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6.4. Conmutadores

Los conmutadores al igual que los interruptores son de accionamiento manual sin embargo, estos están diseñados para dirigir la electricidad entre varios circuitos.

Conmutador

En conmutadores se puede distinguir dos configuraciones de circuito:

1 Conmutador alternativo: esta configuración se caracteriza por no tener punto neutro, funcionando como un interruptor pero localizado en dos puntos del circuito, con lo que cuando se actúa en cualquiera de ellos, se produce una sola acción de cierre o apertura del circuito.

2 Conmutador de cruce: esta configuración permite conmutar un circuito en tres o más puntos diferentes.

Al igual que el interruptor, el conmutador industrial está regulado por la normativa EN 50178.

La siguiente imagen muestra la simbología empleada en un circuito para designar a los conmutadores.

6.5. Dispositivos de señalización

Los sistemas de automatización industrial generalmente están provistos de equipos de señalización que aportan información a los operarios sobre el estado de un proceso o máquina. Principalmente se emplean dos técnicas de señalización acústica o lumínica y en ocasiones se emplean ambas, con el objeto de aportar una mayor seguridad.

Cuadro eléctrico con pilotos de señalización

Las señales lumínicas son producidas por lámparas que se ubican en las cajas o cuadro de botones. En la industria se emplea todo tipo de colores, aunque generalmente el rojo es usado para señalas alarmas o fallas en el sistema. Para la señalización a larga distancia se emplean balizas que generalmente parpadean o emiten luz intermitente para aumentar la atención del operario en situaciones de riesgo o peligro.

Diferentes balizas de señalización

El Real Decreto 485/1997, de 14 de abril, contempla las disposiciones mínimas en materia de señalización de seguridad y salud en el trabajo.

Ejemplo

El siguiente circuito de automatización es un diagrama que contiene algunos de los elementos hasta ahora estudios.

Analizando el diagrama se puede observar que se trata de dos circuitos con dos fuentes de alimentación. En el circuito 1 la fuente de alimentación provee de energía al contactor, que sirve para accionar el circuito 2. Cuando el interruptor se encuentra abierto y no fluye electricidad hacia el contactor, el circuito de la bombilla se encuentra normalmente cerrado con la bombilla encendida. En caso de accionar el interruptor del circuito primario, el contactor cambia de posición abriendo el circuito de la bombilla y cerrando la el circuito de la sirena, haciendo que esta funcione.

Actividades

12. Dibuje un diagrama de automatización que incluya los siguientes elementos:

1 2 fuentes de alimentación

2 1 conmutador

3 1 interruptor

4 3 bombillas

5 1 relé de dos contactos

6 Una alarma

En el siguiente plano de ejecución de un cuadro eléctrico para automatización se puede ver un ejemplo de emplazamiento de los componentes y aparamenta eléctrica.

Aplicación práctica

Acaba de recibir al correo electrónico el siguiente diagrama de una instalación automática. Un compañero del departamento de ventas le pide que lo analice y realice un listado con los componentes que intervienen. Además le gustaría saber cómo funciona realmente, por lo que debe responderle explicándole cómo funciona.

SOLUCIÓN

La lista de componentes sería:

1 2 fuentes de alimentación

2 2 bombillas

3 1 conmutador

4 1 sirena

5 1 relé

El diagrama contiene dos circuitos, donde el circuito 1 alimenta a una bombilla y un relé por medio de un conmutador.

En el circuito 2, la fuente de alimentación provee de electricidad a una bombilla y a una sirena.

En el estado actual el computador alimenta una bombilla, mientras que mantiene abierto el circuito del relé haciendo que funcione la sirena. Cuando se actúa sobre conmutador y éste cambia de posición, la bombilla del circuito 1 deja de funcionar y activa el relé que cambia de posición activando la bombilla del circuito 2 a la vez que desactiva la sirena.

7. Detectores y captadores

Aunque el contactor – relé es el elemento principal que caracteriza a un sistema automático industrial, los detectores y captadores son elementos fundamentalmente necesarios para recibir o captar las señales del circuito y con ello asistir y proveer a la unidad de control de la información necesaria para el correcto funcionamiento del sistema automático.

Definición

Detector o captador

Es un dispositivo electromecánico que transforma las magnitudes físicas en señales eléctricas para ser procesadas por la unidad de control.

En automatización industrial se pueden distinguir dos tipos de sensores - captadores:

1 Captador electromecánico: estos dispositivos montan un accionador o palanca que abre o cierra el circuito al que se encuentra conectado.

2 Captador estático o de estado sólido: es un sensor que permite detectar movimientos sin contacto físico.

7.1. Detector/captador electromecánico

Los interruptores finales de carrera son captadores de tipo electromecánicos ampliamente utilizados en los sistemas de automatización industrial para indicar el final de recorrido de un elemento móvil. Es un dispositivo cuyo funcionamiento se basa en el contacto físico de una palanca que produce el cierre o apertura del circuito.

Interruptor final de carrera

Los interruptores finales de carrera están a medio camino entre los interruptores y los sensores, ya que estos pueden ser empleados como elemento de control, pero también como elemento indicador de la posición de un dispositivo o máquina.

Una de las características de los finales de carrera es que aunque funciona como un interruptor, este no queda enclavado y al cesar la presión sobre la palanca esta recupera su poción original de reposo.

En función de las necesidades de la máquina o del automatismo a controlar, se pueden encontrar interruptores finales de carrera con distintos diseños de los cabezales, así como distintos materiales de los mismos para trabajar con fiabilidad, adaptándose a las condiciones de funcionamiento.

Distintos cabezales en interruptores finales de carrera

Además de los interruptores finales de carrera, existen dispositivos captadores electromagnéticos empleados para indicar el cambio en las magnitudes físicas de un proceso o el estado del mismo. Algunos de estos elementos son los presostatos, los caudalímetros y demás instrumentación de campo que será abordada en el siguiente apartado.

Actividades

13. Encuentre tres sistemas automáticos de su entorno que contengan detectores o captadores mecánicos.

7.2. Detector/captador estático

La principal diferencia entre los captadores estáticos y electromecánicos reside en la manera en la que el sensor o captador recibe la señal externa para realizar el corte o cierre del circuito. En el caso de los captadores estáticos una variación magnética es la encargada de producir la señal que abrirá/cerrará el circuito conectado.

Detector estático

Los sensores estáticos son principalmente usados en automatización industrial para detectar la proximidad de elementos físicos. No obstante, en automatización industrial se pueden encontrar los siguientes tipos:

1 Sensores magnéticos: reaccionan cuando se encuentran cerca de la influencia de un campo magnético bien sea producido por un imán o por un electroimán.

2 Sensores inductivos: se emplean únicamente para detectar la posición o proximidad de un objeto metálico. Los sensores inductivos se pueden emplear como interruptores finales de carrera con la ventaja de no entrar en contacto directo con la pieza, esto lo hace más duradero. Además estos presentan la ventaja de una mayor resistencia a ambientes corrosivos, así como fiabilidad ante altas temperaturas.

3 Sensores capacitivos: aunque su aspecto es similar a los sensores inductivos, los sensores capacitivos permiten no solo detectar elementos metálicos, sino también cualquier otro elemento no conductor de la electricidad como madera, plásticos, minerales, fluidos, etc. Los sensores capacitivos están formados por un condensador que genera un campo eléctrico que conectado con un resonador tiene la capacidad de detectar objetos cercanos. Cuando un objeto se encuentra cerca del sensor capacitivo, este interfiere y modifica la frecuencia del resonador u oscilador, reconociendo el sensor por medio de la variación de frecuencia que un objeto se encuentra cercano al sensor. Su funcionamiento óptimo se produce en distancias muy próximas al objeto.

4 Sensor fotoeléctrico: el funcionamiento de los sensores fotoeléctricos se basa en el uso de un haz de luz como medio de detección. El haz de luz es emitido por una célula y captada por otra, según la localización de dichas células en el sensor se distinguen varios tipos:Réflex: donde la célula emisora y captadora se aloja en la misma caja o contenedor. Para su correcto funcionamiento es necesario alinear con el sensor un espejo reflectante. Este sistema es idóneo para distancias menores de 15 m.Barrera: en este tipo de fotosensor la célula emisora se encuentra enfrente de la célula captadora, formando una barrera. Los fotosensores de barrera permiten distancias mayores que los de tipo réflex.Sensor fotoeléctrico de proximidad: aunque su montaje es similar al sensor réflex, en este caso la diferencia es que no se emplea ningún espejo adicional, sino que es el propio objeto el que hace las veces de espejo reflejando el haz lumínico. A menudo, debido a la dificultad técnica de controlar el reflejo de un haz de luz en el objeto, este sistema se emplea en distancias cortas.

5 Sensor de ultrasonidos: capaz de detectar objetos sin necesidad de contacto físico el sensor de ultrasonidos o sonar es muy versátil, puesto que permite detectar objetos tanto en distancias mínimas como en amplias longitudes. Generalmente es empleado en instalaciones especiales debido a su coste relativamente alto en comparación con los anteriores.

Definición

Resonador u oscilador

Es un dispositivo o sistema que presenta la capacidad de oscilar a la misma frecuencia de la onda con la que entra en contacto, registrando así la resonancia o frecuencia de la onda. El resonador puede registrar tanto ondas mecánicas como electro mecánicas.

Actividades

14. Elabore una tabla que recoja las principales características y diferencias entre los captadores magnéticos, inductivos y capacitivos. ¿Puede detectarse un objeto no metálico con un sensor magnético? Exponga un ejemplo.

Aplicación práctica

Imagine que visita la fábrica de “Muebles Torres” para realizar la reparación de un circuito automatizado. En una de las cadenas de producción el sensor se ha dañado debido a la cantidad de material proyectado como resultado de los procesos de mecanizado que se llevan a cabo en la sección.

Va a implementar un nuevo sensor, y en esta ocasión el cliente le ha pedido que el sensor sea resistente y fiable, además alega que el anterior sensor cometía errores de detección cuando la pantalla reflectora estaba muy sucia y debido al proceso que se realiza en la sección es difícil proteger contra la suciedad dicha pantalla. Los objetos que circulan por dicha sección son piezas decorativas que serán ensambladas en posteriormente en el los distintos muebles. Estas piezas son distintas entre ellas en cuanto a tamaño, geometría y material.

Determine el tipo de detector que existía anteriormente y describa el sistema que va a emplear en el proceso para reparar el circuito teniendo en cuenta que no debe ser excesivamente caro, además de contribuir a su mejora paliando los problemas descritos por el cliente. Razone su respuesta.

SOLUCIÓN

Por la descripción todo hace indicar que el anterior sensor se trataba era de tipo fotoeléctrico con un espejo reflector para la señal.

Debido a la distinta naturaleza de los materiales a emplear no es recomendable el uso de detectores inductivos, ya que en presencia de objetos no metálicos este resultaría inútil. Por la misma razón se descartan los sensores magnéticos.

El sensor capacitivo sería una buena opción para detectar objetos de distinto material, sin embargo la variabilidad en la geometría de las piezas que circulan por el circuito de producción, no asegura que el objeto pase a una distancia corta del sensor donde este detecte correctamente los objetos.

Todo hace indicar que la mejor opción es emplear un detector fotoeléctrico o de ultrasonidos. Se descarta el sistema de ultrasonidos, ya que no se trata de una instalación especial y se puede realizar la misma función con un sistema fotoeléctrico más económico.

Dentro de los sensores fotoeléctricos se encuentra el réflex, el de barrera y el de proximidad. Se va a buscar una solución alternativa al sistema réflex anteriormente instalado con el objeto de reducir los problemas de suciedad en el reflector. Las opciones que restan son de barrera y de proximidad. Instalando un sistema de barrera se colocará un segundo sensor en la ubicación anterior el espejo reflector con lo que al tiempo a nuestro cliente se le volverá a presentar el mismo problema, por lo que la solución pasa por instalar un sensor fotoeléctrico de proximidad, con la capacidad de detectar objetos de distintos materiales y geometrías además de no emplear un sistema reflector. En su instalación habrá que asegurarse de que la distancia entre el objeto a detectar y el sensor sea adecuada para su correcto funcionamiento.

8. Instrumentación de campo: instrumentos de medida de presión, caudal, nivel y temperatura

En ocasiones los sistemas de automatización deben controlar variables como presión, caudal, temperatura o nivel de un líquido. Es por ello necesario dotar al sistema de equipos e instrumentación adecuada.

8.1. Instrumento de medida de presión

Para la medida de presión en sistemas automatizados se emplean tanto sensores mecánicos como electromecánicos; los sensores mecánicos miden la presión gracias a la deformación elástica de un elemento o dispositivo elástico. Entre los mecánicos de medida de presión se pueden destacar los siguientes:

1 Tubo Bourdon: es un sensor mecánico que se emplea para la medida de la presión mediante un tubo aplanado o curvado en forma de C, de hélice o en espiral. Al aumentar la presión en el interior del tubo este se deforma generando el movimiento que es transmitido a una aguja calibrada para señalar el nivel de presión. A este sistema se le puede aplicar también un dispositivo electromagnético que gracias a la variación del campo magnético se produce la señal que puede ser leída por un automatismo de control.

2 Medidor de presión de diafragma: actúa como un mecanismo pistón - émbolo en cuyo interior se encuentran varias cápsulas en forma de diafragma que en función de la presión aplicada estas se comprimen o destensan, obteniéndose la medida de la presión por la suma de las deformaciones parciales de dichas cápsulas.

3 Medidor de presión de fuelle: su funcionamiento es muy similar al de diafragma, sin embargo está compuesto por un solo elemento flexible axialmente que por el efecto de la presión se contrae o destensa generando el movimiento necesario para marcar la presión.

Actividades

15. ¿Qué diferencias encuentra entre un medidor de presión de diafragma y uno de fuelle? Realice un dibujo explicativo.

Los medidores de presión electromecánicos emplean un transductor electrónico que al captar una variación en la presión en el sensor, generan una señal que es transmitida hacia el equipo de control del automatismo. En las instalaciones industriales de automatización se pueden encontrar los siguientes tipos:

1 Sensor capacitivo: en el sensor capacitivo el fluido entra en contacto con una membrana móvil que actúa a modo de sensor y está justo en el medio de otras dos membranas fijas que portan sendas placas metálicas conectadas a un condensador. Según la presión del sistema, la membrana intermedia se desplaza acercándose a una de las membranas externas, esta variación permite establecer una oscilación en el condensador para obtener la medida de la presión.

2 Sensor de galgas extensiométricas: se basa en la medida de resistencia eléctrica que ofrece una galga a su variación de longitud y diámetro cuando es sometida a una presión.Sensor de galgas extensiométricas

3 Sensor piezoeléctrico: materiales piezométricos como el cuarzo, al deformarse debido a la presencia de una presión externa, generan una señal eléctrica que puede ser empleada por la unidad de control automático para establecer la presión del sistema.Sensor de presión piezoeléctrico

4 Sensor de presión inductivo: un circuito inductivo formado por una bobina en cuyo interior se encuentra un núcleo móvil, que por medio de la acción de la presión es desplazado genera la señal necesaria para ser registrada la presión en el sistema de control automático.Sensor de presión inductivo

Actividades

16. Realice un esquema que muestre todos los medidores de presión además de sus características más significativas.

8.2. Instrumentos de medida de caudal

La medida de caudal en sistemas automáticos industriales lleva a cabo mediante caudalímetros, estos pueden ser medidores de presión diferencial, velocidad, másicos y volumétricos.

Caudalímetro de presión diferencial

Estos caudalímetros emplean la relación entre la diferencia de presión, la velocidad y la densidad de un fluido para establecer la medida del caudal. Entre los medidores de presión diferencial se pueden destacar:

1 Caudalímetro de Venturi: consiste en un cambio de sección cónica de la tubería que porta el líquido o fluido con el objeto de aprovechar la diferencia de presión producida para la medida del caudal. Gracias a la relación entre presión y caudal de los fluidos conociendo la presión de este se puede establecer el caudal.Caudalímetro Venturi

2 Caudalímetro de placa: la diferencia de presión la crea una placa con un orificio en el centro que interrumpe la normal circulación del fluido. La lectura de la variación en la presión mediante un sistema calibrado es la que permite establecer el caudal circulante.

3 Caudalímetro Pitot: consiste en instalar un tubo que mirando hacia el sentido en el que viene el fluido el líquido entra por el tubo y marca la presión gracias a tener calibrada su altura.

4 Caudalímetro de turbina: el caudal se obtiene a través de la medida en la velocidad de una turbina alojada en la tubería.

Medidores de caudal electromagnéticos

Los medidores de caudal electromagnéticos se basan en la ley de Faraday por la que: el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor y fuerza del campo.

Este sistema no entra en contacto directo con el fluido a medir, sino que el campo electromagnético generado se ve alterado por el fluido que circula en el interior de la válvula.

Los elementos principales que componen los caudalímetros electromagnéticos son el tubo de caudal y el sensor o transmisor para transferir la señal a la unidad de control.

Medidor de caudal electromagnético

Las ventajas de los caudalímetros electromagnéticos en comparación con los de tipo mecánico anteriormente estudiados son:

1 Gran estabilidad en la medida a largo plazo.

2 Gran fiabilidad.

3 Bajo coste de mantenimiento.

La colocación de un caudalímetro en la instalación debe ser siempre bajo el nivel piezométrico de manera que siempre esté alimentado por el fluido y nunca exista una pérdida de presión o vacío.

Definición

Nivel piezométrico

Es la línea que establece la altura que alcanza el agua de una instalación a presión atmosférica sobre una línea horizontal de referencia. Es decir, si la línea piezométrica alcanza 5 m en un punto de la instalación, esto indica que en dicho punto si se produjera la rotura de la tubería que contiene el líquido, este sería proyectado hasta alcanzar una altura de 5 m.