Resultats d'aprenentatge

En acabar la unitat formativa, heu de ser capaços del següent:

1. Identificar els elements de les instal·lacions i dels equips mitjançant l’anàlisi dels plànols i dels esquemes i reconeixent els materials i els procediments previstos per tal d’establir la logística associada al muntatge i al manteniment.

2. Dissenyar esquemes dels circuits i plànols de la seva situació usant mitjans i tècniques de dibuix i representació simbòlica normalitzada per tal de configurar i calcular la instal·lació o l’equip.

3. Identificar i marcar la posició dels elements de la instal·lació o de l’equip i l’esquema dels circuits relacionant els plànols amb la documentació tècnica amb la seva ubicació real per tal de replantejar-se la instal·lació.

4. Ubicar i fixar els equips i els elements auxiliars d’instal·lacions i xarxes, infraestructures i màquines interpretant els plànols i els esquemes per muntar i mantenir equips i instal·lacions.

5. Connectar els equips i elements auxiliars d’instal·lacions, xarxes, infraestructures i màquines mitjançant tècniques de connexió i empalmament, d’acord amb els esquemes de la documentació tècnica, per muntar i mantenir equips i instal·lacions.

6. Analitzar i localitzar els efectes i les causes de mal funcionament o avaria a les instal·lacions i equips usant aparells de mesura i interpretant-ne els resultats per fer les operacions de manteni-ment i reparació que calgui.

Material didàctic

• Generalitats dels sistemes pneumàtics i electropneumàtics
• Actuadors i vàlvules
• Muntatge i manteniment d'instal·lacions pneumàtiques i electropneumàtiques

Resum

L'aire comprimit és una de les fonts d'energia més antigues i sempre ha estat aprofitada per l'ésser humà en els seus treballs. Ja abans de Crist, el grec Ktesibios va construir una catapulta d'aire comprimit, però la utilització veritable i generalitzada de la pneumàtica es va iniciar quan es va fer imprescindible l'automatització dels processos de fabricació; en aquest sentit, la pneumàtica s'utilitza en diferents funcions com transport, manipulació, etc., ja que els actuadors, és a dir, els cilindres, que poden fer moviments lineals i rotatoris, i la resta de components, tenen un preu baix, són fàcils d'instal·lar i estan disponibles en mides molt variades.

Els circuits pneumàtics fan els moviments mitjançant l'acció de l'aire; aquest element té unes característiques que en faciliten l'ús. En podem destacar les següents:

• Abundant. L'aire està disponible en qualsevol lloc i en quantitats pràcticament il·limitades.

• Emmagatzematge. El compressor és l'element que ens subministra l'aire a pressió i no cal que estigui sempre en funcionament. Podem emmagatzemar l'aire en un dipòsit i usar-lo quan calgui.

• Antideflagrant. Amb l'ús d'aire comprimit en una instal·lació no tenim el perill d'incendi ni d'explosió. Una mateixa instal·lació pot funcionar en qualsevol ambient, fins i tot en zones EX (zones amb risc d'incendi o d'explosió) sense cap sobrepreu.

• Net. L'aire és una font d'energia neta. En cas de fuites, no implica que s'embruti l'entorn de treball, i per tant no hi ha problemes de seguretat. Ocorre el contrari amb la hidràulica: si hi ha una fuita hi pot haver perill d'incendi i de seguretat (relliscades).

• Constitució. En treballar amb pressions baixes, la constitució dels elements pneumàtics és senzilla, per la qual cosa tenen un preu barat.

• Velocitat. La pneumàtica s'utilitza per fer moviments ràpids; això comporta que el seu rendiment sigui molt alt. Podem arribar a aconseguir velocitats de fins a 2 m/s.

• Sobrecàrregues. Els elements pneumàtics i les eines els podem sobrecarregar fins a aconseguir que s'aturin. Suporten molt bé les sobrecàrregues.

Sistema pneumàtic

Un sistema pneumàtic bàsic es compon de dos subsistemes: la producció de l'aire comprimit, que és comuna a tots els circuits pneumàtics i la d'utilització, en un nombre idèntic al de circuits pneumàtics. En la figura 1 podeu veure un exemple amb els components dels dos subsistemes d'una instal·lació pneumàtica.

Compressors

Per poder aconseguir l'aire comprimit es necessita un compressor; les característiques principals d'un compressor són el cabal d'aire i la pressió que poden subministrar. Hi ha diferents tipus de compressor –d'èmbol, helicoïdal, multicel·lular i axial–, i depenent de les necessitats de la instal·lació cal fer l'elecció més adient.

Acumulador d'aire o dipòsit

L'acumulador d'aire emmagatzema l'aire comprimit que subministra el compressor i la seva finalitat principal és la d'alimentar i adaptar el cabal del compressor al consum de la xarxa pneumàtica. Ha d'estar allunyat de tota font de calor per evitar que les seves parets puguin facilitar la condensació del vapor d'aigua que procedeix del compressor.

En la figura 2 podeu observar els diferents components que configuren un dipòsit, que són els següents:

1. Una aixeta de purga per buidar l'aigua que es condensi dins.
2. Un manòmetre.
3. Una vàlvula de tancament de sortida d'aire.
4. Una vàlvula de seguretat.
5. Un termòmetre.
6. Una porta per poder inspeccionar l'interior.

Assecadors d'aigua

Un aspecte molt important perquè una instal·lació pneumàtica funcioni bé és treure tot el vapor d'aigua que porta l'aire. Els sistemes més utilitzats per treure la humitat que porta l'aire són:

• Assecat per refredament.
• Assecat per absorció.
• Assecat per adsorció.

Punts d'evacuació de condensacions

Tot i que el sistema d'extracció de l'aigua de la instal·lació és eficient, sempre hi pot haver condensació d'aigua als tubs deguda a la temperatura exterior. Els punts d'evacuació de l'aigua condensada se situen verticalment al final d'una derivació de la xarxa general, i per aconseguir que funcionin bé la instal·lació de la canonada ha de tenir una inclinació entre l'1 o el 2% en el sentit de circulació de l'aire comprimit; això fa que es faciliti la circulació de les impureses cap als punts d'evacuació de les condensacions.

Unitat de condicionament

En cada punt d'utilització s'ha de posar una unitat de manteniment o de condicionament. Tot i que s'ha fet un condicionament general de l'aire, sempre hi ha impureses i aigua que poden arribar als elements de treball (cilindres i vàlvules) i provocar-ne amb el temps un mal funcionament. Per evitar-ho, cada màquina ha de tenir:

• Filtre d'aire.
• Regulador de pressió.
• Lubrificador.
• Vàlvula general del circuit (si cal, potser una vàlvula d'arrencada progressiva).

Cilindres

En circuits pneumàtics us trobareu elements que transformen l'energia de l'aire comprimit en energia mecànica i provoquen un moviment; aquests elements s'anomenen actuadors pneumàtics. Si el moviment és lineal l'actuador és un cilindre pneumàtic i si és un moviment circular és un actuador giratori.

Un cilindre pneumàtic és un element de construcció senzilla, de baix cost i molt fàcil d'instal·lar. El diàmetre del cilindre i la pressió de treball determinen la força màxima que podrà fer.

Us podeu trobar amb una gran varietat de cilindres, però bàsicament els cilindres poden ser:

• Cilindres d'efecte simple.
• Cilindres d'efecte doble.

Cilindre d'efecte simple

Els cilindres d'efecte simple només reben l'aire per una connexió. Això vol dir que només poden fer força en un sentit. El retorn del cilindre s'encarregarà de fer-lo una molla, una membrana o la càrrega mateixa. Normalment la seva cursa és curta.

Cilindre d'efecte doble

Els cilindres d'efecte doble constructivament són molt semblants als d'efecte simple, amb la diferència que no tenen molla de reposició i, a més, tenen dos punts de connexió que seran de manera alternativa entrada i sortida d'aire.

Té l'avantatge respecte al d'efecte simple que pot fer treballs en els dos sentits i que les curses obtingudes són més grans.

Cilindres rotatius i actuador semigiratori

Mitjançant l'aire comprimit, a més de poder treballar amb moviments lineals, també es poden aconseguir moviments rotatius. Els elements que fan aquests moviments són:

• Cilindres rotatius. En aquest cas, la tija té un perfil de cremallera que a la vegada activa una roda dentada; això fa que quan es mou la tija el moviment lineal es transformi en moviment circular en la roda dentada. En la figura 3 podeu veure la representació d'un cilindre rotatiu.

• Actuador semicircular. Aquest actuador està compost d'una aleta que gira al voltant d'un eix; quan li arriba pressió per un costat es provoca el moviment de l'aleta i, per tant, el moviment de l'eix. Com que és un cilindre d'efecte doble, vol dir que si li entra aire per l'altra banda, l'eix girarà en sentit contrari. En la figura 4 podeu veure la representació d'un cilindre semicircular.

Vàlvules

Les vàlvules s'encarreguen d'encaminar l'aire comprimit per les diferents vies dels cilindres fent que aquests entrin o surtin. Segons el seu funcionament es classifiquen en els tipus següents:

• Vàlvules distribuïdores (de vies).
• Vàlvules de bloqueig.
• Vàlvules de pressió.
• Vàlvules d'estrangulació.
• Vàlvules de tancament.

Els símbols gràfics segons l'ISO 1219 representen el funcionament de les vàlvules, no la construcció. En la figura 5 podeu veure la representació gràfica de les diferents parts d'una vàlvula.

En la taula 1 teniu les diferents maneres d'identificar les connexions de les vàlvules.

Taula 1. Designació de les connexions de les vàlvules distribuïdores

Denominació	DIN ISO 5599	Lletres
Connexió d'aire a pressió	1	P
Escapament d'aire	3, 5	R,S (EA, EB)
Sortides a cilindres	2, 4	A, B
Comandament. Unió de connexió 1 i 2	12	X
Comandament. Unió de connexió 1 i 4	14	Y
Comandament. Cancel·la la connexió 1 i 2	10	Z

Vàlvules distribuïdores

Les vàlvules de control direccional són elements que serveixen per distribuir l'aire comprimit segons les nostres necessitats. Fan la distribució obrint o tancant el pas de fluid pels diferents orificis.

Les característiques generals de les vàlvules són:

• El nombre de vies. Orificis de què disposa la vàlvula per distribuir l'aire comprimit. Poden ser de 2, 3, 4 i 5 vies.

• El nombre de posicions. Nombre d'estats diferents que la vàlvula pot adoptar. Poden tenir 2 o 3 posicions.

En funció del nombre d'estats estables que pot adoptar s'anomenen:

• Monoestables. Tenen només una posició estable amb un únic comandament i retornen a la seva posició inicial per l'acció d'una molla.

• Biestables. Tenen dues posicions estables amb dos comandaments.

Vàlvules de regulació de cabal

En la figura 6 podeu veure la representació d'una vàlvula reguladora de cabal, el símbol corresponent i la imatge d'una vàlvula real. Aquesta vàlvula està formada per un regulador de cabal bidireccional i, en paral·lel, té un antiretorn. L'aire a pressió quan circula en direcció d'esquerra a dreta no pot passar per l'antiretorn i passa escanyat pel forat que regula el cargol del 0 al 100%; en canvi quan circula de dreta a esquerra passa lliure per l'antiretorn i no es regula; per tant, només regularà el cabal en un sol sentit.

Electropneumàtica

L'electropneumàtica és només l'aplicació conjunta de dues tècniques de treball i comandament, que són la pneumàtica i l'electricitat.

En una instal·lació electropneumàtica us trobareu dues parts:

• La part pneumàtica, que estarà limitada als components de potència, és a dir, els actuadors.

• La part elèctrica, que serà la que utilitzarem per fer el comandament i control de la part pneumàtica.

El control d'un circuit electropneumàtic es pot fer de dues maneres: treballant amb lògica cablada o amb lògica programada mitjançant un PLC.

Electrovàlvules

Les electrovàlvules són els elements que fan d'enllaç entre el circuit elèctric de comandament i el circuit pneumàtic que actua directament sobre els cilindres. Les electrovàlvules són vàlvules pneumàtiques pilotades mitjançant bobines.

Depenent del tipus de cilindre que s'hagi de moure s'utilitzarà un tipus d'electrovàlvula o un altre. Si es vol moure un cilindre d'efecte simple s'utilitzarà una electrovàlvula de tres vies i dues posicions (3/2); també se'n pot utilitzar una de cinc vies i dues posicions tapant un forat de sortida. Si es vol moure un cilindre d'efecte doble, s'utilitzarà una electrovàlvula de cinc vies i dues posicions (5/2).

Funcionament de l'electrovàlvula

En la figura 7 podeu veure el circuit electropneumàtic d'un cilindre d'efecte simple comandat per una electrovàlvula 3/2. Podeu veure en el dibuix de la dreta que en accionar el polsador arriben 24 V a la bobina, i això fa que es creï un camp magnètic que fa que una part magnètica mòbil es desplaci, guanyi la molla i provoqui, per tant, que la vàlvula canviï de posició. Quan deixem d'accionar el polsador, no arriben els 24 V a la bobina i, per tant, deixa de ser imant, amb la qual cosa la molla empeny la vàlvula fins a la posició inicial, tal com es veu en el dibuix de l'esquerra.

Aparells de buit

Les tècniques de buit s'utilitzen per poder agafar de manera pneumàtica, mitjançant ventoses, peces llises i hermètiques. Per aconseguir el buit, es poden utilitzar dues tècniques: producció de buit mitjançant l'ús d'un aparell de venturi i producció de buit mitjançant una bomba de buit.

Simbologia pneumàtica

És molt important conèixer els símbols dels components pneumàtics. En la taula 2 teniu els símbols dels components pneumàtics més generals.

Taula 2. Components pneumàtics

Símbol	Descripció
	Font d'aire comprimit (alimentació pneumàtica)
	Compressor
	Unitat de manteniment (representació desenvolupada)
	Lubrificador
	Manòmetre
	Unitat de manteniment (representació simplificada)
	Cilindre d'efecte simple (ressort d'entrada)
	Cilindre d'efecte doble amb esmortidor regulable
	Motor pneumàtic de dos sentits
	Actuador angular semigiratori
	Ventosa
	Vàlvula 3/2
	Vàlvula 5/2
	Vàlvula reguladora de cabal unidireccional
	Canonada de succió de buit o Venturi
	Accionament manual (símbol general)
	Accionament per aire
	Accionament per electrovàlvula (solenoide)
	Retorn per molla
	Electrovàlvula (solenoide de vàlvula)

Desenvolupament de circuits pneumàtics

Com és lògic, quan feu un esquema heu de seguir una forma estàndard de treballar. El primer que heu de fer és identificar els components de cada circuit; per fer-ho numerareu els actuadors mitjançant la lletra que els identifica i posareu davant el número de circuit. Per exemple, si teniu dos cilindres en dos circuits, un cilindre serà l'1A i l'altre el 2A.

La resta de components estaran identificats per tres dígits. El primer indica a quin circuit pertany, el segon indica el tipus de component (amb una lletra) i el tercer, el número d'ordre d'aquest tipus de component.

En els elements comuns a tots els circuits, com ara la unitat de manteniment i la vàlvula general, el primer dígit serà 0 (zero).

En la taula 3 teniu la relació de components pneumàtics amb les lletres que els identifiquen.

Taula 3. Denominació de components pneumàtics

Components	Identificador
Compressors	P
Components de potència (cilindres)	A
Elements d'accionament mecànic (polsadors, final de cursa)	S
Vàlvules	V
Altres components (manòmetre, acumulador, etc.)	Z

Interpretació del circuit pneumàtic

En la figura 8 teniu el circuit pneumàtic corresponent a un cilindre d'efecte simple comandat per una vàlvula 3/2. Aquest és el circuit més bàsic que es pot fer en una instal·lació pneumàtica i està format pels components següents:

• 0 V1: alimentació pneumàtica amb la seva unitat de manteniment.
• 0 S1: vàlvula general de tancament.
• 1 S1: vàlvula distribuïdora per a emissió de senyals.
• 1 A: cilindre d'efecte simple per a l'execució de les ordres.

El seguiment del funcionament d'un circuit pneumàtic es fa amb molta facilitat; només heu de seguir la direcció que porta l'aire des de l'alimentació fins que arribi al cilindre. Podeu veure que l'aire arriba a la unitat de manteniment (0 V1), on és filtrat per després pel regulador de pressió (on se seleccionarà la pressió de treball escollida, que serà llegida pel manòmetre). Trobareu enganxada a la unitat de manteniment una vàlvula general de tancament (0 S1). L'heu d'accionar per tal que el circuit quedi amb pressió, i quan accioneu la vàlvula 1S1 la pressió passarà de la connexió 1 a la connexió 2 i sortirà pel tub fins a arribar al cilindre 1 A. Quan la pressió arriba al cilindre es troba amb la superfície de l'èmbol i, per tant, es crea una força superior a la de la molla i això fa sortir el cilindre.

En deixar d'accionar la vàlvula 1S1, queda tallada la connexió de pressió i es connecten les connexions 2 i 3 de la vàlvula 1S1. En no tenir pressió el cilindre, deixa d'haver-hi força i, per tant, la força de la molla fa que aquest retorni, i mentre ho fa, l'aire que arriba del cilindre a la connexió 2 de la vàlvula 1S1 surt per la connexió 3 i se'n va lliure cap a l'atmosfera.

Desenvolupament de circuits electropneumàtics

Els circuits electropneumàtics consten de dues parts molt diferenciades:

• Circuit pneumàtic: correspon a la part de potència. El circuit no presenta gaires diferències d'una instal·lació a una altra; la majoria de components són cilindres d'efecte simple o doble, i les variacions més significatives corresponen a les dimensions dels cilindres i els seus accessoris.

• Circuit elèctric: correspon al circuit de comandament i s'hi defineixen les característiques de la seqüència de funcionament. Mitjançant el circuit elèctric es connecten les bobines que accionen les vàlvules. El conjunt de bobina i vàlvula es denomina electrovàlvula, i normalment treballa a una tensió de 24 V de corrent continu.

Per tant, en els circuits electropneumàtics el comandament dels actuadors, és a dir, dels cilindres, es fa mitjançant vàlvules que estan pilotades elèctricament, les electrovàlvules.

En la taula 4 teniu la relació de components d'electropneumàtica amb les lletres que els identifiquen.

Taula 4. Denominació dels components electropneumàtics

Components	Identificador
Compressors	P
Components de potència (cilindres)	A
Elements d'accionament mecànic (polsadors, final de cursa)	S
Vàlvules	V
Bobines de les vàlvules	Y
Altres components (manòmetre, acumulador, etc.)	Z
Relés i els seus contactes	KA
Temporitzadors i els seus contactes	KT
Comptadors i els seus contactes	C
Sensors (magnètic, inductiu, capacitiu, òptic, pressòstat)	B

Interpretació del circuit electropneumàtic

En els circuits d'electropneumàtica s'utilitzen els mateixos actuadors que en els de pneumàtica; per exemple, cilindres d'efecte simple o doble. De la mateixa manera s'utilitzen les mateixes vàlvules; per exemple, la de tres vies i dues posicions o la de cinc vies i dues posicions.

En la figura 9 teniu representats els circuits pneumàtics i elèctrics corresponents a dos cilindres. El circuit del cilindre 1A correspon a un cilindre d'efecte simple comandat per una electrovàlvula 3/2 de retorn amb molla i un regulador de cabal connectat a l'única entrada d'aire del cilindre. El circuit del cilindre 2A correspon a un cilindre d'efecte doble comandat per una electrovàlvula 5/2 de retorn per molla i amb dos reguladors de cabal.

Podeu veure que el control del cilindre 1A el porta una electrovàlvula 3/2 que es pot fer funcionar mitjançant un solenoide (bobina) o manualment. El solenoide té el mateix nom (1Y1) tant al circuit pneumàtic com al circuit elèctric; això vol dir que és el mateix element representat als dos circuits.

• Quan accioneu el polsador S1 del circuit elèctric es tancarà el circuit elèctric i funcionarà el solenoid'1Y1, i això farà que al circuit pneumàtic s'activi l'electrovàlvula 1V1, amb la qual cosa el cilindre 1A sortirà.

• Quan deixeu el polsador S1, el circuit elèctric s'obrirà i deixarà de funcionar el solenoide 1Y1, amb la qual cosa es desactivarà l'electrovàlvula 1V1 i la força de la molla la farà tornar a repòs i, per tant, el cilindre 1A tornarà enrere.

El circuit elèctric del cilindre 2A és idèntic al del cilindre 1A; l'electrovàlvula té una bobina que es posa en marxa de la mateixa manera: en accionar el polsador S2 funciona la bobina 2Y1, que canvia la posició de la vàlvula i fa que el cilindre avanci.

Mapa conceptual

Més informació

Bibliografia bàsica

Creus Solé, A. (2007). Neumática e Hidráulica. Barcelona: Marcombo.

Aquest llibre de pneumàtica i hidràulica estudia l'evolució contínua de la indústria d'aquestes tecnologies. Permet conèixer i entendre el funcionament dels dispositius pneumàtics, el seu control, les seves limitacions i la manera de fer un disseny correcte de les instal·lacions.

Guillén Salvador, A. (1999). Introducción a la neumática. Barcelona: Marcombo.

L'automatització industrial, per mitjà de components pneumàtics, és una de les solucions més senzilles, rendibles i amb més futur pel que fa a l'aplicació en la indústria. La combinació d'electrònica i pneumàtica és un nou pas per millorar la flexibilitat i la fiabilitat dels automatismes pneumàtics.

Actualment, el mercat ofereix una gamma completa d'elements pneumàtics adaptats a qualsevol aplicació. En aquest llibre l'autor presenta, de manera general i pràctica, els principis i elements de la tècnica dels sistemes pneumàtics per facilitar que el lector s'introdueixi en el camp de la pneumàtica.

Serrano Nicolás, A. (2007). Neumática. Madrid: Paraninfo.

Aquesta obra tracta de la pneumàtica convencional o bàsica en tota la seva extensió, per la qual cosa no requereix coneixements previs d'aquesta especialitat. El seu contingut s'ha tractat de manera senzilla, assequible i, sobretot, pràctica. S'han inclòs exemples nombrosos i variats, tant en els temes com en els exercicis proposats al final de cada capítol i resolts al final del llibre.

Roldan, J. (2006). Prontuario de neumática industrial. Madrid: Paraninfo.

Aquesta obra està dedicada a l'estudi de la pneumàtica industrial, en dues parts diferenciades: la primera dedicada a la teoria i coneixement dels materials i la segona a la seva aplicació industrial, que es complementa amb nocions d'electricitat, tecnologia imprescindible per a l'aplicació pràctica de la pneumàtica industrial.

Lladanosa, V. (1997). Circuitos básicos de electropneumática. Barcelona: Marcombo.

Amb aquest llibre es pretén facilitar tant al professor com als alumnes dels mòduls de FP i cursets tècnics una sèrie de pràctiques amb circuits electropneumàtics que s'ajusten a la seva progressió de coneixements, que ajudaran l'alumne a superar el curs corresponent, i li seran útils en l'aplicació de la seva labor professional. Les pràctiques s'han dividit en tres apartats: "Circuits bàsics amb cilindres d'efecte simple", "Circuits bàsics amb cilindres d'efecte doble" i "Circuits bàsics amb temporitzadors".

Bibliografia complementària

Autors diversos (2005). Manuals de Festo Didactic. Barcelona: Festo.

• TP 101: Neumática. Nivel básico
• TP 102: Neumática. Nivel avanzado
• TP 201: Electroneumática. Nivel básico
• TP 202: Electroneumática. Nivel avanzado

Són una sèrie de llibres que combinen la presentació de temes teòrics amb l'aplicació pràctica dels diferents components que podem trobar en una instal·lació pneumàtica i electropneumàtica.

Adreces d'interès

www.fluidsim.de

En aquesta pagina podeu baixar programari de prova, tant de pneumàtica i electropneumàtica com d'hidràulica i electrohidràulica. Amb les versions de demostració de la versió 3 no podem ni imprimir ni desar, però no tenim limitació de temps en el funcionament. Amb les de la versió 4, a més de no poder desar ni imprimir, tenim una limitació de temps de 30 minuts.

www.festo.es

És la web oficial de l'empresa Festo. Hi podeu trobar informació dels seus productes didàctics i també informació dels seus productes d'ús industrial. També hi ha una zona de descàrrega tant de programari com d'arxius PDF d'informació tècnica dels seus materials.

http://iespalauausit.com/edcai/

És una pàgina del grup de treball Edcai, format per professors dels instituts següents: La Garrotxa, d'Olot, Palau Aussit, de Ripollet, i Comte de Rius, de Tarragona. Amb el patrocini del Departament d'Educació i l'empresa Siemens han elaborat documentació didàctica de diferents continguts relacionats amb l'automatització, que podeu baixar lliurement.