TÉCNICAS DIGITALES APLICACIONES DEL FLIP- FLOP S-R ASINCRÓNIC0

Transcripción

1 Universidad Nacional de Quilmes Diplomatura en Ciencia y Tecnología TÉCNICAS DIGITALES APLICACIONES DEL FLIP- FLOP S-R ASINCRÓNIC0 Uno de los problemas más comunes del ingeniero en automatización y control es el control de procesos automáticos, que consisten en una sucesión de operaciones perfectamente coordinadas que se realizan sin la intervención del operador de la máquina o máquinas en cuestión ya que este solo cargara las magnitudes de referencia y solo dará las ordenes de arranque y parada si es que todo funciona normalmente. En esta materia estudiaremos procesos donde los elementos de control tienen solo dos estados, motor gira a derecha o está detenido; motor gira a izquierda o está detenido. Cuando un motor gira en ambos sentidos y también se detiene a simple vista esto parece que estamos frente a un motor que presenta tres estados, pero desde el punto de vista lógico el motor es un actuador, es decir un elemento a controlar, no un elemento de control, que en este caso son dos dispositivos de control: un contactor con determinada secuencia de fases (en caso de un motor trifásico), o determinada polaridad (en el caso de un motor de corriente continua) y otro con conexiones opuestas para la inversión de giro. Ambos son elementos de dos posiciones, por lo tanto elementos que lógicamente pueden considerarse binarios, es decir responden a las leyes del álgebra de Boole. Este caso es el mismo que ocurre en los cilindros neumáticos o hidráulicos de doble efecto con mando por válvulas biestables. La sucesión de operaciones que componen un proceso pueden ser de diversa índole: 1. Sucesión combinacional: son aquellas en las que para que cambie una operación por la siguiente es necesario que exista una determinada combinación de las señales de entrada. Ejemplo Sucesión secuencial: son aquellas en las que para que cambie una operación por la siguiente es necesario que otra operación concluya antes. Ejemplo Sucesión sincrónica: son aquellas en las que para que cambie una operación por la siguiente es necesario que pase un determinado tiempo, tal es el caso de una pieza sumergida en un baño de galvanizado. En general los procesos automáticos son mixtos. Sin perder generalidad se estudiaran procesos donde los actuadores son cilindros neumáticos por razones didácticas, dado que son elementos de fácil visualización del proceso y que ya se han visto en la materia Introducción a la Automatización y Control. Haremos un rápido repaso de los actuadores a utilizar (cilindros neumáticos) y sus válvulas de control respectivas. CILINDROS NEUMÁTICOS Recopilación y aportes: Ing. Alberto J. Mazzone Página 1

2 Cilindro de doble efecto En la figura 1 (a) vemos el símbolo normalizado del cilindro de doble efecto, la carrera de avance así como la de retroceso son impulsadas por la presión del aire según por el extremo donde se aplique, el otro extremo debe estar conectado a la presión atmosférica para evitar que se bloquee. Si bien ambas carreras son activas (de allí su nombre) la carrera de avance desarrolla más fuerza que la de retroceso debido a la presencia del vástago achica la sección donde se aplica la presión del aire. Los dispositivos A 0 y A 1 son sensores magnéticos que detectan un imán que lleva colocado el pistón y cuya posición es regulable. Cilindro de simple efecto En la figura 1 (b) vemos el símbolo normalizado del cilindro de simple efecto, en este caso solo la carrera de avance es activa, pues el retorno impulsado por el resorte no dispone de energía suficiente como para realizar trabajo útil. Los dispositivos B 0 y B 1 cumplen la misma función que los A 0 y A 1 mencionados anteriormente. VÁLVULAS DE MANDO Como solo estudiaremos procesos de mando binario estudiaremos únicamente válvulas con dos posiciones de funcionamiento, estas dos posiciones son una de las características del tipo de válvulas que veremos en este curso, otra de estas características es aquella que tiene que ver con las señales de mando, estas serán eléctricas, pues se generaran en circuitos formados por compuertas (también se tomarán en cuenta los circuitos realimentados o Flip-flops). Estas señales se aplican a la bobina de un electroimán que a su vez desplaza al núcleo de la válvula de una posición a la otra. El desplazamiento del núcleo también puede ser provocado por un resorte, en este tipo de válvula el electroimán para poder realizar el desplazamiento correspondiente necesita vencer la fuerza de oposición que ejecuta el resorte, este tipo de válvula tiene una sola posición de equilibrio, las que tienen dos electroimanes tienen dos. Por último se tiene en cuenta la cantidad de conexiones que estas válvulas tienen con el exterior llamadas vías, los cilindros de doble efecto necesitan dos conexiones a la línea de presión, una para cada carrera activa, los de simple efecto solo una, además, para cada una de las carreras activas, como mínimo necesitan otra, la descarga del aire a presión ya utilizado. Otro tipo de válvula biestable muy utilizado en neumática tiene dos descargas, una para cada carrera del émbolo. Estas características se utilizan para dar la nomenclatura normalizada para su identificación, solo faltaría indicar su caudal máximo, pero esto no es motivo de estudio en esta materia. 2

3 En la figura 2 observamos los distintos símbolos normalizados para los tipos de válvulas que se pueden utilizar en los ejercicios propuestos en este curso, a continuación las identificaremos. a. Válvula 4x2 biestable b. Válvula 4x2 monoestable. c. Válvula 3x2 monoestable. d. Válvula 5x2 biestable. e. Válvula 5x2 monoestable. Por ejemplo la expresión 4x2 significa cuatro vías y dos posiciones. Es de uso corriente el uso de letras mayúsculas para identificar actuadores y el uso del símbolo + para indicar que el vástago sale y el símbolo cuando el vástago entra, a los electroimanes se identifica con la letra del actuador sobre el que actúa y el símbolo del movimiento que provoca, por ejemplo A+ o bien A + para indicar que una señal (1 lógico) sobre ese electroimán provoca la salida del vástago del actuador A. Las distintas alternativas que se podrán utilizar serán las indicadas en la figura 3: 3

4 Ejercicio N 1 SUCESIÓN DE ETAPAS COMBINACIONALES Diseñar el mando del un dispositivo de tres cilindros neumáticos de doble efecto utilizando válvulas biestables. El funcionamiento de dicho dispositivo debe ser el siguiente: 1. Sale el vástago del cilindro A (A + ). 2. Sale el vástago del cilindro B (B + ). 3. Sale el vástago del cilindro C (C + ). 4. Entra el vástago del cilindro A (A - ). 5. Entra el vástago del cilindro B (B - ). 6. Entra el vástago del cilindro C (C - ). A esta secuencia se acostumbra a señalarla de la siguiente manera: A + B + C + A - B - C - A cada una de estas etapas se acostumbra a llamarla fase, y, un diagrama muy útil para el diseño del dispositivo de control es el llamado espacio-fase, que consiste en representar cada fase de cada actuador por un rectángulo, indicando en la base el sensor que indica el vástago adentro y en el lado opuesto el sensor que indica el vástago expandido y dentro de ese rectángulo se indica con una diagonal que indica que el vástago respectivo se movió en esa fase, para nuestro problema el diagrama será el de la figura 4: Vemos en el diagrama que el mando puede ser resuelto en forma combinacional, pues la combinación inicial A 0 -B 0 -C 0 solo se presenta en ese instante, al salir A la combinación queda en A 1 -B 0 -C 0, que tampoco se repite, y con ella hacemos salir a B en la segunda fase, concluida esta los sensores quedan A 1 -B 1 -C 0, que tampoco se repiten en toda la secuencia del proceso, a continuación sale C siendo a nueva combinación A 1 -B 1 -C 1, al entrar A queda A 0 -B 1 -C 1, al entrar B tenemos A 0 -B 0 -C 1, y finalmente al entrar C, A 0 -B 0 - C 0. Como la combinación del estado de los sensores pueden establecer en forma biunívoca la fase que debe comenzar a continuación de que esta se produzca tenemos casi resuelto el problema solo falta definir la forma en que el proceso debe arrancar y parar; lo habitual es que cuando se ordena un detención normal del proceso este debe continuar hasta finalizar el ciclo ya comenzado. En la figura 5 está indicada la solución del problema, en esa figura se ve que estando los vástagos en su posición inicial, es decir los sensores en A 0 -B 0 -C 0 al accionar el pulsador de Arranque la variable Marcha pasa a 1 se produce A + comenzando así el ciclo que se detendrá únicamente luego de accionar el pulsador Parada que colocará a la variable Marcha en 0 por lo que al terminar el ciclo en curso no podrá comenzar el nuevo hasta que se accione nuevamente Arranque. Cabe destacar que, salvo la señal Marcha que es producto de la memorización de la señal de entrada Arranque, las señales que llegan al circuito de control son directamente señales de entrada. También es posible que más de un actuador trabajen en una etapa, cuya representación es la siguiente. A + B + A - B - C - C - Esta sucesión indicaría que en la segunda fase los actuadores B y C Arrancarían en forma simultánea. 4

5 5

6 Ejercicio N 2 SUCESIÓN DE ETAPAS SECUENCIALES Diseñar el mando del un dispositivo de tres cilindros neumáticos de doble efecto utilizando válvulas biestables. El funcionamiento de dicho dispositivo debe ser el siguiente: 1. Sale el vástago del cilindro A (A + ). 2. Sale el vástago del cilindro B (B + ). 3. Entra el vástago del cilindro B (B - ). 4. Sale el vástago del cilindro C (C + ). 5. Entra el vástago del cilindro C (C - ). 6. Entra el vástago del cilindro A (A - ). A esta secuencia se acostumbra a señalarla de la siguiente manera: A + B + B - C + C - A+. El diagrama espacio-fase de la secuencia indicada es el indicado en la figura 6, y, sí propusiéramos una solución puramente combinacional, prescindiendo de la retención de la señal Arranque, sería la indicada en la figura 7. Como se observa la combinación de señales A 1 B 0 C 0 se repite en tres de las seis fases, dando en cada una de las fases distinta señal de salida, por lo tanto imposible de ejecutar. En esta situación se dice que estamos ante un conflicto de señales, es decir que esta secuencia no tiene solución estrictamente combinacional. El Método Paso a Paso Este es un método de aplicación sistemática, lo que implica que no es necesariamente el más corto ni el más económico, pero es casi siempre aplicable, tiene una sola limitación que ya estudiaremos, motivo por el cual está ampliamente difundido en todos los idiomas de programación y con todas las tecnologías. El núcleo de este método consiste en agrupar las fases de la secuencia en grupos (pasos) donde no exista conflictos de señales y asignar a cada uno de esos pasos una variable interna (Q i ), que es una variable de estado, pues permite determinar el estado en que se encuentra la secuencia, variable que será memorizada por un filp-flop SR asincrónico. Las acciones que se realizan en las fases agrupadas en cada uno de los pasos son una secuencia puramente combinacional pues entre ellas no existen conflictos de señales. La manera más segura de evitar los conflictos de señales es elegir los pasos de manera que en ellos no se repita una señal de salida asignada a un actuador, es decir que no se repita una letra. Otra exigencia de este método es que sólo una de las variables Q i se encuentre en 1 mientras se realice la secuencia. Esta condición se logra activando a Q i cuando el paso anterior, identificado con Q i-1, se haya concluido y desactivándola en el momento que se active el paso siguiente identificado con Q i+1 (motivo que le da el nombre de paso a paso al método). El paso anterior al primero es el último, y, el paso siguiente al último es el primero; esta situación hace que con este método no se puedan realizar secuencias de dos pasos, pues el paso que habilita sería el mismo que deshabilita, en esta situación con generar un paso redundante solucionamos el problema. 6

7 El esquema tipo es el siguiente: Nota: Para la etapa 1 Q n-1 es la última y para la última etapa Q n+1 es la primera. habilitación. El arranque en este método no es tan simple pues en el caso de arranque luego de cortar y reconectar la energía todas las variables Q i estarán en 0 y la secuencia no podrá comenzar. Para solucionar esto se coloca un paso inicial (Q 0 ) que solamente se ejecuta en el arranque que se suele llamar de Retomemos la solución del ejercicio propuesto: Dividiremos la secuencia en los siguientes pasos: 1. A + B + 2. B - C + 3. C - A - Las condiciones de funcionamiento de los diferentes pasos son las siguientes: Paso 0 (Q 0 ), Habilitación: En nuestro caso también lo utilizaremos para colocar los pistones en la posición inicial sí es que por corte de energía o parada de emergencia se encontraran fuera de ella. Se activa únicamente con el pulso Arranque, estando el resto de las Q i en 0 (esto último por razones de seguridad) y se desactiva con Q 1. Paso 1 (Q 1 ), A + B + : Tiene dos maneras de activarse: a) Con Q 0 =1 y los pistones en posición inicial (A 0 =1, B 0 =1 y C 0 =1). b) Cuando finaliza el Paso 3 (Q 3 =1 y A 0 =1). Se desactiva al comenzar el Paso 2 (Q 2 ) Paso 2 (Q 2 ), B - C + : Se activa al terminar el Paso 1 (Q 1 =1 Y B 1 =1). Se desactiva al comenzar el Paso 3 (Q 3 =1). Paso 3 (Q 3 ), C - A - Se activa al terminar el Paso 2 (Q 2 =1 y C 1 =1). Se desactiva al comenzar el Paso 1 (Q1). El circuito que implementa las acciones requeridas está esquematizado en dos partes: la generación de la secuencia o parte secuencial (figura 8) y la que obtiene las variables de salida o parte combinacional, que son las que controlan a los actuadores (figura 9). 7

8 Bibliografía: Ballcells, Josep y Romeral, José Luis; Autómatas Programables, Marcombo-Boixareu Editores. 8