neumatica

La neumática constituye una herramienta muy importante dentro del control automático en la industria , enumeramos aquí los conceptos mas importantes destinados a operarios y encargados de mantenimiento


1. Introducción

1.1 La evolución en la técnica del aire comprimido

El aire comprimido es una de las formas de energía más antiguas que conoce el hombre y aprovecha para reforzar sus recursos físicos.

El descubrimiento consciente del aire como medio - materia terrestre - se remonta a muchos siglos, lo mismo que un trabajo más o menos consciente con dicho medio.

El primero del que sabemos con seguridad es que se ocupó de la neumática, es decir, de la utilización del aire comprimido como elemento de trabajo, fue el griego KTESIBIOS. Hace más de dos mil años, construyó una catapulta de aire comprimido. Uno de los primeros libros acerca del empleo del aire comprimido como energía procede del siglo I de nuestra era, y describe mecanismos accionados por medio de aire caliente.

Fundamentos del control automático industrial .
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De los antiguos griegos procede la expresión "Pneuma", que designa la respiración, el viento y, en filosofía, también el alma.

Como derivación de la palabra "Pneuma" se obtuvo, entre otras cosas el concepto Neumática que trata los movimientos y procesos del aire.

Aunque los rasgos básicos de la neumática se cuentan entre los más antiguos conocimientos de la humanidad, no fue sino hasta el siglo pasado cuando empezaron a investigarse sistemáticamente su comportamiento y sus reglas. Sólo desde aprox. 1950 podemos hablar de una verdadera aplicación industrial de la neumática en los procesos de fabricación.

Es cierto que con anterioridad ya existían algunas aplicaciones y ramos de explotación como por ejemplo en la minería, en la industria de la construcción y en los ferrocarriles (frenos de aire comprimido).

La irrupción verdadera y generalizada de la neumática en la industria no se inició, sin embargo, hasta que llegó a hacerse más acuciante la exigencia de una automatización y racionalización en los procesos de trabajo.

A pesar de que esta técnica fue rechazada en un inicio, debido en la mayoría de los casos a falta de conocimiento y de formación, fueron ampliándose los diversos sectores de aplicación.

En la actualidad, ya no se concibe una moderna explotación industrial sin el aire comprimido. Este es el motivo de que en los ramos industriales más variados se utilicen aparatos neumáticos.

Ventajas de la Neumática

El aire es de fácil captación y abunda en la tierra
El aire no posee propiedades explosivas, por lo que no existen riesgos de chispas.
Los actuadores pueden trabajar a velocidades razonablemente altas y fácilmente regulables
El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito por efecto de golpes de ariete.
Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas o que dañen los equipos en forma permanente.
Los cambios de temperatura no afectan en forma significativa.
Energía limpia
Cambios instantáneos de sentido
Desventajas de la neumática

En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables
Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado
Las presiones a las que trabajan normalmente, no permiten aplicar grandes fuerzas
Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera
Física de sólidos y fluidos

En general la materia se clasifica como uno de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. Por la experiencia cotidiana sabemos que un sólido tiene un volumen y forma definidos. Un ladrillo mantiene su forma y tamaño día tras día. Sabemos también que un líquido tiene un volumen definido, mas no una forma definida. Por ejemplo, podemos echar leche en cualquier frasco y ésta siempre cabrá, claro, también depende de la capacidad de la vasija. Por último, un gas no tiene ni volumen ni forma definidos. Ejemplo de esto son las nubes, a las que siempre vemos con formas caprichosas. Estas definiciones nos ayudan a ilustrar los estados de la materia, aunque son un poco artificiales. Por ejemplo, el asfalto y los plásticos por lo general se consideran sólidos, pero durante largos espacios de tiempo tienden a fluir como líquidos.

Asimismo, la mayor parte de las sustancias pueden ser un sólido, líquido o gas (o combinaciones de éstos), según la temperatura y presión. En general, el tiempo que, tarda una sustancia particular en cambiar su forma en respuesta a una fuerza externa determina si consideramos a la sustancia como líquido, sólido o gas.

Un fluido es un conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un recipiente. Tanto los líquidos como los gases son fluidos.

Pero, ¿qué son las fuerzas cohesivas?

Las fuerzas cohesivas, o de cohesión son las fuerzas con que se mantienen unidas las moléculas de un cuerpo.

Características y diferencias entre sólidos y gases

Características de los sólidos
-Tienen forma y volumen definidos.
-No toman la forma del recipiente que los contiene.
-Sus fuerzas de cohesión son estables.

Ejemplos:
Un cuaderno, por más que lo dobles y maltrates no va a perder nunca su forma ni a aumentar o disminuir de tamaño; un borrador entrará en un estuche más grande pero no en uno más chico y por último, un lápiz no se va a desintegrar de la nada, se hará polvo si lo rompemos en pedacitos.

Características de los gases
-No tienen forma ni volumen definidos.
-Toman la forma del recipiente que los contiene.
-Sus fuerzas de cohesión son inestables..

1.2 Propiedades del aire comprimido

Causará asombro el hecho de que la neumática se haya podido expandir en tan corto tiempo y con tanta rapidez. Esto se debe, entre otras cosas, a que en la solución de algunos problemas de automatización no puede disponerse de otro medio que sea más simple y más económico.

¿Cuáles son las propiedades del aire comprimido que han contribuido a su popularidad?

· Abundante: Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en cantidades ilimitadas.

· Transporte: El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías, incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de retorno.

· Almacenable: No es preciso que un compresor permanezca continuamente en servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas).

· Temperatura: El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura , garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.

· Antideflagrante: No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras.

· Limpio : El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del cuero .

· Constitución de los elementos : La concepción de los elementos de trabajo es simple si, por tanto, precio económico.

· Velocidad : Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener velocidades de trabajo muy elevadas.(La velocidad de trabajo de cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones.)

· A prueba de sobrecargas : Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden hasta su parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.

Para delimitar el campo de utilización de la neumática es preciso conocer también las propiedades adversas.

· Preparación: El aire comprimido debe ser preparado, antes de su utilización. Es preciso eliminar impurezas y humedad (al objeto de evitar un desgaste prematuro de los componentes).

· Compresible : Con aire comprimido no es posible obtener para los émbolos velocidades uniformes y constantes.

· Fuerza: El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bar), el límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a 30.000 N (2000 a 3000 kp).

· Escape : El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales insonorizantes.

· Costos: El aire comprimido es una fuente de energía relativamente cara ; este elevado costo se compensa en su mayor parte por los elementos de precio económico y el buen rendimiento (cadencias elevadas).



1.3 Rentabilidad de los equipos neumáticos

Como consecuencia de la automatización y racionalización, la fuerza de trabajo manual ha sido reemplazada por otras formas de energía; una de éstas es muchas veces el aire comprimido

Ejemplo: Traslado de paquetes, accionamiento de palancas, transporte de piezas etc.

El aire comprimido es una fuente cara de energía, pero, sin duda, ofrece indudables ventajas. La producción y acumulación del aire comprimido, así como su distribución a las máquinas y dispositivos suponen gastos elevados. Pudiera pensarse que el uso de aparatos neumáticos está relacionado con costos especialmente elevados. Esto no es exacto, pues en el cálculo de la rentabilidad es necesario tener en cuenta, no sólo el costo de energía, sino también los costos que se producen en total. En un análisis detallado, resulta que el costo energético es despreciable junto a los salarios, costos de adquisición y costos de mantenimiento.


1.4 Fundamentos físicos

La superficie del globo terrestre está rodeada de una envoltura aérea. Esta es una mezcla indispensable para la vida y tiene la siguiente composición:

Nitrógeno aprox. 78% en volumen
Oxígeno aprox. 21% en volumen

Además contiene trazas, de bióxido de carbono, argón, hidrógeno, neón, helio, criptón y xenón.

Para una mejor comprensión de las leyes y comportamiento del aire se indican en primer lugar las magnitudes físicas y su correspondencia dentro del sistema de medidas. Con el fin de establecer aquí relaciones inequívocas y claramente definidas, los científicos y técnicos de la mayoría de los países están en vísperas de acordar un sistema de medidas que sea válido para todos, denominado "Sistema internacional de medidas", o abreviado "SI".

El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial . El uso intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control .Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas .
El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales , lo que compensa con creces la inversión en equipo de control . Además hay muchas ganancias intangibles , como por ejemplo la eliminación de mano de obra pasiva , la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado . La eliminación de errores es otra contribución positiva del uso del control automático .

El principio del control automático o sea el empleo de una realimentación o medición para accionar un mecanismo de control , es muy simple . El mismo principio del control automático se usa en diversos campos , como control de procesos químicos y del petróleo , control de hornos en la fabricación del acero , control de máquinas herramientas , y en el control y trayectoria de un proyectil .

El uso de las computadoras analógicas y digitales ha posibilitado la aplicación de ideas de control automático a sistemas físicos que hace apenas pocos años eran imposibles de analizar o controlar .

Es necesaria la comprensión del principio del control automático en la ingeniería moderna , por ser su uso tan común como el uso de los principios de electricidad o termodinámica , siendo por lo tanto , una parte de primordial importancia dentro de la esfera del conocimiento de ingeniería . También son tema de estudio los aparatos para control automático , los cuales emplean el principio de realimentación para mejorar su funcionamiento .

Qué es el control automático ?

El control automático es el mantenimiento de un valor deseado dentro de una cantidad o condición , midiendo el valor existente , comparándolo con el valor deseado , y utilizando la diferencia para proceder a reducirla . En consecuencia , el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin intervención humana .

El elemento mas importante de cualquier sistema de control automático es lazo de control realimentado básico . El concepto de la realimentación no es nuevo , el primer lazo de realimentación fue usado en 1774 por James Watt para el control de la velocidad de cualquier máquina de vapor . A pesar de conocerse el concepto del funcionamiento , los lazos se desarrollaron lentamente hasta que los primeros sistemas de transmisión neumática comenzaron a volverse comunes en los años 1940s , los años pasados han visto un extenso estudio y desarrollo en la teoría y aplicación de los lazos realimentados de control . En la actualidad los lazos de control son un elemento esencial para la manufactura económica y prospera de virtualmente cualquier producto , desde el acero hasta los productos alimenticios. A pesar de todo , este lazo de control que es tan importante para la industria está basado en algunos principios fácilmente entendibles y fáciles . Este artículo trata éste lazo de control , sus elementos básicos , y los principios básicos de su aplicación .

FUNCION DEL CONTROL AUTOMATICO .

La idea básica de lazo realimentado de control es mas fácilmente entendida imaginando qué es lo que un operador tendría que hacer si el control automático no existiera .

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CONTROL .

Los sistemas de control se clasifican en sistemas de lazo abierto y a lazo cerrado . La distinción la determina la acción de control , que es la que activa al sistema para producir la salida .
Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual la acción de control es independiente de la salida .
Un sistema de control de lazo cerrado es aquel en el que la acción de control es en cierto modo dependiente de la salida .
Los sistemas de control a lazo abierto tienen dos rasgos sobresalientes :
a) La habilidad que éstos tienen para ejecutar una acción con exactitud está determinada por su calibración . Calibrar significa establecer o restablecer una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada .
b) Estos sistemas no tienen el problema de la inestabilidad , que presentan los de lazo cerrado .

Los sistemas de control de lazo cerrado se llaman comúnmente sistemas de control por realimentación ( o retroacción ) .

Ejemplo 1
Un tostador automático es un sistema de control de lazo abierto , que está controlado por un regulador de tiempo . El tiempo requerido para hacer tostadas , debe ser anticipado por el usuario , quien no forma parte del sistema . El control sobre la calidad de la tostada (salida) es interrumpido una vez que se ha determinado el tiempo , el que constituye tanto la entrada como la acción de control .

Ejemplo 2
Un mecanismo de piloto automático y el avión que controla , forman un sistema de control de lazo cerrado ( por realimentación ) . Su objetivo es mantener una dirección específica del avión , a pesar de los cambios atmosféricos . El sistema ejecutará su tarea midiendo continuamente la dirección instantánea del avión y ajustando automáticamente las superficies de dirección del mismo ( timón , aletas , etc. ) de modo que la dirección instantánea coincida con la especificada . El piloto u operador , quien fija con anterioridad el piloto automático , no forma parte del sistema de control .



El actuador final .

Por cada proceso debe haber un actuador final , que regule el suministro de energía o material al proceso y cambie la señal de medición . Mas a menudo éste es algún tipo de válvula , pero puede ser además una correa o regulador de valocidad de motor , posicionador , etc .



El proceso

Los tipos de procesos encontrados en las plantas industriales son tan variados como los materiales que producen . Estos se extienden desde lo simple y común , tales como los lazos que controlan caudal , hasta los grandes y complejos como los que controlan columnas de destilación en la industria petroquímica .



El controlador automático .

El último elemento del lazo es el controlador automático , su trabajo es controlar la medición . “Controlar” significa mantener la medición dentro de límites aceptables . En éste artículo , los mecanismos dentro del controlador automático no serán considerados . Por lo tanto , los principios a ser tratados pueden ser aplicados igualmente tanto para los controladores neumáticos como para los electrónicos y a controladores de todos los fabricantes . Todos los controladores automáticos usan las mismas respuestas generales , a pesar de que los mecanismos internos y las definiciones dadas para estas respuesta pueden ser ligeramente diferentes de un fabricante al otro .

Un concepto básico es que para que el control realimentado automático exista , es que el lazo de realimentación esté cerrado . Esto significa que la información debe ser continuamente transmitida dentro del lazo . El controlador debe poder mover a la válvula , la válvula debe poder afectar a la medición , y la señal de medición debe ser reportada al controlador . Si la conexión se rompe en cualquier punto , se dice que el lazo está abierto . Tan pronto como el lazo se abre , como ejemplo , cuando el controlador automático es colocado en modo manual , la unidad automática del controlador queda imposibilitada de mover la válvula . Así las señales desde el controlador en respuesta a las condiciones cambiantes de la medición no afectan a la válvula y el control automático no existe.