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• Alvaro Alonso Hernandez Sierra

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ELABORADO Y PREPARADO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES

AUTOMATISMOS - INTRODUCCIÓN Son dispositivos que sustituyen al operador humano en algunas tareas. Se utilizan muy variadas tecnologías: neumática, mecánica, hidráulica, eléctrica y cualquier combinación de estas.

ELEMENTOS DE ENTRADA: envían información al circuito. CIRCUITO DE MANDO: teniendo en cuenta el valor de los elementos de entrada, gestiona y controla las salidas hacia los elementos de potencia. ELEMENTOS DE POTENCIA: son los que gobiernan y dirigen a los actuadores, motores y cilindros, digamos que realizan el trabajo. ELEMENTOS DE SEÑALIZACIÓN: ofrecen información al operario de la situación de la instalación. ALIMENTACIÓN: suministra la energía necesaria. SISTEMAS DE NUMERACIÓN 1.

SISTEMAS DE NUMERACIÓN POSICIONALES.

Son aquellos en los que para representar un número se emplean una cantidad limitada de signos, el valor de los cuales depende de la posición que ocupan. Ejemplo: NOTACIÓN POSICIONAL:

538

2 1 0 NOTACIÓN POLINÓMICA: 5 ⋅ 10 + 3 ⋅ 10 + 8 ⋅ 10 = 500 + 30 + 8

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2. SISTEMAS DE NUMERACIÓN BINARIO. Es aquel en el que únicamente existen dos símbolos, el “0” y el “1”, por lo que una variable binaria se define como aquella variable que sólo puede tomar uno de esos dos valores. Tiene la ventaja de que es muy fácil de implantar por procedimientos mecánicos, eléctricos, neumáticos, etc. ya que es muy sencillo obtener dos estados perfectamente diferenciados con dichos elementos. ESTADO 1 ESTADO 0

V F

arriba abajo

pulso no pulso

on off

.... ....

A cada uno de estos estados de información se le llama BIT, 23 bit es un byte (8bits). 16 bits reciben la denominación de WORD, palabra. 32 bits reciben la denominación de DOBLE WORD, doble palabra.

CÓDIGOS BINARIOS. A cada combinación de símbolos en sistema binario le corresponde o representa un signo o una cantidad. El código más utilizado es el BCD (decimal codificado en binario) También recibe el nombre (8 4 2 1) por el valor que tiene cada dígito según la posición que ocupa. Para representar los 10 signos del sistema de numeración decimal en cualquier código binario es necesario un grupo de cuatro dígitos binarios ya que con únicamente 3 sólo podrían codificarse VR 23 = 23 = 8 símbolos, sin embargo y realizando el mismo cálculo, con grupos de cuatro dígitos binarios se podrían codificar 16 símbolos o signos distintos. CÓDIGO BCD 0

0000

1

0001

2

0010

3

0011

4

0100

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5

0101

6

0110

7

0111

8

1000

9

1001

Hay otros códigos binarios, aunque menos utilizados: Aiken ó 2421 (de las 16 combinaciones se utilizan las cinco primeras y las cinco últimas); exceso tres (en este faltan las tres primeras y las tres últimas de las 16 combinaciones). ÁLGEBRA BOOLEANA. Un álgebra es una estructura matemática dotada de axiomas y operaciones. El álgebra de Boole es un ente matemático abstracto definido por un conjunto A = {a, b, c, ......} y dotado de dos operaciones: + y * que cumplen los siguientes axiomas:

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TEOREMAS DEL ÁLGEBRA DE BOOLE.

OPERACIONES LÓGICAS LOGICA "OR" Todas las operaciones lógicas que se describen a continuación tienen como base el Álgebra de Boole. Cuando se describe una OPERACIÓN LÓGICA, se especifica el SÍMBOLO de la puerta lógica que realiza la operación, su TABLA DE VERDAD y la implementación en DIAGRAMA DE RELÉS. La tabla de verdad es una representación gráfica de todas las posibles combinaciones de las variables de las variables de entrada y del valor de la salida para cada combinación de las variables de entrada.

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La salida “S” toma el valor uno, siempre que una de las dos entradas, o las dos a la vez toman el valor uno.

LÓGICA "AND"

La salida “S” toma el valor uno, únicamente cuando las variables de entrada tienen valor uno, siendo cero para todas las demás combinaciones de entrada.

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PUERTA LÓGICA "NO" (NOT) COMPLEMENTACIÓN O INVERSIÓN

PUERTA LÓGICA "NAND" - "NO Y"

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Efectúa el producto lógico de las variables de entrada, invirtiendo el resultado obtenido, de tal manera que la salida será siempre “1” excepto cuando las variables de entrada sean simultáneamente “1”.

LÓGICA "NOR" - "NO OR"

Efectúa la suma lógica de las variables de entrada, invirtiendo el resultado obtenido, de tal manera que la salida únicamente “1” cuando las entradas estén ambas desactivadas.

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PUERTA LÓGICA "EXOR" - "O EXCLUSIVA"

La salida se activa, es decir se pone a “1” cuando la situación de las entradas es distinta, es decir una está activada pero la otra no

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FUNCIÓN LÓGICA Una función lógica es una variable binaria. Su valor depende de otras variables binarias y de las operaciones que unen a estas. Queda definida por su tabla de verdad. Y también por su expresión algebraica. En una determinada función lógica el valor de la variable “S” salida, depende del valor que tomen las variables de entrada, que estarán relacionadas entre sí por funciones básicas AND, OR, NOT. EJERCICIO NÚMERO 1 PUERTAS LÓGICAS "NO" Y "AND" En este primer ejercicio se trata de implementar circuitos sencillos, con puertas lógicas y con elementos eléctricos, de tal manera, que al tener ambos circuitos los mismos interruptores, cambien de estado a la vez. Con el fin de que el circuito lógico y el circuito eléctrico funcionen a la vez, los interruptores deben ser normalmente abiertos pero obtenidos de los componentes de entrada de la lógica digital. En el ejercicio se comprueba que el circuito lógico y eléctrico funcionan a la vez, comprobándose la salida de la tabla de verdad de las funciones lógicas correspondientes.

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EJERCICIO NÚMERO 2 PUERTAS LÓGICAS "OR" Y "EXOR" OR VER SIMULACIÓN

EXOR

EJERCICIO NÚMERO 3 PUERTAS LÓGICAS "NOR" Y "NAND" NOR VER SIMULACIÓN

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NAND VER SIMULACIÓN

EJERCICIO NÚMERO 4 PUERTAS LÓGICAS EXOR En este ejercicio se realizan tres circuitos correspondientes los tres a la tabla de verdad de la puerta lógica exor. • • •

La puerta lógica. El circuito eléctrico correspondiente. El circuito lógico obtenido de la función algebraica de su tabla de verdad.

a

b

a⊕b

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 0

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EJERCICIO NÚMERO 5 LAS DOS FORMAS CANÓNICAS En este ejercicio se va a comprobar que las dos expresiones obtenidas de una tabla de verdad, tanto en la primera forma canónica, como en la segunda, realmente darían lugar a circuitos equivalentes. En el ejercicio se parte de la tabla de verdad de la figura.

Sus expresiones algebraicas son: PRIMERA FORMA CANÓNICA (SUMA DE PRODUCTOS):

SEGUNDA FORMA CANÓNICA (PRODUCTO DE SUMAS)

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SOLUCIÓN La solución será implementar los dos circuitos lógicos correspondientes a las funciones obtenidas, no obstante también puede realizarse cada uno de los circuitos eléctricos equivalentes. En esta solución se ha realizado el de la primera forma canónica, puedes tú hacer el de la segunda.

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EJERCICIO NÚMERO 6 SIMPLIFICACIÓN POR KARNAUGH En este ejercicio se comprobará que el circuito obtenido de una tabla de verdad, por cualquiera de sus formas canónicas es equivalente al obtenido después de la simplificación por Karnaugh. Partiendo de la tabla de verdad, se obtiene la función en la primera forma canónica.

Después de utilizar el diagrama de Karnaugh para realizar la simplificación, la función queda:

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SOLUCIÓN La solución será implementar los dos circuitos lógicos correspondientes a las funciones obtenidas, no obstante también puede realizarse cada uno de los circuitos eléctricos equivalentes. En la solución sólo se ha realizado el circuito eléctrico de la función simplificada.

IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES A OTRO TIPO DE PUERTAS, NAND O NOR Las puertas and y or, que junto con la inversión son las necesarias para implementar todos los circuitos partiendo de la función lógica obtenida de la tabla de verdad, son degenerativas, es decir degeneran la señal, por lo que acaban siendo necesarios amplificadores de señal, esto se evita si se emplean en los circuitos puertas nand o puertas nor, que son puertas regeneradoras de señal o universales. Para realizar el cambio de puertas es necesario aplicar los teoremas de morgan.

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Si los miramos de derecha a izquierda se puede observar como un producto pasa a ser la suma negada (nor) de las variables negadas. o una suma pasa a ser un producto negado (nand) de las variables negadas. Implementación de funciones a otro tipo de puertas, nand Se realizará la explicación con un ejemplo. La función: sus puertas son and, or y no.

ya está simplificada, pero todas

Se aplica a la función dos inversiones, con lo que la función sigue siendo la misma

Se utilizará una de las inversiones para aplicar morgan y convertir las sumas en productos, desde luego se negarán los grupos que se sumaban.

Para todas las puertas necesarias para realizar el circuito son nand. IMPLEMENTACIÓN DE FUNCIONES A OTRO TIPO DE PUERTAS, NOR Se realizará la explicación con un ejemplo. La función: sus puertas son and, or y no.

ya está simplificada, pero todas

La cuestión es quitar las puertas and, es decir convertirlas en sumas. Para eso se niega dos veces cada grupo.

Se utiliza una de las negaciones para aplicando morgan convertir el producto negado en suma de negaciones

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Todas las puertas son ya nor, excepto la más externa que es or, para convertirla en nor únicamente es necesario negar una vez toda la función, mejor, para que siga siendo la misma se niega dos veces.

EJERCICIO NÚMERO 6 PRENSA HIDRÁULICA Y LÁMPARA DE AVISO Una prensa ubicada en una línea de producción, se pone en marcha al accionar tres pulsadores: P1, P2 y P3; de manera simultánea. Si se pulsan únicamente dos cualesquiera, la máquina funciona, pero se activa una señal luminosa “L”, que indica una manipulación incorrecta. Por otra parte, cuando se actúe sobre un único pulsador, también se activará la señal luminosa “L”. a) b)

Obtener la tabla de verdad y las funciones del sistema lógico. Simplificar las funciones (puesta en marcha de la máquina y encendido de la lámpara) utilizando Karnaugh.

Dibujar los circuitos utilizando puertas NAND. Comprobar el buen funcionamiento del circuito en el simulador lógico. Realiza el circuito eléctrico que haga moverse un cilindro y encenderse una lámpara siguiendo las consignas del ejercicio. Comprueba el funcionamiento en el simulador.

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EJERCICIO NÚMERO 10 PRENSA HIDRÁULICA Y LÁMPARA DE AVISO

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AUTOMATISMOS SECUENCIALES CON GRAFCET Introducción • El Grafcet es un método gráfico de modelado de sistemas de control secuenciales • Surgió en Francia a mediados de los años 70, y fue creado por una agrupación de algunos fabricantes de autómatas, en concreto Telemecanique y Aper, junto con dos organismos oficiales, AFCET (Asociación Francesa para la Cibernética, Economía y Técnica y ADEPA (Agencia Nacional para el Desarrollo de la Producción Automatizada). • Fue homologado en Francia (NFC), Alemania (DIN), y con posterioridad por la Comisión Electrotecnia Internacional ( IEC 848, en 1998). • Describe la evolución de un proceso que se pretende controlar, indicando las acciones que hay que realizar sobre dicho proceso y que informaciones provocan el realizar una u otra acción.

Símbolos normalizados Etapas – La evolución de un proceso representada mediante un gráfico Grafcet, esta formada por una sucesión de etapas que representan cada uno de sus estados, llevando cada una de ellas asociada una o varias acciones a realizar sobre el proceso. – Las etapas se representan con un cuadro y un número o símbolo con un subíndice numérico en su interior, en ambos casos el número indica el orden que ocupa la etapa dentro del Grafcet – Las etapas iniciales, aquellas en las que se posiciona el sistema al iniciarse el proceso, se representan con un cuadro doble.

1

2

Acción asociada – Son una o varias acciones a realizar sobre el proceso, cuando la etapa de la cual dependen dichas acciones se encuentra activada. – Dichas acciones correspondientes a una etapa, se simbolizan mediante rectángulos conectados y situados a la derecha de dicha etapa. En el interior de estos rectángulos se indica, bien de forma literal, bien de forma simbólica, las acciones a realizar.

2

ACT IVA M 1

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En una primera clasificación se puede dividir las acciones en dos tipos : – Incondicionales : acciones que se ejecutan con solo quedar activadas las etapas correspondientes. – Condicionales : son las acciones que necesitan el cumplimiento de una condición además de la propia activación de la etapa correspondiente. A

2

ACT IVA M 1 ACT IVA M2

Clasificación de las acciones en : – Internas : acciones que se producen en el equipo de control, por ejemplo temporizaciones, contadores, cálculos matemáticos, etc. – Externas : las acciones que se producen sobre el proceso, por ejemplo abrir o cerrar una válvula, activar o desactivar una bomba, etc. Transición y Condición de transición – En el diagrama Grafcet, un proceso se compone de una serie de etapas secuenciales que se activan una tras otra unidas mediante una transición. – El paso de una etapa a la siguiente se realiza dependiendo de si se cumple o no la condición de transición entre ellas. Toda transición lleva asociada una condición de transición o función lógica booleana que se denomina receptividad, y que puede ser verdadera o falsa. Se dice que la transición está validada, cuando la etapa o etapas anteriores a la transición están activadas. El franqueamiento de la transición se producirá si, y sólo si, la transición esta validada y la receptividad es verdadera. 1 1

ACT IVA M 1

T RANSICI0N

2

ACT IVA M 2

Arco – Es el segmento de recta que una transición (con su condición de transición) con una etapa y viceversa, pero nunca dos elemento iguales entre sí. Los arcos pueden ser o verticales u horizontales, además los arcos verticales deben llevar una flecha indicando su sentido en el caso de ser este ascendente

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Esquema de elementos que componen el Grafcet ETAPA INICIAL

1 1

ARCO

ETAPA

T RANSICI0N

2

ACT IVA M 2 ACCION

2

X1

Reglas de evolución del Grafcet Reglas – La etapa inicial de un Grafcet se activan de forma incondicional. Esta situación inicial se corresponde en general con una situación de reposo. – Una transición esta en disposición de ser validada cuando todas las etapas inmediatamente precedentes, unidas a dicha transición , están activadas. La activación de una transición se produce cuando está validada y la condición de transición o receptividad es verdadera. Se podría definir una etapa como activable cuando la transición precedente esta validada. – Franquear una transición implica la activación de todas las etapas siguientes inmediatas, y la desactivación de las inmediatas precedentes. – Transiciones conectadas en paralelo, se activan de forma simultánea si se cumplen las condiciones para ello. – Una o varias acciones se asocian a cada etapa. Estas acciones sólo están activas cuando la etapa esta activa. + Estructuras base Grafcet soporta diferentes tipos de estructura secuencial: – Estructura base: trata conceptos de secuencialidad y concurrencia – Estructura lógica: trata conceptos de concatenación de estructuras Estructuras base • Estructuras de secuencia única Son estructuras formadas por secuencias de etapas que se van activando una tras otra, sin interacción con ninguna otra estructura • Estructuras de secuencia paralela Son un conjunto de estructuras únicas activadas por una misma transición de forma simultanea. Después de la activación de las distintas secuencias su evolución se produce de forma independiente

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1

5 5

1 X3

2

2 Y1

6 6

Y1

3

3

Y3

4

X6 4

SECUENCIA UNICA

Y2

SECUENCIA PARALELA

Estructuras lógicas Funciones lógicas OR, AND y saltos condicionales • Divergencia OR Se utiliza cuando lo que se trata es de modelar la posibilidad de tomar dos o más secuencias alternativas a partir de una etapa común.

n1

2

n

X

2

1

3

n2

Y

3

La etapa n pasará a estar activa si estando activa la etapa n1, se satisface la condición de transición o receptividad x. De igual forma la etapa n2 pasará a estar activa si estando activa la etapa n1 se satisface la condición de transición o receptividad y. •

Convergencia OR

La etapa n1 pasará a estar activa, si estando activa la etapa n se satisface la condición de transición o receptividad x; o si estando activa la etapa n2 se satisface la condición de transición o receptividad y.

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n

1

2

n2

X

2

3

n1

Y

3

Divergencia AND – Permite la implementación de procesos concurrentes síncronos, de forma que dos o más subprocesos del sistema, representados por las secuencias paralelas, pueden activarse de forma sincronizada.

n1

2

n

2

1 d + c

n2

3

La etapa n2 y n pasarán al estado activo, si estando activa la etapa n1 se satisface la condición de transición o receptividad d+c

Convergencia en AND

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n

n2

1

2

n1

2

X

3

La etapa n1 pasará a estar activa, si estando las etapas n-1 y n-2 activas se satisface la condición de transición o receptividad x

Implementación del Grafcet sobre A.P.I Diagrama Grafcet que representa el proceso Þ en un algoritmo de control y su posterior programación sobre un API. Para ello a cada una de las etapas en las que se divide el Grafcet se le asocia una variable interna. La condición de transición es la encarga de activar la etapa siguiente y desactivar la anterior; para ello se utilizan las instrucciones Set y Reset que poseen todos los autómatas programables.

REPRESENTACIÓN DE ESQUEMAS CON GRAFCET Los esquemas empleados en la elaboración de programas para autómatas, son similares, básicamente, a los utilizados en el control eléctrico con relés, neumático. Por lo tanto, una de las maneras de programar, es, realizar el esquema eléctrico como si el mando fuese a realizarse de esa manera, para posteriormente convertir el esquema a la nemotecnia del autómata que se vaya a utilizar. Otra manera de hacerlo que se estudiará más adelante es realizar el grafcet que controle la instalación para posteriormente convertirlo, utilizando las ecuaciones de las etapas (sobre todo al principio) al lenguaje del autómata. No obstante, los autómatas tienen funciones específicas y muy potentes, que será necesario aprender a utilizar con el fin de obtener un mayor rendimiento de los mismos. Otra cuestión básica que habrá que tener en cuenta antes de comenzar a editar el programa es el mapa de memorias del autómata que se va a utilizar, es decir, saber qué números (canales, registros, marcas, etc.) se deben utilizar para las entradas, salidas, y el resto de los elementos que se utilizarán.

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También es imprescindible respetar las reglas básicas de edición de estos esquemas (ladder – escalera) con el fin de que funcionen correctamente

L1

L2

L3

1 1

M CONDICION MARCHA

10 Amp. 1 0 Am 10 p . Am p. BOTONERAS

M

3 2

K2

K1

P 2

T / X3 /1 0 s/

4

5

K1

K1

K1

FR

FR

FR

K3

K3

P

K2

CONDICION PARADA

CONTROL DE UN MOTOR TRIFASICO AUTOMATISMOS SECUENCIAL CON GRAFCET ELABORADO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES VERIFICADO EN EL AUTOMATION STUDIO

M OT OR

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K2

K2

K3

K3

ELABORADO Y PREPARADO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES A0

A1

B0

B1

C0

C1

1 1 VB

VB

X-1

X-2

Y-1

MARCHA

VB

Y-2

Z-1

2

Z-2 2

X-1

A1

3 3

A0

4

FRL

4

AUTOMATISMO SECUENCIAL CON GRAFCET CONTROL DE TRES CILINDROS ELABORADO EN EL AUTOMATION STUDIO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES

X-2

Y-1

B1

5 M ARCHA

5

Y-2

B0

6 6

Z-1

C1

7 7

AUTOMATISMOS COMBINACIONALES Y SECUENCIALES

Z-2

C0

ELABORADO Y PREPARADO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES CILINDRO_A

A1

CILINDRO_B

A2

B1

B2

1

1

M1

3

M2

EMPIEZA EL CICLO

2

EMPIEZA EL CICLO

4

AVAN_1

VAL 5/2

VAL 5/2

AVAN_3 AVAN_1

2

A2

4

B2

RETORNO CA

3

R

RET_4 R

S

S

RETORNA CB

5

RET_2

5

AVAN_3

RET_2

A1

6

RET_4

B1

FIN DEL CICLO

FIN DEL CICLO

M1

ACOMETIDA UNIDAD DE MANT E NIMIENTO

M2

DISEÑO DE UN AUTOMATISMO SECUENCIAL CON GRAFCET SE CONTROLA EL AVANCE Y RETORNO DE DOS CILINDROS DIBUJADO EN EL AUTOMATION STUDIO ELABORADO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES CILINDRO_A

A1

CILINDRO_B

A2

B1

1 4

M VAL 5/2

2

4

AVAN_1

VAL 5/2

AVAN_3 AVAN_1

1

A2

2

B2

RETORNO CA

3

RET_2 R

S

RETORNA CB

5

RET_2

5

RET_4

A1 AND B1 ACOMETIDA

M

LBGF

UNIDAD DE MANTENIMIENTO

DISEÑO DE UN AUTOMATISMO SECUENCIAL CON GRAFCET SE CONTROLA EL AVANCE Y RETORNO DE DOS CILINDROS DIBUJADO EN EL AUTOMATION STUDIO ELABORADO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES

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AVAN_3

RET_4 R

S

B2

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A

A0

B

A1

B0

C

B1

C0

C1

1 1

MARCHA

2

Y_1 Y _1

2

Y_2

Y_4

Y_3

3 3

Y_6

Y_3

B1

4 4

Y_2

Y_4

A0 AND B0

5 5

Y_5

C1 FRL

6 6

Y_5

A1

Y_6

C0

MARCHA

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AUTOMATISMO SECUENCIAL CON GRAFCET LA SECUENCIA DE MOVIMIENTO ES: A+,B+,A-B-,C+,CDISEÑADO POR: LUIS B. GOMEZ FLORES

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CONTROL DE UN ASCENSOR DE 2 PLANTAS AUTOMATISMO REALIZADO CON GRAFCET DISEÑADO POR; LUIS B. GOMEZ FLORES

1

1

I4 * I3

2 2

3

3

Q1

I6

I4 * I2

4

5

I5 * I3

4

Q1

I5

8

6

5

Q1

I6

I6 * I1

7

I4

L1 Q1

L2

I5 * I1

6

Q2

Q1 2 Amp.

9

10

11

7

Q2

I4

12

FR FR M1

2 Amp.

L3 2 Amp.

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Q1

FR

I6 * I2

Q2

I5

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EJERCICIO 1 Se trata de llevar a cabo la automatización de unos ciclos fijos de una grúa, los ciclos están representados en la siguiente figura.

Para realizar los movimientos de la grúa contaremos con dos motores de doble sentido de giro, los cuales se controlarán mediante contactores. Un motor será controlado por los contactore s de arriba y abajo (KM_UP y KM_DOWN respectivamente), y el otro motor será controlado por los contactores izquierda y derecha (KM_LEFT y KM_RIGHT respectivamente). Para guiarnos en las posiciones extremas, como siempre utilizaremos tal y como se indica en la figura, finales de carrera (FC1, FC2, FC3 y FC4). Describiré a grandes rasgos los ciclos y su modo de funcionamiento. CICLO1: Partiendo de la posición FC1 y FC3 (es decir abajo y a la izquierda), primeramente subiremos la grúa hasta FC2, y una vez hecho esto moveremos la grúa hacia la derecha, hasta FC4. Una vez llegado ahí, bajaremos la grúa hasta FC1 de nuevo. Finalizaremos aquí el ciclo1. CICLO2: Partiendo de la posición FC1 y FC4 (es decir abajo y a la derecha), subiremos la grúa hasta FC2, y una vez hecho esto moveremos la grúa hacia la izquierda, hasta FC3. Una vez llegado ahí, bajaremos la grúa hasta FC1 de nuevo. Finalizamos el ciclo2. Entre el ciclo 1 y el ciclo 2 hay que esperar un tiempo determinado. El ciclo comenzará dándole a un pulsador de marcha o inicio.

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SOLUCION CON GRAFCET

1 1

M * FC1 * FC3

2 2

KM 1

FC2

3 3

KM 3

FC4

4 4

KM 2

FC1

5 5

T / X5 /5 s/

6 6

KM 1

FC2

7 7

KM 4

FC3

8 8

FC1

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