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Electrónica industrial moderna satisface las necesidades de conocimiento en los temas de tecnología electrónica, electrónica industrial, procesos de control industrial, maquinaria industrial y automatización industrial. Su contenido no se limita a presentar los dispositivos aislados, sino que enfatiza en la necesidad que tiene el lector para comprender los sistemas industriales. Sus características principales son las siguientes: • Se examinan a fondo una amplia variedad de sistemas, desde el interruptor de transistor a los robots industriales, y se analizan la importancia económica y el impacto ambiental de los procesos de producción. • La sección “Solución de problemas en la industria” es un componente fundamental en cada capítulo. • En el tema “Ruido eléctrico y magnético en mediciones electrónicas y sistemas de transmisión” el estudio se amplió y se proponen técnicas para hacerle frente. • El lazo de corriente para la transmisión de señales se explica y compara con la transmisión de voltaje. • Los controladores lógicos programables que se estudian son representativos de los procesos de control industrial actuales, y se incluyen ramificación de programas y aplicaciones de subrutinas, lo cual lo coloca a la vanguardia. Apen A 16/5/08 13:19 Página 950 Preliminares 6/6/08 10:50 Página i ELECTRÓNICA INDUSTRIAL MODERNA Timothy J. Maloney Monroe County Community College Monroe, Michigan TRADUCCIÓN: Carlos Mendoza Barraza Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Estado de México Virgilio González y Pozo Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México REVISIÓN TÉCNICA: Agustín Suárez Fernández Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma Metropolitana. Unidad Iztapalapa Q U I N TA EDICIÓN Preliminares 6/6/08 10:50 Página ii Datos de catalogación bibliográfica MALONEY, TIMOTHY J. Electrónica industrial moderna. 5a. edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2006 ISBN: 970-26-0669-1 Área: Ingeniería electrónica Formato: 20 × 25.5 cm Páginas: 1000 Authorized translation from the English language edition, entitled Modern Industrial Electronics by Timothy J. Maloney, published by Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, Inc. Copyright © 2004, 2001, 1996, 1986, 1979. All rights reserved. ISBN 0-13-048741-4 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés, titulada Modern Industrial Electronics por Timothy J. Maloney, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como Prentice Hall, Inc. Copyright © 2004, 2001, 1996, 1986, 1979. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada. Edición en español Editor: Editor de desarrollo: Supervisor de producción: Pablo Miguel Guerrero Rosas e-mail: [email protected] Felipe Hernández Carrasco Enrique Trejo Hernández Edición en inglés Editor in Chief: Stephen Helba Assistant Vice President and Publisher: Charles E. Stewart, Jr. Assistant Editor: Mayda Bosco Production Editor: Alexandrina Benedicto Wolf Production Coordination: The GTS Companies/York, PA Campus Design Coordinator: Diane Ernsberger Cover Designer: Jeff Vanik Cover art: Digital Vision Production Manager: Matt Ottenweller Marketing Manager: Ben Leonard QUINTA EDICIÓN, 2006 D.R. © 2006 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500, 5o. piso Colonia Industrial Atoto 53519 Naucalpan de Juárez, Edo. de México E-mail: [email protected] Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Prentice-Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes. ISBN 970-26-0669-1 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 08 07 06 Preliminares 6/6/08 10:50 Página iii PREFACIO PREFACIO lectrónica industrial moderna, quinta edición, proporciona un panorama de sistema total del mundo de la fabricación y producción automatizada para estudiantes de tecnología electrónica y eléctrica. Mantiene el compromiso original, intacto desde la primera edición, de mostrar la forma en que los dispositivos electrónicos modernos se emplean en las aplicaciones industriales del mundo real. Los nuevos temas que esta sección abarca son: E Capítulo 3, PLCs Bifurcación de programas —instrucción de salto. Subrutinas —paso de parámetros a una subrutina y parámetros de retorno desde una subrutina. Capítulo 8, Amplificadores operacionales Degradación de la señal de voltaje ocasionada por: (1) caída IR; (2) ruido eléctrico acoplado de forma capacitiva, incluyendo transitorios de conmutación; y (3) ruido acoplado magnéticamente. Blindaje magnético y eléctrico. Conexión a tierra adecuada. Transmisión de señal de lazo de corriente NOTA PARA LOS ESTUDIANTES Las capacidades de los sistemas de fabricación industrial se han expandido a un nivel sobresaliente desde la primera edición de electrónica industrial moderna que fue publicada en 1979. Parte de esta nueva capacidad tiene que ver con un control más preciso sobre los procesos y las máquinas, y por otra parte con nuestra mayor capacidad para medir y realizar registros de las variables de producción. Esta expansión tiene dos repercusiones directas para usted. En primer lugar, hace que su trabajo sea más demandante. En segundo lugar, le ofrece la oportunidad de una mayor satisfacción y recompensas personales, debido a que quien pueda aprender y dominar los controles industriales de alta tecnología actuales es buscado por los empleadores. Como tecnólogo de ingeniería o técnico que trabaja en una industria moderna, usted forma parte de un grupo selecto, indispensable para la rentabilidad y la productividad de su compañía. De hecho, la iii Preliminares 6/6/08 10:50 Página iv iv PREFACIO contribución de su trabajo tiene un impacto evidente sobre la productividad total de la sociedad y la seguridad económica. El hecho de saber que le ha sido confiada esa responsabilidad debe ser un cumplido. En esta edición, como en las cuatro ediciones previas que sus predecesores emplearon para iniciar sus carreras, he tomado todas las previsiones posibles para ayudarle a alcanzar el nivel de habilidad necesaria para desempeñar sus responsabilidades laborales. Con el fin de alcanzar esta meta, esta edición presenta un ejercicio de “Solución de problemas en la industria” al final de cada capítulo. Estos ejercicios requieren que aplique el conocimiento que ha adquirido del capítulo para solucionar un problema. Al realizarlos de manera individual o por equipo, se encontrará a sí mismo ejercitando su comprensión técnica, pensando imaginativamente, y resolviendo problemas de la vida real, en otras palabras, realizando la transición de ser un estudiante de salón de clase a un técnico práctico o un tecnólogo en el área industrial. Mis mejores deseos para su carrera laboral. CARACTERÍSTICAS DEL TEXTO Fotografía al inicio de cada capítulo Cada capítulo comienza con una fotografía explicativa que representa alguna práctica industrial moderna. La figura A muestra las páginas de apertura del capítulo 17. Utilice estas presentaciones para darse una idea de algunas de las oportunidades interesantes y responsabilidades laborales en el campo de la electrónica industrial. Los textos descriptivos y los créditos de estás se presentan en la página vii. Objetivos La primera edición, publicada en 1979, fue el libro de texto original tecnológico universitario que explícitamente expuso los objetivos de aprendizaje al inicio de cada capítulo. Como es natural, ese precedente se continúa en esta quinta edición. Al encontrarse estudiando o leyendo, FIGURA A Fotografía de apertura del capítulo 17: la telemetría moderna de radio a menudo utiliza un satélite de órbita terrestre para la retransmisión de información codificada digitalmente o modulada por pulsos. C A P Í T U L O 17 TELEMETRÍA TELEMETRÍA n la mayor parte de los casos de control industrial, el transductor de medición y el dispositivo de corrección final están en la misma zona. Hay aplicaciones ocasionales en las que debe transmitirse el valor medido a una distancia bastante grande, quizá varios cientos de metros o más. Hay otros casos además, por ejemplo en la distribución de energía eléctrica, que la medición debe transmitirse a muchos kilómetros hasta el controlador. Siempre que se manda una medición hasta una gran distancia, por cable o por fibra óptica, no puede mantenerse en su forma analógica original. El ruido y la degradación de la señal a grandes distancias perjudican la integridad de los voltajes analógicos. En su lugar, el voltaje analógico original debe convertirse en alguna forma de modulación de pulsos, o bien convertirse en un valor digital codificado, y transmitido bit por bit. La telemetría es la tecnología de cambiar una medición analógica a una de las dos formas anteriores (modulación o codificación), transmitir la forma alterada una distancia grande, para entonces volver a convertir la información recibida en señal analógica. E FPO OBJETIVOS Después de estudiar este capítulo, podrá usted: 1. Describir las ventajas de transmitir los valores medidos por medio de modulación de pulsos, y no en forma analógica directa. 2. Indicar cómo un par de circuitos integrados 555 pueden hacer modulación por ancho de pulso. 3. Indicar cómo se demodula una señal modulada por ancho de pulso con un filtro de paso bajo. 4. Explicar cómo se deriva la modulación por posición de pulso de la modulación por ancho de pulso. 5. Explicar por qué la modulación por frecuencia de pulsos es más inmune al ruido que la modulación por ancho de pulso o por posición de pulso. 6. Indicar cómo se hace la modulación por frecuencia de pulsos con un 555. 7. Describir el funcionamiento de un lazo de seguimiento de fase. 8. Usar un lazo de seguimiento de fase tipo 565 para demodular una señal modulada por frecuencia de pulsos. 9. Describir la ventaja del multiplexado en un sistema de telemetría. 10. Trazar el diagrama de bloques de un sistema de telemetría multiplexada y explicar su funcionamiento. 11. Describir el uso de radiotransmisión en vez de transmisión por cable o por fibra, en la telemetría. 12. Indicar la diferencia entre los métodos analógicos de modulación de pulsos y la codificación digital de pulsos, y describir la ventaja del método digital. 803 Preliminares 6/6/08 10:50 Página v v PREFACIO FIGURA B Solución de problemas en la industria del capítulo 6: los ejercicios del trabajo, que se acompañan con ilustraciones y fotografías le retan a desarrollar labores de la vida real. SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA ELIMINACIÓN DE PARTÍCULAS DE CENIZA DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA ALIMENTADA CON CARBÓN E l carbón es el combustible fósil más abundante sobre la tierra. Se estima que las reservas de carbón en Norteamérica contienen quizá tres veces más energía que las reservas de petróleo de la región del Golfo Pérsico. Los problemas con el carbón son debidos al alto costo de su excavación y a que es más sucio que el petróleo. El carbón combustible para la generación de energía eléctrica afecta el medio ambiente de diversas maneras: (1) produce partículas de cenizas sólidas que no pertenecen a la atmósfera o a los campos de cultivo fértiles. (2) Produce gas dióxido de azufre (SO2), el cual es la causa de la lluvia ácida. (3) Produce gas de bióxido de carbono (CO2), el cual contribuye al efecto invernadero. Mientras esperamos a que los investigadores de la fusión nuclear actúen conjuntamente, la industria del carbón combustible está logrando grandes mejoras en las primeras dos áreas: la eliminación de partículas de ceniza y la eliminación del SO2. Describiremos ahora el proceso relacionado con la ceniza y hablaremos sobre el SO2 en la solución de problemas en el trabajo del capítulo 12. Las partículas sólidas de ceniza se eliminan al hacer pasar los productos de combustión a través de un precipitador electrostático. Éste es un conjunto de placas de recolección de metal de gran superficie con barras de metal cargadas entre ellas. Las barras se denominan en algunas ocasiones electrodos de descarga. Las placas recolectoras se conectan eléctricamente de manera conjunta, y las barras también están conectadas conjuntamente como se muestra en la figura 6-12. Un voltaje muy alto, de alrededor de 40 kV cd con pulsos sobreimpuestos de 50 kV p-p ca, se aplica entre las placas y las barras, negativo en las barras en esta industria. En el momento en que las partículas de ceniza pasan a través de las barras, estás por sí mismas se vuelven de carga negativa. Entonces, son atraídas y capturadas por las placas recolectoras cargadas positivamente. Periódicamente, las placas deben ser sacudidas para ser vaciadas de las partículas de ceniza acumuladas en su superficie hacia el contenedor recolector inferior. Esto se logra mediante solenoides electromagnéticos de resortes. Con el tiempo, algunas partículas de ceniza también se adhieren a las barras, así que igualmente deben ser sacudidas de vez en cuando. La figura 6-12 muestra un sacudidor de placas y un sacudidor de barras, pero en realidad existen docenas de cada uno. Un precipitador “inteligente” moderno puede capturar el 99.98% de la ceniza de la corriente del tubo de escape. Puede hacer tan buen trabajo debido a que está equipado con controles electrónicos avanzados que pueden percibir la acumulación de suciedad en las placas y automáticamente ajustar el voltaje aplicado. Tanto el valor de la línea de referencia cd como la frecuencia y magnitud de los pulsos de ca varían automáticamente conforme las partículas de ceniza se acumulan. En general, el circuito de control trata de ajustar los voltajes a los valores más altos posibles, sin permitir arcos severos entre las placas y las barras. Un arco prolongado dañaría las superficies de metal, como usted ya sabe. Los controles electrónicos también ajustan la velocidad de sacudimiento. Para condiciones de saturación moderada la velocidad de sacudimiento puede ser tan larga como un tiempo de 100 minutos de recorrido completo. (Los sacudidores operan secuencialmente, no todos al mismo tiempo.) Para condiciones de alta suciedad, el tiempo de recorrido completo de la velocidad de sacudimiento puede ser tan rápido como un minuto. V (kV) +25 Diodos de alto voltaje t −25 La magnitud de ca es automáticamente variada + 30 a 40 kV cd Aún si inicia algún arco aislado, no podrá persistir. Esta sobrecarga negativa lo extingue C − Sacudidor de barra Sacudidor de placa Placas 40 pies Barras Derechos de autor 1993, Dirk Publishing Company. Bajo autorización. En la figura 6-12, la ca variable al puente de alto voltaje se produce mediante una conmutación de triac del devanado primario de un transformador de subida. Una versión simplificada del circuito se muestra en la figura 6-13(a). El circuito de control de disparo en esa figura está construido como lo muestra la figura 6-11(f) con VF, variable desde aproximadamente 6.4 V hasta 4.4 V. Esa variación de VF cambia el ángulo de retardo de disparo del triac de 30º a aproximadamente 45º. Cuando el triac dispara a 30º, la situación se muestra en las formas de onda de la figura 6-13(b). Las explosiones de voltaje secundario iniciales tienen una magnitud pico de aproximadamente 30 kV, el cual entonces se convierte en el voltaje de línea base de cd entre las placas y las barras en la figura 6-12. Cuando el disparo del triac se retrasa a 45º, la situación se muestra en las formas de onda de la figura 6-13(c). El ángulo de disparo atrasado produce un voltaje transitorio primario mucho mayor, creando explosiones secundarias iniciales de cerca de 40 kV. Por tanto, el rectificador de puente y el filtro de capacitor eleva el voltaje de la línea base de cd a este valor más alto. ASIGNACIÓN DE TAREA El dispositivo que monitorea la concentración final de ceniza en los últimos gases del tubo de escape de la parte l nta s orizo ducto ión pro bust de com os de suci jo h Flu 30 pi es 30 s pie Tolva de recolección de ceniza FIGURA 6–12 Precipitador electrostático para eliminar ceniza proveniente de la combustión de carbón de una planta eléctrica. superior de la chimenea está indicando que demasiada ceniza se está yendo a través de precipitador de la figura 6-12 y no se está capturando. Como técnico responsable del mantenimiento del sistema de eliminación de ceniza, debe identificar el problema e implementar una reparación permanente o temporal. El precipitador real tiene grupos de 30 barras y 30 cables de conexión que se unen a la terminal negativa de alimentación de cd, no sólo a los grupos de tres barras mostradas en la figura 6-12. 242 Su instrumentación para prueba incluye un voltímetro de cd de voltaje muy alto y un voltímetro de ca de voltaje muy alto, ambos con puntas de seguridad especiales. También cuenta con un amperímetro de cd de 10 A y un osciloscopio de trazo dual con una punta especial de alto voltaje dividida entre 100. Un precipitador de este tamaño que funciona adecuadamente se sabe que tiene una máxima demanda de corriente (promedio) de cd de 25 amperes. Su medición del 243 trate de realizar la tarea que cada objetivo requiere. Si puede realizar estas tareas, entonces estará aprendiendo lo que el libro o el curso tienen que ofrecer. Si encuentra que no puede satisfacer los objetivos, realice preguntas adicionales en clase o consúltelas en privado con su instructor. Solución de problemas en la industria En la sección final de cada capítulo se proporciona un ejercicio denominado “Solución de problemas en la industria” que es representativo de los deberes que desempeñará cuando trabaje como apoyo técnico o de ingeniería. La figura B muestra la solución de problemas en la industria del capítulo 6, de las páginas 242 a la 243, el cual requiere que diseñe un procedimiento para probar y arreglar desperfectos en un precipitador electroestático de cenizas de gran escala. Esta tarea invariablemente requiere que utilice el conocimiento que ha adquirido de ese capítulo de una forma creativa. Su instructor puede pedirle que la solución escrita o dibujada sea presentada individualmente o en un equipo de dos o tres personas. En la mayor parte de los casos son posibles varias soluciones; por tanto, usted y las demás personas de su clase presentarán sus soluciones a la clase completa de manera que todos puedan compartir los diferentes métodos y formas de pensar con los cuales se enfrentaron al problema. Ejemplos Cuando se trata de entender nuevas ideas, especialmente el uso de nuevas fórmulas matemáticas, los ejemplos representan una ayuda para todas las personas. En este texto, se proporcionan ejemplos para todas las situaciones en que se requieran cálculos numéricos. Resumen Al final de cada capítulo, se encuentra una lista de las principales ideas que se desarrollaron dentro de ese capítulo. Las fórmulas matemáticas del capítulo, en su caso, también están reunidas para su consulta rápida para la solución de tareas. Preliminares 6/6/08 10:50 Página vi vi PREFACIO Preguntas y problemas Numerosas preguntas y problemas, organizados por sección de capítulo, se proporcionan para perfeccionar su comprensión y ejercitar sus habilidades de solución de problemas. Su instructor le asignará algunas de ellas como tareas. Quizá podría agregar problemas para su propia satisfacción. Cuanto más practique, más aprenderá. Glosario Las definiciones para cientos de términos utilizados en electrónica industrial se enumeran en el glosario. La mayor parte de estos términos fueron presentados en este texto, pero algunos provienen del trabajo anterior de un curso de electricidad y electrónica. Utilice el glosario para refrescar su memoria o para verificar su entendimiento acerca del significado de una palabra. AUXILIARES* El manual de laboratorio que acompaña a este texto, realizado por James R. Davis (ISBN 0-13-032332-2), contiene experimentos escritos para beneficio de los estudiantes implicados en cursos de electrónica industrial para programas de tecnología ingenieril o programas de aprendizaje de electrónica industrial. Manual del instructor: contiene respuestas a todas las preguntas de final de capítulo; soluciones a las secciones de “solución de problemas en el trabajo”; y un archivo de prueba, que contiene 20 preguntas de opción múltiple para cada capítulo. También, empacadas con cada MI, manual del instructor, se encuentran las diapositivas de PowerPoint (ISBN 0-13-048742-2). Las figuras del texto se diseñan para ayudar a los instructores con las presentaciones de salón de clase/conferencias. Las diapositivas están contenidas en un CD con el Manual del instructor. *Para mayor información sobre el material auxiliar, contacte a su representante local de Pearson Educación. AGRADECIMIENTOS Agradecemos a todas las personas que prestaron su ayuda en esta revisión, en especial a Philip Lomache por su lectura meticulosa de la cuarta edición la cual expuso varios errores y ambigüedades. Éstas han sido corregidas de manera que la quinta edición no adolece de ellas. También agradecemos a Mayda Bosco por su amplia referencia. La edición y la producción se realizaron sin problemas bajo la dirección de Alex Wolf y Kelly Ricci. Los comentarios y opiniones de los revisores son importantes para una revisión efectiva de libro de texto. Gracias a los siguientes revisores por sus sugerencias: David P. Beach, Indiana State University; William Hessmiller, Editors & Training Associates; Professor Dan Lookadoo, New River Community College, Virginia; Profesor David J. Malooley, Indiana State University; y Profesor Richard L. Windley, ECPI College of Technology, Virginia. —T. J. M. Preliminares 6/6/08 10:50 Página vii TEXTOS DE FOTOGRAFÍAS Y CRÉDITOS Página xx Página 34 Página 74 Página 160 Página 186 Página 218 Página 252 Página 294 Página 346 Página 398 Página 478 Página 528 Página 596 Página 632 Página 686 Página 740 Página 802 Página 846 Página 886 Página 934 Herramienta de máquina automatizada que realiza el corte de precisión del diente del engrane grande. (Cortesía de la Society of Manufacturing Engineers.) En el piso de producción, el uso de las partes se cuenta electrónicamente y se compara periódicamente con el dibujo predefinido. Luego se envía automáticamente una orden de resuministro para producir un reabastecimiento justo a tiempo del inventario. (Cortesía de General Electric Company.) Chasis de E/S de un sistema grande PLC. (Cortesía de General Electric Company.) Vehículo de levitación magnética que avanza a 400 km/hr. (Cortesía de Railway Technical Research Institute of Japan.) Este sistema de inspección de tomografía computarizada avanzada (ACTIS) utiliza rayos X para realizar un examen interno detallado de partes fabricadas. Por ello puede descubrir fallas internas y fracturas de tensión. (Cortesía de la NASA.) Las torres de destilación química muchas veces tienen sus procesos de calentamiento y condensación controlados por tiristores de alta potencia. (© Brownie Harris.) Robot soldador. (Cortesía de la Society of Manufacturing Engineers.) El vehículo MagLev en su camino de acercamiento, que avanza sobre su suspensión mecánica, pero es propulsado por electromagnetos laterales como es común. (Cortesía de Railway Technical Research Institute of Japan.) Cuando se reproduce un disco compacto, la cabeza del láser comienza a cerrarse hacia el centro, después se mueve radialmente hacia el eje externo. Si la velocidad de giro se mantuviera constante, las pistas exteriores se moverían más rápido a través de la cabeza que las pistas interiores; esto no se puede permitir. Los reproductores de discos compactos utilizan un sistema de retroalimentación electrónica para ajustar la velocidad de giro rotacional del disco de manera que los bits sincronizadores que están grabados junto a los bits de música se detecten en una velocidad constante. Por tanto, la música grabada se lee y se reproduce a una velocidad constante. (© Steve Dunwell de General Electric Company.) Aparato de prueba para los detectores de proximidad de efecto Hall utilizados sobre una ruta de levitación magnética. (Cortesía de Railway Technical Research Institute of Japan.) Instrumentación de prueba de alta frecuencia. (Cortesía de Tektronix, Inc.) Los motores de cd de última generación tienen eficiencias de eje generales por encima del 95%. (© Joe McNally de General Electric Company.) Los sistemas de ensamblado robótico pequeño a menudo utilizan motores de pasos o motores de cd sin escobillas disparados por posición para realizar sus movimientos. (Cortesía de Seiko Instruments USA, Inc.) Sistema de manejo de motor de ca de frecuencia variable. (Cortesía de Tektronix, Inc.) A diferencia de una máquina sencilla de impresión de sello, esta máquina de impresión de formas utiliza un controlador proporcional para regular su fuerza aplicada. (© Brownie Harris.) El maquinado y pulido de estas ruedas se realiza bajo condiciones precisamente controladas de velocidad rotacional. (Cortesía de Railway Technical Research Institute of Japan.) Estación receptora de telemetría para satélites espaciales. (Cortesía de Tektronix, Inc.) Los errores en el programa, software, de microcomputadoras se identifican utilizando un Analizador Lógico, el cual proporciona un despliegue CRT de los códigos de instrucción, o un despliegue de gráficas de formas de onda como un osciloscopio. (Cortesía de Tektronix, Inc.) Robot de configuración cilíndrica. (Cortesía de Seiko Instruments USA. Inc.) El fuego es uno de los riesgos de seguridad de los circuitos industriales. (Cortesía de la NASA.) vii Preliminares 6/6/08 10:50 Página viii Preliminares 6/6/08 10:50 Página ix RESUMEN RESUMEN DE DE CONTENIDO CONTENIDO 1 El interruptor de transistor como un dispositivo para la toma de decisiones xx 2 Interruptores de transistor en aplicaciones de memoria y conteo 34 3 Controladores lógicos programables 74 4 SCR 160 5 UJT 186 6 Triacs y otros tiristores 218 7 Sistema automático de soldadura industrial con control digital 252 8 Amplificadores operacionales 294 9 Sistemas de retroalimentación y servomecanismos 346 10 Dispositivos transductores de medición de entrada 398 11 Dispositivos de corrección final y amplificadores 478 12 Motores de cd con rotor devanado 528 13 Motores de cd no tradicionales 596 14 Motores de ca 632 15 Nueve ejemplos de sistemas industriales en lazo cerrado 686 16 Sistemas de control de velocidad de motores 740 17 Telemetría 802 18 Control en lazo cerrado con una microcomputadora en línea 846 19 Robots industriales 886 20 Seguridad 934 Apéndice A: Curvas de constante de tiempo universal 949 Glosario 951 Índice 963 ix Preliminares 6/6/08 10:50 Página x CONTENIDO 1 EL INTERRUPTOR DE TRANSISTOR COMO UN DISPOSITIVO PARA LA TOMA DE DECISIONES xx Objetivos 1 1-1 Sistemas que contienen circuitos lógicos 2 1-2 Circuitos lógicos utilizando relevadores magnéticos 2 1-3 Circuito lógico de relevadores para un sistema transportador/ clasificador 4 1-4 Lógica realizada por transistores 8 1-5 Compuertas lógicas —los bloques constructores de la lógica de estado sólido 10 1-6 Circuito lógico de estado sólido para el sistema transportador/ clasificador 11 1-7 Dispositivos de entrada para la lógica de estado sólido 14 1-8 Dispositivos de salida para lógica de estado sólido 19 1-9 La lógica de estado sólido en comparación con la lógica de relevadores 21 1-10 Circuito lógico de estado sólido para el ciclo de direccionamiento de una máquina herramienta 22 1-11 Circuito lógico para un indicador de falla original 24 1-12 Circuito lógico para un ciclo de perforación de una máquina herramienta 27 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Expansión del sistema de máquina herramienta de perforación 29 Resumen 30 Preguntas y problemas 31 2 INTERRUPTORES DE TRANSISTOR EN APLICACIONES DE MEMORIA Y CONTEO Objetivos 35 2-1 Circuito de control de soldadura utilizando flip-flops RS x 34 36 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xi xi CONTENIDO 2-2 Mesa oscilante de maquinado que utiliza flip-flops RS con registro de tiempo 37 2-3 Flip-flops JK 40 2-4 Registros de corrimiento 40 2-5 Contadores 45 2-6 Decodificación 46 2-7 Sistema de entarimado que utiliza contadores de década y decodificadores 49 2-8 One-Shots 51 2-9 Relojes 53 2-10 Sistema de llenado automático de tanques utilizando un reloj y One-Shots 54 2-11 Contadores descendentes y codificadores 56 2-12 Temporizadores 59 2-13 Sistema de abastecimiento de un depósito utilizando un contador descendente, un codificador y temporizadores 66 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Expansión del circuito de cepillado oscilante 69 Resumen 70 Fórmula 70 Preguntas y problemas 70 3 CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES Objetivos 75 3-1 Las partes de un controlador lógico programable 76 3-2 Programación de un PLC para controlar el sistema de transportación/ clasificación 95 3-3 Programación de funciones de temporización y conteo 102 3-4 Aparato de maquinado que utiliza funciones de temporización y conteo 108 3-5 Otras funciones PLC de tipo relevador 114 3-6 Bifurcación del programa y subrutinas 124 3-7 Manejo de información de entrada analógica 136 3-8 Perfeccionamiento del sistema de máquina de fresado haciéndolo sensible a la temperatura 148 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Refinación de la respuesta a la temperatura del proceso de fresado 153 Resumen 153 Fórmulas 155 Preguntas y problemas 155 74 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xii xii CONTENIDO 4 SCR 160 Objetivos 161 4-1 Teoría y operación de los SCR 162 4-2 Formas de onda SCR 162 4-3 Características de compuerta de un SCR 164 4-4 Circuitos típicos de control de compuerta 164 4-5 Otros circuitos de control de compuerta 167 4-6 Métodos alternativos de conexión de los SCR a cargas 170 4-7 SCRS en circuitos CD 172 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Vehículos MagLev 175 Resumen 181 Fórmula 181 Preguntas y problemas 181 Proyectos de laboratorio sugeridos 182 5 UJT 186 Objetivos 187 5-1 Teoría y operación de los UJT 188 5-2 Osciladores de relajación UJT 191 5-3 Circuitos temporizadores de UJT 195 5-4 UJT en circuitos de disparo SCR 198 5-5 El transistor monounión programable (PUTS) 206 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Disparo de SCR en un módulo de control MagLev 210 Resumen 212 Fórmulas 212 Preguntas y problemas 212 Proyectos de laboratorio sugeridos 213 6 TRIACS Y OTROS TIRISTORES Objetivos 219 6-1 Teoría y operación de los triacs 220 6-2 Formas de onda del triac 221 6-3 Características eléctricas de los triacs 222 6-4 Métodos de disparo para triacs 223 6-5 Interruptores bilaterales de silicio 226 6-6 Dispositivos de rompimiento unilateral 231 218 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xiii xiii CONTENIDO 6-7 6-8 6-9 Dispositivo de rompimiento (sus) utilizado para disparar un triac 232 Proporción crítica de elevación del voltaje del estado apagado (dv/dt) 234 UJTS como dispositivos de disparo para triacs 234 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Eliminación de partículas de ceniza de una planta de generación de energía eléctrica alimentada con carbón 242 Resumen 245 Fórmulas 245 Preguntas y problemas 245 Proyectos sugeridos de laboratorio 247 7 SISTEMA AUTOMÁTICO DE SOLDADURA INDUSTRIAL CON CONTROL DIGITAL 252 Objetivos 253 7-1 Descripción física del sistema de soldadura de rueda 254 7-2 Secuencia de operaciones al soldar 255 7-3 Diagrama de bloques del circuito de control de secuencia 258 7-4 Descripción detallada del circuito de inicio de secuencia y del circuito de disparo de intervalo y canalización 262 7-5 Descripción detallada del circuito de avance de intervalo y decodificador 267 7-6 Circuito de programación del contador de tiempo de intervalo 271 7-7 Circuito de avance de calentamiento-enfriamiento y canalización 276 7-8 Contador de calentamiento-enfriamiento y circuito de programación del contador de calentamiento-enfriamiento 278 7-9 Circuito de activación de soldadura 280 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Reelaboración del diagrama esquemático del circuito de activación de soldadura con subintervalos de calentamiento de polaridad alternante 290 Resumen 290 Preguntas y problemas 291 8 AMPLIFICADORES OPERACIONALES Objetivos 295 8-1 Ideas sobre el op amp 296 8-2 Características de lazo cerrado —amplificador inversor 8-3 Amplificador no inversor 302 8-4 El problema del desvío de salida 305 8-5 Circuito sumador de op amp 307 8-6 Comparador de voltaje 308 294 298 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xiv xiv CONTENIDO 8-7 8-8 8-9 8-10 8-11 8-12 8-13 Operación desde una alimentación de energía de polaridad única Amplificador diferencial de op amp 310 Convertidor de voltaje a corriente de op amp 312 Transmisión de señales por voltaje 313 Blindaje 324 Envío de señal mediante corriente en lugar de voltaje 329 Integradores y diferenciadores de op amp 331 310 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Solución de problemas en el circuito de procesamiento de señal de posición de superficie lateral de MagLev 333 Resumen 340 Fórmulas 341 Preguntas y problemas 342 Proyecto de laboratorio sugerido 9 344 SISTEMAS DE RETROALIMENTACIÓN Y SERVOMECANISMOS 346 Objetivos 347 9-1 9-2 9-3 9-4 9-5 9-6 9-7 9-8 9-9 9-10 Sistemas de lazo abierto versus sistemas de lazo cerrado 348 Diagrama y nomenclatura del sistema de lazo cerrado 351 Ejemplos de sistemas de control de lazo cerrado 353 Modos de control en sistemas industriales de lazo cerrado 357 Control encendido-apagado 358 Control proporcional 361 Control proporcional más integral 371 Control proporcional más integral más derivativo 374 Respuesta del proceso 378 Relaciones entre las características del proceso y los modos adecuados de control 384 9-11 Control de proceso PID con un controlador lógico programable 387 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Utilización de un PLC para una variación automatizada de las condiciones del proceso y recopilación de información 392 Resumen 393 Preguntas y problemas 394 10 DISPOSITIVOS TRANSDUCTORES DE MEDICIÓN DE ENTRADA Objetivos 399 10-1 Potenciómetros 400 10-2 Transformadores diferenciales variables lineales (LVDTs) 405 398 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xv xv CONTENIDO 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 10-16 Transductores de presión 406 Termoacopladores 408 Termistores y detectores resistivos de temperatura (RTD) 412 Otros transductores de temperatura 415 Fotoceldas y dispositivos fotoeléctricos 416 Fibras ópticas 433 Ultrasónicos 435 Deformímetros 436 Acelerómetros 439 Tacómetros 440 Transductores de efecto Hall 443 Otros flujómetros 447 Resolvedores 454 Transductores de humedad 464 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Solución de problemas con un osciloscopio de almacenamiento digital multicanal 468 Resumen 471 Fórmulas 472 Preguntas y problemas 11 472 DISPOSITIVOS DE CORRECCIÓN FINAL Y AMPLIFICADORES Objetivos 480 11-1 11-2 11-3 11-4 11-5 11-6 11-7 11-8 11-9 11-10 11-11 11-12 11-13 Válvulas solenoide 480 Válvulas eléctricas motorizadas de dos posiciones 481 Válvulas con motor eléctrico de posición proporcional 483 Válvulas electroneumáticas 484 Válvulas electrohidráulicas 487 Características de flujo de la válvula 489 Relevadores y contactores 491 Tiristores 495 Motores de ca de fase dividida 496 Servomotores de ca 501 Servoamplificadores de estado sólido y de ca 508 Servomotores de cd 518 Amplificadores para servomotores de cd 520 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Localización de fallas en un operador electroneumático de válvula 523 Resumen 524 Preguntas y problemas 524 478 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xvi xvi CONTENIDO 12 MOTORES DE CD CON ROTOR DEVANADO 528 Objetivos 529 12-1 Tipos de motor 530 12-2 Principios de la dínamo de rotor devanado 531 12-3 Funcionamiento del motor de cd de rotor devanado 549 12-4 Gráficas características de los motores con configuración en derivación 565 12-5 Características de los motores de cd configurados en serie 568 12-6 Configuración compuesta 576 12-7 Interpolos 577 12-8 Arranque, paro y reversa 578 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Eliminación del azufre en una chimenea de central carboeléctrica 586 Resumen 591 Fórmulas 591 Preguntas y problemas 592 13 MOTORES DE CD NO TRADICIONALES 596 Objetivos 597 13-1 Motores convencionales de imán permanente 598 13-2 Motores de imán permanente sin núcleo 599 13-3 Motores de pasos 602 13-4 Motores de cd sin escobillas 619 13-5 Comparación de los motores con conmutación electrónica y los de escobillas 622 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Aprendizaje de un circuito complejo de pruebas para motores de pasos 626 Resumen 628 Fórmulas 628 Preguntas y problemas 628 14 MOTORES DE CA Objetivos 633 14-1 El campo rotatorio 634 14-2 El rotor de jaula de ardilla 640 14-3 Obtención del desplazamiento de fase 644 14-4 Características de operación de los motores con jaula de ardilla 14-5 Sistemas trifásicos de corriente alterna 654 14-6 Motores trifásicos de inducción, de jaula de ardilla 665 14-7 Características de los motores trifásicos 669 632 649 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xvii xvii CONTENIDO 14-8 Operación en arranque, reversa y en dos voltajes 673 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Localización de fallas en un motor que se sobrecarga 679 Resumen 680 Fórmulas 681 Preguntas y problemas 681 15 NUEVE EJEMPLOS DE SISTEMAS INDUSTRIALES EN LAZO CERRADO 686 Objetivos 687 15-1 Control de la temperatura de aceite de templado con termistor 15-2 Sistema de control de presión en modo proporcional 688 15-3 Controlador proporcional más integral para temperatura, con entrada de termopar 697 15-4 Controlador de tensión de lámina 15-5 Control de guía de borde para una bobinadora de lámina 15-6 Sistema pesador automático 15-7 Controlador de dióxido de carbono para un horno de cementación 15-8 Control de humedad relativa en un proceso de humectación textil 730 691 704 709 712 721 15-9 Controlador de humedad en una bodega 733 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Localización de fallas en un circuito de control proporcional con amplificador operacional 737 Resumen 737 Preguntas y problemas 737 16 SISTEMAS DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES 740 Objetivos 741 16-1 Motores de cd —funcionamiento y características 742 16-2 Control del voltaje y la corriente en la armadura con tiristor 16-3 Sistema de control de media onda y una fase para la velocidad de un motor de cd en derivación 745 16-4 Otro sistema monofásico de control de velocidad 16-5 Control reversible de velocidad 16-6 Sistemas trifásicos de control para motores de cd 750 16-7 Ejemplo de un sistema trifásico de control 16-8 Control mediante modulación por ancho de pulso 16-9 El temporizador-oscilador tipo 555 757 16-10 Inversores con frecuencia variable 770 747 748 751 753 744 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xviii xviii CONTENIDO 16-11 Variación del voltaje junto con la frecuencia 16-12 Cicloconvertidores 777 782 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Localización de fallas en un control de motor de cd, de gran potencia, basado en SCR 795 Resumen 796 Fórmulas 797 Preguntas y problemas 797 17 TELEMETRÍA 802 Objetivos 803 17-1 Telemetría por modulación por ancho de pulso 17-2 Telemetría por modulación de frecuencia de pulsos 17-3 Telemetría multiplexada 17-4 Radiotelemetría 17-5 Telemetría digital 804 808 818 822 822 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Prueba de un sistema de telemetría modulado por frecuencia 839 Resumen 841 Fórmulas 842 Preguntas y problemas 18 842 CONTROL EN LAZO CERRADO CON UNA MICROCOMPUTADORA EN LÍNEA Objetivos 847 18-1 Un sistema de transporte de lodo de carbón, controlado con microcomputadora 848 18-2 El esquema de control del sistema 18-3 Programación de una microcomputadora 18-4 El diagrama de flujo del programa 18-5 La arquitectura de la microcomputadora 18-6 Ejecución de un programa 18-7 El programa de control de lodo de carbón 848 850 851 853 861 864 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Uso de un analizador lógico para depurar errores 880 Resumen 882 Preguntas y problemas 883 846 Preliminares 6/6/08 10:50 Página xix xix CONTENIDO 19 ROBOTS INDUSTRIALES 886 Objetivos 887 19-1 El concepto de robot 888 19-2 Configuraciones mecánicas de los robots industriales 890 19-3 Categorías de programas para robots industriales 894 19-4 Programas de paro positivo 896 19-5 Programas de punto a punto 903 19-6 Programas de trayectoria continua 913 19-7 Sujetadores mecánicos 916 19-8 Sujetadores de vacío 918 19-9 Sujetadores neumáticos 921 19-10 Sensores de proximidad 924 SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA Comprensión del mal funcionamiento de un robot 929 Resumen 930 Preguntas y problemas 930 20 SEGURIDAD Objetivos 935 20-1 Choque eléctrico 936 20-2 Conductores a tierra 938 20-3 Interruptores por falla a tierra 941 20-4 Administración de auxilios a una víctima de choque eléctrico 20-5 Quemaduras 943 20-6 Protección a ojos y cabeza 944 20-7 Incendios 945 20-8 Códigos de color de OSHA 945 Resumen 946 Preguntas y problemas 947 934 943 APÉNDICE A: CURVAS DE CONSTANTE DE TIEMPO UNIVERSAL 949 GLOSARIO 951 ÍNDICE 963 cap 01 16/5/08 15:24 Página b C A P Í T U L O EL EL INTERRUPTOR INTERRUPTOR DE DE TRANSISTOR TRANSISTOR COMO COMO UN UN DISPOSITIVO DISPOSITIVO PARA PARA LA LA TOMA TOMA DE DE DECISIONES DECISIONES 1 cap 01 16/5/08 15:24 Página 1 E n todo sistema industrial, los circuitos de control constantemente reciben y procesan información sobre las condiciones del sistema. Tal información representa situaciones tales como las posiciones mecánicas de las partes móviles; la velocidad de flujo de los fluidos; las fuerzas ejercidas sobre distintos dispositivos sensores; las velocidades de movimientos, etcétera. Los circuitos de control deben tomar toda esta información empírica y combinarla con la entrada de operadores humanos, la cual por lo general tiene la forma de una configuración de un interruptor selector y/o de una perilla de potenciómetro. Este tipo de entrada del operador representa la respuesta deseada del sistema o, en otras palabras, los resultados de producción esperados del sistema. Con base en la comparación entre el sistema de información y la intervención humana, los circuitos de control toman decisiones, las cuales,