Circuits de comandament i regulació

Els esquemes que es fan servir en automatismes poden tenir diferents finalitats:

• Donar informació per prendre decisions sobre l’elecció de components o equips més adequats, en el moment de fer el muntatge inicial.
• Donar informació per poder cablar o connectar amb cables elèctrics els components entre ells, encara que no se sàpiga comprendre el funcionament del circuit.
• Facilitar la posada en marxa i les verificacions de funcionament correcte.
• Donar informació als tècnics de manteniment per a la revisió de la instal·lació.
• Donar informació necessària en el cas de possibles avaries, per reparar-les.

Els esquemes es poden desenvolupar de diferents maneres:

• Segons el nombre de conductors o elements:
  • Esquema multifilar: amb una representació detallada de tots els elements i tots els conductors que formen el circuit.
  • Esquema unifilar: amb una representació simplificada del circuit amb un sol traç per a tots els conductors. Es pot fer servir en circuits amb diferents fases identificades en una mateixa línia.
• Segons l’emplaçament:
  • Esquema representat de manera conjunta: amb els símbols dels diferents elements d’un mateix aparell, pròxims entre si per identificar les diferents funcions dins del circuit.
  • Esquema representat de manera semidesenvolupada: amb els símbols dels diferents elements d’un mateix aparell, separats uns d’altres però amb traços que identifiquen unions mecàniques.
  • Esquemes representats de manera desenvolupada: amb els símbols separats però sense les unions mecàniques, i identificant les relacions de les parts d’un mateix aparell amb la referenciació dels símbols.
• Segons la posició topogràfica:
  • Esquema amb la representació de la disposició o distribució real dels aparells sobre el quadre d’automatismes amb totes les connexions.

En els esquemes de l’exemple de la figura es mostra el control d’un motor M1 amb un interruptor rotatiu S1 que accionaria de manera directa un contactor K1M; el motor estaria protegit contra sobrecàrregues amb un relé tèrmic F1.

En la representació d’esquemes d’automatismes el sistema més comú és normalment l’esquema desenvolupat, del qual resultaran realment dos esquemes:

• L’esquema del circuit de potència o circuit principal.
• L’esquema del circuit de comandament o maniobra.

Hi ha una sèrie de consideracions comunes que s’han de tenir en compte a l’hora de fer els esquemes:

• Tots els elements han d’estar perfectament identificats i relacionats en l’esquema del circuit de potència i maniobra.
• L’encreuament de conductors sense connexió es dibuixarà sempre sense cercle, i si hi ha connexió, es dibuixarà amb un cercle de color negre.
• Els aparells es dibuixaran sempre en posició de repòs.
• Les línies de connexió en els circuits de comandament o maniobra es dibuixaran de la manera més curta possible, de manera que s’evitin les confusions amb línies llargues.
• La línia que identifica una unió mecànica serà sempre discontínua per diferenciar-la d’una connexió elèctrica, que serà amb línia contínua.
• Només se simplificarà un esquema en forma unifilar en els casos en què no hi hagi possibilitat de confusió.
• No es representaran els borns dels contactors, relés, motors, etc., com si fossin borns o regletes de connexió; només amb el nombre o lletra corresponent.
• Els esquemes de comandament no han de mostrar una correspondència literal en relació amb els emplaçaments o dimensions dels seus elements en el quadre d’automatismes.

L’esquema del circuit de potència o principal també es denomina esquema de potència. Es dibuixa generalment a l’esquerra de l’esquema del circuit de comandament o maniobra quan estigui en un mateix plànol.

En la part superior de l’esquema es representa la xarxa d’alimentació, i en la part inferior els motors o receptors finals. Tots els elements han d’estar marcats amb les lletres que identifiquen l’aparell i la funció, amb el nombre corresponent, i amb els borns de connexió referenciats de manera normalitzada.

Es pot representar de manera unifilar, en instal·lacions simples, o multifilar, de manera més freqüent. El traç de les línies i símbols ha de ser de més gruix que en l’esquema del circuit de maniobra.

En l’exemple de la figura es mostren els esquemes de potència unifilar i multifilar, de dos motors connectats a la mateixa xarxa trifàsica, amb un disjuntor protector de motor, i controlats de manera independent amb dos contactors, K1M per al motor M1 i K2M per al motor M2.

L’esquema del circuit de comandament o maniobra també es denominaesquema de maniobra. Es dibuixa generalment a la dreta de l’esquema de potència quan estiguin en un mateix plànol.

Es dibuixarà l’esquema de maniobra a partir de dues línies horitzontals que representaran l’alimentació del circuit de maniobra; en la línia superior la fase 1 (L1) i en la línia inferior la fase 2 (L2) o el conductor de neutre (N). S’ha de tenir present que la xarxa d’alimentació pot ser la mateixa que alimenta el circuit de potència o una xarxa d’alimentació independent amb valor de tensió diferent. Així doncs, la identificació de les fases podria ser la mateixa en els dos circuits: en el cas de xarxa única o diferent i en el cas de dues xarxes d’alimentació independents.

Les bobines o òrgans de comandament es dibuixaran d’esquerra a dreta, i si és possible, en l’ordre de l’alimentació o activació en un funcionament normal; sempre a la part inferior de l’esquema i connectats directament per la part de baix al conductor L2 o N. La resta de receptors com bombetes o dispositius acústics seguiran el mateix criteri. A la part més superior es dibuixaran els contactes auxiliars dels dispositius de protecció, seguits sempre que sigui possible dels dispositius d’accionament o detecció destinats a l’aturada total o parcial dels motors o receptors del circuit de potència. La resta d’elements es distribuiran per l’esquema, segons les connexions elèctriques necessàries per al funcionament de l’automatisme.

Tots els elements i contactes han d’estar referenciats amb les lletres i nombres normalitzats. La referència que identifica els elements es col·locarà a l’esquerra, i la numeració que identifica els borns dels diferents contactes a la dreta. Per facilitar la localització dels dispositius en esquemes complexos o amb un gran nombre d’elements, es pot completar l’esquema amb una referència numèrica a cada una de les línies verticals; aquesta referència s’indicarà a sota de cada bobina, i cal identificar en quina línia es troben els contactes auxiliars de l’element.

El traçat de les línies i símbols serà generalment amb un gruix més fi que el traçat de l’esquema de potència. De totes maneres, si es fan servir eines informàtiques aquesta opció estarà condicionada per la disponibilitat del programa de disseny que es fa servir.

En l’exemple de la figura es mostra l’esquema de maniobra per al control d’un motor amb aturada temporitzada i protecció contra sobrecàrregues amb relé tèrmic, amb tres elements principals: un relé de comandament K1, un temporitzador a la desconnexió K1T i un contactor K1M, que actuaria sobre el circuit de potència.

En l’exemple de la figura també s’aprecia el sistema de referències per a la localització de contactes auxiliars (el relé de comandament K1 tindria dos contactes normalment oberts: un a la línia 2 i un altre a la línia 3, a més d’un contacte normalment tancat a la línia 5).

El control dels contactors, relés de comandament, relés temporitzadors, i la resta d’elements necessaris per fer un automatisme s’ha de representar en un esquema de manera que es pugui interpretar amb coherència el funcionament del circuit.

Els esquemes dels circuits bàsics, que ens en permetran dissenyar d’altres segons les necessitats, són els que figuren a continuació:

• Esquemes de comandament manual d’un contactor.
• Esquema de circuit de realimentació.
• Esquemes de circuits de comandament d’un contactor amb més d’un polsador de marxa o més d’un polsador d’aturada.
• Esquemes de circuits de comandament de més d’un contactor.
• Esquemes de circuits amb funcions de temporització.
• Esquemes de circuits amb senyalitzacions.

El circuit més basic d’un automatisme podria ser el control manual d’un contactor, com a dispositiu més característic, amb polsador o interruptor.

En el comandament per polsador, segons la figura, el contactor K1M és accionat únicament durant l’impuls sobre el polsador S1.

El contactor K2M es controlaria de manera permanent mentre estigui l’interruptor rotatiu S2 tancat; això implica que si hi ha una tallada de corrent elèctric amb l’interruptor tancat, en el moment de restablir el corrent el contactor es posaria en marxa sense la intervenció de l’operari. Aquesta característica s’hauria de tenir present a l’efecte de seguretat, si el contactor controla una màquina.

Un control a distància molt habitual d’un contactor que ha de controlar el funcionament d’una màquina és el circuit de realimentació, també denominat circuit d’enclavament.

Segons la figura en donar un impuls del posador NO S1 s’activa la bobina del contactor K1M, que a causa d’això tancarà el contacte auxiliar NO 13-14.

En deixar de polsar S1 la bobina continuarà alimentada mitjançant el seu contacte auxiliar. Un impuls al posador NC S2 tallarà l’alimentació de la bobina i el contacte 13-14 tornarà a l’estat de repòs, fins a una altra activació.

Aquest sistema soluciona el problema del comandament manual amb interruptor, en el moment d’un tall i restabliment accidental del corrent elèctric. Si hi ha un tall accidental i el contactor es desconnecta, en el moment de restablir el corrent, estaríem obligats a un nou impuls del polsador NO per activar la bobina.

S’ha de tenir en compte que un accionament del polsador NO i el polsador NC, al mateix temps, no implicaria l’activació de la bobina del contactor, i seria, doncs, un circuit de realimentació amb predomini en l’aturada.

És freqüent el control manual a distància d’una màquina des de més d’un lloc de posada en marxa, o des de més d’un lloc d’aturada.

En la figura es representa un circuit de maniobra amb la possibilitat d’aturada d’un contactor K1M des de dos polsadors NC S3 i S4, i la possibilitat de posada en marxa des de dos polsadors NO S1 i S2. L’accionament de qualsevol posador NO activaria la bobina i el contacte auxiliar de K1M, que facilita la realimentació. L’accionament de qualsevol polsador NC tallaria el corrent de la bobina i provocaria l’aturada.

Es pot deduir de l’esquema de la figura que per possibilitar l’aturada des de múltiples llocs, s’hauria d’associar en sèrie el nombre de polsadors NC necessaris segons el nombre de llocs de desactivació. També podrien associarse altres dispositius com el contacte normalment tancat d’un final de cursa, per exemple. Per possibilitar la posada en marxa des de múltiples llocs, s’hauria d’associar en derivació o paral·lel el nombre de polsadors NO necessaris segons el nombre de llocs d’activació. També es podrien afegir altres elements com el contacte normalment obert de qualsevol detector per provocar una activació.

De la mateixa manera, un contacte auxiliar de qualsevol dispositiu de protecció que ha de provocar la desactivació del contactor s’associaria en sèrie amb la resta de polsadors NC o dispositius d’aturada.

El disseny dels esquemes de comandament de més d’un contactor dependrà de si és necessari un funcionament independent dels contactors dins de la mateixa instal·lació o d’un funcionament condicional.

En la figura es mostra l’esquema de dos contactors en funcionament autònom, però amb un únic interruptor de connexió-desconnexió S5. El contactor K1M es controla amb un circuit de realimentació amb el polsador NO S1 i el polsador NC S2, i el contactor K2M amb un altre circuit de realimentació amb el polsador NO S3 i el polsador NC S4. La desconnexió dels contactors podria ser independent (cada contactor amb el polsador de desconnexió corresponent) o al mateix temps (obrint l’interruptor en el moment en què estan connectats els dos contactors).

Un esquema per representar el funcionament condicional dels diferents contactors d’una instal·lació es farà segons la condició per a l’activació o desactivació de les bobines dels contactors, que moltes vegades dependrà de la lògica de funcionament dels contactes auxiliars dels mateixos contactors, o elements com relés de comandament o temporitzadors.

En la figura es mostra l’esquema que representa el funcionament de dos contactors que mai no poden ser activats al mateix temps. Quan el contactor K1M està activat, el contacte auxiliar NC 11-12 estarà obert, i impedirà la possibilitat d’activació del contactor K2M. Aquesta mateixa condició afectaria la bobina del contactor K1M quan estigués funcionant el contactor K2M, ja que estaria obert el contacte NC de K2M 11-12. Aquest seria un funcionament típic per controlar la inversió de gir d’un motor.

En instal·lacions automàtiques és molt freqüent la maniobra d’actuadors en funció del temps. Es fan servir relés temporitzadors per retardar l’activació o desactivació de màquines o motors per mitjà dels seus contactors d’accionament.

Una maniobra simple d’activació retardada és la que es mostra en l’esquema de la figura. Amb l’interruptor S1 es dóna tensió al comandament del temporitzador a la connexió K1T, en el qual s’ha ajustat un temps d’activació. Al final del temps ajustat es tanca el contacte auxiliar NO 17-18 del relé temporitzador, que donarà tensió a la bobina del contactor K1M. En el moment d’obrir l’interruptor S1 es deixa de donar tensió al relé temporitzador K1T, el seu contacte 17-18 recupera la posició de repòs (obert) i el contactor K1M es desconnecta.

Si és necessari un control de posada en marxa i aturada mitjançant polsadors per a l’activació retardada d’un contactor, es farà servir un relé de comandament amb un circuit de realimentació com en la figura. El relé de comandament K1 s’activarà i desactivarà amb els polsadors NO S1 i NC S2, i té la funció d’activar el temporitzador K1T amb el contacte de K1 NO 23-24. El temporitzador activarà al final del temps ajustat el contactor K1M. En l’esquema es pot apreciar que tant el relé de comandament K1 com el temporitzador K1T es desconnectarien automàticament en activar-se el contactor, ja que s’obre el contacte NC de K1M 11-12, i deixa fora de servei els elements quan no són necessaris. El contactor K1M quedarà realimentat amb el contacte auxiliar NO de K1M 13-14, i es desconnectaria amb el polsador NC S2.

La informació sobre els estats de funcionament de les màquines controlades per contactors, o simplement de la posada en tensió d’una instal·lació, es fa generalment mitjançant pilots lluminosos o elements acústics, que formaria part del diàleg home-màquina necessari en qualsevol automatisme.

En la figura es mostren els sistemes de senyalitzacions lluminoses més freqüents:

• Senyalització lluminosa que indica en tensió: informa sobre la “posada en tensió” de tota una instal·lació. Segons l’esquema amb l’interruptor S1 tancat es donaria tensió directament en el pilot H1.
• Senyalització lluminosa que indica en marxa: informa sobre l’activació d’un contactor. Amb un contacte auxiliar NO del contactor K2M (13-14) es connectaria el pilot H2 amb el contactor activat.
• Senyalització lluminosa que indica que està aturat: informa sobre la desconnexió o aturada d’un contactor. Amb un contacte NC del K3M (11-12) es connectaria el pilot H3 amb el contactor desconnectat.
• Senyalització lluminosa que indica avaria, fallada, sobrecàrrega o curtcircuit: informa sobre l’activació d’un element de protecció que ha d’aturar la màquina i al mateix temps senyalitzar l’anomalia (per exemple, l’activació d’un relé tèrmic).

Per fer la senyalització lluminosa que ha d’indicar activació d’un contactor o senyalització d’estar en marxa, com indica la figura, es pot fer també amb la bombeta connectada directament als borns de la bobina A1-A2, però s’han de tenir en compte dos inconvenients:

• En el moment del tall o desactivació del contactor, en ser un receptor inductiu es pot produir una sobretensió suficient per deteriorar la bombeta.
• Si el contactor no s’activa per un defecte del mecanisme mateix, la bombeta indicaria una senyalització d’activació en accionar l’element de comandament manual que ha d’activar el contactor.

Si es decideix connectar el pilot de senyalització de marxa en els borns del contactor A1-A2, s’hauria de preveure un pilot de neó, per evitar el deteriorament de la bombeta.

La senyalització d’indicació d’averia d’un relé tèrmic, per detectar sobrecàrregues, es fa mitjançant el seu contacte normalment obert NO 97-98, tal com s’indica en la figura. És important destacar que el color del pilot d’aquesta senyalització ha de ser vermell de manera normalitzada.

Els esquemes de senyalitzacions acústiques poden ser similars als de les senyalitzacions lluminoses, però hi ha dos circuits molt freqüents per a aquest tipus de senyalització:

• Senyalització acústica d’avaria amb sistema per assabentar-se. Segons es mostra en la figura, un cop s’ha produït l’avaria commuten els contactes associats al relé tèrmic F1, i la senyalització H1 quedaria fixa, fins que no s’acciona un polsador S1. L’acció del polsador queda memoritzada mitjançant un relé K1 amb el seu circuit de realimentació.
• Senyalització acústica i lluminosa d’avaria intermitent. Un cop s’ha produït l’avaria commuten els contactes associats al relé tèrmic F2 i amb un relé temporitzador d’intermitència K1T es determina una cadència en un senyal acústic H2 i lluminós H3, segons es mostra en la figura.

Abans de començar el muntatge de l’automatisme en un quadre elèctric, s’ha de tenir en compte la descripció de la instal·lació per dissenyar els esquemes que definiran els materials necessaris. Les fases de treball següents seran:

• Elecció del quadre Determinar les dimensions, tipus de quadre (metàl·lic o aïllant), el tipus de placa per a la fixació dels elements (placa llisa, placa perforada), i els elements que constitueixen el conjunt del quadre (perfils, lires portacables, canals perforats, borns de connexió, etc.).
• Muntatge mecànic del quadre
  • Dels elements auxiliars de muntatge: panel o placa, canals, perfils, borns de connexió, etc.
  • Muntatge dels elements de l’automatisme dins del quadre: dispositius de protecció, contactors, relés, bases per a relés, etc.
  • Muntatge mecànic dels elements de comandament i senyalització a la porta.
• Cablatge o muntatge elèctric, connectant els aparells i distribuint els conductors pels canals perforats.
• Comprovació del quadre d’automatisme, en l’ordre següent:
  • Comprovació del circuit de comandament o maniobra.
  • Comprovació del circuit de potència.
  • Comprovació de l’automatisme en conjunt.

Un dels objectius principals dels esquemes d’automatismes és el de facilitar les connexions i el cablatge del circuit. El tècnic encarregat del cablatge no necessàriament ha de saber quin és el funcionament de la instal·lació, però sí que ha d’interpretar correctament l’esquema per fer les connexions entre components.

Aquest és un sistema ràpid, que permet una representació clara de les connexions elèctriques i de fàcil interpretació per a qualsevol tècnic.

Per fer les connexions del circuit de potència el tècnic ha de llegir les referències dels borns dels elements sobre l’esquema del circuit, amb una referència d’inici i una de final per a cada connexió que s’ha d’executar.

En l’exemple de la figura es mostra la llista de les connexions que s’han de fer, segons l’esquema de potència.

Així doncs, la llista total de cables i connexions que ha de fer el tècnic en el quadre és el que figura a la taula.

Una vegada el tècnic té la llista editada, pot començar les connexions dels elements que formen part del circuit de potència.

El procediment per editar la llista de cables en un circuit de maniobra és el mateix que per a un circuit de potència. La llista s’editarà prenent com a referència les línies verticals numerades de l’esquema i amb la particularitat que hi haurà elements fixats a la placa interior del quadre, que hauran d’estar connectats amb elements muntats a la porta, les connexions dels quals hauran de passar per una regleta o born determinat, segons la figura.

També s’ha de tenir present que hi haurà connexions amb més d’una possibilitat; en aquest cas s’ha de considerar sempre l’opció que representi el cable de menys longitud, connectant un element amb el qual està més proper físicament al quadre. Es pot comprovar en l’exemple de la figura, que correspon a l’esquema de maniobra d’un circuit de realimentació d’un contactor K1M amb un polsador d’aturada, normalment tancat, S2, i un de marxa, normalment obert, S1.

La llista de cables que surt d’aquest esquema és la que figura en la taula; cal tenir en compte les connexions entre aparells que passen pel conjunt de borns o regletes X1.

Es pot apreciar que l’última connexió editada té una altra possibilitat, que seria de 14 K1M a 14 S1, possibilitat del tot correcta amb vista al funciona-

ment del circuit, però que implicaria més longitud de cable i la utilització d’un born de connexió més en el conjunt X1.

En l’exemple de la figura es detalla quina seria l’edició completa de la llista de cables, tant per al circuit de potència com per al circuit de maniobra, d’un automatisme per a la posada en marxa retardada d’un motor trifàsic, amb la consideració que els dispositius de comandament manual S1, S2 i S3, i també les bombetes de senyalització H1 H2 i H3, estarien instal·lats a la porta del quadre elèctric i la resta d’elements a l’interior. Veureu la llista de cables del circuit de potència en la taula i els de maniobra en la taula.

Per garantir un funcionament correcte de l’automatisme, s’ha de tenir cura, no tan sols d’una correcta connexió dels aparells, sinó també d’un bon muntatge del cablatge sobre el quadre, que a part del component estètic assegura un bon manteniment i minimitza les avaries. Els elements auxiliars de connexió com canals, terminals per als cables, borns de connexió, espiral per recollir cables, brides, etc., faciliten el muntatge dels cables a l’interior del quadre.

• Es començarà la disposició dels conductors només quan tots els aparells estiguin muntats en el seu lloc definitiu.
• Els cables es col·locaran dins de les canals sense que estiguin forçats o tensos, i sense encreuaments que puguin dificultar modificacions o tasques de manteniment.
• La sortida dels cables per les canals obertes o perforades es farà per la part de dalt o la part de baix dels aparells. Aquestes sortides de cable seran perpendiculars al born de l’aparell, és a dir, verticals; cal evitar les sortides horitzontals o en diagonal.
• Si un quadre no té canals de fixació, es faran agrupacions de cables amb brides o cintes espirals, separades per afinitats.
• En un mateix born de connexió o regleta, no es connectarà mai més d’un conductor de potència. Si és necessari es faran servir utensilis adients com repartidors de cables o pintes metàl·liques que connecten diversos borns entre si.

• Si els conductors de potència suporten un corrent elevat se’n facilitarà la ventilació amb una separació adient de la resta de conductors, evitant-ne l’escalfament.
• Els conductors no passaran mai per la part superior dels aparells; aquests han de tenir tota la superfície superior lliure de cables.
• Cada conductor estarà identificat, en els seus extrems, amb anelles alfanumèriques segons l’esquema de muntatge.
• Tots els conductors portaran punteres o terminals adients a la seva secció. La finalitat dels terminals és reforçar el cable en l’extrem de connexió, i evitar així la dispersió dels fils del cable, que pot repercutir en pèrdua de secció o falsos contactes. Els terminals poden ser del tipus de forqueta, de forat, de puntera, etc., tal com es veu en l’exemple de la figura.