taller automatización

AUTOMATIZACIN BSICAInstitutoTecnolgicoSuperiordeLerdo

Agosto2008.

M. C. Jos Luis Rosales Gonzlez | Ingeniera Electrnica 1

1. Introduccin al Control Industrial.

1.1. Introduccin e Historia. El concepto de control es extraordinariamente amplio, abarcando desde un simple interruptor que gobierna el encendido de una bombilla o el grifo que regula el paso de agua en una tubera, hasta el

ms complejo dispositivo electrnico o el piloto automtico de un avin.

Podramos definir el control como la manipulacin indirecta de las magnitudes de un sistema

denominado planta o proceso a travs de otro sistema llamado sistema de control. La figura 1-1 muestra esquemticamente un diagrama de bloques con los dos elementos esenciales: sistema de

control y planta.

Los primeros sistemas de control se desarrollaron con la revolucin industrial de finales del siglo XIX y

principios del siglo XX. Al principio, se basaron casi exclusivamente en componentes mecnicos y

electromecnicos, bsicamente engranajes, palancas, rels y pequeos motores; pero a partir de los

aos cincuenta empezaron a emplearse los semiconductores, que permitan el diseo de sistemas de

menor tamao y consumo, ms rpidos y con menor desgaste.

En la dcada de los setenta, la complejidad y las prestaciones de los sistemas de control se

incrementaron gracias al empleo de circuitos integrados y en particular los de tipo programable

(sistemas basados en microprocesadores).

Figura 1-1. Sistema de Control.

Al tiempo que se desarrollaban los circuitos integrados lo hacan tambin los controles digitales, si

bien su empleo en la industria quedaba restringido al control de procesos muy complejos, debido a su

elevado costo, necesidad de personal especializado para su instalacin y manejo; y a la poca facilidad

de interconexin (interfaz) con el proceso, donde se manejaban habitualmente voltajes y corrientes

fuertes, para las cuales no suele estar preparado el controlador.

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2 Ingeniera Electrnica | M. C. Jos Luis Rosales Gonzlez

La demanda en la industria de un sistema econmico, robusto, flexible, fcilmente modificable y con

mayor capacidad para tratar con tensiones y corrientes fuertes; hizo que se desarrollase el

Controlador Lgico Programable (PLC por sus siglas en ingls).

Los primeros PLCs pretendan bsicamente, sustituir a los sistemas convencionales con rels o

circuitos lgicos, con las ventajas evidentes que supona tener un hardware estndar. Por ello

nacieron con prestaciones muy similares a las que ofrecan dichas tecnologas convencionales y sus

lenguajes de programacin eran muy prximos a los esquemticos empleados en las mismas.

Estas limitaciones eran aconsejadas slo por razones de mercado y no respondan a limitaciones

tecnolgicas de aquel momento, ya que las posibilidades que realmente podan ofrecer eran mucho

mayores.

Los PLCs actuales han mejorado sus prestaciones respecto a los primeros en muchos aspectos, pero

fundamentalmente a base de incorporar un juego de instrucciones ms potente, mejorar la capacidad

de respuesta y dotar el controlador de capacidad de comunicacin. Los juegos de instrucciones

incluyen actualmente, aparte de las operaciones lgicas con bits, temporizadores y contadores, otra

serie de operaciones lgicas con palabras, operaciones aritmticas, tratamiento de seales

analgicas, funciones de comunicacin y una serie de funciones de control no disponibles en la

tecnologa clsica de rels. Todo ello ha potenciado su aplicacin masiva al control industrial.

En definitiva, podramos decir que los grandes controladores actuales se acercan cada vez ms a una

pequea computadora, siendo algunos incluso programables en lenguajes tpicamente informticos

como el BASIC.

Sin embargo, la principal virtud del PLC sigue siendo su robustez y facilidad de interconexin al

proceso y la tendencia actual no es precisamente la de acercarlo ms a las prestaciones de las

computadoras en cuanto a su capacidad de clculo, sino dotarlo de funciones especficas de control y

de canales de comunicacin para que pueda conectarse entre s a las propias computadoras. El

resultado de esta integracin es la red de PLC conectada a una computadora, capaz de ofrecer las

prestaciones y ventajas de ambos sistemas al integrar en un solo sistema todas las funciones de

produccin asistida por computadora (CIM).

La disponibilidad de estos nuevos elementos y funciones en el campo del control industrial, obliga a

replantearse la configuracin y los propios mtodos de diseo de las automatizaciones.


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1.2. Sistemas de Control. Segn se ha indicado en la introduccin, el objetivo de un sistema de control es el de gobernar la

respuesta de una planta o proceso, sin que el operador intervenga directamente sobre sus elementos

de salida. Dicho operador manipula nicamente las magnitudes denominadas de consigna y el

sistema de control se encarga de gobernar dicha salida a travs de los accionamientos o actuadores.

El concepto lleva de alguna forma implcito que el sistema de control opera, en general, con

magnitudes de baja potencia, llamadas generalmente seales, y gobierna unos accionamientos que

son los que realmente modulan la potencia entregada al proceso. Esta idea se refleja en la figura 1-2.

Figura 1-2. Sistema de Control en Lazo Abierto.

Segn la definicin anterior, el conjunto de sistema de control y accionamientos se limitara a ser un

convertidor amplificador de potencia que ejecuta las rdenes a travs de las magnitudes de consigna

o seales de entrada. Este tipo de sistema de control se denomina en lazo abierto, por el hecho de que no recibe ningn tipo de informacin del comportamiento de la planta o proceso.

Lo habitual, sin embargo, es que el sistema de control se encargue de la toma de ciertas decisiones

ante determinados comportamientos del proceso, hablndose entonces de sistemas automticos de control. Para ello se requiere la existencia de unos sensores que detecten el comportamiento de

dicho proceso y de unas interfaces para adaptar las seales de los sensores a las entradas del sistema de control. El diagrama de bloques ser, en este caso, el de la figura 1-3. Este tipo de

sistemas se denominan en lazo cerrado, ya que su diagrama muestra claramente una estructura con una cadena directa y un retorno o retroalimentacin, formando un lazo de control.



Figura 1-3. Sistema de Control en Lazo Cerrado.

As pues, en el caso ms general, podremos dividir el sistema de control en los siguientes bloques;

Unidad de Control. Accionamientos o Actuadores. Sensores. Interfaces.

Cabe indicar aqu que el papel del PLC dentro del sistema de control es el de la Unidad de Control,

aunque suele incluir tambin, totalmente o en parte, las interfaces con las seales de proceso. Al

conjunto de seales de consigna y de retroalimentacin que entran a la unidad de control se le

denominan genricamente entradas y al conjunto de seales de control obtenidas, salidas.

1.3. Automatismos Analgicos y Digitales. Segn la naturaleza de las seales que intervienen en el proceso, los sistemas de control pueden

dividirse en los siguientes grupos:

Sistemas analgicos.- Sistemas digitales. Sistemas hbridos analgicos digitales.

Los sistemas analgicos trabajan con seales de tipo continuo, con un margen de variacin

determinado. Dichas seales suelen representar magnitudes fsicas del proceso, tales como presin,

temperatura, velocidad, etctera, mediante un voltaje o corriente proporcionales a su valor (0 a 10 V, 4

a 20 mA, etctera).


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Los sistemas digitales, en cambio, trabajan con seales todo o nada, llamadas tambin binarias, que

slo pueden representar dos estados o niveles: abierto o cerrado, conduce o no conduce, activado o

desactivado, etctera. Estos niveles o estados se suelen representar por variables lgicas o bits, cuyo

valor puede ser slo 1 0.

Dentro de los sistemas digitales cabe distinguir dos grupos: los que trabajan con variables de un slo

bit denominados habitualmente automatismos lgicos y aquellos que procesan seales de varios bits,

para representar, por ejemplo, valores numricos de variables o contenido de temporizadores,

contadores, etctera. A stos ltimos se les denomina genricamente automatismos digitales.

Los sistemas de control actuales con un cierto grado de complejidad, y en particular los PLCs, son

casi siempre hbridos, es decir, sistemas que procesan a la vez seales analgicas y digitales. No

obstante, se tiende a que la unidad de control sea totalmente digital y basada en un microprocesador,

que aporta la capacidad de clculo necesaria para tratar las seales todo o nada en forma de bits y las

seales analgicas numricamente.

Dado que muchos de los sensores habitualmente empleados suministran seales de tipo analgico,

las interfaces de estas seales deben realizar una conversin analgica numrica, llamada

habitualmente conversin anloga digital (A/D), para que puedan ser tratadas por la unidad de

control.

La figura 1-4 muestra la estructura de la unidad de control, resaltando las interfaces necesarias para el

tratamiento de las seales de entrada y salida comnmente empleadas en controles industriales.

Figura 1-4. Seales de Entrada / Salida (E/S) de la Unidad de Control.



2. Elementos de Entrada.

Los elementos de entrada son aquellos que permiten que el controlador se informe sobre hechos o

situaciones que se han presentado en el proceso, o simplemente rdenes dadas por el operador del

mismo, tal como se observa en las figuras 1-3 y 1-4.

La seccin de control de seales en un control se alimenta de potencia a travs de una red principal.

Para ello, el control requiere de una fuente de alimentacin, tales como 127 VCA, 12 VCA, 24 VCA, 24

VCD, etctera. Dicho voltaje depender del voltaje con el que operen los actuadores o

accionamientos, es decir, los elementos que tendrn que energizarse para mover un cilindro, motor,

etctera; tal como se observa en la figura 1-3.

2.1. Pulsadores y selectores. Para aplicar una corriente a una carga o para interrumpir un circuito se utilizan interruptores. Segn su

comportamiento, estos interruptores se dividen en pulsadores y selectores.

Los selectores son interruptores que quedan mecnicamente enclavados en la posicin seleccionada. La posicin de conmutacin permanece inalterable hasta que se selecciona la

otra posicin. Ejemplo: selector de modo Automtico / Manual.

Los pulsadores son interruptores que slo mantienen la posicin de accionamiento mientras el interruptor est activado (presionado). Ejemplo: pulsador de Marcha.

Interruptor normalmente abierto. En el caso de un interruptor normalmente abierto, el circuito se halla abierto mientras el interruptor se

halle en su posicin inicial (no accionado). El circuito se cierra presionando el pulsador la corriente

fluye hacia la carga. Cuando se libera la leva, el muelle devuelve el interruptor a su posicin inicial,

interrumpiendo el circuito.

Figura 2-1. Contacto normalmente abierto seccin y smbolo -.


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Interruptor normalmente cerrado. En este caso, el circuito est cerrado cuando el interruptor se halla en su posicin inicial. El circuito se

interrumpe presionando el pulsador.

Figura 2-2. Contacto normalmente cerrado seccin y smbolo -.

Interruptor combinado. Como su nombre lo indica, este interruptor combina las funciones de los contactos normalmente

abierto y normalmente cerrado en un solo dispositivo. Los interruptores combinados se utilizan para

cerrar un circuito y abrir otro en una sola operacin. Ambos circuitos se abren o se cierran

momentneamente durante la conmutacin (segn su acoplamiento).

Figura 2-3. Interruptor combinado seccin y smbolo -.



2.2. Sensores para medicin del desplazamiento y la presin. Los sensores tienen la tarea de medir informacin y transferirla a la parte de procesamiento de las

seales de forma que pueda ser fcilmente procesada. En los sistemas automticos, los sensores se

utilizan para las siguientes tareas:

Para detectar la posicin avanzada o retrada del vstago en cilindros neumticos. Para detectar la presencia y posicin de las piezas. Para medir y supervisar la presin.

2.2.1. Finales de carrera. Los finales de carrera se activan cuando una parte de la mquina o una pieza se hallan en una

determinada posicin. Normalmente, el accionamiento se realiza por medio de una leva. Normalmente

los finales de carrera son contactos combinados. Por esta razn pueden conectarse segn se

necesite como contactos normalmente abiertos, contactos normalmente cerrados o contactos

combinados.

Figura 2-4. Final de carrera mecnico construccin, smbolo y posibilidades de conexin - .


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Caractersticas tcnicas. Los siguientes tipos de interruptores de posicin electromecnicos pueden ser diferenciados:

interruptor de posicin miniatura, micro interruptores miniatura y subminiatura, adems de:

Interruptores de control, interruptores lmite. Interruptores de accionamiento brusco o de contacto y quiebre lento. Interruptor de posicin sin cubierta. Interruptor de posicin con cubierta plstica. Interruptor de posicin con cubierta de metal. Interruptor de posicin de seguridad. Interruptor de posicin de precisin.

El componente ms importante de los micro interruptores lmite electromecnicos son los contactos.

Los materiales ms usados para los contactos son: oro-nquel, oro fino, plata, xido de plata-cadmio,

plata-paladio y plata-nquel. Para lograr un apropiado material de contacto, es necesario favorecer las

condiciones de operacin en el rea de trabajo de los interruptores lmite.

Mediante los accionamientos adecuados, los interruptores lmite pueden ser usados para establecer el

rango de operacin de ciertos elementos mecnicos, neumticos, hidrulicos, etctera. Los

accionamientos tpicos se muestran en la figura 2-5.

En la tabla 2-1 se listan las caractersticas tcnicas relacionadas con los interruptores lmite. Los

valores dados en la misma estn dados en base a las aplicaciones tpicas.

Parmetro Valor

Capacidad de conmutacin (carga resistiva). 24 VCD, 6 A.

250 VCA, 6 A.

Exactitud puntual de conmutacin. 0.01 a 0.1 mm (Precisin de conmutacin de hasta

0.001 mm).

Frecuencia de conmutacin. Aproximadamente 60 a 400 operaciones de

conmutacin por minuto.

Vida de servicio. 10 millones de ciclos de conmutacin.

Tabla 2-1. Datos tcnicos de un micro interruptor lmite.



Figura 2-5. Accionamientos mecnicos para interruptores lmite.

Notas de instalacin. Debido a que los componentes mecnicos de los interruptores lmite son piezas de precisin, lo

siguiente debe ser tomado en cuenta para su instalacin:

Observar la correcta exactitud al instalar (el espacio entre el accionamiento y el objeto a detectar).

Rigidez del soporte de montaje del interruptor. Observe cuidadosamente los dispositivos de activacin (aproximacin lateral o frontal).


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Debe tomar en cuenta las correctas conexiones elctricas. En caso de conectores de grapa o de

tornillo, asegurarse que las conexiones deben estar aisladas. Si los cables van a soldarse, debe

tenerse especial cuidado en evitar daos por calentamiento tanto a las terminales como al

encapsulado del interruptor lmite durante el proceso de soldadura. Cuidar que los cables de conexin

no cuenten con voltaje durante su instalacin.

Si los interruptores lmite van a ser accionados directamente, tome nota que no podr ser utilizado

como final de carrera (en casos normales).

En varias aplicaciones, las desventajas de los interruptores lmite mecnicos, tales como la activacin

a travs de toque, contacto de rebote o desgaste, no importan. En estos casos, es posible tomar

ventaja de estos elementos de precio moderado.

Las reas tpicas de aplicacin de los interruptores lmite incluyen por ejemplo, en lugares donde se

tengan ruidos elctricos resultado de campos electromagnticos, tales como en la fabricacin de

transformadores; lugares donde los sensores de proximidad electrnicos suelen fallar.

La precisin de control de los interruptores es alta, por ejemplo de hasta 0.001 mm, los cuales son

utilizados en tareas de posicionamiento.

Con los interruptores electromecnicos, la corriente mxima puede ser restringida de tal manera que

puede evitarse el arco elctrico generado al abrirse y cerrarse los contactos de salida; dicho arco

provoca el desgaste de los contactos. Una resistencia en serie sirve para limitar la corriente, y as

prolongar la vida de servicio de los contactos.

Cuando conmuta para cargas inductivas, un pico de alto voltaje es creado al momento de abrir los

contactos. Por esta razn, un circuito de proteccin debe ser provisto para el interruptor lmite.

El circuito de proteccin puede ser RC o un diodo o varistor (tal como se muestra en la figura 2-6). Los

valores elctricos de los componentes dependen de la potencia del elemento que acciona el

interruptor, por ejemplo un relevador, contactor, etctera.

Si un relevador o contactor van a ser accionados, es importante observar los datos tcnicos del

interruptor y del relevador o contactor.



La potencia retenida por un relevador o contactor es varias veces ms grande (8 a 10 veces) que la

soportada por la carcasa del interruptor. Por lo tanto es importante que la potencia contenida sea la

principal referencia.

Resistencia de carga (RL). Capacitor de proteccin (C).

Inductancia de carga (L). Diodo o varistor de proteccin (D).

Resistencia de proteccin (R).

Figura 2-6. Circuitos de proteccin para sensores de posicin electromecnicos.

Ejemplos de aplicacin.


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2.2.2. Detectores de proximidad. A diferencia de los finales de carrera mecnicos, los detectores de proximidad funcionan sin contactos

internos y sin que haya una fuerza externa que los accione.

Por ello, los detectores de proximidad tienen una larga vida til y una elevada fiabilidad de

conmutacin. Hay que distinguir entre los siguientes tipos de detectores de proximidad:

Detectores Reed (con contacto interno). Detectores de proximidad inductivos. Detectores de proximidad capacitivos. Detectores de proximidad pticos.

Detectores Reed. Los detectores Reed (ver la figura 2-7), son sensores de proximidad accionados magnticamente.

Consisten en dos contactos Reed dentro de un tubo de cristal con gas inerte. El campo magntico de

un imn hace que los contactos se cierren, permitiendo que fluya la corriente. En los detectores Reed

que actan como contactos normalmente cerrados, los contactos Reed se cierran por pequeos

imanes. Este campo magntico es anulado por el campo magntico considerablemente mayor de los

imanes de conmutacin.

Los detectores Reed tiene una larga vida til y tiempos de conmutacin muy rpidos

(aproximadamente 0.2 ms). Estn libres de mantenimiento, y no deben utilizarse en entornos sujetos a

potentes campos magnticos (por ejemplo, en las cercanas de soldadores por resistencia).

Figura 2-7. Detector Reed (contacto normalmente abierto).



Caractersticas tcnicas. La tabla 2-2 lista alguna de las caractersticas ms importantes relacionados con la conexin de

sensores de proximidad tipo Reed.

Parmetro Valor

Voltaje de conmutacin. 12 a 27 VCD o VCA.

Exactitud de conmutacin. 0.1 mm.

Rango mximo de contacto. 40 W.

Mxima interferencia magntica. 0.16 mT.

Mxima corriente de conmutacin. 2 A.

Mxima frecuencia de conmutacin. 500 Hz.

Tiempo de conmutacin. 2 ms.

Resistencia de salida. 0.1 .

Vida de servicio del contacto (con circuito de

proteccin). 5 millones de ciclos de conmutacin.

Temperatura ambiente de operacin. - 20 C a + 60 C

Tabla 2-2. Datos tcnicos de los sensores de proximidad tipo Reed.

Los sensores de proximidad tipo Reed a menudo tienen incorporado un led que indica el estado

operativo del sensor. La figura 2-8 ilustra las conexiones externas e internas; obsrvese que el led, en

conjunto con una resistencia en serie, asume la funcin de un circuito de proteccin para cargas

inductivas.

Resistencia de carga (RL). Leds (L1, L2). Resistencia de proteccin (R).

Figura 2-8. Diagrama del circuito del sensor de proximidad tipo Reed con led.


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Ejemplos de sensores de proximidad magnticos.

Notas de aplicacin. Cuando se instalen sensores de proximidad tipo Reed, es importante asegurarse que no existan cerca

campos magnticos mayores a 0.16 mT (T = Teslas), que interfieran con la funcionalidad del sensor.

Si este es el caso, el sensor de proximidad deber estar aislado de dicho magnetismo.

Si varios cilindros neumticos son medidos con sensores de proximidad magnticos, al menos debe

haber 60 mm entre ellos, ya sea entre los que se coloquen en el mismo cilindro, y los que se coloquen

en cilindros vecinos. Si esta distancia no se cumple, puede ocurrir un comportamiento inesperado de

los sensores.

Con los sensores Reed. El flujo mximo de corriente debe ser reducida. De otra manera, puede

generarse un arco de descarga durante la apertura o el cierre, lo que provoca la quema de las placas

de contacto del sensor. Una resistencia colocada en serie sirve para limitar la corriente y permite

extender el tiempo de vida de los contactos.

Cuando conmuta para cargas inductivas, un pico de alto voltaje es creado en el momento de la

apertura. Por esta razn debe proveerse un circuito de proteccin para no daar el sensor.

El circuito de proteccin puede ser elementos RC o un diodo o varistor (ver el circuito de la figura 2-9).

Los valores elctricos de los componentes dependen de la potencia del elemento a energizar (por

ejemplo relevadores o contactores).



Si relevadores o contactores son accionados, los datos tcnicos tanto del sensor de proximidad como

del relevador o contactor, deben ser tomados muy en cuenta.

La potencia retenida por un relevador o contactor es varias veces ms grande (8 a 10 veces) que la

soportada por el sensor. Por lo tanto es importante que la potencia contenida sea la principal

referencia.

Resistencia de carga (RL). Capacitor de proteccin (C).

Inductancia de carga (L). Diodo o varistor de proteccin (D).

Resistencia de proteccin (R).

Figura 2-9. Circuitos de proteccin para sensores de posicin electromecnicos.

Ejemplo de aplicacin.

Cilindro neumtico con sensores de proximidad magnticos.

Su aplicacin ms ampliamente conocida: posicionamiento de cilindros. Con el uso de sensores magnticos de proximidad, un amplio rango de problemas que

presentan otros sensores, pueden ser resueltos si el objeto a detectar cuenta con imn; tales

aplicaciones pueden ser:

- Medicin de velocidades rotacionales de partes elaboradas de cualquier material.

- Deteccin selectiva de piezas de trabajo individuales, a partir de piezas similares.

- Codificacin de sistemas de desplazamiento incremental.

- Conteo de dispositivos.


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- Interruptor de puerta.

- Posicionamiento de material.

Sensores electrnicos. Los detectores de proximidad inductivos, capacitivos y pticos son sensores electrnicos.

Normalmente tienen tres cables para su conexionado:

Cable para alimentacin de voltaje. Cable para la tierra. Cable para la seal de salida.

En estos sensores, no hay contactos internos que se muevan fsicamente. En lugar de esto, la salida

queda unida al voltaje de alimentacin o a la tierra (=voltaje de salida 0 V).

Sensores de conmutacin a positivo y a negativo. Hay dos tipos de sensores electrnicos, en relacin con la polaridad del voltaje de salida:

En los sensores de conmutacin a positivo (PNP), el voltaje de salida es cero cuando no se detecta pieza. La proximidad de una pieza o de una parte de la mquina, hace conmutar la

salida, aplicndole el positivo del voltaje de alimentacin. En estos sensores, la carga se

conecta entre la salida y el negativo.

En los sensores de conmutacin a negativo (NPN), el voltaje de salida tambin es cero cuando no se detecta pieza. La proximidad de una pieza o de una parte de la mquina hace

conmutar la salida, aplicndole el negativo del voltaje de alimentacin. En estos sensores, la

carga se conecta entre la salida y el positivo.

En ambos tipos de sensores, pueden haber ejecuciones con funcin de contacto normalmente abierto

(no hay voltaje cuando no hay pieza cubriendo al sensor) o normalmente cerrado (hay voltaje, positiva

si es PNP y negativa si es NPN, cuando no hay pieza cubriendo al sensor).

Sensores de proximidad inductivos. Tal como se observa en la figura 2-10, un sensor de proximidad inductivo consiste en un oscilador

elctrico (1), un flip-flop (2) y un amplificador (3). Cuando se aplica un voltaje, el oscilador genera un campo magntico alterno de alta frecuencia que se emite en la parte frontal del sensor. Si una pieza

conductora de electricidad (por ejemplo metlica) entra en este campo, el oscilador se atena. Un

circuito consistente en un flip flop y un amplificador evala el comportamiento del oscilador y emiten

una seal de salida.



Los sensores de proximidad inductivos pueden utilizarse para la deteccin de materiales conductores.

Adems de metales, esto incluye por ejemplo, el grafito.

Figura 2-10. Sensor de proximidad inductivo.

La distancia del rea activa, al cual la seal de salida cambia, es descrita como distancia de conmutacin. El criterio importante para sensores de proximidad inductivos, es por lo tanto, el

tamao de la bobina incorporada en la cabeza de deteccin. Tan grande como sea la bobina, ser la

distancia activa de conmutacin; misma que puede ser de hasta 250 mm.

Chapas de calibracin estndar son utilizadas para determinar la distancia de conmutacin de los

sensores de proximidad inductivos. Slo de esta forma pueden ser comparadas las distancias de

conmutacin de las diferentes construcciones de sensores de proximidad inductivos. La chapa de

fabricacin de medicin estndar es acero S 235 JR y es de 1 mm de espesor, ste es cuadrado y su

longitud es igual a:

El dimetro de la superficie activa del sensor, o

tres veces la distancia de nominal de conmutacin.

El ms alto de los dos valores es el que se utiliza como longitud lateral de la chapa estndar. El uso

de chapas de longitud ms grande, no representa cambios significativos en la distancia de medicin

para conmutacin. Sin embargo, el uso de chapas ms pequeas deriva en la reduccin de la

distancia de conmutacin.


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Adems, el uso de diferentes materiales conlleva una reduccin de la distancia de conmutacin

efectiva. El facto de reduccin para los diferentes materiales estn listados en la tabla 2-3.

Material Factor de reduccin.

Acero S 235 JR 1.0

Nquel Cromo 0.70 a 0.90

Latn 0.35 a 0.50

Aluminio 0.35 a 0.50

Cobre 0.25 a 0.40

Tabla 2-3. Gua de valores del factor de reduccin.

La designacin de conexiones de los sensores de proximidad inductivos estn estandarizadas,

observe la figura 2-11 para visualizar las conexiones.

Carga (L).

Figura 2-11. Conexin simblica de un sensor de proximidad inductivo, con tecnologa de voltaje directo de tres hilos.

Caractersticas tcnicas. La tabla 2-4 lista las caractersticas principales relacionadas con los sensores de proximidad

inductivos. Los valores listados son tpicos de aplicaciones bsicas.



Parmetro Valor

Material de los objetos. Metales.

Voltaje operativo. 10 a 30 VCD.

Distancia nominal de conmutacin. 0.8 a 10 mm, 250 mm mximo.

Mxima corriente de conmutacin. 75 a 400 mA.

Vibracin. 10 a 50 Hz, 1 mm de amplitud.

Sensibilidad a la suciedad. Insensible.

Vida til. Muy prolongada.

Frecuencia de conmutacin. 10 a 5000 Hz, 20 Khz mximo.

Diseo. Cilndrico.

Temperatura ambiente operativa. - 25 a + 70 C.

Tabla 2-4. Datos tcnicos de sensores de proximidad inductivos de CD.

Muchos de los sensores de proximidad inductivos que se encuentran disponibles en el mercado tienen

las siguientes precauciones constructivas, que garantizan una operacin simple y segura:

Proteccin de polaridad inversa (contra daos resultantes de una conexin inversa). Proteccin contra corto circuito (contra conexin accidental de la salida a tierra). Proteccin contra picos de voltaje (contra sobrevoltajes inesperados). Proteccin contra ruptura de cable (la salida es bloqueada si la lnea de alimentacin es

desconectada).

Superficie activa (1). Led (2). Cable o conector rpido (3).

Sensor inductivo de proximidad con cable de conexin.

Notas de aplicacin. Si los sensores de proximidad inductivos son fijados en partes metlicas, debe tener especial cuidado

en no alterar las caractersticas funcionales de los sensores de proximidad. Se cuentan con dos


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diferentes tipos de construccin: rasantes y no rasantes. En cuanto a los primeros, debe tomarse en

cuenta que el campo electromagntico sale directamente de la zona activa delantera. De manera que,

las caractersticas del sensor de proximidad no puede verse influenciada por el mtodo de ensamble.

En caso de montaje de sensores de proximidad en lnea, un espacio libre debe quedar entre ellos, el

cual debe ser al menos del mismo dimetro de los sensores instalados, tal como se muestra en la

figura 2-12. Esto es esencial para prevenir que los sensores de proximidad interfieran uno con el otro.

La zona libre frente a los sensores debe ser al menos tres veces la distancia nominal de conmutacin

del sensor a utilizar. La zona libre es el rea entre el sensor de proximidad y el fondo del objeto.

La ventaja de los sensores de proximidad rasantes es que son muy fciles de instalar y ahorran

espacio. La desventaja, comparada con los no rasantes es que, aunque el dimetro externo de la

carcasa sea idntico, la distancia de conmutacin es ms corta.

Figura 2-12. Sensor de proximidad inductivo rasante.

En cuanto a los detectores no rasantes, cuando son montados en huecos, tal como se muestra en la

figura 2-13, deben ser colocados de tal manera que las caractersticas del material que lo rodean

(metal), no tengan influencia sobre el comportamiento del detector. Para lograrlo, debe contarse con

una zona libre alrededor del rea activa. Sin embargo, estos sensores de proximidad pueden ser

embebidos en plsticos, madera u otro material no metlico, de manera que no se vean afectadas las

caractersticas del sensor. Este tipo de sensor a menudo puede ser reconocido por el cabezal

protuberante de la bobina que sobresale de la carcasa del sensor de proximidad.

Dimetro del sensor de proximidad (d). Zona libre 3 X sn (F),

donde sn es la distancia nominal de conmutacin



Figura 2-13. Sensor de proximidad inductivo no rasante.

Ejemplos de aplicacin. En la figura 2-15, se muestran ejemplos de aplicacin para los sensores de proximidad inductivos.

Sensor de proximidad capacitivo. Como se ve en la figura 2-14, un sensor de proximidad capacitivo consiste en un condensador y una

resistencia elctrica que forman en conjunto un oscilador RC, y un circuito para la evaluacin de la

frecuencia. Entre el nodo y el ctodo del condensador se genera un campo electrosttico, lo que

causa que se forme un campo de corrientes parsitas en el frente del sensor. Si se introduce un objeto

en este campo, vara la capacidad del condensador; lo que a su vez trae como resultado que el

oscilador se atene y que el circuito que hay detrs, conmuta la salida.

Figura 2-14. Sensor de proximidad capacitivo.

Dimetro del sensor de proximidad (d). Distancia nominal de conmutacin (sn)

Zona libre 1 (F1) = 3 X sn Zona libre 2 (F2) 3 X sn Zona libre 3 (F3) 2 X sn


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Figura 2-15. Ejemplos de aplicacin de los sensores de proximidad inductivos.

Los sensores de proximidad capacitivos no slo reaccionan a materiales conductores (como los

metales), sino tambin ante aislantes de gran rigidez dielctrica (como plsticos, vidrio, cermica,

fluidos y madera).

El cambio en la capacitancia depende esencialmente de los siguientes parmetros:

La distancia del medio desde la superficie activa, las dimensiones del medio y la constante dielctrica del medio.



La sensibilidad (distancia de conmutacin) de varios sensores de proximidad capacitivos puede ser

ajustada por medio de un potencimetro. De esta manera es posible la supresin de deteccin de

ciertos medios. Por ejemplo, con esto es posible determinar el nivel del fluido de soluciones acuosas a

travs de la pared de una botella.

La distancia de conmutacin de un sensor de proximidad capacitivo est determinada por medio del

revestimiento de metal aterrizado. La tabla 2-5 lista la variacin de la distancia del punto de

conmutacin con respecto a los diferentes materiales. La mxima distancia de conmutacin que es

posible obtener de un sensor de proximidad capacitivo es aproximadamente 60 mm.

Tabla 2-5. Variacin de la distancia de conmutacin en funcin del grosor del material, usando tiras de cartn de 30 mm de ancho.

Con los sensores capacitivos debe notarse que la distancia de conmutacin resultante est en funcin

del tipo, longitud lateral y grosor del material utilizado. Varios materiales producen difcilmente el

mismo factor de reduccin. En la tabla 2-6 se muestran los valores de reduccin respecto a otros

materiales.

Grosor del material [mm]. Distancia de conmutacin [mm].

1.5 ------

3.0 0.2

4.5 1.0

6.0 2.0

7.5 2.3

9.0 2.5

10.5 2.5

12.0 2.5


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Tabla 2-6. Valores del factor de reduccin.

Caractersticas tcnicas. La tabla 2-7 lista las caractersticas principales relacionadas a los sensores de proximidad capacitivos.

Tabla 2-7. Datos tcnicos de los sensores de proximidad capacitivos.

Notas de aplicacin. As como los sensores inductivos, pueden distinguirse dos tipos: los rasantes y los no rasantes.

Adems, cabe hacer notar que estos sensores pueden ser fcilmente contaminados. Tambin, su

sensibilidad, considerando la humedad, es muy alta debido a la alta constante dielctrica del agua

(=81). Por otro lado, stos pueden ser usados para la deteccin de objetos a travs de paredes no

Material. Factor de reduccin.

Todos los metales 1.0

Agua 1.0

Vidrio 0.3 a 0.5

Plstico 0.3 a 0.6

Cartn 0.5

Madera (dependiendo de la humedad) 0.2 a 0.7

Aceite 0.1 a 0.3

Parmetro Valor

Material del objeto. Todos los materiales con constante dielctrica de 1.

Voltaje operativo. 10 a 30 VCD o 20 a 250 VCA.

Distancia nominal de conmutacin. 5 a 20 mm, mximo 60 mm (usualmente ajustable va

potencimetro).

Corriente mxima de conmutacin. 500 mA.

Sensibilidad a la suciedad. Sensible.

Vida de servicio. Muy larga.

Frecuencia de conmutacin. Hasta 300 Khz.

Diseo. Cilndrico.

Temperatura ambiente operativa. - 25 a + 70 C.



metlicas. El espesor de la pared en este caso, debe menor de 4 mm y la constante dielctrica del

material a ser detectado, debe ser al menos 4 veces mayor que la de la pared.

Debido a esta habilidad para reaccionar ante un amplio rango de materiales, el sensor capacitivo

puede ser usado ms ampliamente que los sensores de proximidad inductivos. Por otro lado, los

sensores de proximidad capacitivos son sensibles a los efectos de humedad en la zona activa.

Muchos fabricantes, por ejemplo, utilizan un electrodo auxiliar para reducir los efectos de humedad,

roco o hielo; y as reducir los disturbios.

Consideraciones de aplicacin.

Por razones de costo, el uso de los sensores inductivos es generalmente preferido a los capacitivos, para la deteccin de objetos metlicos.

Para la deteccin de objetos no metlicos, los sensores de proximidad pticos son una alternativa viable.

Hay un particular campo de aplicaciones donde el uso de los sensores de proximidad capacitivos provee una clara ventaja.

Ejemplos de aplicacin. Los sensores capacitivos son utilizados, por ejemplo, para el monitoreo de niveles de llenado de

contenedores de almacenamiento. Otras reas de aplicacin incluye la deteccin de materiales no

metlicos.

Deteccin de objetos opacos o negros.

Estos objetos pueden ser elaborados de goma, piel, plstico u otros materiales; los cuales no son

detectados por los sensores pticos difusos; y por otro lado, los sensores ultrasnicos son muy caros.

Figura 2-16. Deteccin de suelas negras de goma.


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Deteccin de niveles de fluido en procesos de llenado.

En el caso de deteccin de niveles de fluidos a travs de paredes delgadas en contenedores de

plstico, vidrios de inspeccin, etctera; el grosor de la pared debe ser limitado, de tal manera que

permita al sensor capacitivo responder solamente ante el contenido.

Figura 2-17. Deteccin de nivel de llenado en contenedores de acero.

Deteccin de niveles de llenado de material granulado.

Los sensores capacitivos son empleados para la deteccin de polvos, granos o de volumen de

mercanca tipo granular, a travs de contenedores o silos.

Por ejemplo, es posible la localizacin del volumen de llenado dentro de contenedores a travs de

paquetes sellados, por medio de sensores capacitivos.

La figura 2-18 muestra como cuatro sensores capacitivos colocados en la base de la caja de cartn,

detectan si los cuatro botes de bebidas han sido colocados dentro del empaque.

Monitoreo del enrollamiento de alambres elctricos o cables.

Los sensores capacitivos reaccionan al cobre contenido en alambres elctricos o cables de dimetro

relativamente pequeo, mientras que un sensor de proximidad inductivo reacciona slo a pequeas

distancias, y en algunas ocasiones; por otro lado, los sensores pticos fallan demasiado en estas

tareas. La figura 2-19 muestra esta aplicacin

Verificacin de la presencia de focos dentro cajas de cartn ensambladas.

En la figura 2-20 se muestra como un sensor de proximidad verifica si cada una de las cajas que

pasan frente a l, tienen su foco.



Figura 2-18. Verificacin del contenido de un paquete a travs de cartn.

Figura 2-19. Monitoreo de la ruptura del cable por medio del sensor capacitivo.


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Figura 2-20. Verificacin de la presencia de focos dentro de cajas de cartn.

Sensor de proximidad ptico. Los sensores de proximidad pticos utilizan medios pticos y electrnicos para la deteccin de

objetos. Se utiliza luz roja o infrarroja. Los diodos semiconductores emisores de luz (LEDs) son

fuentes de luz roja e infrarroja particularmente fiables. Son pequeos y robustos, tienen una larga vida

til y pueden modularse fcilmente. Los fotodiodos y fototransistores se utilizan como receptores. La

luz roja tiene la ventaja que el rayo de luz puede verse durante el ajuste de los ejes pticos del sensor

de proximidad. Tambin pueden utilizarse fibras pticas de polmero, dada la baja atenuacin de la luz

de su longitud de onda.

Hay que distinguir tres tipos diferentes de sensores de proximidad:

Barreras de luz. Sensores pticos de retroreflexin. Sensores pticos de reflexin directa.

Construccin de los sensores de proximidad pticos. Bsicamente consisten de dos unidades principales: el emisor y el receptor. Dependiendo del tipo y aplicacin, pueden ser requeridos adicionalmente, reflejantes o cables de fibra ptica.



El emisor y el receptor pueden estar instalados en una sola carcasa (sensores difusos y reflectivos), o

en carcasas separadas (sensor de barrera).

El emisor aloja la fuente de luz roja o de luz infrarroja, misma que, de acuerdo a las leyes de la ptica

se extiende en lnea recta y puede ser desviada, concentrada, interrumpida, reflejada y direccionada.

Este haz de luz es aceptado por el receptor, separndolo de la luz externa y lo evala

electrnicamente.

Un esquema de la construccin de un sensor fotoelctrico se muestra en la figura 2-21.

Figura 2-21. Construccin de un sensor de proximidad de diseo cilndrico.

El sensor de proximidad es adaptado con un escudo interno, el cual lo aisla de la carcasa. Los

componentes electrnicos son encapsulados y un potencimetro junto al cable de salida para el ajuste

de la sensibilidad.

Usualmente, los sensores de proximidad incluyen un diodo emisor de luz (LED), el cual se ilumina

cuando la salida es activada. El led funciona tanto para ajuste, como para pruebas funcionales.

Margen operativo de los sensores de proximidad pticos. Los sensores de proximidad pticos pueden ser expuestos a contaminantes tales como polvos, astillas

y lubricantes, durante la operacin. Dicha contaminacin puede causar interferencia en este tipo de


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sensores. Asimismo, la contaminacin de ambos lentes que conforman el sensor, as como la del

reflejante en el sensor reflectivo y la del objeto a ser detectado, en caso del sensor difuso; pueden

causar fallos.

La contaminacin densa en el haz de luz en los sensores de barrera y en los reflectivos; pueden

causar una interrupcin del haz de luz, lo que causa falsas detecciones. En el caso de los sensores

difusos, la contaminacin densa del sistema de lentes puede ser evaluada como un objeto presente, si

el haz de luz es reflejado hacia el receptor, como resultado de la contaminacin de los lentes. La

contaminacin densa en el objeto mismo, provoca la evaluacin de un objeto como no presente, si la

luz es reflejada hacia otro lado como resultado de la contaminacin.

Para lograr una operacin segura, deben ser tomadas en cuenta las siguientes medidas:

1. Operar los sensores de proximidad pticos con suficiente margen operativo.

- Instalarlo despus de probarlo.

- Seleccione el sensor de proximidad adecuado con suficiente margen operativa.

2. Utilice sensores de proximidad con apoyos instalados; por ejemplo, led destellante con

funcionamiento en reas marginales.

3. Emplee sensores de proximidad con seal precautoria automtica de contaminacin.

Los sensores de de proximidad pticos tienen un cierto margen de operativo (tambin conocido como

funcin de reserva) , siendo el cociente de la potencia actual de la seal ptica en la entrada del

receptor PR, dividido por la potencia mnima detectable de la seal ptica que provoque la

conmutacin, PT.

=PRPT

Si por ejemplo, el receptor capta una seal emitida dentro del lmite mnimo de conmutacin, esto

causa que =1, se dice que no est en margen operativo. Si el factor es, por ejemplo, =1.5, se dice

que el sensor se encuentra con un margen operativo de 50% de disponibilidad.

El factor depende, de alguna manera, de la distancia entre el emisor y el receptor; en el caso de los

sensores de barrera; entre el emisor y el reflejante, en el caso de los sensores reflectivos; y del objeto

en el caso de sensores difusos.

De alguna manera, la muestra de que el factor del margen operativo es dependiente de la distancia S,

con respecto al sensor de proximidad individual, se esquematiza en las figuras 2-22 a 2-24, mediante

curvas operativas marginales para cada tipo de sensor ptico.



Figura 2-22. Ejemplo ilustrativo del patrn del factor operativo de reserva, utilizando un sensor de barrera.

Figura 2-23. Ejemplo ilustrativo del patrn del factor operativo de reserva, utilizando un sensor reflectivo.


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Figura 2-24. Ejemplo ilustrativo del patrn del factor operativo de reserva, utilizando un sensor difuso.

Descripcin funcional.

Barreras de luz. La barrera de luz tiene el emisor y el receptor separados e independientes. Como se observa en la

figura 2-25, se disponen de forma tal que el rayo transmisor est dirigido al receptor. La salida

conmuta cuando se interrumpe el rayo de luz.

Figura 2-25. Principio de funcionamiento del sensor ptico de barrera.

Caractersticas tcnicas. En la tabla 2-8 se listan las caractersticas tpicas de los sensores pticos de barrera.



Tabla 2-8. Datos tcnicos del sensor de barrera.

Los receptores tienen transistor NPN o PNP a la salida, y en algunos casos particulares, cuentan con

salida de relevador.

Figura 2-26. Rango de respuesta de los sensores de barrera.

Sensor de retroreflexin. En este tipo de sensor, el emisor y el receptor estn dispuestos en el mismo cuerpo. Como se ve en la

figura 2-13, exteriormente se instala un reflector catadiptrico de tal forma, que el rayo de luz emitido

Parmetro Valor

Material del objeto. Todos, problemas con objetos altamente transparentes.


Distancia nominal de conmutacin. 1 a 100 m (usualmente ajustable).

Corriente mxima de conmutacin

(transistor de salida) 100 a 500 mA.


Vida de servicio. Larga (aproximadamente 100,000 horas).

Frecuencia de conmutacin. De 20 a 10,000 Hz.

Diseo. Generalmente cbico, pero tambin suele ser cilndrico.

Temperatura ambiente operativa. 0 a 60 C - 25 a + 80 C.


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por el emisor se refleja casi por completo en el receptor. La salida conmuta cuando se interrumpe el

rayo de luz.

El rango de respuesta est precisamente definido por el tamao de la apertura ptica del emisor y el

receptor. En este sentido, la posicin lateral es determinante para el sensado.

Notas de aplicacin.

Ventajas del sensor de barrera.

Gran fiabilidad debido a que la luz es permanente durante el paro del sistema. Rango amplio. Pude detectar pequeos objetos regularmente, an cuando el emisor y el receptor se

encuentren muy distanciados.

Adecuado para ambientes agresivos. Puede detectar objetos pueden ser opacos, reflejantes o bajamente traslucidos. Buena exactitud de posicionamiento.

Desventajas del sensor de barrera.

El sensor consta de dos mdulos (emisor y receptor), por lo tanto se requiere de conexiones elctricas separadas.

No puede ser usado para detectar objetos completamente transparentes.

Notas.

Para el caso de objetos transparentes, es posible reducir la potencia de emisin, por medio del potencimetro de ajuste; hasta lograr que el receptor se desactive cuando el objeto se

encuentre en el haz de luz.

Una falla del emisor puede ser evaluada como objeto presente (importante en aplicaciones de prevencin de accidentes).

Ejemplos de aplicacin. Las barreras de seguridad deben conformarse de acuerdo con las regulaciones propias del proceso,

para lograr que el personal operativo guarde una distancia prudente respecto a la maquinaria de alto

riesgo, tales como prensas y cortadoras; adems de que puede protegerse para que realice tareas de

manera inadecuada, que puedan afectar la produccin. Los sensores son evaluados constantemente

an con la mquina detenida, por lo general por PLCs, para detectar la presencia de personas u

objetos que puedan verse afectados. En la figura que se muestra a continuacin se ilustran dos

ejemplos de aplicacin.



Figura 2-27. Ejemplo de aplicacin del sensor ptico de barrera.

Reflectivo. En el sensor ptico reflectivo, el emisor y el receptor estn dispuestos en el mismo cuerpo.

Exteriormente se instala un reflector catadiptrico de tal forma, que el rayo de luz emitido por el emisor

se refleja casi por completo en el receptor. La salida conmuta cuando se interrumpe el rayo de luz.

Figura 2-28. Principio de funcionamiento del sensor ptico reflectivo.

Caractersticas tcnicas. En la tabla 2-9, se listan las caractersticas tcnicas relacionadas a los sensores reflectivos. Los datos

que se muestran en esta tabla son tpicos.

La figura 2-29 muestra el rango de respuesta se encuentra dentro de las lneas que forman el margen

de apertura de la ptica entre el emisor/receptor y el margen del reflector. Por regla general, el rango

Verificacin de la ruptura de broca

mediante el sensor ptico de barrera.Prevencin de accidentes en una prensa por

medio del sensor ptico de barrera.


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de respuesta cerca del reflector es ms pequeo que en la seccin de reflexin cruzada, dependiendo

de la distancia entre los elementos del sensor reflectivo y del ajuste del potencimetro.

Tabla 2-9. Datos tcnicos del sensor reflectivo.

Figura 2-29. Rango de respuesta del sensor reflectivo.

Parmetro Valor

Material del objeto. Todos, problemas con objetos reflejantes.


Distancia nominal de conmutacin. Hasta 10 m (usualmente ajustable).






Diseo. Cilndricos y cbicos.


Emisor / receptor (1). Rango de recepcin (3). Reflector (5). Rango de respuesta (2). Rango de emisin (4)



Notas de aplicacin.

Ventajas del sensor reflectivo.

Fiabilidad grande debida a la permanencia de la luz infrarroja, an cuando no est trabajando el sensor.

Instalacin y ajuste sencillos. Los objetos pueden ser los suficientemente opacos, reflejantes o transparentes, slo hay que

asegurarse de que un alto porcentaje de la luz sea absorbida.

En muchos casos, se tienen rangos grandes en comparacin con los sensores difusos.

Desventajas del sensor reflectivo.

Objetos tranparentes muy claros o muy brillantes pueden ser no detectables.

Notas.

En caso de objetos transparentes, el rayo de luz pasa el objeto dos veces, teniendo como resultado su atenuacin. Es posible la deteccin de este tipo de objetos mediante el correcto

ajuste del potencimetro.

Para la deteccin de objetos reflejantes, el sensor debe ser colocado de tal manera que se asegure que la reflexin no afecte al receptor.

En particular con objetos pequeos, la luz que no pueda obstruirse y logre pasar al receptor, puede provocar errores de deteccin.

La falla del emisor es evaluada como objeto presente. El reflejo puede verse deteriorada con el tiempo y la suciedad; la operacin a temperaturas

ambiente mayores a los 80 C puede afectar las partes plsticas permanentemente. La

colocacin de reflectores inadecuados el rango y la efectividad considerablemente.

Ejemplos de aplicacin. Ventaja. Tal como se muestra en la figura 2-30, slo un reflector es requerido en uno de los lados del

transportador, sin necesidad de cableado elctrico para el receptor, tal como se hace en el sensor de

barrera.

Reflector. Como se puede ver en la aplicacin de la figura 2-31, un reflejante de papel plateado o un reflector

individual triple puede ser utilizado para controlar la holgura de una tela, mediante tres sensores

reflectivos. La solucin propuesta en la misma figura, no es recomendable para materiales

transparents.


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Figura 2-30. Monitoreo de acumulacin y conteo de objetos por medio de un sensor reflectivo.

Figura 2-31. Control de holgura por medio de sensores reflectivos.

Difuso. En el sensor de reflexin directa o sensor difuso, el emisor y el receptor estn dispuestos en el mismo

cuerpo. Si la luz del emisor choca contra un objeto mnimamente reflejante, es reflejada hacia el

receptor que hace conmutar la salida. Por su principio de funcionamiento, los sensores difusos slo

pueden utilizarse con determinados materiales relativamente reflejantes (por ejemplo, superficies

pulidas o pintadas). La distancia de conmutacin depende de la distancia del objeto y de que tan

reflexible es ste. El tamao, la superficie, la forma, la densidad y el color del objeto, as como el

ngulo de impacto, determinan la intensidad de la luz reflejada; de modo que, como nica regla,

pequeas distancias del orden de unos cuantos centmetros pueden ser escaneadas. El fondo debe

absorber o desviar la luz emitida, por ejemplo, cuando el objeto no est presente, el haz de luz

reflejado debe ser evidentemente debe ser inferior a la respuesta umbral del circuito receptor.

La figura 2-32 muestra el principio de operacin del sensor ptico difuso.



Figura 2-32. Principio de funcionamiento del sensor ptico difuso.

Caractersticas tcnicas. En la tabla 2-10 se listan las caractersticas tcnicas tpicas de los sensores de proximidad pticos

difusos.

Tabla 2-10. Datos tcnicos del sensor reflectivo.

Parmetro Valor

Material del objeto. Todos.


Distancia nominal de conmutacin. 50 mm a 2 m (usualmente ajustable).






Diseo. Cilndricos y cbicos.



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Figura 2-33. Curvas de respuesta de sensores difusos.

Notas de aplicacin. Ventajas del sensor difuso.

Porque la reflexin sobre el objeto activa el receptor, no es requerido un reflector adicional. El objeto puede ser tan opaco, reflejante o transparente, de manera que un alto porcentaje del

haz pueda ser reflejado.

Mientras que en los sensores de barrera pueden slo ser detectados lateralmente al haz de luz; los sensores difusos permiten la deteccin frontal; por ejemplo, es decir, en la direccin

del rayo de luz.

Dependiendo de la colocacin del sensor, pueden ser detectados selectivamente objetos colocados frente a un fondo.

Desventajas del sensor difuso.

Como puede verse en la figura 2-33, las curvas de respuesta no son completamente rectas. Por lo tanto, los sensores difusos no son adecuados, como los son los de barrera, si la

exactitud de respuesta lateral es crucial.

Notas.

El tamao, la superficie, la forma, la densidad y el color del objeto determinan la intensidad de la emisin de la luz difusa, y por lo tanto, el rango actual de sensado. El rango de sensado

nominal dado en las hojas de datos, fue medido empleando una tarjeta de pruebas Kodak

Emisor / receptor (1). Rango de emisin (2). Curva de respuesta (3).

Para distancias pequeas: se requieren superficies difusas reflejantes pequeas.

Para largas distancias: se requieren grandes superficies reflectoras posteriores.



estndar de cara blanca. El fondo debe absorber o desviar la luz emitida; por ejemplo, en la

ausencia del objeto, la luz reflejada debe ser ms baja que la que provoca la respuesta del

circuito receptor.

Una falla del emisor es evaluada como objeto no presente.

Factores de correccin a tomar en cuenta para las diferentes superficies de objetos. La distancia de conmutacin debe ser multiplicada por el factor de correccin.

1) Cara blanca mate al reverso de una tarjeta gris Kodak CAT 152 7795.

Tabla 2-11. Factores de correccin para las distancias de conmutacin de los sensores difusos.

Enmascarando el fondo con sensores difusos.

Figura 2-34. Desvanecimiento del fondo con sensor difuso.

Material Factor

Cartn blanco 1). 1.0

Poliestireno expandido blanco. 1.0 a 1.2.

Metal brillante. 1.2 a 2.0.

Madera gruesa. 0.4 a 0.8.

Algodn blanco. 0.5 a 0.8.

Cartn negro mate. 0.1

Cartn negro brillante. 0.3

PVC gris. 0.4 a 0.8.

Potencimetros de ajuste (1).

Objeto (2).

Fondo (3).

Distancia entre el sensor de

proximidad y el objeto (a).

Distancia entre el sensor y el

fondo (b).


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Ajuste de la sensibilidad. El efecto del sensor difuso depende de la diferencia de reflexin del objeto y el fondo. Con solo un

ligero contraste, la respuesta umbral puede, si es necesario, ajustarse la sensibilidad del sensor de

proximidad (con el potencimetro de una vuelta o multivueltas), con la finalidad de que el objeto sea

detectado con fiabilidad, an en las condiciones ms difciles.

De cualquier manera, un rango de tolerancia deber ser tomado en cuenta debido al envejecimiento,

fluctuaciones de temperatura o voltaje y suciedad. Por esta razn, el rango de medicin no debe

depender solamente del ajuste.

Cuando cuidadosamente ajuste el sensor difuso con el potencimetro, un cierto margen debe ser

tomado en cuenta debido a ciertos cambios en las condiciones del objeto tales como contaminacin

del sensor, polvo en el ambiente, etctera. Una vez instalado correctamente, ser muy difcil que se

generen problemas.

Algunos sensores difusos tienen incorporado un led destellante que facilita la confiabilidad del ajuste;

dicho led parpadea si el objeto no es claramente detectado. El ajuste del sensor de proximidad con

salida normalmente abierta debe ser realizado de tal manera que el led permanezca encendido sin

parpadear cuando detecte el objeto.

Figura 2-35. Objeto detectado.

Emisor / receptor (1). Superficie reflejante (2).



Figura 2-35. Objeto no detectado.

Objetos transparentes.

Vidrio delgado. Plexigls ligero. Pelcula adhesiva transparente.

Estos materiales usualmente son lisos, tiene superficies reflejantes, por lo tanto, el sensor difuso

puede utilizado.

Condicin: La superficie del objeto debe estar alineada verticalmente a la direccin del haz de luz.

Objetos con reflexin reducida.

Plstico negro mate. Goma negra. Materiales de colores obscuros con superficie spera. Telas oscuras. Acero pulido.

Los sensores difusos no reaccionan ante este tipo de materiales, lo pueden hacer pero a distancias

muy cortas.

Emisor / receptor (1). Superficie reflejante (2).


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Soluciones alternativas.

Pueden utilizarse sensores de barrera o reflectivos para acercamientos laterales. Sensores de proximidad capacitivos o ultrasnicos pueden utilizarse para acercamiento

frontal.

Ejemplos de aplicacin. Para la aplicacin que se muestra en la figura 2-36, es necesario ajustar cuidadosamente la

sensibilidad con el potencimetro, por lo cual deben tomarse en cuenta ciertas tolerancias en base al

material, suciedad, etctera.

Figura 2-36. Monitoreo de la posicin de piezas de trabajo mediante sensores difusos.

En la aplicacin que se muestra en la figura 2-37, un controlador verifica la respuesta de todos los

sensores (las salidas de los sensores de proximidad son conectadas de acuerdo a la lgica AND).

Sensores difusos con cable de fibra ptica son tomados en cuenta para lograr altas exactitudes a

pequeas distancias.

Correcto (1). Incorrecto (2).



Figura 2-37. Verificador de forma y posicin mediante sensores difusos.

Sensores de presin. Hay varios tipos de sensores sensibles a la presin:

Presostatos con contacto mecnico (seal de salida digital). Prersostatos con conmutacin electrnica (seal de salidad digital). Sensores electrnicos de presin con seal de salida analgica.

Presostatos mecnicos. En el presostato accionado mecnicamente, la presin acta en la superficie de un cilindro. Si la

presin sobrepasa la fuerza del muelle, el mbolo avanza y acciona el juego de contactos, tal como se

muestra en la figura 2-38.

Figura 2-38. Presostato accionado por mbolo.


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Los interruptores de presin son dispositivos de control que responden a cambios en la presin de aire

o agua. El aire o agua es referido como fluido a presin. Los contactos abiertos y cerrados de ste

responden a los cambios de presin, ya sea para arrancar y parar de un motor, prender o apagar

luminarias, o activar una alarma visual o audible. Para cargas de hasta 5 HP, el interruptor de presin

puede manejar la corriente directamente. Para cargas ms grandes, el interruptor de presin requiere

energizar relevadores, contactores o arrancadores, para energizar la carga.

Ejemplo de aplicacin. Los interruptores de presin se utilizan frecuentemente para mantener una presin especfica dentro

de un rango, en un tanque de almacenamiento; el cual puede ser utilizado para almacenar un lquido,

tales como agua o gas, as como aire.

Figura 2-40. Ejemplo de control de presin.

Figura 2-39. Interruptor de presin.



Operacin. En este ejemplo se utiliza un contacto normalmente cerrado del presostato. La bomba arranca tan

pronto como el voltaje es aplicado al sistema. Cuando la presin en el tanque de almacenamiento

alcanza el nivel predeterminado, los contactos del sensor se abren, quitndole el voltaje al motor de la

bomba. Cuando todo el contenido del tanque es utilizado, la presin dentro del mismo decrece,

cuando baja al nivel mnimo predeterminado, los contacto del sensor vuelven a cerrarse, aplicando de

nuevo el voltaje al motor.

Figura 2-41. Operacin del ejemplo de aplicacin.

Presostatos electrnicos. Los presostatos de diafragma adquieren cada vez ms importancia. En lugar de accionar un contacto

mecnico, la salida es conmutada electrnicamente. Unidos al diafragma se disponen sensores

sensibles a la fuerza de la presin. La seal del sensor es evaluada por un circuito electrnico. As

que una vez que la presin sobrepase un cierto valor, la salida conmuta.


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Sensores de presin analgicos. El diseo y el modo de funcionamiento de un sensor de presin de estas caractersticas se muestran

utilizando como ejemplo el sensor analgico de FESTO, SDE-10-10V/20mA.

La figura 2-42a muestra la clula de medicin piezoresistiva de un sensor de presin. La resistencia

variable (1) cambia su valor cuando se aplica presin al diafragma. Mediante los contactos (2), la resistencia se conecta al dispositivo de evaluacin electrnico, que genera la seal de salida.

La figura 2-42b representa el conjunto de la disposicin constructiva del sensor; mientras que 2-42c

ilustra las caractersticas del sensor, representando la correlacin entre la presin y la seal de salida

elctrica. Un aumento de la presin produce un aumento del voltaje en la salida del sensor. Una

presin de 1 bar produce un voltaje de 1 V, una presin de 2 bars genera un voltaje de 2 V, y as

sucesivamente.

2.3. Conexin de los sensores de proximidad. Dispositivos de corriente directa. Los dispositivos de corriente directa son tpicamente de tres hilos (tambin hay disponibles de dos

hilos), requiriendo separadamente de una fuente de alimentacin. La carga es conectada entre el

sensor y uno de los extremos de la fuente de alimentacin. La polaridad especfica de la conexin

depende del modelo del sensor; en el ejemplo de la figura 2-43, la carga es conectada entre la

terminal negativa de la fuente de alimentacin y el sensor.

Figura 2-43. Ejemplo de conexin de la carga.

Configuraciones de salida. Los sensores de proximidad de corriente directa con salida de tres hilos, pueden tener un transistor

PNP a la salida (tipo fuente) o NPN (tipo sumidero), es decir, que un transistor es el que permite aue

se pueda presentar un voltaje de salida. La figura 2-43 ilustra la etapa de salida de un sensor PNP. La

carga es conectada entre la salida (A) y la terminal negativa de la fuente de voltaje (L-). Un transistor

PNP conmuta la carga a la terminal positiva de la fuente de voltaje (L+). Cuando el transistor se cierra,

la corriente fluye desde L- a travs de la carga hasta L+.



Figura 2-42. Construccin y curva caracterstica de un sensor analgico de sensor.


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La figura 2-45 muestra un sensor con salida a transistor NPN. La carga es conectada entre la salida

(A) y la terminal positiva (L+) de la fuente de alimentacin. Cuando el transistor NPN se cierra, la

carga es aplicada a la terminal negativa (L-) de la fuente de voltaje.

La salida es considerada normalmente abierta (NO) o normalmente cerrada (NC), basada en la

condicin del transistor cuando el objetivo est ausente. Por ejemplo, si la salida de un transistor PNP

est apagada, cuando el objetivo est ausente, el dispositivo es normalmente abierto. Si la salida con

un transistor PNP est activa cuando el objetivo est ausente, se considera un dispositivo

normalmente cerrado

Los dispositivos transistorizados tambin pueden ser complementarios (cuatro hilos). Una salida

complementaria se define cuando tiene ambos contactos (normalmente cerrado y normalmente

abierto), en el mismo sensor.

La figura 2-46 muestra un resumen de las conexiones para los sensores de 2, 3 y 4 hilos.

Conexiones series y paralelo. En algunas aplicaciones puede requerirse de ms de un sensor para controlar un proceso. Los

sensores pueden ser conectados en serie o en paralelo; en el primero, todos los sensores deben ser

activados con la salida del anterior y slo una salida (la del ltimo), es la que activa la carga; en el

segundo caso, todos los sensores recibe voltaje de la misma fuente de alimentacin y cualquiera de

ellas puede activar la carga.

Algunas consideraciones deben ser tomadas en cuenta cuando se conectan sensores en serie, en

particular, el voltaje requerido de la fuente de alimentacin se incrementa con el nmero de

dispositivos conectados en serie. La figura 2-47 proporciona informacin al respecto.

Figura 2-44. Carga conectada a un transistor PNP (salida tipo

fuente).

Figura 2-45. Carga conectada a un transistor NPN (salida tipo

sumidero).



Figura 2-47. Conexin de los sensores en serie o paralelo.

Figura 2-46. Conexiones de 2, 3 y 4 hilos.


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3. Elementos de salida o actuadores. 3.1. Rels. Antes, los rels eran utilizados principalmente como amplificadores en la tcnica de la

telecomunicacin. En la actualidad, los rels son utilizados en mquinas y equipos como elementos de

control y regulacin. Un rel debe cumplir con determinados requisitos prcticos:

Sin necesidad de mantenimiento. Elevadas frecuencias de conmutacin. Conmutacin de corrientes y tensiones muy pequeas y, tambin, relativamente altas. Velocidad de trabajo alta, es decir, tiempos mnimos de conmutacin.

Qu es un rel?

Los rels son elementos constructivos que conmutan y controlan con poca energa. Los rels son

utilizados principalmente para el procesamiento de seales. Un rel puede ser descrito como un

conmutador de rendimiento definido y accionado electromagnticamente.

Figura 3-1. Relevador de control (CR).

Funcionamiento.

Conectando tensin a la bobina, fluye

una corriente que crea un campo

magntico que desplaza al inducido

hacia el ncleo de la bobina. El

inducido, por su parte, est provisto de

contactos mecnicos que pueden abrir o

cerrar. El estado descrito se mantiene

mientras est aplicada la tensin. Al

interrumpirla, el inducido vuelve a su

posicin normal por accin de un

muelle. Figura 3-2. Componentes del relevador.



Para simplificar la lectura de los esquemas elctricos, se utilizan smbolos para los rels. Los rels son

denominados CR1, CR2, CR3, etctera; tal como se muestra en la figura 3-3.

Figura 3-3. Simbologa y esquema de un relevador de control.

Las conexiones elctricas (en la bobina) se denotan como A1 y A2. El rel que se muestra en el

ejemplo tiene dos pares de contactos abiertos y cerrados (tal como lo muestra el smbolo de la figura

3-3). La asignacin 3 y 4 se hacen a los contactos normalmente abiertos, mientras que 1 y 2 para los

normalmente cerrados; para no confundir los contacto la separacin de los juegos se hace en base al

siguiente razonamiento: el primer juego de contactos despus de la bobina, le corresponde, en el

espacio de las decenas, el nmero 1; mientras al siguiente juego ya le corresponde el nmero 2 en el

espacio asignado a las decenas, y as sucesivamente hasta completar el total de los juegos de

contactos del relevador.

Para el caso de que el relevador cuente con juegos de contactos combinados, como el que se

muestra en la figura 3-4, la asignacin de conexiones es: 1 para la terminal comn, 2 para la terminal

normalmente cerrada y 4 para la normalmente abierta; mientras que la designacin de los juegos de

contactos, se hace como se indic en el prrafo anterior para el caso de los relevadores que cuentan

con contactos sencillos. La identificacin por cifras es muy til en la prctica ya que facilita

considerablemente la conexin de los rels.

En la era de la electrnica, los rels siguen teniendo gran importancia en el mercado por diversas

razones.

Figura 3-4. Designacin de los contactos

combinados de un relevador


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Polo.

Se llama polo al nmero de circuitos aislados que pueden pasar a travs de un relevador al mismo

tiempo. Un polo simple puede transportar corriente a un solo circuito. Un polo doble puede llevar

corriente a dos circuitos al mismo; tal como se muestra en la figura 3-5.

Figura 3-5. Polo sencillo y polo doble.

Tiro.

Tiro es el nmero de contactos diferentes que pueden cerrarse por polo. Este es el nmero total de

circuitos diferentes que cada polo puede controlar; tal como se muestra en la figura 3-6.

Figura 3-6. Representacin de los tiros de un relevador.

Las siguientes abreviaturas se emplean frecuentemente para indicar las configuraciones de contactos:

SPST Polo sencillo, tiro sencillo.

SPDT Polo sencillo, doble tiro.

DPST Doble polo, tiro sencillo.

DPDT Doble polo, doble tiro.

Ruptura.

Es el nmero de contactos separados que conmutan contactos normalmente abiertos o cerrados para

circuitos individuales. Si el relevador rompe un circuito en un lugar, esta es una ruptura sencilla. Si el



relevador rompe el circuito en dos lugares, esta es una doble ruptura. La figura 3-7 ilustra varias

configuraciones de contactos.

Figura 3-7. Configuraciones de contactos.

Ventajas.

Fcil adaptacin a diversas tensiones de trabajo. Insensibilidad trmica frente al medio ambiente. Los rels funcionan fiablemente a

temperaturas entre 353 K (80C) hasta 233 K (-40 C).

Resistencia relativamente elevada entre los contactos de trabajo desconectados. Posibilidad de activar varios circuitos independientes entre s. Presencia de una separacin galvnica entre el circuito del mando y el circuito principal.

Todas estas propiedades positivas de los rels se cumplen efectivamente en la prctica, por lo que

puede afirmarse que seguirn ocupando un lugar importante en la electrotecnia. No obstante, el rel

tambin tiene desventajas.

Desventajas.

Desgaste de los contactos por arco voltaico u oxidacin. Necesidad de ms espacio que los transistores. Ruidos al conmutar.


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Velocidad de conmutacin limitada de 3 ms hasta 17 ms. Interferencias por suciedad (polvo) en los contactos.

Para elegir un rel se recurre a fichas tcnicas que incluyen todos los valores de importancia, tales

como corriente, tensin, potencia, conmutaciones, etctera.

Aplicacin del relevador de interposicin. El diagrama de la figura 3-8 ilustra una manera en que un relevador de control puede ser utilizado en

un circuito. Un contactor con bobina de 24 VCA podra no ser lo suficientemente grande como para

operar un motor de 460 VCA, por tal motivo, se ha optado que el contactor tenga una bobina con

voltaje de 460 VCA, pero ahora el voltaje de control es demasiado alto e inseguro para el personal

operativo. Se utilizar un relevador de interposicin con bobina de 24 VCA, para ste sea el que

manipule los 460 VCA para la bobina del contacto.

Figura 3-8. Aplicacin del relevador de interposicin.

Cuando el botn Start de la lnea 2 es activado momentneamente, el voltaje del secundario del

transformador es aplicado a la bobina del relevador de control (CR).



Los contactos CR en las lneas 1 y 2 se cierran. El contacto CR de la lnea 2 enclava al circuito de

arranque. El contacto CR de la lnea 1completa la circulacin de corriente hacia el arrancador M del

motor. El arrancador el motor M cierra los contactos M para que el motor se energice y empiece a

trabajar. Pulsando el botn Stop, se desenergiza la bobina del relevador CR, lo que provoca el

apagado del arrancador M, ste a su vez apaga el motor.

3.2. Lmparas piloto. Las lmparas piloto proveen visual sobre la operacin de los circuitos de control. Las luces piloto son

empleadas normalmente para la indicacin de ON/OFF, precaucin, cambio de condiciones y

sealizacin de alarmas.

Figura 3-1. Luces piloto tpicas.


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Las luces piloto cuentan con lentes difusores de color, tales como rojo, verde, mbar, azul, blanco o

claro. Una lmpara roja indica normalmente que el sistema est trabajando. La verde indica

normalmente que el sistema est desenergizado. Por ejemplo, una lmpara roja en el panel de control

debe ser la indicacin visual de que el motor est en operacin, mientras que la lmpara verde debe

ser la indicacin visual de que el motor est detenido; tal como se muestra en la figura 3-2.

Empleando una luz piloto en el circuito de control. En el siguiente diagrama, la lmpara roja es conectada en paralelo con la bobina electromagntica -

M.

Cuando la bobina es energizada, la luz debe iluminarse para indicar que el motor esta en operacin.

Si la lmpara se funde en el proceso, el motor debe de quedar en funcionamiento.

Figura 3-2. Aplicacin de luces piloto.



En el siguiente diagrama, la lmpara piloto verde es conectada a travs del contacto auxiliar

normalmente cerrado de M (Mb). Cuando la bobina se desenergiza, la lmpara piloto se enciende,

indicando que el motor no est trabajando.

Al accionar el botn de Arranque y energizar M, el contacto auxiliar normalmente cerrado Mb, se

abre, lo que provoca que la lmpara piloto se apague.


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Columnas sealizadoras. Las columnas sealizadoras como las que se muestran en la figura 3-3, pueden ser montadas

localmente en las mquinas, haciendo posible la monitorizacin de las estaciones de produccin, por

parte del personal operativo. Varios elementos visuales estn disponibles; incluyendo luces estrobo,

luces fijas o destellantes y luces led incandescentes. Cuentan con lentes difusores color rojo, verde,

amarillo, azul y claro. Existe columnas que cuentan con seales audibles tales como sirenas y

zumbadores. Adems, se encuentran disponibles con elementos de comunicacin para mandar

informacin a los PLCs o computadoras, mediante la red Interfase Sensor Actuador (ASi); con este

protocolo, hasta 10 columnas sealizadoras pueden ser utilizadas.

Figura 3-3. Columnas sealizadoras.

3.3. Contactores magnticos y arrancadores. Algunas aplicaciones requieren el uso de dispositivos de control distante, que puedan encender y

apagar un motor. Los contactores magnticos, similar a los que se muestran en la figuras 3-4, proveen

esta funcin. Los contactores tambin son empleados para controlar la distribucin de energa en

luminarias y circuitos calefactores.

Figura 3-4. Contactores magnticos.


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