Buch lesen: «Mantenimiento preventivo de sistemas de automatización industrial. ELEM0311»

Capítulo 1

Técnicas de mantenimiento preventivo de los elementos y equipos eléctricos y electrónicos de los sistemas de automatización industrial

1. Introducción

Se entenderá por mantenimiento industrial al conjunto de operaciones y técnicas encargadas del control y conservación de los equipos e instalaciones, con el fin de mantenerlas en funcionamiento durante el máximo tiempo al menor coste posible.

Por lo tanto, cuando se habla de mantenimiento habría que empezar desde la recepción de los equipos hasta su instalación y puesta en marcha, teniendo en cuenta siempre las especificaciones técnicas del fabricante de dicho equipo.

Dentro de las funciones de mantenimiento se podrían destacar:

1 Vigilancia periódica del funcionamiento de equipos e instalaciones.

2 Las acciones correctivas, que básicamente corresponden a la reparación de los equipos averiados o con mal funcionamiento.

3 Las acciones preventivas, que consisten en intervenciones en los equipos antes de que se produzca la avería.

4 Modificaciones o sustitución de equipos, también realizadas por el equipo de mantenimiento.

5 Gestión de útiles y repuestos.

Los objetivos ligados al mantenimiento serían:

1 Aumentar el rendimiento de los equipos.

2 Reducir costes de producción.

3 Aumentar la seguridad de los trabajadores.

4 Colaborar con otros departamentos (ingeniería) en la implantación de nuevos proyectos.

2. Análisis de los equipos y elementos eléctricos y electrónicos de los sistemas de automatización industrial

En primer lugar para que los equipos eléctricos realicen su función será necesaria una instalación eléctrica, que partiendo de un punto de suministro (acometida) permitirá distribuir dicha energía y ser consumida por los diferentes equipos conectados a esa instalación.

Nota

Por acometida eléctrica se entenderá la derivación que se produce desde la red eléctrica pública de distribución hacia la propiedad o instalaciones del usuario.

Muy Alta Tensión (MAT): utilizadas en el transporte de energía. Alta tensión (AT): utilizadas en el transporte y distribución. Media Tensión (MT): utilizadas en producción y distribución. Baja Tensión (BT): para la distribución y consumo.

Para que esto se realice de forma segura y eficiente y además se garantice el correcto funcionamiento de los equipos es necesaria la incorporación de una serie de elementos como cables (de distintas secciones), conexiones, contactos, canalizaciones, interruptores, transformadores, etc.

Algunos de los elementos utilizados en redes eléctricas

2.1. Tipos de redes eléctricas

Dentro de las instalaciones eléctricas, estas se clasifican en función de su tensión en:

1 Instalaciones de alta tensión: aquella por las que circula una corriente alterna trifásica a 50 Hz de frecuencia, cuya tensión nominal entre fases sea superior a 1 KV.

2 Instalaciones de baja tensión: para las redes cuya tensión nominal sea igual o inferior a 1 KV para el caso de corriente alterna e igual o inferior a 1,5 KV para el caso de corriente continua.

Por lo tanto, el reglamento que regula las instalaciones de alta tensión es el “Reglamento Electrotécnico de Alta Tensión”, sobre el que solo se hará mención, y el que regula la baja tensión es el “Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión”.

El Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT), es el reglamento español de obligado cumplimiento y donde se encuentra la normativa para el montaje, explotación y mantenimiento de las instalaciones de baja tensión. Este reglamento fue aprobado en el Real Decreto 842/2002, del 2 de Agosto, sustituyendo al Reglamento del año 1973.

Este reglamento se divide en dos partes:

1 Parte: comprende los artículos sobre las cuestiones legales y administrativas de este tipo de redes.

2 Parte: que recoge las Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC).

Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT)

Una vez se tenga la acometida, la energía eléctrica deberá pasar por una serie de elementos hasta que por último pueda ser consumida por los equipos eléctricos.

A continuación, se muestran las fases y elementos por los que pasa la energía eléctrica hasta que es consumida:

1 Centro de seccionamiento, a través de la que se sacará la derivación de la red eléctrica.

2 Centro de transformación, para el control de la línea eléctrica y reducción de la alta tensión a baja tensión.

3 Cuadro general de baja tensión, donde se instalarán las protecciones generales de la instalación eléctrica y de donde saldrán las líneas directas y las líneas de los cuadros secundarios.

4 Salidas directas, son aquellas que van directamente al elemento de consumo.

5 Cuadros secundarios, la línea va del cuadro general al cuadro secundario y es de este cuadro donde se distribuye la electricidad hacia otros elementos.

2.2. Protecciones de los circuitos eléctricos

Lógicamente el dimensionamiento de los elementos anteriormente descritos dependerá de las necesidades de consumo en los distintos puntos de la planta industrial.

Una vez se tenga energía eléctrica en el cuadro de la máquina, el circuito eléctrico deberá ser protegido mediante una serie de elementos, mediante de los que se producirá una interrupción de corriente ante una anomalía dada. Estas protecciones serían:

1 Protecciones contra sobreintensidades, que se producen por sobrecargas (corriente mayor a la nominal debida al mal dimensionado de la instalación) y cortocircuitos (corrientes muy elevadas producidas por fallos de aislamiento o rotura de conductores). Para este tipo de protección se utilizarán fusibles, interruptores automáticos magnetotérmicos y el relé de sobrecarga térmico.Fusible: es un dispositivo que está formado por un soporte y un filamento de metal con un bajo punto de fusión para que se funda por el efecto Joule cuando la intensidad de corriente del circuito supera lo previsto, es decir, se produce una sobreintensidad.FusiblesInterruptor automático magnetotérmico: es muy importante una buena elección de este tipo de interruptor y para ello se deben tener en cuenta los siguientes factores:Tipo de curva de disparo que se quiere.Intensidad nominal, que será inferior o igual a la que es consumida por el aparato receptor en condiciones de funcionamiento.

Magnetotérmicos

1 Relé de sobrecarga térmico: este elemento se utiliza para la protección de motores. Su cometido consiste en desconectar el circuito cuando el motor al que está conectado supera la intensidad permitida, evitando así que el bobinado se queme. La regulación de la intensidad se realiza a través de un tornillo que será igual a la intensidad nominal del motor en el arranque directo.

1. Plaquita de características. 2. Conmutador selector RESET manual/automático. 3. Tecla STOP. 4. Nº de pedido completo en el frontal del aparato. 5. Indicación del estado de conexión y función de prueba TEST. 6. Cubierta transparente precintable (para proteger el tornillo de ajuste de la intensidad, la función TEST y el posicionamiento de RESET manual/automático). 7. Tornillo de ajuste de la intensidad. 8. Borne de repeticiñon de bobina (con montaje a contactor). 9. Borne de repetición de contactos auxiliares (con montaje a contactor).

1 Protecciones contra sobretensiones, que se producen principalmente por rayos que caen y se propagan por la red eléctrica produciendo en momentos puntuales tensiones elevadas; para este tipo de protección se utilizarán los elementos de sobretensión.

2 Protección contra contactos directos e indirectos, que son los que se producen cuando se produce un fallo en el aislamiento del conductor o bien del receptor. Para este tipo de protección se utilizarán los interruptores diferenciales y las puestas a tierra.Interruptores diferenciales (protección contra contactos directos e indirectos)

Actividades

1. ¿Qué es el efecto Joule y qué tiene que ver con un interruptor magnetotérmico?

2. Explique el funcionamiento de un interruptor diferencial.

Aplicación práctica

Es necesario la instalación de un interruptor magnetotérmico para la protección de un motor trifásico que consume 10 A en régimen de funcionamiento normal y 11 veces esa intensidad en el momento de arranque. ¿Qué interruptor se montaría?

SOLUCIÓN

En primer lugar se elegirá el calibre, que en este caso será el de 10 A intensidad igual o superior al del motor a proteger.

En segundo lugar se elegirá la curva de disparo, que en este caso será la “D”.

1 Corriente del magnético: 20 × 10 = 200 A

2 Sobreintensidad admisible: 11 × 10 = 120 A

Al ser mayor la corriente del magnético que la sobreintensidad el interruptor magnetotérmico no saltaría y por lo tanto no se abriría el circuito y el motor se pondría en funcionamiento.

2.3. Tipos de circuitos que forman parte de un automatismo

Ahora que ya se tiene la red eléctrica protegida se pasará al funcionamiento eléctrico de una máquina más o menos automatizada, donde se tendrá que, dentro de un circuito eléctrico, se tienen que diferenciar dos tipos de circuitos:

1 Circuito de mando o maniobra, a través del que se realiza la automatización. Tienen baja intensidad y voltaje.

2 Circuito de fuerza, circuito mediante el que se realiza un trabajo y que es controlado por el circuito de mando.Q1: interruptor magnetotérmico tetrapolar KM1: contactor M1: motor

2.4. Tipos de automatización

La automatización consiste en el uso de máquinas que sean capaces de sustituir total o parcialmente la acción humana en determinadas tareas. Esta automatización puede ser: automatización eléctrica, automatismos electroneumáticos, automatismos electrohidráulicos y automatismos electrónicos.

Automatización eléctrica

En la automatización eléctrica, los dispositivos más importantes serían: sensores, mandos manuales, relés auxiliares, contactor, contactos auxiliares y temporizadores.

Sensores

Son aquellos elementos que detectan una variación de una señal física y la transmiten a una unidad central de control para que pueda ser gestionada.

Dentro de los sensores los hay de muchos tipos, de temperatura, de presión, de caudal, magnéticos, inductivos, ópticos, etc.

Mandos manuales

Los mandos manuales se utilizan para la puesta en marcha o parada de la secuencia de funcionamiento de la máquina.

Los pulsadores para la puesta en marcha suelen ser pulsadores “normalmente abiertos” (NA) y los pulsadores de paro suelen ser “normalmente cerrados” (NC), cuyos símbolos aparecen descritos en siguientes apartados del presente capítulo.

Aplicación práctica

Se necesita identificar los pulsadores de marcha y paro del siguiente circuito de mando y que queden reflejados en el esquema para las revisiones periódicas y posibles modificaciones. Identifique dichos elementos.

SOLUCIÓN

El primer pulsador corresponde a un pulsador de paro, ya que es del tipo NC y cuando se pulsa abre el circuito.

El segundo pulsador corresponde al pulsador de marcha, ya que es del tipo NA y cuando se pulsa cierra el circuito. Una vez se desactive el pulsador de marcha el circuito permanecerá cerrado por el contacto auxiliar perteneciente al relé KM.

Relés auxiliares

Son interruptores que se activan o desactivan (abren o cierran un circuito secundario) cuando son sometidos a una pequeña corriente eléctrica.

Relé auxiliar

Actividades

3. Dibuje el esquema de un relé auxiliar y explique su funcionamiento. Ponga algunos ejemplos de su uso.

Contactor

Es un elemento electromecánico mediante el que puede abrirse o cerrarse un circuito eléctrico, ya sea este circuito de mando o de potencia, permitiendo el paso o no de una corriente eléctrica para la alimentación de un receptor, como ejemplo, un motor.

El cierre de los contactos se produce cuando la bobina del contactor es excitada mediante una corriente eléctrica y comportándose como un electroimán.

Un contactor está formado por:

1 Contactos principales: bornes de entrada (1, 3, 5) y bornes de salida (2, 4, 6). La finalidad es de abrir o cerrar el circuito de fuerza o de potencia.

2 Contactos auxiliares: (13, 14) normalmente abierto (NA), o (11, 12) normalmente cerrado (NC) que son empleados en los circuitos de mando o maniobra. Al ser empleados en los circuitos de mando estos trabajan con intensidades pequeñas.

3 Circuito electromagnético: que acciona el mecanismo mediante el que se abren o cierran los contactos. Se distinguen tres partes:Núcleo o parte fija cuya forma es parecida a una “E”.La bobina con los bornes de entrada A1 y de salida A2.La armadura o parte móvil.

A la hora de seleccionar un contactor se deberán tener en cuenta los siguientes factores.

1 La tensión de funcionamiento de la bobina, que puede ser de corriente continua o alterna y con tensiones de 12, 24 o 220 V.

2 Número de maniobras previstas, ya que el arco eléctrico que se produce al abrir o cerrar el circuito va deteriorando el contactor.

3 Corriente de servicio, es decir, la intensidad a la que se verá sometido.

Una vez comentado esto, es de vital importancia la utilización de los catálogos de fabricantes de elementos eléctricos mediante los que se detallan las características técnicas de los diferentes modelos.

Contactor

Contactos auxiliares

Son unos módulos independientes utilizados en los contactores con el fin de disponer de un mayor número de contactos auxiliares.

Los contactos auxiliares podrán ser:

1 Normalmente abiertos (NA): a los que se les asignarán dos cifras en la que a la primera se le asignará el número de orden y la segunda deberá ser 3 y 4; por ejemplo 13 y 14 contactos en primer lugar, 23 y 24 en segundo lugar, etc.

2 Normalmente cerrados (NC): es igual que el caso anterior aunque la diferencia es que en este caso la segunda cifra deberá ser 1 y 2; por ejemplo 11 y 12 los primeros, 21 y 22 los segundos, 31 y 32 los terceros, etc.

Contactos auxiliares

Temporizadores

Son los elementos que actúan sobre el contacto retrasando la acción. En función de la temporización, estos pueden ser:

1 Con retardo a la conexión

2 Con retardo a la desconexión

En función de su diseño, estos pueden ser:

1 Neumáticos

2 Electrónicos

3 Térmicos

Temporizador

Aplicación práctica

Se va a modificar el proceso de fabricación de un producto y para ello es necesario la instalación de un nuevo motor con arranque directo y pulsadores de marcha y paro, lámpara de marcha (verde) y lámpara de paro por cortocircuito (roja). Realice el esquema eléctrico para la instalación de ese nuevo motor y explíquelo.

SOLUCIÓN

El esquema del arranque directo del motor sería:

En este esquema se podrán distinguir dos circuitos eléctricos:

1 Circuito de fuerza, situado a la izquierda, este circuito es alimentado por tres fases (L1, L2 y L3) inmediatamente después lleva un interruptor térmico, Q1, que va conectado a las entradas (bornes 1, 3 y 5) de un contactor (KM1) y de las salidas del contactor (bornes 2, 4 y 6) a las conexiones del motor.

2 Circuito de mando, situado a la derecha, que es alimentado por una fase y el neutro. En este circuito se encuentra un interruptor magnetotérmico, Q2, un pulsador de marcha, S2, (que es un contacto normalmente abierto) y pulsador de paro, S1, (que es un contacto normalmente cerrado), la bobina del contactor, KM1, dos contactos abiertos del contactor KM1, un contacto abierto y otro cerrado del interruptor magnetotérmico y dos lámparas, una verde (funcionamiento normal) y otra roja (interrupción térmica).

Explicación de funcionamiento:

Cerrando los interruptores magnetotérmicos, Q1 y Q2, se da al pulsador de marcha, S2, mediante el que se cierra el circuito, se activa la bobina del contactor, KM1, que autoalimenta y cierra los contactos del circuito de fuerza y enciende la lámpara verde. Para el paro del motor hay que pulsar el botón de paro, S1, que abre el circuito de mando, se desactiva la bobina del contactor, KM1, y se abren los contactos del circuito de fuerza, dejando al motor sin alimentación eléctrica.

En el caso de que un interruptor magnetotérmico se abriese y cortase el circuito, se cortaría el circuito de mando, se encendería la lámpara de salto térmico (roja) y el motor también se quedaría sin alimentación eléctrica.

Automatismos electroneumáticos

Son aquellos automatismos en los que se combinan la neumática y la electricidad. Dentro de este tipo de automatización se encuentra:

1 Compresor, que es el encargado de la compresión, para trabajar con aire a presión.

2 Sensores, siendo los más comunes los finales de carrera y los sensores de proximidad.

3 Electroválvulas o distribuidores, elementos que canalizan la presión del aire hacia los actuadores.

4 Actuadores, que son los elementos que realizan el trabajo, dentro de los más comunes serían los cilindros o pistones.

Actividades

4. En la instalación neumática de la imagen anterior, ¿por qué cree que es necesario la instalación de un acumulador? Justifique su respuesta.

Automatismos electrohidráulicos

Son muy similares a los anteriores pero, en lugar de utilizar como fluido el aire utilizan el aceite. Este tipo de automatización se suele emplear en máquinas que tienen que realizar grandes esfuerzos, como por ejemplo las prensas.

Automatismos electrónicos

Son aquellos que además de utilizar todos los elementos eléctricos pueden utilizar otros elementos como operadores lógicos, memorias, contadores (no programables) y autómatas programables (tienen que ser programados). Estos últimos son los automatismos electrónicos más usados.

Definición

Autómata programable

Es un equipo electrónico programable en lenguaje no informático y diseñado para controlar, en tiempo real y en ambientes industriales los procesos secuenciales.

La estructura general de un autómata programable está basada en un microcontrolador o microprocesador dentro de las que se destaca:

1 Fuente de alimentación, donde se convierte la tensión de 220 V CA a CC de baja tensión (24 V), tensión con la que trabajan este tipo de circuitos electrónicos.

2 Unidad Central de Proceso (CPU), donde se interpretan las instrucciones programadas a raíz de la información generada en las entradas y salidas.

3 Memoria, ROM (Read Only Memory) que es solo de lectura y es donde se almacenan los datos y RAM (Random Access Memory) que es la memoria con la que trabaja el autómatas y en la que se guarda la información procedente de las entradas y salidas.

4 Entradas y salidas, las entradas son las que recogen la información del proceso (pulsadores, sensores, etc.) y una vez tratada la información está la manda a las salidas (relés, contactores, válvulas, etc.) para el control del proceso.

5 Terminales de programación, mediante los que se realiza la comunicación hombre-máquina.

6 Periféricos, que facilitan el control del proceso (impresoras, paneles de operador, etc.).

Actividades

5. Enumere 5 marcas de autómatas programables que existan actualmente en el mercado.

6. ¿Qué tipos de lenguajes de programación utilizan las 5 marcas de autómatas programables mencionadas anteriormente?

Aplicación práctica

Se va a automatizar un proceso industrial mediante la instalación de un autómata programable. Este proceso está formado por los siguientes elementos:

1 2 pulsadores

2 1 relé térmico

3 3 sensores de inductivos

4 3 motores eléctricos

5 2 pistones neumáticos

¿Cuántas entradas y salidas deberá tener el autómata a instalar?

SOLUCIÓN

Como anteriormente se ha dicho las entradas son aquellos elementos que recogen información del proceso y en este caso serían:

1 2 pulsadores

2 1 relé térmico

3 3 sensores inductivos

Por lo tanto, el autómata debería tener al menos 6 entradas.

Las salidas son aquellas que corresponden a los elementos que realizan el trabajo, que en este caso serían:

1 3 motores eléctricos

2 2 pistones neumáticos

Por lo tanto, el autómata deberá tener al menos 5 salidas.

Actividades

7. ¿En qué autómatas se utilizan los leguajes KOP, AWL y FUP?

8. Ponga un ejemplo de programación para cada lenguaje.