funcionamiento intermitente del compresor de esta manera es un beneficio de ahorro de energía para el sistema. Un modo común de detectar la presión del tanque y controlar el accionamiento y la desactivación de compresores relativamente pequeños (2-15 HP), se realiza mediante interruptor de presión.
8.
ELECTRO NEUMATICA
El término electro-neumático se define a partir agregar el prefijo de electro, que significa eléctrico al ya definido concepto de neumática. El sistema electro-neumático es una integración de componentes eléctricos y de control a los ya conocidos componentes mecánicos del sistema neumático.
8.1. Figura 9. Tipos de accionamiento de válvulas neumáticas . Fuente Festo Didactics
7.
FORMAS DE TRABAJAR LA NEUMATICA
La neumática se puede trabajar mediante el control 3 tipos de control, dados por: Control de la energía neumática, control de presión y control de presión después de la compresión. 7.1.
CONTROL DE LA ENERGIA NEUMATICA
La energía transmitida neuróticamente debe ser dirigida bajo total control en todo momento. Si no está en control, el trabajo efectivo no se realizara y la maquinaria o los
CONTROL EN ELECTRO NEUMATICA
En electroneumatica el control se puede realizar de diversas formas, siendo las mas tipicamente usadas la etapa de potencia controlada mediante Relés y el control automatico controlado por medio de Controladores Logicos Programables (PLC) 8.1.1.
CONTROL POR RELES
Con el uso de relés es posible procesar todas las señales en un sistema de control electroneumático. Su utilización era ampliamente difundida antes de la aparición de los PLC. Dada su fianilidad, los sistemas de control por relés siguen utilizándose actualmente en aplicaciones industriales, por ejemplo, en sistemas de PARADA DE EMERGENCIA.
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robotica en una industria y siempre esta embebida en todos los procesos.
R EFERENCIAS
Figura 10. Esquema Accionamiento Directo por Relés. Fuente: Festo Didactics
8.1.2. CONTROL POR PLC En contraste al uso de Relés para el control de los sistemas electro neumáticos se emplea en tareas que exceden sus capacidades y complejidad para dar solución los controladores lógicos programables (PLC). Con estos controles, el programa no está determinado por la conexión entre varios relés individuales, sino por el contenido programado vía software. Los PLC principalmente se basan en el procesamiento de señales binarias.
Figura 11. Programador Logico Programable Logo Siemen. Fuente: Siemens Gmbh.
9.
CONCLUSIONES
Esta explicito que desde los origenes de la civilizacion (occidental) el hombre ha buscado tecnicas que le permitan solucionar problemas tipicos de su entorno, asi como aumentar la complejidad de los procesos para e incremento de su eficiencia, el aire en su fase de compresion ha estado presente durante la historia y ha tenido un vital desarrollo desde la maquina de vapor hasta los sistemas automaticos que se conocen hoy dia. En la actualidad dada la complejidad y precision requerida por los provcesos productivos la neumatica como unica herramienta ha quedado en un corto alcance por lo cual ha evolucionado a las tecnicas de electroneumatica añadiendo herramientas de control computacional y actuadores electricos, que complementan las fases de automatizacion en la industria mas ala de los sistemas roboticos, dado que son la capa previa a la automatizacion
[1] Agila Condoy and Carlos Ignacio. Diseño de un módulo didáctico para prácticas de neumática en el laboratorio de control industrial de la carrera de educación técnica de la facultad de filosofía, letras y ciencias de la educación de la universidad central del ecuador durante el período febrero-julio 2013. 2013. [2] Antonio Creus Solé. Neumática e Hidráulica. Marcombo, 2012. [3] FESTO DIDACTIC. Curso de Neumática para la Formación Profesional. [4] F Ebel, S Idler, G Prede, and D Scholz. Fundamentos de la técnica de automatización. Pittschellis, Reinhard (Red.). Alemania: Festo Didactic GmbH Co, 2008. [5] Stefan Hesse. 99 ejemplos prácticos de aplicaciones neumáticas. Festo Company Group, 2000. [6] Xiao-mao HUANG, Sheng-fa YUAN, and Xin-mian XIAO. The teaching of hydraulic transmission with automation studio software [j]. Equipment Manufacturing Technology, 9:085, 2011. [7] Hidráulica Neumática and Electricidad Aplicada. José roldán viloria. Paraninfo. Año, 2001.
