GRAFCET: Fundamentos y Componentes
El GRAFCET se compone de un conjunto de:
- Etapas o estados a las que van asociadas acciones.
- Transiciones a las que van asociadas receptividades.
- Uniones orientadas que unen las etapas a las transiciones y las transiciones a las etapas.
Etapas del GRAFCET
Una etapa se caracteriza por un comportamiento invariable en una parte o en la totalidad de la parte de mando.
En un momento determinado, y según sea la evolución del sistema:
- Una etapa puede estar activa o inactiva.
- El conjunto de las etapas activas define la situación de la parte de mando. Las etapas se representan mediante un cuadrado con un número en su parte superior como identificación.
La entrada y salida de una etapa aparecen en la parte superior e inferior, respectivamente, de cada símbolo. El conjunto formado por el cuadrado y la extensión de las entradas y salidas constituye el símbolo completo de la etapa.
Automatismos y Cuadros Eléctricos: Conceptos Esenciales
¿Qué es un Automatismo Eléctrico?
En electricidad, se denomina automatismo al circuito capaz de realizar secuencias lógicas sin la intervención humana.
Los automatismos están presentes en operaciones tan diversas como el arranque y control de maquinaria, la gestión de energía, la subida y bajada de persianas, el riego automático, entre otras.
Componentes Clave de un Automatismo
Máquina o Planta
Es el elemento principal objeto del control automático. Puede estar constituido por un único aparato (motor eléctrico, bomba hidráulica, compresor de aire, máquina herramienta, etc.) o por un conjunto de dispositivos dispuestos en planta con una finalidad concreta (climatización de zona, sistema de riego, cinta transportadora, etc.).
Fuente de Energía
Es el medio empleado para realizar el control. En un automatismo eléctrico, este medio lo constituye la energía eléctrica aplicada en sus distintas formas.
Controlador o Autómata
Es el dispositivo o conjunto de dispositivos encargados de establecer el criterio de control. Partiendo de la señal proporcionada por el detector o sensor, y de acuerdo con las indicaciones del operador o con algún criterio de actuación previamente definido, determina la señal de control correspondiente que debe ser aplicada al actuador para mantener la máquina o la planta en las condiciones de funcionamiento previstas.
Actuador
Es el dispositivo utilizado para modificar la aportación de energía que se suministra a la máquina o a la planta. En los automatismos eléctricos, encontramos actuadores típicos como relés, contactores, electroválvulas, válvulas motorizadas, tiristores, etc.
Sensor
Es el elemento empleado para medir o detectar la magnitud de la variable que deseamos controlar. Adquiere o detecta el nivel del parámetro objeto de control y envía la señal correspondiente, habitualmente eléctrica, al dispositivo controlador. Los sensores de uso frecuente en automatismos son: tacómetros, codificadores digitales, sensores de proximidad, o sondas de temperatura, presión o nivel, entre otros.
Operador
Es el conjunto de elementos de mando y señalización que facilita el intercambio de información entre personas y automatismos para modificar o corregir las condiciones de actuación de la máquina o planta bajo control. Debemos considerar que la mayoría de los automatismos deben posibilitar que el ser humano incida de forma directa, y en el instante deseado, sobre el proceso, con el objetivo de solventar situaciones de avería, mantenimiento o emergencia.
Fases de Realización de un Automatismo
Las distintas fases o tareas en las que se divide la confección o realización de cualquier automatismo eléctrico son:
Diseño y Funcionalidad
Se corresponde con el estudio meticuloso de las funciones básicas que debe realizar el automatismo. En esta fase, deberemos concretar con precisión el comportamiento del automatismo y clarificar con nitidez todas y cada una de las operaciones que este debe resolver.
Dimensionado de Dispositivos
Esta fase debe servirnos para elegir el conjunto de dispositivos apropiado para realizar el automatismo. Con este propósito, deberemos calcular la potencia eléctrica que debe aceptar o proporcionar cada uno de los elementos del automatismo, dimensionar los cables de alimentación y de señal, prever la vida útil de los mecanismos utilizados, analizar cuidadosamente las características de las señales empleadas en la interconexión de los diferentes módulos y prever los elementos necesarios de seguridad y mantenimiento.
Esquema Eléctrico
El objetivo principal de esta fase es la confección del esquema eléctrico del automatismo. Debe ser completo y hemos de confeccionarlo con una notación clara y comprensible en la que estén representados todos los componentes, perfectamente conectados y referenciados.
Cuadro Eléctrico
En esta fase, debemos abordar la mecanización del cuadro eléctrico y la ubicación en su interior de los diferentes elementos que componen el automatismo.
Ensayo y Prueba
Una vez realizada la instalación del automatismo, se realizará su ensayo y prueba. En esta fase, será conveniente actuar con un plan de trabajo previamente establecido que contemple la entrada en funcionamiento, progresiva y en secuencia, de las diferentes partes del automatismo.
Puesta en Servicio
Solo si el automatismo funciona de forma satisfactoria en la fase de prueba, podremos abordar la fase de puesta en servicio. La puesta en servicio del automatismo debe ir acompañada, siempre, de un manual de operación que recoja de forma explícita todos aquellos aspectos necesarios para la explotación del sistema y, también, de un manual de intervención para los casos en los que se produzcan averías o se deba realizar el mantenimiento.
Representación de Esquemas Eléctricos
Esquema de Mando
El esquema de mando es una representación de la lógica del automatismo; deben estar representados los siguientes elementos:
- Bobinas de los elementos de mando y protección (contactores, relés, etc.).
- Elementos de diálogo hombre-máquina (pulsadores, finales de carrera, etc.).
- Dispositivos de señalización (pilotos, alarmas, etc.).
- Contactos auxiliares de los aparatos.
Todos los elementos deben estar identificados por la clase de aparato, su número y su función. El dibujo del esquema de mando se realiza sobre formato A4 con un trazo más fino que el del circuito de potencia, según la norma UNE 0,5 mm. Si el circuito es sencillo, se pueden dibujar en la misma hoja el esquema de potencia (a la izquierda) y el de mando (a la derecha). Cuando esto no sea posible, se dibuja primero el de potencia y después el de mando. Se utilizarán más hojas, numerando el orden sobre el total; así, 1/5, 2/5, 3/5… nos indica que el total de hojas es 5 y la primera cifra, el orden que ocupa.
Esquema de Potencia
El esquema de potencia es una representación del circuito de alimentación de los accionadores (motores, líneas, etc.). En este esquema figuran los contactos principales de los siguientes elementos:
- Dispositivos de protección (disyuntores, fusibles, relés, etc.).
- Dispositivos de conexión-desconexión (contactores, interruptores, etc.).
- Actuadores (motores, instalaciones, etc.).
- Todos los elementos estarán identificados con la letra de clase de aparato, número y función.
- El dibujo del esquema de potencia se realiza sobre formato A4, con trazos más gruesos que el circuito de mando, según norma UNE 0,7 mm para el circuito de potencia y 0,5 mm para el circuito de mando.
El Contactor: Componentes y Funcionamiento
Partes del Contactor
En la construcción de un contactor electromagnético se distinguen:
- Circuito magnético.
- Contactos.
- Resortes.
- Cámaras.
- Soportes.
a) Circuito Magnético
El núcleo es una pieza (de chapa magnética si el contactor es de corriente alterna o de hierro dulce si es de corriente continua) situada en el interior de la bobina y encargada de atraer la armadura cuando esta es excitada.
La armadura, construida del mismo material que el núcleo, transmite el movimiento a los contactos cuando es atraída por el núcleo.
La bobina es un carrete de espiras de hilo esmaltado que, al ser recorrida por la corriente, crea un campo magnético en el núcleo.
b) Contactos
Los contactos son los encargados de la conexión y desconexión; los contactos principales actúan en el circuito de potencia y los auxiliares en el circuito lógico de mando. Los de fuerza o potencia están preparados para un mayor poder de corte y se encargan de controlar las cargas de potencia (por ejemplo, un motor eléctrico, un conjunto de radiadores eléctricos, etc.). Los de mando se utilizan para tareas auxiliares y de control.
c) Resortes
Los resortes están constituidos por muelles de presión; su función es regular la presión entre contactos y, mediante muelles antagonistas, separar bruscamente los contactos en la desconexión.
d) Cámaras de Extinción
Las cámaras de extinción son compartimentos donde se alojan los contactos y son las encargadas de alargar, dividir y extinguir el arco.
e) Soporte
El soporte es el armazón donde están fijadas todas las piezas que componen el contactor.
Funcionamiento del Contactor
Si se conecta una bobina a la red eléctrica a través de un interruptor, como se muestra en la figura, se observará que cuando el interruptor está abierto, el circuito magnético se encuentra inactivo y el martillo se mantiene separado de la culata por el resorte.
En esta situación, los contactos eléctricos, tanto los de fuerza como los auxiliares, se encuentran en su posición de reposo. Es decir, los contactos normalmente abiertos permanecen abiertos y los normalmente cerrados, cerrados.
Si se cierra el interruptor conectado al borne A1 de la bobina, esta se excita y el circuito magnético se cierra, moviendo con él todos los contactos del contactor.
En esta situación, los contactos normalmente abiertos se cierran y los normalmente cerrados se abren.
Si el interruptor vuelve a la posición de abierto, la bobina dejará de excitarse, abriéndose el circuito magnético mediante el resorte y, por lo tanto, llevando a la posición de reposo los contactos del contactor.
De esta forma, si un motor trifásico se alimenta a través de los contactos de fuerza de un contactor, se puede parar y poner en marcha con un simple interruptor monopolar de escaso poder de corte.
Elementos de Mando y Señalización en Automatismos
Pulsadores
Los pulsadores son elementos mecánicos de cierre y apertura. Un pulsador se activa actuando sobre él, pero volverá a su posición de reposo automáticamente cuando se elimine la acción que lo activó.
Son elementos que intervienen en el diálogo hombre-máquina. Cuando son activados, envían una señal al elemento de tratamiento de información.
Los botones de los pulsadores pueden ser de diferentes colores, pero hay que prestar especial atención al color verde, que se utiliza para la puesta en marcha, y al rojo, que se utiliza para la parada.
Finales de Carrera (Interruptores de Posición)
Los finales de carrera (también conocidos como interruptores de posición) son pulsadores utilizados en el circuito de mando, accionados por elementos mecánicos. Normalmente, se utilizan para controlar la posición de una máquina herramienta.
Desde el punto de vista del circuito eléctrico, están compuestos por un juego de contactos NA (normalmente abierto) y NC (normalmente cerrado), de forma que cuando son accionados, cambian las condiciones del circuito.
En la elección de un final de carrera se deben tener en cuenta:
- Número de contactos necesarios.
- Condiciones de trabajo (seco, húmedo, materiales en suspensión, etc.).
- Esfuerzos mecánicos a los que será sometido.
- Número de maniobras por unidad de tiempo.
Interruptores de Control de Nivel
Los interruptores de nivel tienen cierta similitud con los finales de carrera; también controlan la posición de una máquina, en este caso, un equipo de nivel de líquidos.
Su utilización más frecuente es el control de electrobombas, provocando la puesta en marcha o parada según la posición en que se encuentre el flotador situado en el interior del depósito. Este arranque o parada se realiza por medio de un juego de contactos que forman parte del circuito de mando.
Termostatos
Es un aparato destinado a influir en el circuito de mando para determinados valores de temperatura. Por medio de un dispositivo captador, se cambia el estado de los contactos a partir de unos valores predeterminados de temperatura. En la elección de este aparato, debemos tener en cuenta aspectos como el lugar de trabajo, el entorno, el margen de temperatura a controlar, el fluido, etc.
Presostatos
Los presostatos son aparatos destinados a controlar equipos hidráulicos o neumáticos entre varios valores de presión. El dispositivo de presión actúa sobre un juego de contactos que cambiará las condiciones del circuito entre unos umbrales de presión. En la elección de este aparato, debemos tener en cuenta aspectos como el lugar de trabajo, el entorno, el margen de presión a controlar, el fluido, etc.
Detectores de Proximidad
Los detectores son aparatos auxiliares que, en muchos sistemas, sustituyen a los finales de carrera, principalmente porque son estáticos y no sufren ningún tipo de desgaste mecánico, a diferencia de los finales de carrera. Básicamente, existen:
- Detectores capacitivos: Están basados en un circuito oscilante formado por un condensador y una resistencia. Cuando cualquier objeto, metálico o no, se acerca al condensador, se produce una variación en la capacidad de este que provoca el accionamiento del circuito de disparo.
- Detectores inductivos: Están basados en un circuito oscilante formado por una bobina y un condensador. En este caso, solamente la proximidad de objetos metálicos produce las oscilaciones necesarias para el accionamiento del circuito de disparo.
- Detectores fotoeléctricos: Basan su funcionamiento en la interrupción de una barrera luminosa generada por un emisor de luz, visible o infrarroja. Cuando el elemento receptor deja de recibir la radiación luminosa, se activa el circuito de disparo:
Detectores de Barrera
Tienen el emisor y el receptor del haz luminoso separados, que se activa cuando se interrumpe el haz al intercalarse un objeto.
Detectores Reflex
El emisor y el receptor están montados juntos en el mismo soporte y el retorno se hace mediante un reflector.
Detectores de Proximidad (Difusos)
El emisor y el receptor están montados juntos en el mismo soporte. El haz es reflejado hacia el receptor por cualquier objeto que se encuentre próximo a él.
Conexión de Detectores
Dependiendo del circuito de disparo del detector, estos pueden ser de 2 o 3 hilos.
Detectores de 3 Hilos
Atendiendo a la polarización del detector, se distinguen dos tipos: PNP o NPN. En el detector NPN, la carga se conecta entre el terminal de salida y el positivo de la alimentación.
Como dispositivos de carga, pueden ser utilizados contactores o relés con tensiones adecuadas a la alimentación.
Detectores de 2 Hilos
Se utilizan como captadores mecánicos convencionales (interruptores, pulsadores, etc.), conectándose en serie con la carga a controlar. Los alimentados por corriente continua necesitan respetar la polaridad de la alimentación.
Pilotos de Señalización
Los pilotos de señalización forman parte del diálogo hombre-máquina y se utilizan en el circuito de mando para indicar el estado actual del sistema (parada, marcha, sentido de giro, etc.). Generalmente, están constituidos por una lámpara o diodo montado en una envolvente adecuada a las condiciones de trabajo.
Existe una gran variedad en el mercado según las necesidades de utilización (tensión, colores normalizados, consumo, iluminación, etc.).
Señalización Acústica
Los dispositivos de señalización acústica están basados en zumbadores, timbres, sirenas, bocinas y silbatos.
Se instalan para señalizar situaciones del automatismo que requieren la atención inmediata del operario, como alarmas, fallos o el disparo de protecciones.
Protección de Instalaciones Eléctricas
Sobreintensidades
Pueden ser de dos tipos:
- Sobrecargas (exceso de carga)
- Cortocircuitos
Sobrecargas (Exceso de Carga)
Se producen por un consumo excesivo de las cargas conectadas al generador, o por la conexión de un elevado número de receptores. En el caso de los motores eléctricos, las causas más comunes que pueden provocar una sobrecarga son: el exceso de carga del motor, el rotor bloqueado o el funcionamiento a dos fases (en motores trifásicos), entre otras.
Cortocircuitos
Un cortocircuito es el contacto directo (sin resistencia) de dos puntos con potenciales eléctricos distintos. Las causas pueden ser varias: cables rotos, flojos o pelados; presencia de cuerpos metálicos extraños; depósitos conductores (polvo, humedad, etc.); filtraciones de agua o de otros líquidos conductores; deterioro del receptor o error de cableado durante la puesta en marcha o una manipulación.
Defecto de Aislamiento
Es la unión entre partes no conductoras no activas o masas (carcasas, armarios y cuadros eléctricos, etc.) con partes conductoras activas (cables o conexiones) sometidas a tensión. Es necesario tomar las medidas de protección y seguridad oportunas en los circuitos para evitar que se produzcan daños importantes en las instalaciones eléctricas o a las personas.
Fusibles
Son dispositivos de protección contra sobreintensidades; abren el circuito cuando la intensidad que lo atraviesa supera un determinado valor, como consecuencia de una sobrecarga o un cortocircuito.
Interruptor Automático o Magnetotérmico
El interruptor magnetotérmico es un dispositivo de protección contra corrientes de sobrecarga y cortocircuitos. Provoca la apertura automática del circuito en el que está instalado cuando dichas corrientes se producen. Como indica su nombre, consta de dos mecanismos de apertura:
- Disparador magnético: actúa frente a las corrientes de cortocircuito y, debido a que este tipo de corrientes son muy peligrosas, proporciona un corte muy rápido.
- Disparador térmico: actúa frente a las corrientes de sobrecarga. El corte es más lento.
Interruptores Diferenciales
Un interruptor diferencial es un aparato destinado a la protección de personas contra los contactos directos e indirectos.
Relés Térmicos
Es un relé de protección contra sobrecarga. El principio básico de funcionamiento de un relé térmico consiste en una lámina bimetálica constituida por dos metales con diferente coeficiente de dilatación térmica. Cuando aumenta la temperatura debido a una sobrecarga, la lámina bimetálica (al tener ambos metales diferente coeficiente de dilatación) se curva en un sentido. Al llegar a un punto determinado, acciona un mecanismo que abre un contacto unido al mecanismo de disparo, desconectando el circuito.