Secuencias neumáticas: diagramas espacio-fase y fase-tiempo con simulador

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! Un cilindro neumático por sí solo no hace nada útil: lo valioso es el orden en que trabajan varios cilindros. Sujetar una pieza, doblarla, soltarla… y que todo ocurra siempre en el mismo orden, sin que un movimiento arranque antes de tiempo. Ese orden se llama secuencia, se escribe con la notación A+ B+ A− B− y se dibuja en un diagrama espacio-fase o fase-tiempo. Esta publicación es la hoja 16 de la serie de neumática y es un mini curso: leemos la ficha, corregimos lo que hay que corregir, aprendemos a leer y construir diagramas, entendemos las señales bloqueantes (el problema que más tumba a los principiantes) y al final tienes un simulador de secuencias con ocho casos en los que el diagrama fase-tiempo se dibuja en vivo mientras la máquina trabaja.

Qué vas a aprender

• Leer la notación A+ / A− y los finales de carrera a0 / a1, y relacionarlos con las válvulas 3/2 y 5/2.
• Leer y construir un diagrama espacio-fase y uno fase-tiempo paso a paso.
• Reconocer una señal bloqueante (solapamiento), explicarla y elegir cómo resolverla: pulso, memoria o grupos.
• Añadir tiempo (temporizador), memoria y conteo a una secuencia y calcular tiempos de ciclo.
• Verificar una secuencia con seguridad antes de ponerla en marcha.

Esta publicación continúa el curso: antes conviene repasar Compresores industriales (64), Sistemas neumáticos: componentes y flujo de aire (65), Cilindros neumáticos (66), Válvulas neumáticas (67) y Control de velocidad neumático (68). Después vienen Fugas de aire comprimido (70) y Mantenimiento neumático (71).

Mapa visual del tema

Léelo así: la notación es el idioma; leer y construir el diagrama son las dos habilidades; las señales bloqueantes son el obstáculo; tiempo y conteo son las extensiones habituales; y verificar cierra el ciclo con seguridad.

1. Elementos del circuito

La ficha lista la fuente de aire (compresor y depósito), la preparación del aire (filtro, regulador y lubricador, FRL), las válvulas, los actuadores, las tuberías y los silenciadores. Para una secuencia hay que añadir tres familias que la ficha no menciona y que son las protagonistas de esta publicación:

• Sensores de posición (finales de carrera): válvulas 3/2 de rodillo, sensores reed en el cilindro o sensores inductivos. Dicen "el cilindro ya llegó".
• Válvulas de potencia con memoria: la 5/2 biestable (doble piloto) se queda en la última posición aunque la señal desaparezca.
• Elementos de mando auxiliares: pulsador de inicio, temporizador, memorias y contador.

Corrección al póster: (1) La lista de elementos omite sensores de posición y válvulas de memoria, justamente lo que hace posible una secuencia. (2) En la foto de la manguera azul y los racores no se indica el diámetro: en un circuito real el diámetro interior de la tubería y de los racores limita el caudal y por tanto la velocidad (ver publicación 68).

2. Cilindro de simple efecto: el resorte hace la vuelta

Un cilindro de simple efecto tiene aire solo en un lado; en el otro lo devuelve un resorte. Se gobierna con una válvula 3/2 (3 vías, 2 posiciones): en una posición manda aire (1→2) y en la otra descarga el cilindro al escape (2→3). Si la válvula tiene resorte, es monoestable: vuelve sola a reposo, así que la señal debe mantenerse todo el tiempo que el cilindro deba estar fuera. Por eso, en una secuencia, el "A−" de un simple efecto no es una orden: es quitar la señal. En el caso 6 del simulador lo ves: una memoria MA mantiene la señal y se resetea con b1.

Detalles prácticos: la carrera útil es menor que en un doble efecto del mismo largo porque el resorte ocupa espacio; la fuerza útil al avanzar es F = p·A − F_resorte; y el lado del resorte necesita un respiradero (con filtro) para que el pistón pueda moverse sin aspirar suciedad.

Corrección al póster: (1) El dibujo muestra el resorte fuera del cilindro, sobre el vástago: es ilustrativo; en un cilindro real el resorte va dentro de la cámara del lado del vástago. (2) La ficha dice que la 3/2 "alimenta el cilindro para avanzar" pero no aclara que se trata de una válvula accionada por pulsador y con retorno por resorte: si se suelta el pulsador, el cilindro retrocede. Para una secuencia automática hay que mantener la señal con una memoria.

3. Cilindro de doble efecto y válvula 5/2

El doble efecto usa aire en las dos cámaras. La válvula 5/2 (5 vías, 2 posiciones) alterna cuál cámara recibe presión (puerto 4 o puerto 2) y cuál descarga (5 o 3), con el puerto 1 como alimentación. Si es biestable (dos pilotos, 14 y 12) tiene memoria: se queda en la posición de la última señal. Convención habitual: piloto 14 conecta 1→4 (el cilindro sale, A+) y piloto 12 conecta 1→2 (el cilindro entra, A−).

Corrección al póster: (1) La imagen muestra una 5/2 con dos bobinas (electroválvula biestable): eso es mando electroneumático, donde 14 y 12 son bobinas y los sensores son eléctricos (reed o inductivos). En mando neumático puro los pilotos son de aire y los finales de carrera son válvulas 3/2 de rodillo; la lógica del diagrama es la misma, pero conviene decir cuál de los dos se usa. (2) En el dibujo solo se ven dos tubos hacia el cilindro, correcto, pero faltan los estranguladores de escape que fijan la velocidad (publicación 68).

4. Secuencia de trabajo: la notación A+ B+ B− A−

La ficha define la secuencia A+ → B+ → B− → A−: A sale, luego B sale, luego B entra y por último A entra. La letra es el cilindro (A, B, C…), el signo + es salida del vástago y el signo − es entrada. Los pasos separados por espacio ocurren uno después de otro; si dos movimientos ocurren a la vez se agrupan, por ejemplo (A+ B+).

Cada cilindro necesita al menos dos sensores: a0 (retraído) y a1 (extendido). Una secuencia de n cilindros que va y viene usa 2n sensores. En la norma ISO 1219-2 (validar la edición vigente) los elementos se numeran por circuito: cilindro 1A1, válvula 1V1, sensor 1S1; en esta publicación usamos las letras A, B, C y las minúsculas a0, a1 por sencillez.

Regla de oro: cada paso de la secuencia lo dispara el sensor que confirma el final del paso anterior. En A+ B+ A− B−: S·b0 → A+, a1 → B+, b1 → A−, a0 → B−.

Corrección al póster: (1) "El signo + indica avance y el signo − retroceso" es válido, pero conviene precisar: + es salida del vástago y − es entrada, que no siempre es el movimiento de trabajo (en un cilindro que tira de una carga, el trabajo puede ser la entrada). (2) El dibujo conecta la salida de las válvulas de rodillo directamente a una cámara de cada cilindro y muestra una sola línea por cilindro. Una válvula de rodillo es una válvula de señal (poco caudal): debe pilotar una válvula 5/2 de potencia, no alimentar el cilindro. (3) Para A+ B+ B− A− hacen falta 4 sensores (a0, a1, b0, b1) y 2 válvulas 5/2; el dibujo muestra solo dos sensores. (4) La secuencia A+ B+ B− A− tiene señales bloqueantes (sección 7) que el dibujo no resuelve. (5) La frase "Secuencia conceptual: el mando debe diseñarse y validarse" es correcta y es la clave: sin diagrama y sin prueba, la secuencia no está validada.

5. Diagrama espacio-fase: leer y construir

El diagrama espacio-fase (también llamado diagrama de movimientos o de pasos) dibuja la posición de cada cilindro (0 = retraído, 1 = extendido) contra los pasos de la secuencia. Todos los pasos miden lo mismo en el eje horizontal, sin importar cuánto duren. Sirve para razonar el orden.

Cómo se lee

1. Una fila por cilindro (A arriba, B abajo): la línea sube cuando el cilindro sale y baja cuando entra.
2. Las líneas verticales punteadas separan los pasos (1, 2, 3, 4).
3. Una flecha de señal parte del punto donde un cilindro llega a un extremo (donde se activa su sensor) y apunta al inicio del movimiento que dispara.
4. Un cilindro que no se mueve en un paso dibuja un tramo horizontal.

Cómo se construye (método de 6 pasos)

1. Escribe la secuencia con la notación (por ejemplo A+ B+ A− B−).
2. Cuenta los pasos y traza una columna por paso.
3. Dibuja una fila por cilindro y marca su posición inicial.
4. Dibuja las rampas: sube en el paso del "+", baja en el paso del "−".
5. Traza la flecha del sensor que activa cada paso (a1 → B+, etc.). El primer paso lleva además el pulsador de inicio (S).
6. Revisa que ninguna válvula reciba dos señales opuestas a la vez (sección 7).

6. Diagrama fase-tiempo: la versión con segundos

El diagrama fase-tiempo usa el eje horizontal en segundos. La pendiente de cada rampa es la velocidad y el largo de cada paso es lo que dura. Con él se calcula el tiempo de ciclo y se ve dónde hay esperas (mesetas). Aquí aparece un temporizador T entre B+ y A−: B se queda extendido mientras T cuenta.

Observa tres cosas. (1) El ciclo dura la suma de los tramos (1 + 1 + 3 + 1 + 1 = 7 s). (2) Mientras T cuenta, nadie se mueve: es una meseta. (3) La salida de T1 se activa cuando termina la cuenta y se mantiene mientras su entrada (b1) siga presente.

Un detalle práctico: en el simulador los sensores se activan cuando el cilindro llega al 98 % de la carrera, no al 100 %, como pasa con un sensor real que se coloca un poco antes del tope. Por eso un ciclo de 4 s teóricos se mide como 3,93 s. Es una diferencia del 2 % que conviene recordar al comparar con un cronómetro.

7. Señales bloqueantes (solapamiento de señales)

Una válvula 5/2 biestable no conmuta si recibe las dos señales de mando a la vez: se queda como estaba. Eso es una señal bloqueante o solapamiento. Ocurre cuando un sensor sigue activo (señal "larga") después de que su función terminó y la orden contraria llega mientras tanto.

Ejemplo clásico: A+ B+ B− A−. El sensor a1 manda B+ y sigue activo mientras A permanezca extendido, que es todo el tiempo que B hace su movimiento. Cuando B llega a b1 y b1 manda B−, el piloto 14 de B (por a1) todavía está activo: llegan 14 y 12 a la vez y B queda atascado extendido. Peor aún: en reposo b0 está activo, así que la orden A− (por b0) ocupa el piloto 12 de A incluso antes de empezar y el pulsador no logra mandar A+.

Cómo detectarla sin simular

En el diagrama espacio-fase, para cada cilindro marca el tramo donde su piloto "+" está activo (desde que llega su sensor de disparo hasta que ese sensor se desactiva) y el tramo del piloto "−". Si los dos tramos se cruzan, hay solapamiento. En la práctica: pregúntate "cuando llega la orden contraria, ¿sigue presente la primera?".

Cómo resolverla

El método de grupos en dos líneas

Recorre la secuencia de izquierda a derecha y abre un grupo nuevo cada vez que aparece una letra que ya está en el grupo actual. A+ B+ B− A− → [A+ B+] [B− A−], 2 grupos. A+ A− B+ B− → [A+] [A− B+] [B−], 3 grupos. A+ B+ A− B− → [A+ B+] [A− B−], 2 grupos. El número de grupos es el número de líneas de presión que hace falta.

8. Tiempo, memoria y conteo

• Temporizador neumático: una 3/2 con un estrangulador y un pequeño depósito. Al recibir la señal, el depósito se llena despacio y, al alcanzar la presión de conmutación, activa la salida. El tiempo depende de la presión y de que no haya fugas (ver publicación 70).
• Memoria: una 5/2 biestable con set y reset. Sirve para mantener una señal larga (simple efecto, caso 6) o para distinguir "a0 al inicio" de "a0 al final de A−" (caso 4).
• Contador: cuenta flancos de un sensor (por ejemplo cada vez que B vuelve a b0) y, al llegar a N, resetea la memoria de marcha (caso 7).
• Marcha/Paro: la memoria M se pone con Marcha y se resetea con Paro o al terminar el lote. Paro debería detener al final del ciclo, no a la mitad, para no dejar piezas atascadas.

9. Verificación segura

Antes de dar aire a una secuencia nueva: revisar conexiones, fijaciones y escapes; instalar con el sistema sin presión; y probar de forma controlada con la zona despejada. Para secuencias añade: probar paso a paso (en el simulador hay un botón para eso), con presión reducida y las agujas de los reguladores casi cerradas; mantener las manos fuera de los puntos de atrapamiento; y comprobar que el diagrama real coincide con el esperado antes de subir velocidad.

Corrección al póster: (1) "Instalar con el sistema aislado" debe leerse como aislado, despresurizado y con bloqueo y etiquetado (LOTO), y con el aire residual descargado: un depósito o un cilindro pueden conservar presión. (2) Probar con la zona despejada no basta: una secuencia nueva debe probarse primero con presión baja y velocidad mínima, y con un paro de emergencia accesible. (3) La ficha no menciona que un cilindro con carga vertical puede caer al despresurizar (hace falta válvula de retención o equilibrado).

Corrección al póster: "Lubricación solo cuando se requiera" es correcto pero incompleto: muchos componentes modernos están lubricados de por vida con grasa de fábrica, y si alguna vez se usó aceite en el aire, hay que seguir lubricando porque el aceite arrastra la grasa original. Usa el tipo de aceite que indique el fabricante y no mezcles aire con aceite y aire sin aceite en la misma línea sin revisar las juntas.

10. Casos reales de planta

Ejemplos ilustrativos construidos para enseñar; las cifras son típicas, no de una planta específica.

11. Errores comunes que conviene evitar

• Dibujar la secuencia sin los sensores de cada extremo: no se sabe quién dispara a quién.
• Olvidar que un sensor en reposo está activo y puede disparar un paso antes de tiempo.
• Usar válvulas de rodillo para alimentar el cilindro en vez de pilotar una 5/2.
• Conectar un temporizador sin comprobar que su entrada se desactiva al terminar.
• Confundir espacio-fase con fase-tiempo y calcular tiempos con el primero.
• Subir la velocidad antes de comprobar la secuencia paso a paso.
• Dejar la memoria en un estado indefinido al parar y arrancar: la máquina arranca a mitad de ciclo.

12. Resumen rápido (cheat-sheet)

Glosario breve

• Final de carrera: sensor que indica que el cilindro llegó a un extremo (a0, a1).
• Señal bloqueante: señal que sigue presente cuando llega la orden contraria a la misma válvula.
• Rodillo escamoteable: válvula 3/2 de rodillo que solo da señal en un sentido de paso (pulso).
• Biestable: válvula con dos pilotos que mantiene su posición sin señal (memoria).
• Meseta: tramo horizontal en el diagrama: el cilindro espera.

Normas y datos a validar

• ISO 1219-1 / ISO 1219-2: símbolos y esquemas de circuitos de potencia fluida y su identificación (1A1, 1V1, 1S1). Confirma la edición vigente.
• Diagramas funcionales: en la tradición alemana se normalizan en VDI 3260 / DIN 40719-11 (diagrama de funciones); el nombre "espacio-fase" y "fase-tiempo" varía según el texto. Validar referencia exacta.
• GRAFCET (IEC 60848): lenguaje para describir secuencias, útil cuando se pasa a PLC. Validar.
• ISO 4414: seguridad en sistemas neumáticos; ISO 13849-1 para funciones de seguridad (paro de emergencia).
• Sensores al 2 % de la carrera, pulsos de 0,2 s y tiempos de carrera de 0,5 a 3 s: parámetros del simulador, valores didácticos, no de un fabricante.
• Constante de tiempo de un temporizador neumático: depende del fabricante y de la presión; consulta la ficha.

13. Simulador de secuencias neumáticas

El simulador reúne ocho casos. En cada uno ves cuatro cosas a la vez: la máquina (animada), el esquema neumático (cilindros, válvulas, sensores y pilotos que se iluminan), el diagrama fase-tiempo que se dibuja en vivo y las ecuaciones de mando con los sensores encendidos. Qué probar:

• Caso 2 (A+ B+ A− B−): pulsa Inicio y mira que los pilotos 14 y 12 de cada cilindro nunca coinciden.
• Caso 3: elige "Sin solución" y pulsa Inicio: ves el bloqueo. Luego "Pulso solo en b0" (bloquea más adelante) y "Con solución" (funciona).
• Caso 4: con "Sin memoria", B sale solo; con "Con memoria M1" respeta la secuencia.
• Caso 5: cambia T en Parámetros y mira cómo se alarga la meseta.
• Caso 6: el simple efecto no tiene orden A−; cambia el tiempo de retorno por resorte.
• Caso 7: pulsa Marcha, cambia N y prueba Paro a la mitad.
• Usa Paso a paso para avanzar un paso por pulsación y la velocidad para ir más lento.

Qué hace el modelo: cada cilindro se mueve a velocidad constante entre 0 y 1 (tiempo de avance y de retorno ajustables); los sensores se activan al 2 % de cada extremo; la 5/2 biestable no conmuta si recibe las dos señales a la vez (señal bloqueante) y la 3/2 con resorte exige señal sostenida; el temporizador cuenta mientras su entrada está activa; los pulsos de rodillo escamoteable duran 0,2 s. Un motor de lógica separado se verificó con Node: las 5 secuencias correctas coinciden con lo esperado en ciclo único y continuo y los circuitos "sin solución" producen bloqueo o secuencia incorrecta. Es un modelo didáctico: no incluye retardos de válvula ni dinámica del aire (para eso, publicación 68).

✅ 5 Problemas Resueltos

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos