Curso Integral de Electricidad Profesional

Unidad 11

Los temporizadores: permiten automatizar secuencias.

La electricidad tradicional: alimenta equipos. La automatización: toma decisiones.

Objetivos del módulo

Al finalizar esta unidad, el técnico será capaz de:
Diseñar y cablear circuitos de control reales
Leer y construir diagramas ladder básicos
Utilizar contactores, relés y temporizadores profesionalmente
Separar correctamente control vs potencia
Implementar automatizaciones robustas y seguras
Diagnosticar fallas lógicas en minutos
Comprender la base conceptual de PLC y automatización industrial
Permitir:
encender
apagar
proteger
automatizar
supervisar

Automatización · Lógica Eléctrica · Control Industrial · Sistemas Inteligentes

“La potencia mueve máquinas…

el control mueve sistemas completos.”

🧠 CONTROL (señal/lógica)          ↓⚙️ ACTUADOR(contactor/relé)          ↓⚡ POTENCIA (carga)

🔘 BOTÓN / SENSOR          ↓🧠 DECISIÓN          ↓🧲 CONTACTOR          ↓⚡ MOTOR / BOMBA / CARGA

El control:

DECIDE.

La potencia:

EJECUTA.

| Aplicación | Función |

| ————————- | ————————- |

| 💧 Bomba automática | control por nivel |

| 💡 Iluminación automática | control horario/fotocelda |

| ⚙️ Motor | arranque/paro |

| ❄️ Compresor | control térmico |

| 🚪 Acceso automático | control de señal |

🧠 decisión      ↓⚡ acción eléctrica      ↓⚙️ operación automática

“Nunca muevas potencia directamente

si puedes controlarla.”

CONTROL  ↓🧲 BOBINA  ↓🔲 CONTACTOS  ↓⚡ POTENCIA

Una señal pequeña:

controla una carga grande.

motores

bombas

compresores

iluminación de alta carga

resistencias eléctricas

El operador:

NO controla directamente la carga.

Controla la bobina del contactor.

🔘 señal ON      ↓🧲 bobina energizada      ↓🔲 contactos cierran      ↓⚡ carga activa

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| Elemento | Función |

| ———— | ————— |

| Relé | señales/lógica |

| Contactor | potencia/cargas |

🧠 RELÉ(decisión lógica)💪 CONTACTOR(ejecución de potencia)

El relé:

“piensa”.

El contactor:

“trabaja”.

interbloqueos

alarmas

señales auxiliares

automatización lógica

protección

| Tipo | Función |

| ——— | —————– |

| ON Delay | retrasa encendido |

| OFF Delay | retrasa apagado |

🔘 señal      ↓⏱️ espera      ↓⚡ activación

iluminación retardada

bombas automáticas

secuencia de motores

ventilación temporizada

CASO

Se requiere:

encender ventilador

10 segundos después del motor.

temporizador ON Delay

L ──[ ON ]──[ OFF ]────( K )

| Símbolo | Función |

| ———– | ———– |

| 🔘 ON (NO) | arranque |

| 🔘 OFF (NC) | paro |

| 🧲 K | bobina |

| 🔁 Auxiliar | sellado |

🔘 ON presionado        ↓🧲 bobina energizada        ↓🔁 auxiliar mantiene señal

🔘 ON   ↓🧲 bobina activa   ↓🔲 contactor cierra   ↓⚙️ motor arranca

Porque:

el contacto auxiliar mantiene energizada la bobina.

ON → K activa        ↓🔁 K auxiliar mantiene circuito        ↓OFF rompe señal

El operador:

controla una señal.

NO controla directamente el motor.

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botones dañados

bobinas quemadas

fallas intermitentes

riesgo eléctrico

| Sistema | Nivel |

| ———– | ———— |

| Control | bajo voltaje |

| Potencia | alto voltaje |

🧠 CONTROL(señal segura)⚡ POTENCIA(carga energética)

💧 nivel bajo      ↓📡 sensor      ↓🧠 relé/control      ↓🧲 contactor      ↓⚙️ bomba ON

🌙 oscuridad      ↓📷 fotocelda      ↓⚡ luces ON

⏱️ temporizador      ↓⚡ luces OFF

Automatización simple:

= alta confiabilidad.

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¿hay voltaje en bobina?

¿botones funcionan?

¿contactor acciona?

¿protección disparada?

📏 medir señal       ↓🧲 revisar bobina       ↓🔲 verificar contactor       ↓⚙️ validar carga

relé térmico

temporizador

señal intermitente

falso contacto

“El 90% de las fallas

están en control…

no en potencia.”

bobina dañada

contactos pegados

cableado incorrecto

temporizador defectuoso

lógica incorrecta

❌ lógica incorrecta        ↓⚡ operación errática        ↓💥 falla del sistema

Las fallas de automatización:

se resuelven con lógica,

NO con fuerza.

🧠 CONTROL- lógica- señal- decisión⚡ POTENCIA- energía- fuerza- ejecución

“El control piensa…

la potencia ejecuta.”

motores

bombas

bandas transportadoras

compresores

iluminación automática

HVAC

bombeo

accesos eléctricos

Aquí comienza:

la automatización rentable.

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lógica correcta

señales estables

separación control/potencia

protecciones activas

contactores funcionales

temporizadores calibrados

operación continua

🧠 lógica correcta        ↓⚙️ control estable        ↓⚡ potencia segura        ↓✅ automatización confiable

PLC

automatización avanzada

SCADA

control industrial

industria 4.0

🔧 electricista      ↓⚙️ técnico de control      ↓🖥️ automatización industrial      ↓🏭 especialista avanzado

Si dominas esta unidad:

Implementas automatización básica real

Trabajas con lógica industrial

Diagnosticas sistemas complejos

Separas correctamente control y potencia

Comprendes diagramas ladder

Accedes a trabajos de mayor valor

“El técnico conecta…

el especialista controla.”

Esta unidad transforma al alumno:

de:

instalador eléctrico

técnico de control y automatización

Porque el verdadero valor moderno:

NO está en mover energía.

Está en decidir inteligentemente cuándo, cómo y por qué debe moverse.

La automatizacion no reemplaza al ingeniero — le da superpoderes. El profesional que entiende tanto el hardware como el software de control, domina la industria moderna.

A. ARQUITECTURA DE CONTROL INDUSTRIAL

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La arquitectura de control industrial define COMO se organiza jerarquicamente la toma de decisiones en una planta. Comprender esta estructura es fundamental para disenar, operar y diagnosticar sistemas modernos.

Piramide de Automatizacion (ISA-95)

La norma ISA-95 define 5 niveles de control:

Nivel 0 — Campo (Field Level)

Sensores, actuadores, motores, valvulas. Es el mundo fisico: temperatura, presion, posicion, flujo.

Nivel 1 — Control Basico (Basic Control)

PLCs, drives, relays de control. Ejecutan la logica directa en tiempo real (ciclos de 1–100 ms).

Nivel 2 — Control de Supervision (Supervisory Control)

SCADA, HMI locales. Monitorean multiples PLCs, generan alarmas, registran historicos.

Nivel 3 — Control de Produccion (MES)

Manufacturing Execution Systems. Gestionan ordenes de produccion, trazabilidad, calidad, eficiencia OEE.

Nivel 4 — Gestion Empresarial (ERP)

SAP, Oracle. Planificacion de recursos: inventario, finanzas, logistica, mantenimiento preventivo.

PIRAMIDE DE AUTOMATIZACION INDUSTRIAL (ISA-95)
════════════════════════════════════════════════════════
╔══════════════════╗
║  NIVEL 4 - ERP   ║  📊 SAP / Oracle
║  Gestion Global  ║  Planificacion
╚════════╦═════════╝
╔═════════════╩══════════════╗
║   NIVEL 3 - MES            ║  🏭 Produccion
║   Manufactura / OEE        ║  Trazabilidad
╚══════════╦═════════════════╝
╔════════════════╩══════════════════════╗
║   NIVEL 2 - SCADA / HMI               ║  🖥️ Supervision
║   Monitoreo / Alarmas / Historicos     ║  Reportes
╚═════════════╦═════════════════════════╝
╔═══════════════════╩═════════════════════════════╗
║   NIVEL 1 - PLC / DRIVES / RELAYS              ║  ⚙️ Control
║   Logica de control en tiempo real              ║  1-100 ms
╚══════════════════╦══════════════════════════════╝
╔═══════════════════════╩══════════════════════════════════╗
║   NIVEL 0 - CAMPO: Sensores / Motores / Valvulas        ║  🔧 Fisico
║   Temperatura | Presion | Posicion | Flujo | Corriente  ║
╚═════════════════════════════════════════════════════════╝
Latencia: ms ←─────────────────────────────→ dias
Ciclo:    rapido ←──────────────────────→ lento</code></pre>



B. CONTACTORES Y RELEVADORES — ANATOMIA Y SELECCION PROFESIONAL
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Anatomia Interna de un Contactor
Un contactor no es simplemente un interruptor grande. Es un dispositivo electromagnetico de precision con las siguientes partes criticas:
1. Nucleo Magnetico Fijo — Parte estacionaria que forma el circuito magnetico. Fabricado en laminas de acero silicio para reducir perdidas por corrientes de Foucault.
2. Bobina (Coil) — Devanado de cobre que genera el campo magnetico al recibir tension de control (24VDC, 110VAC o 220VAC). Si la bobina falla: el contactor no engancha.
3. Armadura (Armature) — Parte movil del nucleo. Al magnetizarse, se atrae hacia el nucleo fijo cerrando los contactos principales.
4. Contactos Principales (3 polos) — Conducen la corriente de carga (motor). Fabricados en aleacion de plata-cadmio por su resistencia al arco electrico.
5. Contactos Auxiliares — Contactos de baja corriente (max 10A) para circuitos de control. Pueden ser NA (normalmente abiertos) o NC (normalmente cerrados).
6. Camara de extincion de arco — Divide y enfria el arco electrico al abrir bajo carga. Critica para la vida util del contactor.


Tabla de Seleccion de Contactores por Motor (IEC 947-4 / NEMA)
| Potencia Motor  | Corriente Nominal | Corriente de Arranque | Contactor | Rele Termico | Fusible |
| --------------- | ----------------- | --------------------- | --------- | ------------ | ------- |
| 1 HP / 0.75 kW  | 2.5 A             | 15 A                  | 9A / AC3  | 2–3.2 A      | 6 A     |
| 3 HP / 2.2 kW   | 6 A               | 36 A                  | 12A / AC3 | 5–8 A        | 16 A    |
| 5 HP / 3.7 kW   | 9 A               | 54 A                  | 18A / AC3 | 7–10 A       | 25 A    |
| 10 HP / 7.5 kW  | 16 A              | 96 A                  | 25A / AC3 | 13–18 A      | 40 A    |
| 15 HP / 11 kW   | 22 A              | 132 A                 | 32A / AC3 | 18–25 A      | 63 A    |
| 25 HP / 18.5 kW | 37 A              | 222 A                 | 50A / AC3 | 30–40 A      | 100 A   |
| 50 HP / 37 kW   | 68 A              | 408 A                 | 95A / AC3 | 57–75 A      | 200 A   |
Categoria AC3: Para motores de induccion en arranque directo — la mas comun en industria.
Categoria AC1: Para cargas resistivas (calefactores, hornos).
Categoria AC4: Para arranque y frenado a contracorriente — contactores sobredimensionados.
CIRCUITO DE CONTROL — CONTACTOR CON AUTOMANTENIMIENTO
════════════════════════════════════════════════════════════════
LINEA L1 ──┬──[F1]────[STOP NC]────[START NA]────┬──[KM1]──┐
│                                      │         │
│                              [KM1 aux NA]      │
│                                      │         │
└──────────────────────────────────────┘         │
│
LINEA N ───────────────────────────────────────────────────┘
LEYENDA:
[F1]       = Fusible de control (2A)
[STOP NC]  = Pulsador paro — Normalmente Cerrado (NC)
[START NA] = Pulsador arranque — Normalmente Abierto (NA)
[KM1]      = Bobina del contactor principal
[KM1 aux]  = Contacto auxiliar NA de KM1 (AUTOMANTENIMIENTO)
SECUENCIA DE OPERACION:
1. Presionar START → corriente fluye → bobina KM1 energiza
2. KM1 cierra contactos principales → motor arranca
3. KM1 cierra contacto auxiliar NA → SELLA el circuito
4. Soltar START → el auxiliar mantiene la bobina energizada
5. Presionar STOP → abre circuito → bobina desenergiza → motor para
6. KM1 abre auxiliar → circuito queda abierto (listo para siguiente arranque)</code></pre>


C. DIAGRAMAS LADDER — LENGUAJE NATIVO DEL PLC
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El diagrama Ladder (o escalera) es el lenguaje de programacion mas universal de los PLCs. Simula visualmente la logica de relays electromagneticos y es estandarizado por IEC 61131-3.


Guia Completa de Simbolos Ladder
| Simbolo    | Nombre               | Tipo    | Funcion                                      |
| ---------- | -------------------- | ------- | -------------------------------------------- |
| --[ ]--   | Contacto NA          | Entrada | Se activa cuando la bobina asociada esta ON  |
| --[/]--   | Contacto NC          | Entrada | Se activa cuando la bobina asociada esta OFF |
| --( )--   | Bobina de salida     | Salida  | Se energiza si el renglon tiene continuidad  |
| --(S)--   | Set (enclavamiento)  | Salida  | Activa y permanece ON hasta Reset            |
| --(R)--   | Reset                | Salida  | Desactiva una bobina Set                     |
| --[TON]-- | Timer ON-Delay       | Funcion | Activa salida despues de tiempo T            |
| --[TOF]-- | Timer OFF-Delay      | Funcion | Desactiva salida despues de tiempo T         |
| --[CTU]-- | Contador ascendente  | Funcion | Cuenta flancos de subida hasta valor preset  |
| --[CTD]-- | Contador descendente | Funcion | Cuenta hacia abajo desde preset              |
| --[CMP]-- | Comparador           | Funcion | Compara valores: >, <, =, >=, <=             |
| --[MOV]-- | Mover dato           | Funcion | Transfiere valor de una variable a otra      |


Programa Ladder Completo — Arranque de Motor con Temporizador
Problema de Ingenieria: Un motor de ventilacion debe arrancar 5 segundos despues de presionar START. El paro es inmediato con STOP o si el rele termico dispara.
PROGRAMA LADDER — MOTOR CON RETARDO DE ARRANQUE (TON 5s)
══════════════════════════════════════════════════════════════
RENGLÓN 001 — Activar temporizador de arranque
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                                                         │
│  I:0/0         I:0/1         I:0/2          B3/0        │
├──[ START ]───[/STOP ]───[/TERMICO]────────┤ TIMER_EN ├──┤
│  (NA)         (NC)          (NC)                        │
│                                                         │
│                     + B3/0 (automantenimiento)          │
│              ────────[ ]───────────────────────────────┤ │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
RENGLÓN 002 — Temporizador TON 5 segundos
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│  B3/0                                                   │
├──[ TIMER_EN ]────────────────────────[TON T4:0 PT=5s]──┤
│                                      Preset: 5.000 s    │
│                                      Acc:    0.000 s    │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
RENGLÓN 003 — Energizar motor cuando TON completa
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│  T4:0/DN                                                │
├──[ TON_DONE ]────────────────────────────( KM1_MOTOR )──┤
│   (bit DN del timer)                     O:0/0          │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
RENGLÓN 004 — Luz piloto VERDE cuando motor corre
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│  O:0/0                                                  │
├──[ KM1_MOTOR ]───────────────────────────( LUZ_VERDE )──┤
│                                           O:0/1         │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
RENGLÓN 005 — Luz piloto ROJA cuando motor parado
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│  O:0/0                                                  │
├──[/KM1_MOTOR ]───────────────────────────( LUZ_ROJA )───┤
│   (NC)                                    O:0/2         │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
MAPA DE I/O:
Entradas (I:0)     Salidas (O:0)       Bits Internos (B3)
/0 = START         /0 = KM1 contactor  /0 = TIMER_EN
/1 = STOP          /1 = Luz Verde
/2 = Termico       /2 = Luz Roja</code></pre>


D. METODOS DE ARRANQUE DE MOTORES — COMPARATIVA PROFESIONAL
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La seleccion del metodo de arranque es una decision de ingenieria critica que impacta la vida util del motor, la estabilidad de la red electrica y los costos operativos.


Tabla Comparativa de Metodos de Arranque
| Metodo                       | Corriente Arranque | Torque Arranque | Costo      | Aplicacion Tipica                    |
| ---------------------------- | ------------------ | --------------- | ---------- | ------------------------------------ |
| Directo (DOL)                | 6–8x In            | 100%            | Muy bajo   | Motores < 5 HP, carga ligera         |
| Estrella-Delta (Y-D)         | 2–3x In            | 33%             | Bajo       | Motores 5–75 HP, sin carga inicial   |
| Arranque Suave (Softstarter) | 3–4x In            | Ajustable       | Medio      | Bombas, compresores, ventiladores    |
| Variador de Frecuencia (VFD) | 1–1.5x In          | 100-150%        | Alto       | Control de velocidad, ahorro energia |
| Autotransformador            | 2–4x In            | 40–64%          | Medio-alto | Motores grandes, arranque cargado    |
| Resistencias de Arranque     | 3–5x In            | 50–70%          | Bajo-medio | Motores DC, gruas, montacargas       |


Analisis Profundo: Arranque Estrella-Delta (Y-D)
El mas implementado en industria mexicana para motores 5–75 HP. Requiere que el motor tenga acceso a los 6 terminales del devanado (U1,V1,W1 y U2,V2,W2).
Fase ESTRELLA (arranque, 0–5 seg)
Fase DELTA (operacion normal, despues de 5 seg)
Requisito critico: El motor debe ser de diseño para DELTA (6 terminales). Si el motor es para 220V delta, solo puede usarse en arranque Y-D en redes de 220V. Para redes de 440V, el motor debe ser de 440V delta.

Tension en cada bobina = V_linea / √3 = 220V / 1.732 = 127V
Corriente = I_nominal / 3
Torque disponible = Torque_nominal / 3 = 33%
Proposito: limitar corriente de arranque para no afectar la red
Tension en cada bobina = V_linea = 220V
Motor trabaja a plena potencia y torque
Transicion controlada por temporizador (tipico: 3–8 segundos)



Variador de Frecuencia (VFD) — La Tecnologia Dominante
El VFD es hoy la tecnologia de arranque y control mas avanzada y eficiente disponible:
Como funciona: Rectifica la CA de entrada a CD, luego invierte a CA con frecuencia y voltaje variables mediante PWM (Pulse Width Modulation) con transistores IGBT.
Ventajas ingenieriles:
ARQUITECTURA INTERNA DE UN VFD (Variador de Frecuencia)
════════════════════════════════════════════════════════════════
RED ELECTRICA          ETAPA           ETAPA              MOTOR
3 FASES                RECTIFICADORA   INVERSORA
460 VAC / 60 Hz                                           460 VAC
0–60 Hz
L1 ──┐              ╔══════════╗    ╔══════════════╗    ╔══════╗
L2 ──┼──[FILTRO]───║ PUENTE   ║────║   IGBT       ║────║ M    ║
L3 ──┘   EMI       ║ DIODOS   ║    ║   PWM        ║    ║      ║
║ (AC→DC)  ║    ║   (DC→AC)    ║    ╚══════╝
╚═════╦════╝    ╚══════╦═══════╝
║                ║
╔═════╩════╗    ╔══════╩═══════╗
║  BUS DC  ║    ║  CPU CONTROL ║
║ 650 VDC  ║    ║  + DSP       ║
║ +CAPACIT.║    ║  Modulacion  ║
╚══════════╝    ╚══════════════╝
PARAMETROS TIPICOS DE CONFIGURACION:
P001 = Frecuencia maxima     = 60 Hz
P002 = Tiempo de aceleracion = 5–30 s   (segun carga)
P003 = Tiempo de deceleracion= 5–30 s   (segun inercia)
P004 = Frecuencia minima     = 5 Hz     (ventilacion motor)
P005 = Frecuencia de boost   = 3%       (torque arranque)
P010 = Fuente de referencia  = 0=Panel / 1=4-20mA / 2=485
P011 = Modo de control       = 0=V/f / 1=Vector / 2=FOC</code></pre>

Control de velocidad 0–120% de la nominal (y mas)
Ahorro de energia hasta 50% en cargas de par variable (bombas, ventiladores)
Corriente de arranque minima (1–1.5x nominal)
Protecciones integradas: sobrecorriente, sobrevoltaje, baja tension, alta temperatura
Comunicacion industrial: Modbus RTU/TCP, Profibus, EtherNet/IP, PROFINET



Anatomia de un PLC Industrial
Un PLC (Programmable Logic Controller) es una computadora industrial disenada para operar en ambientes hostiles (vibracion, temperatura, polvo, EMI). Sus componentes principales:
CPU (Unidad Central de Proceso)
El cerebro del PLC. Ejecuta el programa de control en ciclos repetitivos (scan cycle). Memoria tipica: RAM para datos en ejecucion, EEPROM/Flash para el programa (retiene sin bateria). Procesadores modernos: 32-bit ARM o x86, velocidad de scan 0.1–10 ms.
Modulos de Entrada Digital (DI)
Convierten senales de campo (24VDC, 120VAC) a logica interna (0/1). Tienen aislamiento optico (optoacopladores) para proteger la CPU de picos de voltaje y ruido electrico.
Modulos de Salida Digital (DO)
Tipos: Relay (universal, lento, hasta 250VAC/8A), Transistor NPN/PNP (rapido, 24VDC/0.5A), Triac (CA, sin contacto mecanico).
Modulos de Entrada Analogica (AI)
Convierten senales continuas del campo (0-10V, 4-20mA, termopar, RTD) a valores numericos digitales (tipicamente 0–4095 para 12 bits, 0–32767 para 15 bits).
Modulos de Salida Analogica (AO)
Generan senales continuas (4-20mA, 0-10V) para controlar VFDs, valvulas proporcionales, posicionadores.
Fuente de Alimentacion
Convierte AC de planta (120/220VAC) a las tensiones internas del PLC (tipico: 5VDC backplane, 24VDC logica). Debe tener proteccion contra picos y capacidad de hold-up (manten 20ms sin alimentacion).
Modulos de Comunicacion
Ethernet/IP, Profibus DP, DeviceNet, Modbus RTU, AS-i, IO-Link. Permiten conectar el PLC a redes industriales, SCADA y otros dispositivos.


El Ciclo de Scan del PLC
El PLC ejecuta continuamente un ciclo de 4 etapas:
CICLO DE SCAN DEL PLC — Ejecucion continua (tipico 1–20 ms)
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║                                                          ║
║   PASO 1: LECTURA DE ENTRADAS (Input Scan)              ║
║   Lee TODOS los modulos de entrada y copia              ║
║   su estado a la tabla imagen de entradas (IIT)         ║
║   Duracion: ~0.1 ms                                     ║
║                             │                           ║
║                             ▼                           ║
║   PASO 2: EJECUCION DEL PROGRAMA (Program Scan)        ║
║   Ejecuta el programa Ladder renglon por renglon        ║
║   Usa IIT como fuente, escribe en OIT (tabla salidas)   ║
║   Duracion: 1–10 ms (segun complejidad del programa)    ║
║                             │                           ║
║                             ▼                           ║
║   PASO 3: ESCRITURA DE SALIDAS (Output Scan)           ║
║   Copia la tabla imagen de salidas (OIT) a              ║
║   los modulos de salida fisicos                         ║
║   Duracion: ~0.1 ms                                     ║
║                             │                           ║
║                             ▼                           ║
║   PASO 4: HOUSEKEEPING / COMUNICACIONES                ║
║   Actualiza relojes, atiende puertos seriales,          ║
║   procesa mensajes de red, watchdog reset               ║
║   Duracion: variable                                    ║
║                             │                           ║
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│
(regresa a PASO 1 — repeticion infinita)
NOTA CRITICA: Las entradas se leen UNA VEZ al inicio del scan.
Cambios en entradas durante el scan NO se detectan hasta el proximo ciclo.
Para entradas criticas de alta velocidad → usar interrupciones de hardware.</code></pre>



Errores comunes

<pre class="wx-lesson-code"><code>❌ contactor sin protección          ↓🔥 sobrecorriente          ↓💥 daño seguro</code></pre>
<pre class="wx-lesson-code"><code>❌ botones manejando potencia directa          ↓🔥 daño de contactos          ↓⚡ falla</code></pre>