004 Electroneumática y Neumática: Método de cascada

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Diseño de circuitos neumáticos: método cascada
El método cascada es un método sistemático para diseñar circuitos neumáticos que permite
encontrar la solución siguiendo unos pasos determinados y eliminar con ello las condiciones de
bloqueo que se presentan en el diagrama de funcionamiento, y que se producen cuando es
necesario ordenar el movimiento del vástago de un cilindro mientras todavía persiste la orden
del movimiento opuesto del mismo cilindro.
Este sistema permite utilizar cualquier tipo de captador de información. Si son interruptores de
posición mecánicos con contactos (finales de carrera) se instalarán electroválvulas como
pilotajes de la válvula de potencia, si son neumáticos actuarán directamente sobre aquélla y si
son de baja presión se colocará el correspondiente amplificador.
Este método utiliza válvulas memoria biestable 5/2 o 4/2 para organizar el circuito en líneas de
presión independientes. Con cada válvula se pueden seleccionar 2 circuitos (2 estados), por lo
que la cantidad de válvulas de memoria que se requieren se calculan según el número de líneas
de presión o grupos que se generen: nº Válvulas = nº Grupos – 1.
El método se denomina así porque vamos poniendo en cascada (en serie) las válvulas
conmutadoras de línea. El inconveniente de esto es que se van produciendo pequeñas perdidas
de presión en cada válvula, por lo que a más válvulas en cascada más pérdidas de presión no
deseadas. Este inconveniente es corregido por el método paso a paso.
El método consta de una serie de pasos que deben seguirse sistemáticamente:
1. Identificación de elementos de trabajo.
Se identifican de una manera ordenada los elementos de trabajo que tienen movimiento
(actuadores: cilindros y motores) con letras mayúsculas, iniciando la relación por la letra A y
siguiendo con las demás B, C, etc.
2. Identificación de los movimientos de los elementos de trabajo (diagrama espacio-fase).
En función del enunciado del ejercicio o planteamiento de las peticiones de trabajo se realiza el
diagrama espacio-fase para los movimientos de los elementos de trabajo tomando como
referencia su posición inicial o de reposo y teniendo en cuenta lo siguiente:
 Cilindros: si su vástago sale se identifica con el signo más (+), por ejemplo 1A+,
mientras que si su vástago entra se identifica con el signo (-), por ejemplo 1A-.
 Motores: La identificación de los motores se realiza según su giro, de forma que si
su eje gira en sentido horario se identifica con el signo más (+), por ejemplo 2A+, y
si su eje gira en sentido antihorario se identifica con el signo menos (-), por ejemplo
2A-.
3. Relación fase-secuencia.
A partir del diagrama espacio-fase se hace una relación ordenada escrita de los movimientos a
la que se designa relación fase-secuencia (secuencia de movimiento simplificada). Los
movimientos no se pueden cambiar de posición según la secuencia definida.
Si se quiere un avance del cilindro A, un avance del cilindro B y un retroceso simultáneo de
ambos, la secuencia quedaría de la siguiente forma: A+ B+ (A- B-).

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4. Formación de grupos.
Cada grupo constituye físicamente una línea de alimentación de pilotajes de actuadores, que
contiene bien directamente (solo la línea) o a través de detectores o sensores (línea con
detectores: función AND) las ordenes correspondientes. En caso de secuencias largas puede
ser que un cilindro tenga varias órdenes, y en este caso se activaría su orden tantas veces como
salga (función OR).
Se deben generar el menor número posible de grupos de presión. En un mismo grupo no puede
repetirse la misma letra nunca pues representan al mismo elemento de trabajo y esto supondría
accionar sus dos mandos a la vez, produciendo señales permanentes. Tendremos en cuenta
que el inicio de cada secuencia hay que añadir un pulsador de marcha (PM).
PRIMERA VARIANTE
Se forma el primer grupo de la relación fase-secuencia de izquierda a derecha y justo antes de
que aparezca una identificación del mismo cilindro repetida se coloca una línea vertical o
inclinada la cual indica un cambio de grupo. Los grupos se nombran con numeración arábiga
(números romanos).
SEGUNDA VARIANTE
En principio se sigue el criterio de la primera variante de formar los mínimos grupos, pero como
el ciclo no tiene ” inicio ni final (es cíclico, sólo tiene orden de marcha)”, las líneas de separación
pueden empezarse a colocar por otro lugar en vez de hacerlo por el principio, es decir, podemos
hacer los grupos como deseemos mientras respetemos el orden de secuencia. De esta manera
podemos reducir válvulas en el circuito.
Aquí surge una duda: ¿cómo hacemos los grupos si podemos agrupar las letras de inicio y final
de secuencia como primer grupo o como último grupo? Al poner el circuito en marcha la primera
línea que toma presión siempre es la numero I, por ello las asociamos siempre al primer grupo,
para poder iniciar la marcha con el PM.
Cabe decir que existe el método cascada máximo si realizamos el máximo numero de
grupos (una letra por grupo) o el método cascada mínimo si reducimos al mínimo el
número de grupos, en alguna de sus dos variantes.

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5. Válvulas de gobierno de los cilindros (válvulas de potencia).
Cada cilindro estará gobernado por una válvula distribuidora 4/2 ó 5/2 de accionamiento
neumático y biestable. El accionamiento de estas válvulas hará el cambio de cada fase del
circuito.
El funcionamiento de ambas válvulas es el mismo, la diferencia radica en que la 4/2 tiene una
vía de escape común para las 2 cámaras del cilindro mientras que la 5/2 tiene una vía de
escape independiente por cámara.
6. Válvulas de memoria conmutadoras de línea.
Con cada válvula se pueden seleccionar 2 líneas (2 estados), por lo que la cantidad de válvulas
de memoria que se requieren se calculan según los grupos que se generen. Asimismo, el
número de líneas de presión es igual al número de grupos de presión, por lo que el número de
válvulas conmutadoras nº Válvulas = nº Grupos – 1.
El accionamiento de estas válvulas hará el cambio de cada grupo del circuito. Serán válvulas 4/2
ó 5/2 de accionamiento neumático y biestable.
Sólo existirá un grupo en presión y el resto a escape en durante cada ciclo. Es posible que en el
arranque inicial se produzca un transitorio (movimientos) hasta que el circuito alcance su
posición de reposo. Cada grupo es activado por el grupo anterior junto con el ultimo actuador del
grupo anterior (función AND) y desactivado por que acaba de activarse.
7. Formación de las líneas de presión horizontales.
Debajo de las válvulas de potencia y encima de las válvulas conmutadoras, dejando espacio
suficiente se representan tantas líneas horizontales de presión como número de grupos
formados que hay en la secuencia, luego se identifican con números romanos o con número de
grupo.
8. Conexión de válvulas de potencia y válvulas conmutadoras.
La conexión de los accionamientos neumáticos de estas válvulas dependerá de la secuencia
concreta a “programar”. Para explicar este punto pondremos un ejemplo.
9 Adicción de funciones al circuito.
El diseño contemplado mediante métodos es básico para realizar la secuencia pedida, pero en
un circuito normalmente se añaden más elementos para cumplir otras condiciones de
funcionamiento y para ello se insertarán los elementos necesarios para tal fin.
El ejemplo más claro es el pulsador de marcha PM, que será el que inicie el ciclo, pero hay más:
 Pulsador de marcha (PM) Pulsador de marcha para iniciar secuencia. Puede ser
“secuencia única (1 ciclo)” si el pulsador retorna automáticamente a reposo, o “secuencia
cíclica” si es pulsador de enclavamiento.
 Marcha de seguridad Normalmente 2 PM en serie para asegurarse que el operador no
saca las manos de su cabina.

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 Interruptor general de alimentación válvula que corta o alimenta de aire a presión al
circuito completo. En este caso puede darse el caso de que sólo corte alimentación y la
presión permanezca en el circuito o que al cortar vacíe al circuito de presión al completo.
 Temporizadores Computan un tiempo establecido antes de cambiar de paso en la
secuencia. Pueden ser “orientados a conexión” (computan el tiempo antes) o “orientados
a la desconexión” (computan el tiempo después).
 Reguladores de velocidad Regulan velocidad de los actuadores. Puede regularse en
avance, en retroceso o ambos.
 Contadores  Cómputo para que una vez llegue al establecido ejecutan una acción.
 Paro de secuencia Pausa de la secuencia. Se mantienen todos los valores actuales.
Tras dar marcha de nuevo la secuencia continua por donde se quedó.
 Paro de emergencia Paro manual de seguridad de la secuencia. Hay dos casos: que
se vacíe el circuito de presión o que se mantenga.
 Detectores de seguridad Paro automático de seguridad de la secuencia. En este caso
cualquier detector que su función sea seguridad general para personas (puertas,
ventanas, proximidad, cabina, etc.) o materiales (objeto mal posicionado, etc.). Hay dos
casos: que se vacíe el circuito de presión o que se mantenga.
 Reset Establece al circuito a sus valores por defecto (reposo). Para ello todos los
detectores deben ir a su estado de reposo. Ídem a iniciar el circuito para comenzar la
secuencia con el PM.
 Etc.
También decir que la llegada de la electroneumática ha desbancado a la neumática pura.
Todas estas funciones comentadas son más fáciles de realizar con electroneumática
porque:
 Los relés pueden tener varias cámaras de contacto y contactos auxiliares.
 Con la llegada de los PLC la lógica programada hace tener menos cambios de
cableado.
 Etc. Entre otros.
.

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EJEMPLO Secuencia A+B+A-B-
 Grupos Neumáticos (obtenemos dos)  A+ B+ / A- B-
o G 1: A+ B+
o G 2: A- B- (Es secuencia cíclica, tras B- pasamos de nuevo al grupo 1).
 Condiciones de funcionamiento.
Tener en cuenta que cada cilindro tiene dos detectores neumáticos que indicaran posición del
vástago. Para su identificación utilizaremos dos posibles formas:
1. Letra identificadora del cilindro con un número, siendo “0”
para vástago dentro y “1” para vástago fuera.
En este ejemplo a0y a1 corresponden al cilindro A.
Observar como para que comience el ciclo siempre hay que
tener un PM (pulsador de marcha).
2. Letra “S” seguida de un número, comenzando numeración
con el primer cilindro teniendo su vástago dentro, seguimos
con mismo cilindro con vástago fuera, y continuamos con
siguiente cilindro en orden numerados.
En este ejemplo S1 y S2 corresponden al cilindro A.
Para que comience el ciclo hay que tener un PM (pulsador de
marcha), aunque no se indique.
Es importante notar que los finales de carrera:
 S2 y S1 quedaron por “encima” de los grupos porque indican los cambios de fase dentro
del mismo grupo, serán conectados a las válvulas de potencia, situadas encima de las
líneas de presión y debajo de los cilindros o motores.
 S3 y S4 quedaron por “debajo” de los grupos porque indican los cambios de grupo
(implican cambios de línea), serán conectados a las válvulas de conmutación, situadas
debajo de las líneas de presión.
Tenemos 2 cilindros = 4 detectores. Aquí miramos la parte superior de la figura (cambios
de fase de un mismo grupo).
 A+  PM . Linea1 (comienzo de secuencia y inicio de grupo 1).
 B+  Linea1 . S2 (grupo 1 y cambio de fase del mismo grupo).
 A-  Linea2 (inicio de grupo 2).
 B-  Linea2 . S1 (grupo 2 y cambio de fase del mismo grupo).
Hemos dicho 2 grupos = 2 líneas de presión  1 válvula conmutadora. Aquí tenemos en
cuenta la parte inferior de la figura (cambios de grupo o línea).
 Línea 2 Linea1 . S4 (línea anterior y cambio de grupo).

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Vamos a representar el circuito.
Empezar el esquema del circuito dibujando los cilindros en la posición que les corresponde al comienzo
del ciclo. Cada cilindro dispondrá de 2 detectores mecánicos que marcarán el inicio y fin del recorrido
del vástago de accionamientos de válvulas neumáticas. Para electroneumática serán detectores
magnéticos que detectará posición del pistón. Cada cilindro estará gobernado por una válvula
distribuidora 4/2 ó 5/2 de accionamiento neumático y biestable.
Debajo de las válvulas distribuidoras (pero dejando hueco para posibles finales de carrera y otras
válvulas), tantas líneas horizontales (líneas de presión) como grupos haya en la secuencia y numerarlas
con números romanos identificando los grupos de cada secuencia.
Debajo de las líneas de presión se dibujarán tantas memorias de accionamientos neumático (válvulas
conmutadoras 4/2) como grupos hay menos uno. Serán del tipo 12, es decir en situación de descanso
(reposo) conectan “1” con “2”.

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Conexión de válvulas de potencia.
Tendremos en cuenta dos cosas:
1. EL inicio de ciclo (inicio de secuencia) siempre cuenta con un pulsador de marcha, que es
una válvula 3/2 NC.
2. Los detectores son válvulas 3/2 NC de accionadas mecánicamente por el vástago.
3. Conectar correctamente en el lado derecho o izquierdo de la válvula de potencia para
expandir o contraer el vástago.
Observar que los cilindros en reposo tienen sus vástagos dentro.

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Conexión de válvulas conmutadoras de línea
VARIANTE PRIMERA  CONEXIÓN DIRECTA
En esta variante utilizamos como presión la propia línea de alimentación.
La primera línea siempre será la que inicie el ciclo con presión. Aquí tener la precaución de
conectar en el lado derecho o izquierdo correspondiente la válvula conmutadora del sensor para
la selección de su línea.

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Conexión de válvulas conmutadoras de línea
VARIANTE SEGUNDA  CONEXIÓN LOGICA
En esta variante utilizamos como presión la línea de alimentación general y conectamos las
válvulas según la lógica de la función.
Utilizaremos de ejemplo las válvulas conmutadoras. En la figura anterior hemos utilizado una
válvula 3/2 NC gobernada por un detector mecánico y utilizamos como fuente de presión la
“línea de presión de grupo”. Sin embargo, la función Línea 2 Linea1 . S4 nos está indicando
una lógica AND, una válvula de simultaneidad (conexión serie). Vamos a conectar según la
función. De esta segunda manera nos cuesta una válvula más.
Esta forma de conexión hace que NO se produzcan fallos o anomalías por falta de presión, tener
en cuenta que la presión a las líneas se suministra por las válvulas conmutadoras.

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EJEMPLO Secuencia A+B+(A-B-)
En este caso vemos que los dos cilindros se desactivan a la vez.
 Grupos Neumáticos (obtenemos dos)  A+ B+ / (A- B-)
o G 1: A+ B+
o G 2: (A- B-)
Tenemos 2 cilindros = 4 detectores.
 (A- B-)  Linea2 (inicio de grupo 2).
Hemos dicho 2 grupos = 2 líneas de presión  1 válvula conmutadora.
 Línea 1 Linea2 . S3 . S1 (línea anterior y cambio de grupo).
En este caso vemos que los dos cilindros se desactivan a la vez. Vemos en la función de la
Línea 1 que deberemos usar válvulas de simultaneidad. Tiene los mismos componentes que el
ejemplo anterior pero las condiciones de activación se han modificado por cambiar la secuencia

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EJEMPLO GRUPOS 1º VARIANTE Y CONEXIÓN DIRECTA Secuencia A+(B+A-)B-
 Grupos Neumáticos (obtenemos tres)  A+ / (B+ A-) / B-
o G 1: A+
o G 2: (B+ A-)
o G3: B-
 (B+ A-)  Linea2 (comienzo grupo 2).
 B-  Linea3 (comienzo grupo 3).
Hemos dicho 3 grupos = 3 líneas de presión  2 válvulas conmutadoras.
 Línea 3  Linea2 .S4 . S1 (línea anterior y cambio de grupo).
Conexión de varias válvulas conmutadoras
La alimentación de aire la tiene la válvula más inferior en su entrada “1”. Se alimentan en
cascada (las válvulas están en serie), pasando el aire desde la salida “2” de la válvula más
inferior a la siguiente válvula superior a la entrada “1”.
La primera memoria de la serie (válvula superior) proporciona dos señales de salida:
 Salida que tiene presión en reposo a la línea de presión “I” (G1).
 Salida que tiene presión con accionamiento activo a la línea de presión “II” (G2).
Y así la alimentación de aire estando todas las válvulas en reposo va dirigida a la línea del G1.
Las siguientes memorias inferiores tienen la conexión de salida que tiene presión con
accionamiento activo a la línea en orden consecutivo (en este caso al G3). Además, pilotan
neumáticamente (envía aire) a la siguiente válvula superior por la entrada de presión que
envía a la válvula a su estado de reposo, para que retorne a su posición inicial.
Observar que es una secuencia ordenada cíclica , y las líneas van obteniendo presión
igualmente en orden: Linea1  Linea2  Linea3  Linea1 …ciclo continuo.
En este caso hemos utilizado válvulas 4/2.

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EJEMPLO GRUPOS 2º VARIANTE Y CONEXIÓN DIRECTA Secuencia A+) (B+A-) (B-
RECORDAD: Al poner el circuito en marcha la primera línea que toma presión SIEMPRE es la
numero I, por ello creamos siempre el primer grupo con las letras final y principio de la
secuencia. Y respetaremos el PM para iniciar la secuencia colocándolo en el inicio.
Grupos Neumáticos (obtenemos dos)  A+ / (B+ A-) / B-
o G 1: B- A+
o G 2: (B+ A-)
 A+  PM . Linea1 . S3 (comienzo de secuencia, grupo 1, cambio de fase).
 (B+ A-)  Linea2 (comienzo grupo 2).
 B-  Linea1 ((comienzo grupo 1).
 Línea 1  Linea2 .S4 . S1 (línea anterior y cambio de grupo).

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EJEMPLO CASCADA MAXIMA Secuencia A+ A- B+ B-
 Grupos Neumáticos (tenemos cuatro)  A+ / A- / B+ / B-
o G 1: A+
o G 2: A-
o G3: B+
o G4: B-
 A-  Linea2 (comienzo grupo 2).
 B+  Linea3 (comienzo grupo 3).
 Línea 2  Linea1 . S2 (línea anterior y cambio de grupo).
 Línea 1  Línea4 . S3 (línea anterior y cambio de grupo).
EJEMPLO CASCADA MINIMA Secuencia A+) (A- B+) (B-
 Grupos Neumáticos (tenemos dos)  A+ / A- B+ / B-
o G 1: B- A+
o G 2: A- B+
 A+  PM . Linea1 . S3 (comienzo de secuencia, grupo 1, cambio de fase).
 A-  Linea2 (comienzo grupo 2).
 B+  Linea2 . S1 (grupo 2, cambio de fase).

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EJEMPLO Secuencia A+ B- A- B+
En este caso vemos que el cilindro B ya está activado.
 Grupos Neumáticos (obtenemos dos)  A+ B- / A- B+
o G 1: A+ B-
o G 2: A- B+
 B+  Linea2 . S1 (grupo 2 y cambio de fase mismo grupo).
Hemos dicho 2 grupos = 2 líneas de presión  1 válvula conmutadora.

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Y cuando le ponemos en ON al programa es lo mismo que meter aire al circuito estando en
reposo (sin darle marcha al PM), se nos queda con el vástago fuera el cilindro B, que es la
posición pedida en la secuencia.

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EJEMPLO Secuencia (A+ B+) (A- C+) B- A+ (A- C-)
En este caso vemos que el cilindro A aparece más de una vez con la misma orden de avanzar y
retroceder, así que deberemos usar válvulas selectoras en las entradas del cilindro A.
Vamos a realizar el circuito de manera similar a los ejemplos anteriores y veremos porque hay
que modificar el circuito para que sea válido.
Grupos Neumáticos (obtenemos cuatro)  (A+ B+) / (A- C+) B- / A+ / (A- C-)
o G 1: (A+ B+)
o G 2: (A- C+) B-
o G 3: A+
o G 4: (A- C-)
VALVULAS DE POTENCIA (representamos las 5 fases)
 (A+ B+)  PM . Linea1 (comienzo de secuencia y inicio de grupo 1).
 (A- C+)  Linea2 (comienzo grupo 2)
 B-  Linea2 .S1.S6 (grupo 2 y cambio de fase del mismo grupo).
 A+  Linea3 (inicio de grupo 3).
 (A- C-)  Linea4 (inicio de grupo 4).
VALVULAS CONMUTADORAS
 Línea 2 Linea1.S2.S4 (línea anterior y cambio de grupo).
 Línea 1 Linea4.S1.S5 (línea anterior y cambio de grupo).
Para los que sean de electrónica digital, la representación booleana seria:
 A+  (PM . LN 1) + LN 3
 A-  LN 2 + LN4
 B+  PM . LN 1
 B-  LN 2. S1 . S6
 C+  LN 2
 C-  LN 4
Representamos cada movimiento del vástago. Observar como las ordenes repetidas A+ y
A- tienen la función OR (se activan de 2 posibles maneras). Las funciones de líneas
quedan como están.

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Comenzamos con la ubicación de los componentes

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Cableamos las válvulas de potencia (superior a líneas de presión).
Cableamos las válvulas de conmutación (inferior a líneas de presión).

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Y cuando procedemos a simular
aparece el siguiente mensaje de error:
Nos aparece porque detectores sólo hay 6: tres que detectan el avance de los émbolos o
vástagos y otros tres que detectan el retroceso. Y yo he realizado el circuito duplicando
detectores (y en función de la secuencia incluso podemos triplicar…). Observar el error en la
imagen siguiente:

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Y el error ha sido en los detectores del cilindro A, que es donde hay más de una orden del
cilindro A en la secuencia. Esto quiere decir que:
1. Hay que dejar un solo detector neumático en el circuito, ya que realmente sólo tenemos
uno llamado S1 y uno llamado S2 (en el circuito habrá SIEMPRE los detectores exactos
inicialmente contemplados, nunca más, nunca habrá menos).
2. Obliga a rediseñar TODO el circuito los detectores se alimentarán con una fuente de
presión independiente y debemos utilizar las válvulas de simultaneidad que nos indique
las funciones inicialmente calculadas. En principio sólo de los duplicados PORQUE LOS
TENEMOS QUE COMPARTIR, pero mejor hacerlo con todos y no habrá fallos. Sólo el
PM coge directo de línea 1, que no debe haber pegas en inicio de ciclo.

004 Electroneumática y Neumática: Método de cascada

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