COMPONENTES PARA CIRCUITOS DE MANDO Y CONTROL CONTENIDO • Introducción. • Etapas en la automatización de un proceso industrial. • Tableros de mando y control. • Componentes para elaboración de tableros. • Diagramas de control utilizando contactores. • Intrumentación. INTRODUCCIÓN • En electricidad y electrotecnia, se denomina automatismo al circuito que es capaz de realizar secuencias lógicas sin la intervención del hombre. • Los automatismos se utilizan tanto en el sector industrial como en el doméstico, para operaciones tan dispares como arranque y control de maquinaria, gestión de energía, subida y bajada de persianas, riego automático, etc. • Dependiendo de la tecnología utilizada, los automatismos pueden ser cableados o programados. • En la primera, el funcionamiento lo define la conexión lógica, mediante cables, entre los diferentes elementos del sistema. • En la segunda, es un programa el que procesa en la memoria de un dispositivo electrónico, la información que transmiten los diversos elementos que se le conectan. ¿Que es la Instrumentación Industrial? Es el conocimiento de la correcta aplicación de los equipos encaminados a apoyar al operador de una instalación en la medición, regulación, observación, transformación, ofrecer seguridad, etc., de una variable dada en un proceso productivo. El objetivo es la automatización de un proceso productivo. ¿ Para qué Automatizar ? - Reducción de costo de producción, mano de obra, materia prima, energía, etc... - Eliminación de trabajos peligrosos o indignos de la persona humana. - Mejorar la calidad, del producto eliminando los errores humanos. La especialidad de Ingeniería de instrumentación por tanto definiría dentro de unos límites todo lo necesario para la especificación, suministro, montaje y posterior puesta en marcha y operación de los elementos que controlan un proceso industrial. ETAPAS EN UN AUTOMATISMO DE PROCESOS SISTEMA DE CONTROL PROCESO PRODUCTIVO EJEMPLO DE UNA AUTOMATIZACION DE PROCESO PRODUCTIVO P&ID Programación del Sistema de Control Descripción Descripción por de Suministrador Control del Diagramas Proceso de Macros Control de Control DETALLE DE LA ESTRATEGIA DE CONTROL AUTOMÁTICO ETAPAS - DOCUMENTACION DE INGENIERIA Los principales documentos de ingeniería a realizar en un proyecto por la especialidad de instrumentación serian los siguientes: • Redactar las especificaciones básicas que definan los criterios necesarios para el diseño de la planta y el suministro de materiales: - Criterios de diseño de instrumentación - Criterios y típicos de instalación - Criterios de cableado de instrumentos - Especificación de actuadores - Diagramas típicos de macros de control, Etc. • Partiendo de especificaciones generales, se adaptarían a los criterios propios del cliente o a la normativa local de obligado cumplimiento para el proyecto particular en que trabajemos. • Todos los documentos de detalle generados posteriormente estarían de acuerdo a lo indicado en los criterios indicados en estas especificaciones. ETAPAS – DIAGRAMACION DEL PROCESO Definir parte del diagrama de tubería e instrumentación P&ID: • Representación de los instrumentos necesarios a instalar para realizar las mediciones necesarias para controlar, supervisar, realizar el mantenimiento o pruebas del proceso y los equipos. • También se suele representar el control general del proceso. ETAPAS – LISTADO DE LA INSTRUMENTACION Definir listados generales: - Listado de instrumentos Listados de consumidores neumáticos Listado de materiales y accesorios de montaje de instrumentos Listado de cables de instrumentación Listado de puntos de consigna ETAPAS – ESQUEMAS DE LOS INTRUMENTOS Definir esquemas de conexión de instrumentos (Hook-ups): - Conexionado a proceso, en tubería o equipos Conexionado neumático, para el suministro de aire comprimido. ETAPAS – CONEXION INSTRUMENTOS Esquemas de cableado eléctrico de instrumentos: ETAPAS - INTERCONEXIONADO Definir cajas de interconexión para agrupar cableado de instrumentos ETAPAS - MONTAJE Y CONEXION Definir detalles de montaje y conexionado eléctrico de instrumentos Definir detalles de trazado eléctrico de instrumentos ETAPAS – EQUIPOS AUXILIARES Definir otros equipos auxiliares instrumentación: -Cajas agrupación convertidores temperatura -Paneles de agrupación solenoides -Cajas aislamiento galvánico para zonas clasificadas -Paneles para la protección de instrumentos -Paneles de distribución de alimentaciones a instrumentos ETAPAS – PLANOS DE ENRUTADOS Planos de rutado del cableado eléctrico de instrumentos ETAPAS - PLANOS - Planos de localización de instrumentos ETAPAS – DESCRIPCION DE SISTEMAS • Descripciones de control de sistemas mecánicos. • Definir diagramas lógicos de control de sistemas eléctricos y mecánicos. • Asistencia a Pruebas FAT con suministrador. ETAPAS – CALCULO INSTRUMENTACION Realizar cálculos de instrumentos: • Cálculo de elementos primarios de caudal, placas de orificio, toberas. • Cálculo de termopozos. • Cálculo de válvulas de control. • Calculo de válvulas de seguridad ETAPAS – REDACCION Redacción de la especificación técnica de montaje de instrumentación: • Alcance de los trabajos de montaje en obra y suministro de materiales. • Responsabilidades de la ejecución de los trabajos. • Planificación de los trabajos. • Control de calidad, ETC. ETAPAS – GESTION Identificar los diferentes suministros dependiendo de la instrumentación necesaria para el proyecto: -Elementos primarios de caudal -Indicadores de nivel -… - Preparar la documentación necesaria para la petición de oferta en cada suministro: - Condiciones particulares de compra - Especificación técnica de instrumentos a suministrar - Hojas de datos - Definir un listado de suministradores homologados para cada suministro. - Enviar a los suministradores las peticiones de oferta. - Evaluación técnica y análisis de las ofertas recibidas y aclaraciones con suministradores. - Redacción de un informe técnico de evaluación de ofertas, indicando al departamento de compras qué ofertas son técnicamente válidas. ETAPAS – GESTION Gestión del suministro una vez adjudicado. - Reunión de lanzamiento con suministrador. Redacción acta reunión. - Listado de documentos del pedido, con la planificación de fechas de entrega de la documentación y material por parte del suministrador - Revisión y aprobación de documentación recibida: - Plan de fabricación - Cálculos - Hojas de datos cumplimentadas por suministrador - Planos dimensionales - Procedimiento de embalaje y envío - Manuales de operación y mantenimiento - Garantías - Certificados - Pruebas en taller -… - Asistencia a inspección en fabrica. ETAPAS - APOYO Dentro de la contratación de plantas paquetes suministros mecánicos: • Redacción de apartados de instrumentación dentro de la especificación general del suministro • Informe técnico de evaluación ofertas • Revisión parte instrumentación documentación suministrador INTRODUCCIÓN – CASO • A un instalador eléctrico se le ha encargado realizar y poner en marcha la instalación eléctrica de un taller de reparación de vehículos. • Dicha instalación estará formada por numerosas canalizaciones que unen cada uno de los cuadros eléctricos encargados de distribuir la energía y controlar la maquinaria utilizada por los operarios para el desarrollo de la actividad diaria del taller. • Los gabinetes utilizados para alojar la aparamenta eléctrica, tanto de distribución como de automatismos, deben adaptarse los diferentes ambientes del taller (túnel de lavado, sala de pintura, elevadores de vehículos, etc.) y por tanto, cumplir la normativa vigente para cada tipo de instalación y exigir de ellas las máximas garantías seguridad, tanto para las personas como para las infraestructuras. INTRODUCCIÓN • Todos estos requisitos obligan al instalador electricista a conocer de forma exhaustiva cada uno de los elementos (mecánicos, de cableado interno, aparamenta, ambientales, conexión con canalizaciones, etc.) que configuran y constituyen los cuadros de mando eléctricos. • Además de la correcta configuración y distribución de los mismos en la instalación, según los ambientes en los que se vayan a ubicar y la función que se la ha destinado. • En este caso, el manejo de catálogos, normativa y fichas técnicas, es vital para la correcta elección de los elementos que constituyen los cuadros eléctricos. INTRODUCCIÓN Antes de empezar con el tema, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después, analiza cada punto del tema, con el objetivo de contestar al resto de las preguntas de este caso práctico. 1. ¿Para qué crees que sirve un cuadro o tablero de mando eléctrico? 2. ¿Qué diferencias crees que pueden existir entre los cuadros eléctricos de una vivienda y los montados en ambiente industrial? 3. ¿Cuáles son las aplicaciones típicas de los tableros eléctricos? 4. ¿Qué relación existe entre la armadura y el gabinete de un cuadro eléctrico? 5. ¿Para qué se utiliza un bornero (conjunto de bornes)? 6. ¿Crees que tiene alguna importancia que un cuadro eléctrico esté bien climatizado? TABLEROS O CUADROS DE MANDO Y CONTROL • Los tableros de automatización y control eléctricos son paneles donde se encuentran instrumentos para la conexión, control, maniobra, protección, medida, señalización y distribución. • Todos los dispositivos que integran el tablero o también llamados cuadros de mando, permiten que un proceso automático funcione correctamente. • De acuerdo a la tarea para el que fueron diseñados, los tableros pueden ser para distintas operaciones: Tableros de comando: Contienen dispositivos de seguridad y maniobra. Tablero principal de distribución: Este tablero está conectado a la línea eléctrica principal y de él se derivan los circuitos secundarios. Este tablero contiene el interruptor principal. Centro de Control de Motores y alumbrado: Para control de maniobras de los motores eléctricos, así como el alumbrado de los ambientes de una instalación. PARTES DE UN TABLERO DE MANDO A pesar de que los tamaños y formas pueden variar según la aplicación que se les de existen partes esenciales que podemos encontrar en cualquier tablero eléctrico. Gabinete Barra colectora Componentes eléctricos y electrónicos. Canaleta Riel metálico Clemas o conectores Elementos de visualización y acción PARTES DE UN TABLERO DE MANDO GABINETE: Parte exterior que se encarga de proteger a todos los componentes de un circuito de control, principalmente los podemos encontrar de metal aunque en algunas ocasiones y depende de su aplicación los encontramos de plástico. Además, se construyen o diseñan según normas. Ejemplo IP 65 RIELES METÁLICOS: Estos rieles sirven como base para poder montar todos los componentes que se van a utilizar para el control del sistema. BARRAS COLECTORAS: Estas barras son de un material conductor y se utilizan para suministrar la corriente eléctrica a los componentes del tablero, por lo regular se utilizan cuando se necesita de una gran cantidad de energía. PARTES DE UN TABLERO DE MANDO CANALETAS: Son unos canales generalmente de plástico en donde se colocan los cables para llevarlos de un lugar del tablero hacia otro. BORNERAS DE CONEXIONES: También se les conocen como clemas y son prácticamente son conectores eléctricos que aprisionan el cable a través de un tornillo, estas borneras se utilizan principalmente cuando los cables van a salir del tablero hacia un componente externo como puede ser un motor o cualquier actuador. PRENSA CABLE: También se les conoce como conectores de glándula y estos van empotrados en el gabinete eléctrico para poder transportar los cables de una manera segura desde el exterior al interior o viceversa. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO • Existe una gran variedad de componentes eléctricos y/o electrónicos que se utilizan en los tableros para poder crear circuitos que son capaces de manejar alumbrados, máquinas e incluso procesos más complejos como lo son los industriales. • En este tema se hará una lista con los componentes más utilizados y una pequeña descripción del funcionamiento y/o aplicaciones de cada dispositivo. • Esencialmente se pueden encontrar tres tipos de componentes: Indicadores y pulsadores. De protección. De control. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO INDICADORES Y PULSADORES: Estos componentes sirven para ayudar a los operadores para activar o desactivar partes de los procesos, los indicadores se utilizan para tener una retroalimentación de las variables y punto importantes ya sea si están funcionando correctamente o existe algún problema. BOTONES: Se pueden encontrar de diferentes tamaños, colores y formas pero su función principal es la de activar o desactivar actuadores como lo son bombas hidráulicas, motores, válvulas, partes de los procesos, etc. PAROS DE EMERGENCIA: Este botón prácticamente solo tiene una función y por ende todos los botones de paro son parecidos en cuanto a su construcción física. Este solo tiene una función y es la de parar completamente cualquier tipo proceso. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO SELECTORES: Estos más que ser botones son perillas que pueden tener varias posiciones y cada una de estas puede representar diferentes partes del proceso, por ejemplo, una posición se utiliza para hacer el ciclo de manera manual, con otra posición lo hacemos de forma automática. PILOTOS: Se les conoce como lámparas piloto y estas se utilizan en diferentes formas, ya sea como indicativos para saber en que parte del proceso estamos, para saber si las variables controladas están en los valores adecuados, para saber si existe algún inconveniente en el sistema, etc. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO H.M.I.: Human – Machine Interface, Interfaz hombre – máquina, en la actualidad este es uno de los elementos más avanzados que se puede encontrar en un tablero eléctrico ya que tiene un sin fin de aplicaciones, principalmente se utiliza para arrancar las diferentes etapas de los procesos, para activar o desactivar manualmente algún actuador y también se utiliza para monitorear las variables controladas. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO ELEMENTOS DE PROTECCIÓN: Los componentes eléctricos de protección sirven para evitar que los dispositivos principales o los más caros se descompongan, ya sea por una sobre corriente, mal funcionamiento, variaciones en la línea de voltaje, etc. GUARDAMOTORES: Sirve para proteger a lo motores. Cuando la corriente supera sus valores normales este se dispara evitando que las bobinas del motor se quemen por el exceso de corriente eléctrica. TERMOMAGNÉTICOS: Estos dispositivos de protección los podemos encontrar prácticamente en cualquier instalación eléctrica ya que se encargan de supervisar corto circuitos y sobre corrientes (trata de una elevación de la corriente la cual ocasiona el calentamiento de los componentes). COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO DIFERENCIALES: Se encarga de monitorear la corriente de entrada contra la de salida y cuando este detecta una ligera caída se dispara ya que esto indica que en alguna parte se esta fugando. Estas fugas pueden ser peligrosas ya que una persona podría morir electrocutada. TERMISTORES: Los termistores son practicante sensores de temperatura que son colocados en las bobinas de los motores para monitorear los cambios que se puedan presentar, cuando estas bobinas alcanzan cierto grado de calor el termidor se dispara para proteger. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO PORTAFUSIBLES: Los fusibles son prácticamente uno de los componentes más viejos y más simples que podemos encontrar, estos tienen un filamento en su interior que funcionan de tal manera que cuando se sobre pasa la corriente soportada aun que sea por solo un instante se rompe y abre el circuito. RELEVADORES TÉRMICOS: Estos sirven para proteger a los motores eléctricos de sobre corrientes, fallo en alguna de las fases y diferencias de carga entre fases. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO ELEMENTOS DE CONTROL: Los elementos de control de un tablero eléctrico se utilizan para controlar todas las variables de los procesos, ya sea temperatura, tiempo, niveles de líquidos, presiones, etcétera. TEMPORIZADORES: Podemos encontrar dos tipos principales de temporizadores en cuanto a su funcionamiento se refiere, los de normalmente abiertos (NO) y los normalmente cerrados (NC), cada uno funciona de una manera opuesta. Cuando el tiempo configurado se termina, los contactos del NO se cierran y los de NC se abren. CONTACTORES: Estos prácticamente son interruptores que pueden ser activados o desactivados a distancia por medio de la electricidad, estos se utilizan para activar circuitos de potencia con grandes cantidades de corriente. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO RELEVADORES: Los relevadores tienen prácticamente el mismo funcionamiento que los contactores con la única excepción de que estos pueden manejar menor corriente y se utilizan en los circuitos de mando o de control. EQUIPOS Y TARJETAS DE CONTROL: Estos dispositivos son el corazón de los tableros eléctricos de los procesos industriales ya que procesan todas las señales y deciden que acciones tomar según los programas que se le grabaron. Ejemplo, PLCs. COMPONENTES DE UN TABLERO DE MANDO CONVERTIDORES DE SEÑAL: Se encargan de convertir señales para que los dispositivos de control puedan trabajar con las señales con una mayor facilidad. Por ejemplo, tenemos un sensor de temperatura que dependiendo la lectura manda un valor resistivo, pero para poder procesar esta señal se debe convertirla a un estándar de corriente de 4-20ma, es aquí donde entran estos convertidores. CONTROLADORES: Estos dispositivos funcionan en conjunto con un sensor y un actuador. El sensor es el que manda la información al control de la variable para que este la procese y mande una señal de corrección al actuador. Por ejemplo, controlador de temperatura. DISEÑO DE AUTOMATISMOS Para solucionar este problema se utilizan los esquemas eléctricos, que bien pueden ser conjuntos. Pero lo recomendable es elaborar los circuitos de fuerza y mando de manera separada. Aunque muy evidentes resultaría muy engorroso una representación real de los circuitos eléctricos, como el de la figura. Esquema eléctrico conjunto de fuerza y mando Esto es para facilitar el análisis de la lógica de control de un automatismo. ESQUEMA ELÉCTRICO DE UN AUTOMATISMO El esquema eléctrico de un automatismo está conformado por dos circuitos: el circuito de fuerza o potencia y el circuito de mando o control. CIRCUITO DE FUERZA O POTENCIA: • Es el encargado de alimentar a los elementos de potencia (ejemplo motor, calefacción, iluminación, etc). • Está compuesto por el contactor (identificado con la letra K), elementos de protección (identificado con la letra F como pueden ser los fusibles, relé térmico, relés magnetotérmicos, etc.) y un interruptor magnetotérmico identificado con la letra Q. CIRCUITO DE MANDO O MANIOBRA: • Es el encargado de controlar el funcionamiento de los elementos de potencia, como contactores. • Normalmente consta de elementos de mando (pulsadores, interruptores, etc. identificados la primera letra con una S, elementos de protección, bobinas de contactores, temporizadores, y contactos auxiliares. • Este circuito está separado eléctricamente del circuito de potencia, es decir ambos circuitos pueden trabajar a tensiones diferentes, por ejemplo el de potencia a 400V de C.A. y el de mando a 24V de C.C. o de C.C. o de C.A. Al principio del circuito de mando siempre deberá existir una protección general, magnetotérmico o fusibles, que nos permita desconectar completamente el circuito. ESQUEMA ELÉCTRICO DE UN AUTOMATISMO EJEMPLO DE UN ACCIONAMIENTO Circuito control motor asíncrono de Fuerza y maniobra separados. ESQUEMA ELÉCTRICO DE UN AUTOMATISMO • Se obtienen las corrientes del circuito de mando con un transformador 24V A.C. o bien con una fuente de alimentación. 24 VCC. • Eso depende de qué tipo de alimentación necesitar los elementos de control, como por ejemplo los pilotos o contactos auxiliares. Alimentación circuito de mando mediante transformador o fuente de alimentación. ESQUEMA ELÉCTRICO DE UN AUTOMATISMO Los circuitos de mando deberán protegerse contra cortocircuitos ya sea mediante un fusible o un magnetotérmico de bajo calibre. SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES SÍMBOLOS UTILIZADOS EN TABLEROS DE MANDO Y CONTROL Son las representaciones gráficas de los componentes de una instalación eléctrica que se usan para transmitir un mensaje, para identificar, calificar, instruir, mandar y advertir. VENTAJAS: • Su empleo es universal. • Ahorro de tiempo y dinero en el mantenimiento y reparación de instalaciones o equipos eléctricos a través de su interpretación de los componentes. • Facilitar la interpretación de los circuitos. • Permite una comunicación universal entre las personas independientemente del idioma del país. CARACTERÍSTICAS: • Debe ser lo más simple posible para facilitar su dibujo y evitar pérdida de tiempo en su representación. • Debe ser claro y preciso. • Debe indicar esquemáticamente el funcionamiento del aparato de un circuito. • Deben evitarse los dibujos de figuras pictográficas porque los simbolos están destinados para diagramar a circuitos eléctricos. • El nombre del símbolo debe ser preciso y claro. SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS ELEMENTOS MAYORMENTE USADO EN UN ESQUEMA DE AUTOMATISMO Selector de dos posiciones Contactor y Relé Ejemplo de aplicación del contactor auxiliar SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS Lámpara de señalización o piloto. Pulsador: Elemento electromecánico de conexión y desconexión. Para activarlo hay que actuar sobre él, pero al eliminar la actuación, el pulsador se desactiva por sí mismo. Ejemplo de circuito con pulsador SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS INTERRUPTORES: • Elemento electromecánico de conexión y desconexión al que hay que accionar para activarlo y también para desactivarlo. • Su nombre, atendiendo a las normas, es pulsador con enclavamiento. CONMUTADOR: • Elemento electromecánico de conexión y desconexión, que tiene una posición de reposo y varias de accionamiento, pudiendo comportarse estas como interruptor o como pulsador. Ej. conmutador de tres posiciones con enclavamiento y mando mecánico manual rotatorio SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS SIMBOLOS DE ALGUNOS DISPOSITIVOS ACCIONADORES SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS CONTACTOR (RELÉ) • Elemento mecánico de conexión con una sola posición de reposo y accionado generalmente mediante electroimán. • Debe ser capaz de establecer, soportar e interrumpir la corriente que circula por el circuito en condiciones normales de funcionamiento. • Debe soportar las condiciones de sobrecarga de servicio (arranque de motores), pero no otras (cortocircuitos). CONSTITUCIÓN DE UN CONTACTOR • Contactos principales (polos): elementos encargados de establecer e interrumpir la corriente del circuito de potencia. Según su número pueden ser bipolar, tripolar o tetrapolar. • Contactos auxiliares: se utilizan en el circuito de mando. • Instantáneos: NC, NA o una combinación de ambos. • Temporizados. SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS BLOQUES DE CONTACTOS AUXILIARES: • Puede aumentarse el número de contactos auxiliares de un contactor, mediante el acoplamiento de bloques de contactos auxiliares. • Sus contactos cambian simultáneamente con los del propio contactor. Contacto auxiliar NO Bloque de contactos auxiliares. SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS EJEMPLO DE USO DE CONTACTOS AUXILIARES Circuito de enclavamiento (prioridad a la parada) Si se pulsan Marcha y Parada a la vez, la Parada tiene prioridad. SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS RELÉ TEMPORIZADOR (CON RETARDO) Los contactos asociados se abren o se cierran un tiempo después del cambio de estado de su órgano de mando. RETARDO A LA CONEXIÓN • Activación: los contactos basculan después del tiempo regulado. • Desactivación: los contactos vuelven instantáneamente a la posición de reposo. RETARDO A LA DESCONEXIÓN • Activación: los contactos basculan instantáneamente. • Desactivación: los contactos vuelven a la posición de reposo tras el tiempo regulado. SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS EJEMPLO DE APLICACIÓN DE LOS TEMPORIZADORES ESQUEMA ELÉCTRICO DIAGRAMA DE TIEMPOS SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS SIMBOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS