De la aplicación al esquema: Guía de símbolos y selección de sensores de proximidad

La fiabilidad y la precisión son las medidas del éxito en la automatización industrial. El camino entre el reconocimiento de un reto en la línea de producción y el establecimiento de un potente sistema de control es muy largo. Este proceso no empieza con un componente, sino con una pregunta: ¿Qué tenemos que hacer? Sólo cuando se define la aplicación podemos elegir el hardware adecuado, modelarlo en un esquema e incorporarlo a un circuito de control.

Esta completa guía le guiará a través de ese recorrido esencial. Empezaremos con el problema del mundo real, elegiremos la tecnología de sensores adecuada, aplicaremos esa decisión al símbolo estándar IEC correcto, lo insertaremos en un circuito PLC que funcione e incluso hablaremos de las características más avanzadas de los nuevos sensores inteligentes. Ésta es la guía definitiva para la transición entre la aplicación y la automatización.

Empezar por la aplicación: Elegir el sensor adecuado

Hay que conocer la realidad física de la aplicación antes de trazar una sola línea en un esquema. El error más frecuente en el diseño de sistemas es elegir un sensor porque nos resulta familiar y no porque sea el adecuado. Para evitarlo hay que empezar por responder a cuatro preguntas básicas sobre el objetivo y su entorno. Éstas son Material, Entorno, Distancia y Precisión, y conforman un marco de selección racional.

Material objetivo:

¿El objeto a detectar es metálico o no metálico? ¿Es opaco, transparente o reflectante? La tecnología de detección subyacente viene determinada principalmente por la composición del material.

Funcionamiento Medio ambiente:

¿Estará expuesto el sensor a contaminantes como polvo, aceite o agua? ¿Existen temperaturas extremas, vibraciones elevadas o posibilidad de impacto físico? El sensor debe diseñarse y su valor IP (Ingress Protection) debe corresponder a la severidad de su entorno.

Distancia de detección:

¿A qué distancia debe estar la cara del sensor del objeto objetivo (alcance de detección)? Este alcance nominal puede oscilar entre varios milímetros y varios metros.

Precisión y Velocidad:

¿Hasta qué punto debe detectarse la posición del objeto? ¿A qué velocidad se desplaza el objeto y cuál es el tiempo de respuesta que necesita el sistema de control?

Estas son las consideraciones que informan directamente la elección entre las principales familias de sensores de proximidad. Aunque existen muchos sensores específicos, para resolver la mayoría de las aplicaciones se pueden utilizar los cuatro tipos básicos de sensores: inductivos, capacitivos, fotoeléctricos o ultrasónicos. Para simplificar esta decisión, la tabla siguiente ofrece una matriz de toma de decisiones.

Trabajando metódicamente con esta tabla, un ingeniero puede seleccionar con confianza la tecnología óptima para la tarea en cuestión, asegurándose de que la base del sistema de control es sólida.

Caso práctico: Detección de botellas de PET en una cinta transportadora

Para ilustrar este proceso de selección, analicemos una aplicación industrial común y difícil: la detección fiable de botellas transparentes de tereftalato de polietileno (PET) en una cinta transportadora de una línea de embotellado de alta velocidad.

El problema:

El objetivo es obtener un recuento constante de botellas y desencadenar acciones posteriores como el llenado o el taponado. Las botellas son transparentes, se mueven con rapidez y pueden presentar ligeras variaciones de posición en la cinta transportadora.

El proceso de análisis y eliminación:

Comenzamos aplicando nuestros cuatro factores clave:

1. Material: El objetivo es plástico PET, un material no metálico. Esto elimina inmediatamente los sensores inductivos, que funcionan detectando cambios en un campo electromagnético provocados por objetos metálicos.
2. Medio ambiente: El entorno es relativamente limpio, pero puede implicar humedad o lavados. La velocidad es un factor crítico.
3. Distancia: El sensor se montará cerca del transportador, con una distancia de detección de aproximadamente 100-300 mm.
4. Precisión: Necesitamos una señal fiable de encendido/apagado para cada botella.

Como los sensores inductivos no son una opción, estudiamos las demás posibilidades. Técnicamente, un sensor capacitivo podría detectar el plástico y el líquido que contiene, pero su limitada distancia de detección y su posible sensibilidad a la humedad ambiental serían una opción menos fiable en un entorno de alta velocidad y posiblemente húmedo. Un sensor ultrasónico podría ser eficaz, porque no es sensible a la transparencia. Pero tiende a ser más lento que los fotoeléctricos, debido a la velocidad de propagación de las ondas sonoras, y no es adecuado para aplicaciones de alta velocidad.

El resultado lógico de este proceso son los sensores fotoeléctricos. Sin embargo, incluso en esta familia hay que tomar una decisión. Un sensor fotoeléctrico difuso típico, que refleja directamente la luz del objetivo, probablemente fallaría. La mayor parte de la luz se dispersaría o se transmitiría a través de la superficie transparente y curva de la botella de PET, y se obtendría una señal poco fiable.

La solución óptima:

Un sensor fotoeléctrico retrorreflectante es la solución más potente. Esta configuración emplea un sensor y un reflector discreto. El sensor produce un haz de luz que se refleja en el sensor. Cuando una botella de PET pasa entre ellos, interrumpe este haz estable. La mínima diferencia en la refracción y reflexión de la luz debida al material y a la superficie curvada de la botella es suficiente para interrumpir la trayectoria del haz, proporcionando un disparo limpio a alta velocidad. Para lograr la máxima fiabilidad en la detección de objetos muy claros, se emplea un modelo con filtro polarizador para rechazar el reflejo de superficies brillantes distintas del reflector especializado.

Este enfoque metódico, que va del problema a la tecnología, garantiza la selección de un sensor que no sólo es funcional, sino que está optimizado para los retos específicos de la aplicación.

Del sensor al símbolo: Representación esquemática correcta

Una vez elegido el sensor fotoeléctrico de reflexión, el segundo paso consiste en modelarlo correctamente en un esquema eléctrico. No se trata sólo de un ejercicio de dibujo; el símbolo esquemático es un fragmento exacto de comunicación técnica que informa a cualquiera que construya, resuelva problemas o realice el mantenimiento del sistema. Estos símbolos tienen el lenguaje universal de la norma internacional IEC 60617.

En el caso de nuestra fotocélula seleccionada, el símbolo más sencillo es un cuadrado, que es la carcasa del dispositivo. Internamente, los gráficos hacen referencia a su función. Aquí, un emisor de luz y un receptor de luz están representados por símbolos, y un icono que se trata de un tipo retro-reflectante.

No obstante, el símbolo no sólo debe representar la tecnología de detección. Hay que especificar dos configuraciones eléctricas importantes: el tipo de salida (PNP frente a NPN) y el estado lógico por defecto (NO frente a NC).

PNP frente a NPN: Esto define cómo la salida del sensor conmuta la carga eléctrica.

• PNP (Fuente): La salida del sensor conmuta la tensión positiva (+) a la carga (por ejemplo, una entrada de PLC). Cuando se activa, la salida conecta la carga a la alimentación de +24VDC. Este es el estándar más común en Europa y Norteamérica.
• NPN (Descenso): La salida del sensor conmuta la conexión Negativa (-) o 0V a la carga. Cuando se activa, la salida conecta la carga al carril de 0V (GND). Esto es más común en Asia.

NO (Normalmente Abierto) vs. NC (Normalmente Cerrado): Define el estado de la salida del sensor cuando no detecta un objetivo.

• Normalmente abierto (NO): El interruptor de salida está abierto por defecto. Cuando el sensor detecta la botella de PET, el interruptor se cierra y se envía una señal. Esto es ideal para tareas de detección de presencia.
• Normalmente cerrado (NC): El interruptor de salida está cerrado por defecto, proporcionando una señal continua. Cuando el sensor detecta la botella, el interruptor se abre y la señal se interrumpe. Esto puede ser útil para aplicaciones a prueba de fallos, ya que un cable roto produciría el mismo estado que un objeto detectado.

En nuestra aplicación de botellas PET tenemos que contar las botellas a medida que llegan. Por lo tanto, un normalmente abierto (NO) es adecuado. Una salida PNP sería una opción típica suponiendo que el sistema de control sea un PLC moderno en Norteamérica.

Así pues, nos hemos decidido por una Barrera fotoeléctrica de reflexión, salida PNP, lógica Normalmente Abierta (NA). Se añadirán pequeñas anotaciones al símbolo esquemático para representar esta especificación completa, de modo que no haya ambigüedad alguna en el esquema del circuito.

Símbolos comunes de los sensores de proximidad y sus significados

Para garantizar la claridad en el diseño esquemático y una comunicación eficaz entre los equipos de ingeniería, se utilizan símbolos normalizados para representar los distintos tipos de sensores de proximidad y relés. Estos símbolos, que se rigen por la norma IEC 60617, codifican visualmente la función y la configuración de un sensor sin ambigüedades. A continuación se presenta un desglose de los símbolos de sensores de proximidad más utilizados:

1. Inductivo Sensor de proximidad
   1. Símbolo: Un cuadrado (que representa la carcasa del aparato) con una bobina o bucle en su interior.
   2. Utilice: Detecta objetos metálicos mediante campos electromagnéticos.
   3. Nota: A menudo etiquetado con “Ind” o incluye un gráfico de inductor.
2. Capacitivo Sensor de proximidad
   1. Símbolo: Un cuadrado con dos líneas paralelas (que representan las placas del condensador) o un rectángulo abierto.
   2. Úsalo: Detecta objetos metálicos y no metálicos. Incluya una captura de pantalla si desea más información.
   3. Nota: A veces incluye una línea de puntos o un identificador de material dentro del cuadrado.
3. Barrera fotoeléctrica
   1. Símbolo: Un cuadrado con una flecha (haz luminoso) dirigido a un objetivo.
   2. Variantes:
      1. Difusa: Emisor y receptor en una sola unidad.
      2. Catadióptrico: La flecha se refleja en un reflector simbolizado.
      3. Haz pasante: Símbolos emisor y receptor separados unidos por una línea o flecha.
   3. Utilice: Detecta la presencia mediante la interrupción de la luz.
4. Sensor ultrasónico
   1. Símbolo: Un cuadrado con líneas curvas (que representan ondas sonoras) emitidas por uno de sus lados.
   2. Utilice: Adecuado para objetivos claros o transparentes y detección de largo alcance.
5. Sensor Salida Anotaciones de tipo (PNP/NPN)
   1. PNP (Fuente): A menudo se indica con un triángulo apuntando hacia arriba o con la etiqueta “+”.
   2. NPN (Descenso): A menudo se indica con un triángulo hacia abajo o con el símbolo “-“.
   3. Consejo: Estas anotaciones se añaden cerca del símbolo o se documentan en las leyendas de cableado.
6. Estado lógico (NO/NC)
   1. Normalmente abierto (NO): El estado por defecto muestra un contacto abierto; se cierra cuando se activa.
   2. Normalmente cerrado (NC): Muestra un contacto cerrado; se abre cuando se dispara el sensor.
   3. Representación: Normalmente se muestra en diagramas auxiliares, bloques de contactos o anotaciones cerca del símbolo del sensor.

Cuadro sinóptico

Comprender y aplicar correctamente estos símbolos garantiza que los esquemas de los sistemas sean intuitivos, se entiendan a escala internacional y estén listos para la resolución de problemas o la ampliación.

Cableado a un PLC: Dibujo del circuito de control

El símbolo esquemático es una representación abstracta; su verdadero propósito es guiar el cableado físico del circuito de control. La integración de nuestro sensor fotoeléctrico PNP, NO con un módulo de entrada de controlador lógico programable (PLC) es una tarea fundamental en la automatización. Un sensor típico de CC de 3 hilos requiere tres conexiones: alimentación, común y señal.

El circuito consta de tres componentes principales:

• Fuente de alimentación de 24VDC: Proporciona la tensión de funcionamiento para el sensor y el PLC. Tiene un terminal positivo (+) y un terminal 0V (común).
• En Sensor de proximidad: Tiene tres cables. Para nuestro sensor PNP, suelen estar codificados por colores:
  • Marrón: +24VDC (Entrada de alimentación)
  • Azul: 0V (Común)
  • Negro: Salida de señal
• En PLCEntrada Módulo: Este módulo tiene varios terminales de entrada y un terminal común. Lee el estado de tensión del cable de señal para determinar si el sensor está “encendido” o “apagado”.”

Cableado de un sensor PNP (Sourcing):

En una configuración PNP, el sensor “alimenta” o proporciona una tensión positiva a la entrada del PLC cuando detecta el objetivo. El cableado es el siguiente:

• El sensor de Marrón se conecta al terminal +24VDC de la fuente de alimentación.
• El sensor de Azul se conecta al terminal 0V de la fuente de alimentación.
• El sensor de Negro El cable de señal se conecta a un terminal de entrada específico del PLC (por ejemplo, I0.0).
• El módulo de entrada PLC Común se conecta al carril 0V de la fuente de alimentación para completar el circuito.

Representación esquemática del flujo de corriente (PNP):

+24VDC ----------------------> Cable marrón (Sensor)
                             |
                             V
                          [Sensor]
                             |
Entrada PLC (I0.0)  Cable azul (Sensor)
                             |
                             V
                          [Común PLC]

Cuando se detecta la botella de PET, el interruptor interno del sensor PNP conecta el Marrón (+24V) cable al Negro (Señal) cable. Esto envía una señal de +24VDC al terminal de entrada del PLC, que el procesador del PLC registra como un estado lógico “1” o “alto”.

Contraste con el cableado NPN (Sinking):

Para mayor claridad, un sensor NPN funciona de manera opuesta. Disipa“ la corriente de la entrada del PLC a tierra. El común de la entrada del PLC se conectaría a +24 VCC, y la salida del sensor bajaría el terminal de entrada a 0 V cuando se activara. La interpretación correcta de la designación PNP/NPN en el esquema es absolutamente crítica para el cableado funcional y para evitar daños a los componentes.

El sistema inteligente: Presentación de los sensores IO-Link

Durante décadas, la salida de un interruptor de proximidad siempre ha sido una señal binaria: ON u OFF. Esto funciona bien en tareas de control sencillas, pero el proceso de fabricación actual requiere datos adicionales, flexibilidad e inteligencia en todos los niveles de la planta de producción. Éste es el ámbito de IO-Link.

IO-Link no es una segunda red de bus industrial como EtherNet/IP o Profinet. Un protocolo de comunicación punto a punto normalizado (IEC 61131-9) permite a un cable de sensor típico de 3 hilos realizar mucho más que una simple señal de conmutación. Establece una interfaz de comunicación electrónica entre el sensor y un módulo maestro IO-Link, que posteriormente interpreta los datos al PLC principal o al sistema de control.

El valor que esta tecnología añade a nuestra aplicación de botellas de PET es significativo:

• Datos de proceso: El sensor IO-Link es capaz de enviar datos más detallados que un simple ON/OFF. Por ejemplo, puede dar un valor analógico de la intensidad de la señal, de modo que el sistema pueda saber si la lente del sensor se está ensuciando gradualmente antes de que sea demasiado tarde.
• Diagnóstico: El sensor es capaz de informar proactivamente de su salud y estado. Es capaz de avisar de fallos críticos como cortocircuitos, sobrecalentamiento o fallos internos. Esto permite un mantenimiento predictivo, gracias al cual los técnicos pueden resolver los problemas antes de que provoquen paradas imprevistas.
• Parametrización: Los ajustes remotos y sobre la marcha del sensor pueden modificarse en el PLC. Cuando la línea de producción cambia a un tipo de botella ligeramente diferente que necesita un nuevo nivel de sensibilidad, el cambio puede realizarse inmediatamente en el software sin que el técnico tenga que tocar físicamente el sensor y utilizar un destornillador diminuto para cambiar el nivel de sensibilidad. Esto es esencial en aplicaciones que se cambian con frecuencia.

Un sensor IO-Link no se representa en un símbolo convencional a nivel de circuito en un diagrama de arquitectura del sistema. En su lugar, se representa como un bloque etiquetado que está conectado a un maestro IO-Link. Este dispositivo maestro es una pasarela que agrega datos de varios sensores IO-Link y los transmite a través de una red de bus de campo al controlador central.

Cuando actualizamos nuestro sensor retrorreflectante a un dispositivo habilitado para IO-Link, lo convertimos en una fuente de datos inteligente, lo que nos proporciona la visibilidad y el control necesarios en los proyectos de Industria 4.0 y da como resultado un sistema de automatización más resistente, eficiente y flexible".

Conclusiones: El plan para la fiabilidad

El recorrido entre un problema del mundo real, como la detección de una botella transparente, y un circuito de control completamente documentado es una ciencia de ingeniería fundamental. Demuestra que los símbolos de un esquema no son dibujos al azar; son el resultado sucinto y potente de un exigente proceso de análisis y elección.

Cuando se parte de la aplicación en todo momento, se tiene la seguridad de que la tecnología que se ha seleccionado se ajusta al propósito. A partir de un caso práctico, los requisitos abstractos se convierten en una solución física. Esa solución puede codificarse para que todos la entiendan mediante la comprensión del lenguaje de símbolos y normas de cableado como PNP/NPN. Por último, cuando se mira hacia el futuro con tecnologías como IO-Link, se construyen sistemas que no sólo son operativos hoy, sino también inteligentes y flexibles para afrontar los retos del mañana. Este enfoque sistemático e integral es la hoja de ruta para diseñar sistemas de automatización resistentes, fáciles de mantener y realmente fiables.

OMCH: Su socio en automatización industrial

Se discuten la teoría y la práctica, y la selección correcta de componentes es crucial para el éxito de su proyecto. La calidad y disponibilidad del hardware especificado determinan hasta qué punto un esquema bien diseñado se traducirá en un sistema fiable y funcional. Tan importante como el diseño es una cadena de suministro sólida y una asistencia técnica profesional.

No sólo proporcionamos a nuestros socios distribuidores una línea completa de sensores de proximidad, desde unidades inductivas sencillas hasta sofisticados modelos fotoeléctricos con capacidad IO-Link, sino también conocimientos técnicos en OMCH (https://www.omch.com/). Sabemos que nuestros socios no se limitan a reubicar cajas, sino que resuelven complicados problemas de automatización a sus clientes.

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