425177114-Automatizacion-Industrial

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SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN 
NEUMÁTICA 
 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA 
MECÁNICA 
 
 
 
 
 
 
 
M.C. LUIS JAVIER GALVÁN VENEGAS 
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL 
El control automático ha desempeñado una función vital en el avance de la ingeniería y la ciencia. 
Además de su extrema importancia en los sistemas de vehículos espaciales, de guiado de misiles, 
robóticos y similares, el control automático se ha vuelto una parte importante e integral de los 
procesos modernos industriales y de manufactura. Por ejemplo, el control automático es esencial 
en el control numérico de máquinas-herramientas de las industrias de manufactura, en el diseño 
de sistemas pilotos automáticos de la industria aeroespacial, y en el diseño de automóviles y 
camiones en la industria automotriz. También es esencial en las operaciones industriales como el 
control de presión, temperatura, nivel y flujo en las industrias de procesos. 
Debido a que los avances en la teoría y práctica del control automático aportan los medios para 
obtener un desempeño óptimo de los sistemas dinámicos, mejorar la productividad, aligerar la 
carga de muchas operaciones manuales repetitivas y rutinarias, así como de otras actividades, casi 
todos los ingenieros y científicos deben tener un buen conocimiento de este campo. 
a) Proceso.- Un proceso es una parte de una planta de manufactura, en la cual, el material o la 
energía es convertida a otras formas de material o energía. Ejemplos: cambios en la presión, 
temperatura, velocidad, potencial eléctrico, etc. 
 
Figura 1.1. Proceso 
b) Proceso Industrial.- Conjunto de funciones colectivas llevadas a cabo en y por un equipo 
industrial excluyendo el control analógico o computarizado o el equipo de monitoreo. 
 
Figura 1.2. Proceso Industrial 
c) Proceso Continuo.- En este proceso, el material es introducido y removido del proceso al mismo 
tiempo y el proceso una vez iniciado, no para (reacciones químicas, destilaciones, separaciones, 
etc). Las condiciones de proceso se mantienen usualmente constantes, pero algunas veces algunas 
pueden variar en el tiempo. Una unidad de proceso continuo típicamente consiste de operaciones 
unitarias individuales que juntas, constituyen el proceso. Estas operaciones unitarias son 
conectadas directamente, sin un almacenamiento intermedio. 
 
Figura 1.3. Proceso Continuo 
d) Proceso Batch.- El material se agrega a un contenedor; algún proceso se lleva a cabo; el 
producto es removido y se sigue una secuencia que puede parar o reiniciarse (bebidas alcohólicas, 
productos alimenticios, etc). En los procesos batch, el material es introducido a los reactores en el 
proceso, ocurre una reacción química, una interacción de ingredientes u otra operación, el 
material es removido del reactor y el ciclo se repite. Las operaciones batch son usualmente 
secuenciales por naturaleza y utilizan funciones de control continuas adicionales al control 
secuencial. 
 
Figura 1.4. Proceso Batch 
e) Proceso de Manufactura.- Componentes separados, piezas o subconjuntos de estas, que son 
fabricadas y reunidos o ensamblados para producir un producto. La manufactura se define como 
la "Obra hecha a mano o con el auxilio de maquinaría". La fabricación de automóviles es un 
ejemplo. 
 
Figura 1.5. Proceso de Manufactura 
e) Sistema.- Conjunto de elementos ordenados que cumplen un objetivo y uno solo de estos 
elementos no puede cumplir, por sí solo, el trabajo de todo el sistema. 
f) Control.- Acción o conjunto de acciones que buscan conformar una magnitud variable, o 
conjunto de magnitudes variables, en un patrón determinado. 
 
Figura 1.6. Esquema general del control 
g) Control de procesos.- La regulación o manipulación de variables que influyen en el 
comportamiento de un proceso de una forma determinada para obtener un producto con una 
calidad y una cantidad deseada de una manera eficiente. (antes de controlar un proceso, es necesario 
comprenderlo) 
 
Figura 1.7. Esquema de un control de procesos 
h) Razones de control.- Es necesario para el ingeniero poder entender que la Automatización de 
cualquier proceso industrial depende en gran manera de las razones del porqué controlar; por lo 
que se enumeraran algunas de ellas: 
 Seguridad.- Preservar bajo cualquier condición la integridad del personal y equipo 
involucrado en la operación de los procesos. 
 Estabilidad.- Asegurar las condiciones de operación de los procesos, para 
mantener en forma continua la calidad de los productos, dentro de los límites 
especificados. 
 Optimización.- Asegurar el máximo beneficio económico en la operación de los 
procesos. 
 Protección ambiental.- Reducir a su mínima expresión el impacto ecológico de los 
efluentes del proceso, para cumplir con todas las normatividades aplicables. 
La automatización de los procesos productivos es uno de los aspectos que más ha evolucionado en 
la industria desde sus comienzos. La integración de tecnologías clásicas como la mecánica y la 
electricidad con otras más modernas (electrónica, informática, telecomunicaciones, etc.) está 
haciendo posible esta evolución. 
Esta integración de tecnologías queda representada en la llamada "pirámide de automatización", 
que recoge los cinco niveles tecnológicos que se pueden encontrar en un entorno industrial. Las 
tecnologías se relacionan entre sí, tanto dentro de cada nivel como entre los distintos niveles a 
través de los diferentes estándares de comunicaciones industriales. 
 
Figura 1.7a. Pirámide de automatización (Niveles de Automatización) 
Dentro del área de la Automatización se está logrando en las empresas, la distribución de la 
inteligencia desde el campo, es decir desde el mismo elemento de medición, junto a los 
actuadores (válvulas, motores) y los sensores, donde su función es más útil e inmediata. Con la 
ayuda de las nuevas tecnologías, además de los poderosos desarrollos informáticos, se está 
facilitando a las organizaciones alcanzar sus metas de negocios. No sólo se mejoran los procesos, 
la calidad y la productividad, sino que el ciclo de información llegará hasta los niveles más altos, lo 
que permitirá involucrar a todas las áreas de la empresa. El nivel de automatización puede ser 
definido al inicio del proyecto y puede ser elevado durante el desarrollo del mismo, o bien 
posteriormente a la puesta en marcha del sistema, de tal manera que permita un aumento gradual 
en el involucramiento y la operación continua de los operadores, y permitiendo la operación más 
segura de la planta. 
En el Nivel 1 la Instrumentación de campo, se deben considerar los elementos primarios de 
medición, transmisores, convertidores y elementos finales de control, o sea toda la 
instrumentación en general, y como se puede apreciar es el soporte fundamental de la pirámide, 
por lo que es de sumo cuidado, el conocimiento en la selección, especificación, compra e 
instalación. Además, es importante también, en esta parte incluir, el tipo de bus de campo 
utilizado por la instrumentación y si no es así, los tipos de señales de entrada y salida hacia y desde 
los sistemas de control. 
En el Nivel 2 se encuentran los equipos de control y se deben de considerar los diferentes tipos 
utilizados, dependiendo del tamaño de la aplicación, partiendo desde un sistema por 
computadora, un control lógico programable (PLC), sistemas de control distribuido, sistemas 
SCADA y sistemas compuestos. 
En el Nivel 3 aplicaciones del control, se engloba la optimización de procesos, los programas de 
mantenimiento, el manejo de activos, los procedimientos Batch y algunos otros. 
En el Nivel 4 se encuentran los sistemas de ejecución de la producción (MES). 
En el Nivel 5 lo componen los sistemas de gestión integral de la empresa (ERP), consultoría, se 
presentan también actividades de planeación, solución de producción, suministros, inventarios. 
Sistemas de Actuadores 
Los sistemas de actuadores son los elementos delos sistemas de control que transforman la salida 
de un microprocesador o un sistema de control en una acción de control para una máquina o 
dispositivo. Por ejemplo, si es necesario transformar una salida eléctrica del controlador en un 
movimiento lineal que realiza el desplazamiento de una carga. Otro ejemplo sería cuando la salida 
eléctrica del controlador anterior requiere transformarse en una acción que controle la cantidad 
de líquido que entra y circula en una tubería. 
 
 
Sistemas Neumáticos 
Con frecuencia las señales Neumáticas son utilizadas para controlar elementos de actuación final, 
incluso cuando el sistema de control es eléctrico. Esto se debe a que con dichas señales es posible 
accionar válvulas de grandes dimensiones y otros dispositivos de control que requieren mucha 
potencia para mover cargas considerables. La principal desventaja de los sistemas Neumáticos es 
la compresibilidad del aire. Las señales hidráulicas se usan en dispositivos de control de mucho 
mayor potencia; sin embargo, son más costosos que los sistemas Neumáticos y hay riegos 
asociados con fugas de aceite, que no existen en una fuga de aire. 
 
Figura 1.8. Fuente de alimentación Neumática. 
Generadores de aire comprimido 
Los sistemas Neumáticos de mando consumen aire comprimido, que debe estar disponible en el 
caudal suficiente y con una presión determinada según el rendimiento de trabajo. Para producir 
aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo 
deseado. Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central, el aire 
comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías. 
Compresor de émbolo oscilante.- Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es 
apropiado para comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde 
unos 1 .100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar). 
 
Figura 1.9. Compresores de embolo oscilante 
Cilindros.- Un cilindro neumático es el encargado de transformar la energía del aire comprimido en 
un movimiento rectilíneo. Cilindro de simple efecto: Estos cilindros tienen una sola conexión de 
aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un 
movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado o de una 
fuerza externa (resorte). 
 
Figura 1.10. Cilindro de simple efecto 
Cilindro de membrana arrollable.- La construcción de estos cilindros es similar a la de los 
anteriores. También se emplea una membrana que, cuando está sometida a la presión del aire, se 
desarrolla a lo largo de la pared interior del cilindro y hace salir el vástago. Las carreras están 
aproximadamente entre 50 mm y 80 mm. 
 
Figura 1.11. Cilindro de membrana 
Cilindros de doble efecto: El cilindro de doble efecto posee dos tomas para el aire comprimido 
situadas a ambos lados del émbolo. Este cilindro puede producir trabajo en los dos sentidos del 
movimiento. 
 
Figura 1.12. Cilindro de doble efecto. 
Cilindros con amortiguamiento: Cuando las masas que traslada un cilindro son grandes, es 
conveniente utilizar un sistema de amortiguamiento, esto con el objeto de evitar un choque 
brusco y dañar el producto. El principio de operación consiste en utilizar una sección de escape 
muy pequeña, a menudo ajustable. El escapa del aire es lento por la sección de escapo pequeña. El 
émbolo se desliza lentamente hasta su posición final. Cilindro de rotación: El movimiento de 
vaivén rectilíneo del émbolo se transmite a una rueda dentada a través de una cremallera situada 
en el vástago del émbolo, convirtiendo el movimiento lineal a una de rotación. 
 
 
Figura 1.13. Cilindros de rotación. 
 
Descripción Simbolo 
 
Cilindro de simple efecto. Retorno resorte. 
 
 
 
 
Cilindro de simple efecto. Retorno por fuerza 
externa. 
 
 
Cilindro de doble efecto. 
 
 
 
 
Cilindro de doble efecto con amortiguador. 
 
 
 
Cilindro de doble efecto con doble vástago. 
 
 
 
Cilindro lineal sin vástago. 
 
 
Cilindro de rotación. 
 
 
 
Tabla 1.1. Símbolos de los cilindros. 
 
 
Válvulas.- En los sistemas neumáticos se utilizan dos tipos principales de válvulas las primeras son 
las válvulas de control de dirección y las otras son válvulas de control de secuencia. 
Válvulas de control de secuencia: Las diferentes posiciones de conexión de las válvulas de control 
se representan mediante un cuadrado. Por ejemplo, en la válvula del vástago de la Figura 1.14 hay 
dos posiciones: una cuando el botón este sin oprimirse y otra cuando esta oprimido. De esta 
manera, la válvula de dos posiciones se representa por dos cuadrados. Si la válvula tuviera tres 
posiciones entonces se representaría por tres cuadrados. 
Las flechas en la Figura 1.15.a, indican la dirección del flujo en cada una de las posiciones; las 
líneas con tope corresponden a líneas de flujo cerradas en la Figura 1.15.b. En la Figura 1.15.c, la 
válvula tiene cuatro puertos. Éstos se identifican mediante un número o una letra, de acuerdo con 
su función. Los puertos se identifican con 1 (o P) para la alimentación de presión, 3 (o S) para el 
puerto de regreso hidráulico, 3 o 5 ( R o S) para los puertos de desfogue y 2 o 4 (B o A) para los 
puertos de salida. 
 
Figura 1.14 Válvula de vástago. 
 
 
Figura 1.15 Dirección de flujo en las válvulas. 
 
La Tabla 1.2 muestra ejemplos de algunos símbolos con los que se representan los diversos modos 
como actúan las válvulas. En el símbolo de una válvula pueden presentarse uno o más de estos 
símbolos. 
Descripción Simbolo 
 
Pulsador por botón. 
 
Tirador. 
 
Accionamiento por leva. 
 
Accionamiento por rodillo. 
 
Accionamiento por presión. 
 
 
Accionamiento por electro-válvula 
 
Accionamiento por Motor eléctrico. 
 
 
Accionamiento por palanca. 
 
Accionamiento por pedal. 
 
Retorno por resorte. 
 
Tabla 1.2 Símbolos de los diversos modos de actuación de las válvulas. 
 
La Tabla 1.3. Muestra simbología complementaria para la entender los diagramas neumáticos. 
Descripción Simbolo 
 
Conducción de trabajo. 
 
Conducción de control. 
 
 
Fuente de presión. 
 
 
Orificio de escape. 
 
Tabla 1.3 Simbología complementaria. 
La Figura 1.16. es un ejemplo de cómo combinar los símbolos descritos anteriormente para 
describir el funcionamiento de una válvula; en ella se muestra el símbolo de la válvula de vástago 
de dos posiciones y dos puertos de la Figura 1.14. Observe que se puede referir a este tipo de 
válvula como una válvula 2/2; aquí el primer número indica la cantidad de puertos y el segundo, 
las posiciones. 
 
Figura 1.16. Símbolo de la válvula de vástago. 
La Figura 1.17. es otro ejemplo de una válvula de carrete accionada por solenoide, con su símbolo 
respectivo. La válvula se acciona mediante una corriente que pasa por un solenoide y regresa a su 
posición original con un resorte. 
 
Figura 1.17. Válvula activada con un solenoide con su símbolo respectivo. 
Enseguida listaremos algunos tipos de válvulas más comunes: 
Válvula 2/2 con regreso por resorte: 
 
 
Válvula 2/2 bidireccional con regreso por resorte: 
 
 
Válvula 3/2 con regreso por resorte: 
 
 
 
Válvula 3/2 con regreso por resorte (caso inverso): 
 
Válvula 4/2 con regreso por resorte: 
 
Válvula 5/2 con regreso por resorte: 
 
Válvulas de control presión: Existen varios tipos de válvulas de control de presión: 
Válvulas direccionales: La Figura 1.18. muestra una válvula direccional y su respectivo símbolo. El 
flujo solo puede pasar en la dirección en que la bola empuja el resorte. La Figura 1.19. representa 
una válvula selectora, esta válvula tiene dos entradas y una salida. 
 
 
Figura 1.18. Válvula direccional. 
 
 
Figura 1.19.3 Válvula selectora. 
 
 
Válvulas limitadoras de presión:Se usan como dispositivos de seguridad para limitar la presión en 
un circuito y mantenerla en un valor de seguridad. La válvula se abre y desfoga a la atmósfera, o 
devuelve el flujo al pozo recolector. 
 
Figura 1.20. Símbolo de la válvula limitadora de presión. 
 
Válvulas de secuencia de presión: Estas válvulas se usan para detectar la presión de una línea 
externa y producir una señal cuando se alcanza un valor ya determinado. Se pueden usar como 
válvulas de secuencia, cuando se desea producir flujo en alguna parte del sistema si la presión 
llega a determinado nivel. Por ejemplo, una máquina automática necesita que se inicie una 
operación cuando la presión de sujeción aplicada a una pieza de trabajo adquiere un valor 
particular. El símbolo de esta válvula esta dado en la Figura 1.21. 
 
Figura 1.21. Símbolo de una válvula de secuencia de presión. 
Ejemplo de aplicación de los cilindros y las válvulas: 
Ejemplo 1: Sistema para levantar carga. 
 
Ejemplo 2: Sistema 4/3 con doble cilindro con válvula de secuencia de presión. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EJERCICIOS PROPUESTOS: