2. Representación y simbología de las instalaciones automatizadas. Introducción

Introducción a la representación gráfica en automatización

La automatización industrial requiere un lenguaje técnico universal, preciso y riguroso para la concepción, diseño, montaje, puesta en marcha y mantenimiento de las instalaciones eléctricas. Este lenguaje se fundamenta en la representación gráfica y la simbología estandarizada. La complejidad creciente de los sistemas automatizados, que integran tecnologías eléctricas, neumáticas, hidráulicas y electrónicas, hace imprescindible disponer de esquemas claros y normalizados que permitan a cualquier profesional cualificado interpretar el funcionamiento del sistema, independientemente de quién lo haya diseñado o en qué país se haya fabricado. En esta sección introductoria, exploraremos los principios fundamentales de la representación de instalaciones automatizadas y la normativa que rige su simbología.

Un esquema eléctrico es la representación gráfica de un circuito o instalación eléctrica, en la que se utilizan símbolos normalizados para representar los diferentes componentes y líneas para representar las conexiones eléctricas entre ellos. El objetivo principal de un esquema no es mostrar la disposición física real de los componentes en el espacio (como lo haría un plano de montaje o de implantación), sino ilustrar la lógica de funcionamiento, las relaciones de dependencia funcional y la secuencia de operación del sistema automatizado. Por lo tanto, en un esquema eléctrico, los componentes se disponen de manera que el flujo de señales y la secuencia lógica sean lo más fáciles de seguir posible, generalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo.

Normativa internacional y estandarización

Para garantizar la universalidad del lenguaje gráfico, la representación y simbología eléctrica están regidas por normas internacionales. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission) es la organización líder a nivel mundial en la elaboración y publicación de normas internacionales para todas las tecnologías eléctricas, electrónicas y afines. En el ámbito europeo, estas normas son adaptadas por el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica (CENELEC) y publicadas como normas EN (European Norms). En España, la Asociación Española de Normalización y Certificación (AENOR) se encarga de la adopción de estas normas, convirtiéndolas en normas UNE-EN.

La norma fundamental que regula la preparación de documentos utilizados en electrotecnia es la IEC 61082. Esta norma establece los principios generales de representación, las reglas para la elaboración de esquemas, diagramas y tablas, y los métodos de identificación de elementos. En cuanto a la simbología propiamente dicha, la norma de referencia es la IEC 60617 (anteriormente IEC 117), adoptada en España como UNE-EN 60617. Esta norma define los símbolos gráficos para esquemas eléctricos, cubriendo una amplísima gama de componentes: desde conductores y elementos de conexión, hasta dispositivos de conmutación, relés, instrumentos de medida y semiconductores. El uso estricto de la simbología recogida en la IEC 60617 es un requisito indispensable en la elaboración de documentación técnica profesional.

Tipos de esquemas en instalaciones automatizadas

En el diseño de sistemas automatizados con lógica cableada o programable, se emplean principalmente dos tipos de esquemas complementarios pero funcionalmente distintos: el esquema de fuerza (o de potencia) y el esquema de mando (o de maniobra). La separación de ambos circuitos en esquemas independientes facilita enormemente la comprensión del sistema, el diseño y, sobre todo, las labores de localización de averías.

• Esquema de fuerza o potencia: Representa la parte del circuito encargada de alimentar a los receptores principales o actuadores del sistema (motores trifásicos, resistencias de calentamiento, electroválvulas de gran potencia, etc.). Este circuito maneja tensiones e intensidades elevadas (habitualmente 400V en corriente alterna trifásica en Europa) y está compuesto por elementos de protección (fusibles, guardamotores, disyuntores magnéticos), elementos de conmutación de potencia (contactos principales de contactores) y los propios receptores. El esquema de fuerza se dibuja tradicionalmente en la parte izquierda del plano o en una página dedicada, con una disposición vertical de las líneas de alimentación trifásica.
• Esquema de mando o maniobra: Representa la "inteligencia" del automatismo. Es el circuito que procesa las señales de entrada (procedentes de pulsadores, interruptores, detectores de proximidad, finales de carrera) y, mediante una lógica cableada basada en relés auxiliares, temporizadores y contactos auxiliares de contactores, determina en qué momento deben activarse las bobinas de los contactores para gobernar el circuito de fuerza. El circuito de mando trabaja a tensiones e intensidades mucho menores por razones de seguridad (generalmente 24V DC, 24V AC, 110V AC o 230V AC). Este esquema se diseña para que la lectura de las secuencias lógicas sea clara y evidente, colocando las alimentaciones en líneas horizontales paralelas y las ramas de control en líneas verticales entre ellas.

Identificación de elementos y referencias cruzadas

Además de la representación gráfica mediante símbolos, cada componente en un esquema automatizado debe estar unívocamente identificado mediante un sistema de marcado de elementos o designación de referencia. La norma IEC 81346 establece los principios de estructuración y las reglas de marcado. Tradicionalmente (e influenciado por normativas previas como la IEC 61346), la designación de un componente se compone de una letra que indica su clase (por ejemplo, 'K' para relés y contactores, 'S' para aparatos de conexión de circuitos de mando como pulsadores, 'Q' para aparatos de conexión de circuitos de potencia, 'M' para motores, 'F' para dispositivos de protección) seguida de un número de orden para distinguir elementos de la misma clase (K1, K2, Q1, S1, S2, etc.).

Un aspecto crítico en la documentación técnica es el sistema de referencias cruzadas. Dado que un mismo componente físico (por ejemplo, un contactor) puede tener su bobina representada en la página 3 del esquema de mando, sus contactos principales en la página 1 del esquema de fuerza, y varios contactos auxiliares repartidos entre las páginas 4, 5 y 6, es necesario un mecanismo visual para vincular todas estas partes. Las referencias cruzadas se sitúan típicamente debajo o al lado de la bobina del relé/contactor, indicando mediante coordenadas de plano (página y columna) la ubicación exacta de cada uno de sus contactos, y especificando si se trata de contactos normalmente abiertos (NO) o normalmente cerrados (NC).

Marcado de bornes

El marcado de los terminales o bornes de los aparatos está también normalizado para prevenir errores de cableado. Para los contactores y relés, las bobinas se marcan habitualmente con A1 y A2. Los contactos principales del circuito de potencia se numeran con una sola cifra: del 1 al 6 (1-2, 3-4, 5-6 para un contactor trifásico). Por el contrario, los contactos auxiliares del circuito de mando se identifican con un número de dos cifras. La primera cifra (cifra de las decenas) indica el número de orden del contacto dentro del aparato, mientras que la segunda cifra (cifra de las unidades) indica la función del contacto: las terminaciones .1-.2 y .3-.4 (por ejemplo, 11-12 o 13-14) se utilizan habitualmente, aunque normativamente las terminaciones 1-2 indican un contacto normalmente cerrado (NC - Normally Closed) de apertura, y las terminaciones 3-4 indican un contacto normalmente abierto (NO - Normally Open) de cierre. Otras numeraciones (5-6, 7-8) se reservan para contactos de funciones especiales (temporizados, protección, etc.).

Software de diseño asistido para esquemas eléctricos

A la hora de elaborar estos esquemas eléctricos, los diseñadores modernos emplean herramientas de diseño asistido por ordenador específicas para la ingeniería eléctrica (CAD eléctrico), tales como EPLAN Electric P8, AutoCAD Electrical, o SolidWorks Electrical. Estos programas de software no son simples editores de dibujo vectorial, sino verdaderas bases de datos de ingeniería. Cuando un técnico inserta el símbolo de un contactor en el esquema, el software automáticamente le asocia sus propiedades electromecánicas, le asigna una designación de referencia única, comprueba que no se superen los contactos auxiliares disponibles en ese modelo específico de contactor, y genera la referencia cruzada en tiempo real hacia todas las páginas donde se estén utilizando sus contactos. Asimismo, estas herramientas de CAD eléctrico son capaces de generar de forma automática toda la documentación derivada del proyecto que es fundamental para el cuadrista: la lista de materiales (BOM - Bill of Materials), el listado de cables, las regletas de bornes, y los planos de disposición física del cuadro.

Es fundamental también mencionar las reglas de marcado para elementos como borneros o regletas de conexiones. En un cuadro eléctrico industrial, las señales hacia y desde el campo (sensores, motores, botoneras remotas) no se cablean directamente a los dispositivos internos del cuadro, sino que pasan a través de regletas de bornes de paso situadas habitualmente en la parte inferior del armario. La designación estándar para estas regletas utiliza el prefijo 'X' seguido de un número (por ejemplo, X1 para fuerza, X2 para mando analógico, X3 para mando digital). Cada borne individual dentro de la regleta se numera secuencialmente (X1:1, X1:2, X1:3). Esta práctica no solo facilita la conexión inicial en la fase de montaje e instalación en planta, sino que resulta invaluable durante las tareas de mantenimiento, al proporcionar puntos de medida accesibles y seguros para la comprobación de tensiones e intensidades con el multímetro o la pinza amperimétrica sin necesidad de intervenir directamente sobre los terminales de los contactores o el autómata programable (PLC).

Otro aspecto sumamente relevante en la representación de instalaciones automatizadas es la simbología de los dispositivos de detección, que constituyen los sentidos del sistema de control. Los detectores de proximidad inductivos, capacitivos, fotoeléctricos o ultrasónicos se representan mediante un símbolo básico que indica un contacto (normalmente abierto o cerrado) encerrado en un rombo o cuadrado, acompañado de símbolos complementarios que especifican la tecnología de detección. Por ejemplo, un detector inductivo incluirá el símbolo de una bobina, mientras que un detector fotoeléctrico incorporará flechas onduladas representando la emisión o recepción de luz. Además de la función lógica, el esquema debe indicar claramente la polaridad de conexionado de estos sensores, especialmente en los dispositivos de estado sólido a tres o cuatro hilos (tipo PNP o NPN en corriente continua), donde un error en el cableado puede provocar la destrucción inmediata del sensor o de la tarjeta de entrada del autómata programable.

Finalmente, no podemos obviar la representación de los elementos de seguridad y protección para las personas y para la propia instalación. Las paradas de emergencia, cuyo correcto funcionamiento es crítico, se representan mediante pulsadores con retención mecánica, típicamente con cabeza de seta (indicada mediante un arco de circunferencia sobre el eje del pulsador) y contactos de apertura positiva (representados por un pequeño círculo en el símbolo del contacto). Estos elementos se conectan siempre de manera que abran el circuito, obligando al sistema a entrar en un estado seguro ante cualquier interrupción del cable (principio de seguridad por ruptura o 'fail-safe'). Asimismo, los relés térmicos para protección de motores se dibujan con un símbolo de cuadrado con un lado abierto o un símbolo de diente de sierra, indicando su funcionamiento bimetálico dependiente de la temperatura generada por sobrecorrientes, asociados estrechamente al símbolo del contactor de línea del motor al que protegen.

La correcta aplicación de estos principios de representación gráfica, identificación de componentes y numeración de bornes no es meramente una cuestión de convención estética, sino un requerimiento indispensable para la seguridad intrínseca de la instalación y de los técnicos que operan y mantienen los equipos. Un esquema correctamente elaborado bajo las normas IEC permite realizar el seguimiento del cableado de forma sistemática y segura, reduciendo drásticamente los tiempos de inactividad de las máquinas en caso de avería y minimizando el riesgo de accidentes eléctricos durante las intervenciones de mantenimiento correctivo y preventivo.

Figura: Ejemplo conceptual de la separación entre esquema de fuerza y mando.

El dominio de esta simbología es el primer paso indispensable para cualquier profesional que desee adentrarse en el diseño de cuadros eléctricos y la automatización de procesos industriales. En los próximos capítulos, desglosaremos en detalle cada familia de símbolos gráficos, estudiando su comportamiento eléctrico, su representación estandarizada y su aplicación práctica en circuitos de control habituales.