INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL -...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“DISEÑO DE UN LAZO DE CONTROL

PARA UN ACTUADOR LINEAL”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN:

DE LA CRUZ ARTEAGA JHOVANY

MIRANDA LEGORRETA VICTOR URIEL

ASESORES:

M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZALEZ M. EN C. JOSÉ DARIO BETANZOS

INSTITUTO POLITÈCNICO NACIONAL

Introducción. i

Introducción.

Al hacer el análisis de ingeniería de cualquier sistema, el procedimiento básico es formular inicialmente las ecuaciones que lo describen aplicando las leyes de física. El segundo paso es resolver estas ecuaciones de tal manera que se pueda obtener información útil. Cada nuevo sistema que se encuentre puede tratarse de esta forma, pero si los sistemas tienen descripciones matemáticas similares, entonces la mayoría de esta labor se repite innecesariamente para cada sistema analizado. Por lo tanto, si se ve que las ecuaciones de varios sistemas son similares o idénticas, se dice que estos son análogos y las ecuaciones solo necesitan resolverse una vez para proporcionar un análisis de los diferentes sistemas. Cuando un sistema físico resulta análogo a otros sistemas físicos, y es seleccionado para representarlos en procesos analíticos, este sistema se llama modelo. De manera similar, cuando se programa una computadora digital para analizar un sistema, las ecuaciones que se usan con mayor frecuencia se denominan modelo matemático del sistema. Cuando se decide usar un modelo de análisis de un sistema, o una clase de sistemas, la elección del modelo dista mucho de ser arbitraria. El modelo, naturalmente, debe ser familiar al que lo analiza puesto que uno de los principales propósitos del método es simplificar la labor; un problema familiar permite una rápida manipulación. El modelo debe ser capaz de representar el sistema verdadero tan exactamente como se requiera para los propósitos de análisis. El control ha jugado un papel vital en el avance de la ciencia y de la ingeniería. Además de su extrema importancia en vehículos espaciales, sistemas de guía de proyectiles, sistemas piloto automático de aeronaves, sistemas robóticos y otros. También resulta esencial en operaciones industriales como el control de presión, temperatura, humedad y viscosidad, y flujo en las industrias de transformación. Control significa medir el valor de la variable controlada del sistema, aplicar al sistema la variable manipulada para corregir o limitar la desviación del valor medido, respecto al valor deseado. Se implementa un convertidor CD/CD para controlar el cambio de giro de un motor de CD que mueve el vástago de un actuador lineal, así como la implementación de un control PWM para regular la velocidad del mismo. Se realizan las pruebas a estos circuitos electrónicos para corroborar su correcto funcionamiento. Se describe también como realizar la integración de un Controlador Lógico Programable a estos elementos, para crear un lazo de control cerrado y tener así mayor exactitud en las secuencias de operación necesarias para diferentes tipos de aplicaciones.


Objetivos y Justificación. ii

Objetivo General.

Controlar la posición de un actuador lineal de CD por medio de la integración del convertidor de CD/CD y la señal de retroalimentación hacia un controlador lógico programable. Objetivos Específicos.

1.- Seleccionar los dispositivos necesarios para el desarrollo del proyecto. 2.- Construir y realizar pruebas a los circuitos electrónicos necesarios para este proyecto. 3.- Mostrar la forma en que se integra el Controlador Lógico Programable a un lazo de control. 4.- Realizar la programación necesaria para controlar la posición del actuador lineal con distintos parámetros para varias secuencias en su funcionamiento (desplazamiento del vástago).

Justificación.

En la actualidad los actuadores son muy utilizados en la industria y existen diferentes tipos de estos, dependiendo de la aplicación que se le quiera dar, por lo tanto es necesario conocer qué beneficios ofrece cada uno para así seleccionar el más adecuado y de esta manera satisfacer las necesidades del proceso o aplicación. Con la sustitución de cilindros hidráulicos y neumáticos del tipo ON/OFF por actuadores lineales eléctricos se obtiene una instalación más sencilla y pequeña, además de un control más fácil considerando que los actuadores lineales pueden posicionarse en diferentes puntos. La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo requieren de energía eléctrica como fuente de poder. En función a lo anterior, en este trabajo se desarrolla el convertidor de CD/CD para accionar a los actuadores lineales en todo el rango de extensión del vástago, así como el PWM para controlar la velocidad con la cual este puede operar, siendo necesaria la integración de estos elementos a un controlador lógico programable para que este coordine la secuencia de operación del actuador lineal.

Algunas de las principales características de los actuadores lineales eléctricos son:

Menos costos energéticos

• Los componentes de los actuadores eléctricos cuestan menos que los sistemas hidráulicos y neumáticos equivalentes.


Objetivos y Justificación. iii

• Es más fácil y rápido instalar un solo actuador lineal eléctrico que los múltiples componentes hidráulicos y neumáticos necesarios para lograr la misma función, con lo que se reduce el tiempo y el coste de la instalación. • No es necesario el funcionamiento continuo de una bomba, ni se consume corriente para mantener una carga en su posición.

Mayor exactitud

• Mantienen la posición cuando están desconectados, con lo que no es necesario mantener una bomba en funcionamiento. • No se mueven al cortar la alimentación. Menos mantenimiento

• Sin bombas, válvulas ni mangueras hidráulicas, hay menos piezas que se estropeen o se desgasten. • No es necesario redimensionar ni cambiar componentes hidráulicos, ni abrir el sistema para añadir componentes. • Interruptores programables o finales de carrera que alargan la vida del actuador, lo que evita costosos mantenimientos y sustituciones. • Eliminan los costes y el engorro propios del mantenimiento de fluidos.

Menos ruido

• Funcionamiento suave y silencioso sin presencia de bombas, presión neumática y fluidos. Entorno más limpio y saludable

• Como no necesitan fluidos, productos químicos ni disolventes para funcionar, no puede haber fugas ni contaminación del medio ambiente. • Su diseño compacto implica que se necesitan menos materiales en producción. • Con las plantas de fabricación y distribución regionales, no es necesario transportar lejos el producto, lo cual reduce las emisiones de CO2.


Índice. iv

ÍNDICE Página

Introducción. i

Objetivo General. ii

Objetivos Específicos. ii

Justificación. ii

Capítulo 1

El motor de C.D. 1.1.- Definición. 01 1.2.- Partes constitutivas. 01 1.2.1.- Inductor. 03 1.2.2.- Inducido. 03 1.3.- Principio de funcionamiento. 04 1.3.1.- Fuerza sobre un conductor. 06 1.3.2.- Regla de Fleming. 06 1.3.3.- Par de fuerzas desarrolladas en una bobina. 07 1.3.4.- Par de fuerzas desarrolladas en el inducido del motor. 07 1.4.- Modelado matemático de un motor de C.D. 08 1.4.1.- Modelado No lineal de un motor de C.D. 11

Capítulo 2

Descripción de Elementos. 2.1.- Actuador. 15

2.1.1.- Actuador lineal. 15 2.1.1.1.- Actuador lineal eléctrico. 16 2.1.1.2.- Forma de trabajo. 17 2.1.2.- Actuador rotatorio. 18

2.2.- Convertidor CD/CD. 18 2.2.1.- Puente H. 18 2.2.1.1.- Aplicaciones. 19 2.2.1.2.- Montaje. 20 2.2.2.- Reguladores lineales de tensión. 20 2.2.3.- Convertidor conmutado básico. 21 2.2.4.- Convertidor reductor. 22 2.2.4.1.- Relación entre la tensión y la corriente. 23 2.2.5.- Convertidor elevador. 25 2.2.5.1.- Relación entre la tensión y la corriente. 25 2.2.6.- Convertidor reductor-elevador. 26 2.2.6.1.- Relación entre la tensión y la corriente. 27


Índice. v

Página

2.3.- Control PWM 28 2.3.1.- PWM bipolar. 29 2.3.2.- PWM unipolar. 30 2.3.2.1.- Parámetros importantes. 32 2.3.2.2.- Aplicaciones en motores. 33

2.4.- PLC 34 2.4.1.- Funcionamiento. 34 2.4.1.1.- Programación de la memoria de un PLC. 35 2.4.2.- Componentes principales. 36 2.4.2.1.- Funcionamiento del CPU. 38 2.4.2.2.- PLC´s y relevadores. 38 2.4.3.- Campos de aplicación del PLC. 38 2.4.4.- Selección del PLC. 39

Capítulo 3

Descripción de Elementos Utilizados. 3.1.- Actuador lineal POLOLU. 41

3.1.1.- Terminales. 42 3.1.2.- Dimensiones. 43

3.2.- Implementación del PWM. 44 3.2.1.- Funcionamiento del 555. 45 3.2.2.- Simulación. 47 3.2.3.- Implementación. 50

3.3.- Implementación del Puente H. 53 3.3.1. - Funcionamiento del circuito. 53

3.4.-MOELLER Easy 822. 56 3.4.1.- Posibilidades de uso. 57 3.4.2.- Dimensiones. 59 3.4.3.- Partes del módulo de control Easy 822. 61 3.4.3.1.- Indicador Led Easy 800. 63

Capítulo 4

Lazo de control para un actuador lineal. 4.1.- Definición. 65 4.2.- Elementos básicos. 66

4.2.1.- Variables consideradas. 67 4.2.2.- Diagrama de bloques. 67

4.3.- Lazo abierto. 69 4.4.- Lazo cerrado. 70 4.5.- Integración del Controlador Lógico Programable. 71 4.6.- Secuencia de operación para controlar la posición

de un actuador lineal. 73


Índice. vi

Página

4.6.1.- Comparador. 74 4.6.1.1.- Entradas. 76 4.6.1.2.- Contactos. 76 4.6.1.3.- Consumo del espacio de memoria del relé Contador. 76 4.6.2.- Relé temporizador. 76 4.6.2.1.- Cableado de un relé temporizador. 76 4.6.2.2.- Modo de funcionamiento de un relé temporizador. 76 4.6.2.3.- Cableado y parámetros para un relé temporizador. 77 4.6.2.4.- Activación de un relé temporizador. 77 4.6.2.5.- Valoración de un contacto de relé temporizador. 78 4.6.2.6.- Desactivación de un relé temporizador. 78 4.6.2.7.- Entradas. 82 4.6.2.8.- Salidas valor real QV. 82 4.6.2.9.- Valores asignados variables. 83 4.6.2.10.- Parámetros. 83 4.6.2.11.- Contactos. 83 4.6.2.12.- Bobinas. 83 4.6.2.13.- Consumo del espacio de memoria del relé temporizador. 83 4.6.1.14.- Remanencia. 83

4.7.- Configuración y programación del PLC. 84 4.7.1.- Operación Automática. 90 4.7.2.- Operación Manual. 101

Conclusiones. 107

Fuentes de información.

Bibliografía. 108

Anexos.

01.- Índice de tablas y figuras. 110


El motor de C.D. 1

Capítulo 1

El motor de C.D.

El dispositivo principal a controlar en este proyecto de tesis es un actuador lineal, el cual a su vez tiene como elemento principal el motor de C.D. (Corriente Directa) por lo cual es importante conocer los principios básicos de funcionamiento de este dispositivo. 1.1 Definición. El Motor de Corriente Directa es un dispositivo electromecánico cuya finalidad es la de transformar energía eléctrica a energía mecánica, provocando un movimiento rotatorio [1]. En la figura 1.1 se muestra una máquina de corriente directa, la cual es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de Control y Automatización de procesos.

Figura 1.1. Motor de C.D.

1.2 Partes constitutivas.

El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales:

• Inductor (Estator). • Inducido (Rotor).

Dentro de éstas se ubican los demás componentes como:


El motor de C.D. 2

• Pieza polar. • Núcleo. • Devanado inductor. • Expansión polar. • Núcleo del inducido. • Devanado inducido. • Colector. • Escobillas. La tabla 1 muestra la distribución de las piezas del motor:

Partes de un motor de C.D.

Inductor Inducido

Pieza polar. Núcleo del inducido.

Núcleo. Devanado inducido.

Devanado inductor. Colector.

Expansión polar. Escobillas.

Tabla 1. Partes constitutivas del motor de C.D.

La figura 1.2 muestra las partes constitutivas del motor de C.D.

Vista frontal Vista superior.

Figura 1.2. Partes constitutivas del motor de C.D.


El motor de C.D. 3

1.2.1 Inductor.

Es una de las dos partes fundamentales que forman una máquina eléctrica, se encarga de producir y de conducir el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio. Se le llama también estator por ser la parte fija de la máquina. El inductor, a su vez, consta de los siguientes elementos: • Pieza polar: Sujeta a la culata de la máquina, incluye al núcleo propiamente dicho y a su expansión. • Núcleo: Forma parte del circuito magnético de la máquina junto con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en él se encuentran los de-vanados inductores. • Devanado inductor: Está formado por el conjunto de es-piras que, en número prefijado para cada tipo de máquina, producirá el flujo magnético cuando circule la corriente eléctrica. • Expansión polar: Es la parte más ancha de la pieza polar y se encuentra próxima al inducido o rotor de la máquina [2].

1.2.2 Inducido. El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina de C.D. Se denomina también rotor por ser la parte giratoria de la misma, proporciona el torque para mover a la carga. El inducido, a su vez, consta de los siguientes elementos y se muestra en la figura 1.3.

Figura 1.3. Inducido.


El motor de C.D. 4

• Núcleo del inducido: Está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2 % de silicio para mejorar las pérdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la máquina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido. • Devanado inducido: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado. Se encuentra conectado al circuito exterior de la máquina a través del colector, y es en él donde se produce la conversión de energía. El hilo de cobre utilizado para los devanados inducido e inductor es de cobre electrolítico. • Colector: Es un conjunto de láminas de cobre, denominadas delgas, aisladas entre sí y conectadas a las secciones del devanado del inducido. Sobre las delgas se deslizan las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también cepillos). • Escobillas: Generalmente, se fabrican de carbón o de grafito, se hallan alojadas en un portaescobillas desde donde se deslizan sobre las delgas del colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del inducido como se muestra en la figura 1.4 [2].

Figura 1.4. Escobillas.

1.3 Principio de funcionamiento.

El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de C.D. está basado en la Ley de Boit y Savart que dice: “cuando un conductor por el que circula una corriente y se encuentra

dentro de un campo magnético, tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas del

campo magnético” [1].


El motor de C.D. 5

En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación. En la figura 1.5 se muestran los flujos del campo magnético.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 1.5. Ley de Biot y Savart.

Donde:

(a) Campo magnético rectilíneo producido por un imán. (b) Campo magnético producido por un conductor por donde circula una corriente. El sentido del campo depende de la dirección de la corriente del conductor. (c) y (d) Campo magnético resultante de la interacción de los campos producidos por el imán y por la corriente en el conductor. En el caso de (c) los campos magnéticos se suman sobre el conductor y se oponen debajo de él. En el caso (d) ocurre lo contrario debido a que el sentido de corriente es opuesto al del primer caso y produce un campo magnético también de efecto contrario.

http://www.monografias.com/trabajos12/magne/magne.shtml

http://www.monografias.com/trabajos32/polo-norte/polo-norte.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/eleynewt/eleynewt.shtml


El motor de C.D. 6

En ambos casos el conductor tenderá a desplazarse normal a las líneas del campo magnético debido a que en la parte donde se suman los campos, existe una gran concentración de líneas de fuerzas distorsionadas por efecto de la interacción de los campos magnéticos y que al tratar de contraerse para restablecer una posición rectilínea de mínima longitud, impulsan al conductor con una determinada fuerza “F” hacia donde no existen líneas de campo, debido a

que en ese punto los campos magnéticos se anulan entre sí por ser de sentidos contrarios [1]. 1.3.1 Fuerza sobre un conductor.

La fuerza “F” que actúa sobre el conductor depende primordialmente de la densidad del campo magnético, de la intensidad de la corriente que circula por el conductor y de su longitud expuesta al campo magnético, por lo tanto la fuerza “F” se expresa matemáticamente

por la siguiente ecuación, cuando la dirección del campo, la corriente y el conductor se encuentran a 90° entre sí [1].

Newton Ec. (1.1)

Donde: β= Densidad de campo magnético. L= Longitud del conductor. I= Intensidad de corriente. 1.3.2 Regla de Fleming.

Esta regla establece que los dedos índices, medio y pulgar de la mano derecha o izquierda según se trate; se dispongan de manera que se encuentren a 90° entre sí, tal como se muestra en la figura 1.6, indicando, el índice la dirección del campo o líneas magnéticas; el medio, la dirección de la corriente y el pulgar, el movimiento en que se desplaza el conductor.

Figura 1.6. Regla de Fleming (mano izquierda).


El motor de C.D. 7

Si la dirección de las líneas del campo magnético forman un ángulo α con la dirección de la corriente en el conductor, la ecuación 1.1 se debe multiplicar por el seno del ángulo [1].

Ec. (1.2)

1.3.3 Par de fuerzas desarrolladas en una bobina.

Si en una bobina, representada por una espira de forma romboidal, circula una corriente y se encuentra dentro de un campo magnético, se desarrollará un par de fuerzas de sentido contrario, una de cada lado de la espira, que tenderá a hacerla girar, tal como se aprecia en la figura 1.7.

Figura 1.7. Fuerzas de sentido contrario en los lados de una espira que tiende a hacerla girar.

La fuerza se desarrolla en cada uno de los lados de una espira o bobina es de sentido contrario, debido a que la corriente que circula por ellos, es de sentido contrario ocasionando que el efecto que se manifiesta sea de igual valor pero de sentido contrario, originando un par de fuerzas que es la que hace que gire [1].

1.3.4 Par de fuerzas desarrolladas en el inducido del motor.

Si en lugar de una sola bobina, son varias dispuestas sobre la armadura de un motor, por las que circula una corriente y se encuentra dentro de un gran campo magnético, se desarrollará un par de fuerza “F” en cada lado de las bobinas del mismo valor pero de sentido contrario,


El motor de C.D. 8

que sumadas una a una se obtiene como total, un par de fuerzas resultante que tienden a hacer girar a la armadura de un sentido determinado, que depende de la dirección de la corriente en los conductores de dichas bobinas. Para lograr que el par resultante desarrollado en la armadura del motor conserve el mismo sentido de giro, la dirección de corriente en los conductores de sus bobinas no debe cambiar, para ello se requiere de un conmutador que realice la conmutación de la corriente suministrada al devanado del inducido y lleve siempre la misma dirección como en el caso de la conmutación en los generadores. En la figura 1.8 se muestra el par de fuerzas que se induce en el motor [1].

Figura 1.8. Par de fuerzas resultante en el inducido de un motor.

1.4 Modelado matemático de un motor de C.D.

El modelo matemático de un motor de C.D. se puede definir como un grupo de ecuaciones que representan la dinámica del motor con exactitud, o al menos, razonablemente bien. Nótese que un modelo matemático no es único para el motor, el cual puede representarse de muchos modos diferentes, y por lo tanto, puede tener muchos modelos matemáticos, dependiendo de las perspectivas individuales.

La dinámica de un motor de C.D. como se dijo se puede describir en términos de ecuaciones diferenciales, dichas ecuaciones pueden obtenerse utilizando las leyes físicas que rigen al motor. Mediante la notación vectorial-matricial, se puede expresar una ecuación diferencial de orden n por una ecuación diferencial vectorial-matricial de primer orden. Si n elementos del vector son un conjunto de variables de estado, a la ecuación diferencial vectorial-matricial se le llama ecuación de estado.


El motor de C.D. 9

Para el modelo del motor de C.D. las ecuaciones dinámicas varían en cierta forma, dependiendo de la configuración del motor específico. Este análisis se basa en la configuración de un motor de con excitación separada, el cual en algunos casos se considera constante la corriente de campo o la corriente de armadura, ya que resultan ecuaciones fáciles de resolver (ecuaciones lineales), pero en algunos casos no es realista esta suposición, por eso es necesario hacer el análisis si esta suposición como es el caso real (ecuaciones no lineales).

En la figura 1.9 se muestra el modelo de un motor de C.D.

Figura 1.9. Modelo de un motor de C.D.

Las ecuaciones finales del sistema (motor de accionamiento de una carga) son:

Ec. (1.3)

Ec. (1.4) Donde: b=Fricción. J=Momento de inercia de la carga del motor. Kφ=F.e.m. Constante o Inducido.


El motor de C.D. 10

En las figuras 1.10 y 1.11 se muestran la simulación de un modelo del motor de C.D. y la respuesta de este sistema, respectivamente, el cual se realizo en el programa Matlab-Simulink.

Figura 1.10. Modelo de un motor de C.D. en Matlab.

Figura 1.11. Respuesta del sistema.


El motor de C.D. 11

1.4.1 Modelado No lineal de un motor de C.D.

Al igual que en el establecimiento de las ecuaciones de estado estacionario, las ecuaciones dinámicas varían en cierta forma, dependiendo de las configuraciones de la maquina especifica, ya sea de una serie o una en derivación, del tipo de fuentes de voltaje y carga, etc. La mayor parte del siguiente análisis, se basa en la configuración de excitación separada de la figura 1.12.

R1

L11

RA

LAA

+

- Tt

ω

TL

JL BL

Jm

Bm

I1

+

-

VA

IA

Figura 1.12. Esquema elemental de un motor de C.D., con excitación separada

Debido a la complejidad de los problemas de índole dinámico se hace preciso algunas suposiciones simplificativas: 1.- Las escobillas son estrechas y la conmutación es lineal. La posición de las escobillas es tal que la conmutación tiene lugar cuando las laterales de la correspondiente bobina están en la zona neutra entre los polos de campo. En estas condiciones la onda de la f.m.m. del inducido es fija en el espacio y dirigida según el eje en cuadratura. 2.- Se supone que la f.m.m. del inducido no tiene influencia alguna sobre el flujo total según el eje directo, ya que es perpendicular al mismo. Con esta suposición se desprecia el efecto desmagnetizante de la reacción del inducido. 3.- Para la mayor parte de los problemas considerados se prescinde de los efectos de la saturación magnética. 4.- Se considera un maquina de 2 polos para el modelo, mientras que los resultados pueden ser aplicados a una maquina de P polos.


El motor de C.D. 12

En la ecuación 1.5 se representa esquemáticamente el modelo de un motor de C.D. con excitación separada. Considerando una maquina de 2 polos, el par electromagnético Te y el voltaje inducido EA son los dos elementos que establecen la relación electromecánica, y pueden expresarse de la siguiente manera:

Ec. (1.5)

Ec. (1.6)

Siendo LA1 la inductancia muta, I1 la corriente de campo, IA la corriente de armadura y ω la velocidad angular del motor. Estas ecuaciones junto con las ecuaciones diferenciales del movimiento del sistema electromecánico describen la representación del sistema. La ecuación de voltaje para el circuito de campo es dada por:

Ec. (1.7)

Siendo V1, I1, R1 y L11 el voltaje terminal, la corriente, la resistencia y la inductancia respectivamente del circuito del campo. La ecuación de voltaje del circuito de armadura de la ecuación 1.5 está dada por:

Ec. (1.8)

Ec. (1.9)

Siendo VA, IA, RA y LAA el voltaje en terminal, la corriente, la resistencia y la inductancia respectivamente del circuito de armadura.

Como la carga gira a la misma velocidad que el motor, entonces:

Ec. (1.10)

Ec. (1.11)


El motor de C.D. 13

Donde Jm es el momento de inercia del motor, JL es el momento de inercia de la carga, Bm es el coeficiente de fricción viscosa del motor y BL es el coeficiente de fricción viscosa de la carga. La ecuación dinámica del sistema mecánico es:

Ec. (1.12)

Donde B es el coeficiente de fricción viscosa en Kg-m2/seg, J es el momento de inercia de sistema rotatorio toral, expresado en Kg-m2 y TL es cualquier par de carga externa que se puede presentar en N-m. Los campos magnéticos creados por las corrientes de campo y armadura, así como la energía cinética de la parte rotativas suponen un almacenamiento de energía, y en función de la energía almacenada puede definirse el estado de un sistema físico, de acuerdo con esto, las intensidades en el campo y en la armadura, la velocidad son consideradas variables de estado [3]. Resolviendo la ecuación de voltaje de campo (1.7) en producto de dI1 / dt, el voltaje de armadura (1.9) en producto de dIA / dt y la ecuación del par (1.12) en dω / dt se obtienen las siguientes ecuaciones:

Ec. (1.13)

Ec. (1.14)

Ec. (1.15)

Las ecuaciones (1.13), (1.14) y (1.15) son ecuaciones diferenciales de primer orden que contienen los productos lineales I1ω e I1IA de estas variables de estado. Estas ecuaciones son objetivas, y se refieren a la forma en que se puede modificar la velocidad. Para tal caso, se puede derivar de las ecuaciones (1.13) y (1.14) que un aumento o reducción de V1 o VA, trae como consecuencia un aumento o reducción de ω. Sin embargo, de la ecuación


El motor de C.D. 14

(1.15) se tiene que un aumento en el par de cargar TL produce una reducción en la velocidad, e inversamente una reducción TL produce un aumento de velocidad. Ahora bien, si se escriben la ecuaciones diferenciales (1.13), (1.14) y (1.15) en forma de ecuaciones de estado, se obtiene la matriz de estado correspondiente al modelado no lineal de un motor de C.D. el cual es representado de la siguiente manera:

Ec. (1.16)


Descripción de Elementos. 15

Capítulo 2

Descripción de Elementos.

2.1 Actuador.

Un actuador es un dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador proviene

de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico” [3].

Los actuadores son dispositivos encargados de efectuar acciones físicas ordenadas por algún sistema de control. Esta acción física puede ser un movimiento lineal o un movimiento circular según sea el caso, así los actuadores se dividen en 2 grandes grupos: • Lineales • Rotatorios 2.1.1 Actuador lineal.

Un actuador lineal es aquel que cuando es conducido por un movimiento no-lineal (rotatorio), crea un movimiento lineal (en oposición al movimiento rotatorio, por ejemplo, de un motor eléctrico).

En los actuadores lineales existen los siguientes tipos:

• Actuadores Mecánicos: Los Actuadores mecánicos lineales operan por la conversión del movimiento rotatorio en movimiento lineal.

• Actuadores Hidráulicos: Los actuadores hidráulico o cilindros hidráulicos suelen incluir un cilindro hueco que tiene un pistón insertado en el.

• Actuadores Neumáticos: Neumáticos actuadores o cilindros neumáticos, son similares a los actuadores hidráulicos, salvo que el uso de gas comprimido para proporcionar la presión en vez de un líquido. • Actuadores Piezoeléctricos: El efecto piezoeléctrico es una propiedad de ciertos materiales en los que la aplicación de un voltaje a la materia hace que se expanda. Un muy alto voltaje corresponden a tan solo una pequeña expansión.



• Actuadores Eléctricos: Actuadores electro-mecánicos son similares a los actuadores mecánicos, excepto que el botón de control o el mango se sustituye por un motor eléctrico. El movimiento rotatorio del motor se convierte en el desplazamiento lineal del actuador. *Dado que en este trabajo se utiliza un actuador lineal eléctrico, se abordará más a fondo sobre este tipo de actuadores. 2.1.1.1 Actuador lineal eléctrico.

Se le da el nombre de actuador eléctrico cuando se usa la energía eléctrica para que se ejecuten sus movimientos. Los actuadores eléctricos se utilizan para robots de tamaño mediano, por ejemplo, pues éstos no requieren de tanta velocidad ni potencia como los robots diseñados para funcionar con actuadores hidráulicos. Los robots que usan la energía eléctrica se caracterizan por una mayor exactitud y repetitividad [4]. Actuadores eléctricos ó electro-mecánicos son similares a los actuadores mecánicos, excepto que el botón de control o el mango se sustituyen por un motor eléctrico. El movimiento rotatorio del motor se convierte en el desplazamiento lineal del actuador. Hay muchos diseños modernos de actuadores lineales y cada empresa que los fabrica tiende a tener su propio método. La mayoría de los actuadores actuales están construidos ya sea para la alta velocidad, alta fuerza, o un compromiso entre los dos. Al considerar un actuador para una aplicación en particular, las especificaciones más importantes son típicamente de viaje, velocidad, fuerza, precisión y tiempo de vida. En los actuadores eléctricos los motores que se utilizan son: • Motores de Corriente Directa. • Motores Paso a Paso. • Motores de Corriente Alterna.

En la figura 2.1 se muestra un actuador lineal eléctrico;



Figura 2.1. Actuador lineal eléctrico.

2.1.1.2 Forma de trabajo.

El proceso bajo control, la acción que se tiene que llevar a cabo y la velocidad con que ésta deba realizarse, son factores que influyen en la clase de actuador que se ha de utilizar.

Los sistemas de acondicionamiento eléctrico han llegado a ser los que más predominan en los ambientes robóticos industriales. Aunque no proporcionan la velocidad o la potencia de los sistemas hidráulicos, los dispositivos eléctricos ofrecen una mayor exactitud y repetitividad, necesitan de un menor espacio de piso y, como consecuencia, son muy adecuados para el trabajo preciso, como el ensamblaje. En la tabla 2 se muestran las ventaja y desventajas del actuador lineal eléctrico [4].

Actuador Eléctrico

Ventajas Desventajas

Precisos Potencia limitada

Fiables ---

Fácil control ---

Sencilla instalación ---

Silenciosos --- Tabla 2. Ventajas y Desventajas de Actuadores eléctricos.



2.1.2 Actuador rotatorio.

El objetivo final del actuador rotatorio es generar un movimiento giratorio. El movimiento debe estar limitado a un ángulo máximo de rotación. Normalmente se habla de actuadores de cuarto de vuelta, o 90º; fracción de vuelta para ángulos diferentes a 90º, por ejemplo 180º; y de actuadores multi-vuelta, para válvulas lineales que poseen un eje de tornillo o que requieren de múltiples vueltas para ser actuados. La variable básica a tomar en cuenta en un actuador rotatorio es el torque o par; también llamado momento. El actuador rotatorio, dependiendo de su diseño, consta de las partes móviles básicas mostradas en la tabla 3 [3]:

Actuador

Neumático

Actuador Eléctrico Actuador

Hidráulico

Fuerza Generadora

de Movimiento Presión de aire Energía eléctrica Presión hidráulica

Elemento Motriz Émbolo, Pistón o Veleta

Motor Eléctrico Émbolo, Pistón o Veleta

Transmisión de

Fuerza o Torque Eje o Cremallera Reductor Eje

Conversión

Mecánica Yugo o Piñón --- Yugo o Piñón

Tabla 3. Comparación entre tres tipos de actuadores rotatorios.

2.2 Convertidor CD/CD.

Los convertidores CD/CD son circuitos electrónicos de potencia que convierten una tensión continua en otro nivel de tensión continua y, normalmente, proporcionan una salida regulada. Los circuitos que se describirán a continuación se clasifican como convertidores CD/CD en modo conmutado o convertidores CD-CD conmutados, que también se denominan fuentes de alimentación conmutadas. Se describen también algunos de los circuitos convertidores CD-CD básicos.

2.2.1 Puente H.

Un Puente H o Puente en H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC girar en ambos sentidos, (avance y retroceso). Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos. En la figura 2.2 se muestra la estructura de un puente H.

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua

http://es.wikipedia.org/wiki/Rob%C3%B3tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado



Figura 2.2. Estructura de un puente H.

El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del circuito. Un puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (que se pueden observar en la figura 2.2) están cerrados (y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor, como se muestra en la figura 2.3.

Figura 2.3. Los 2 estados básicos del puente H.

2.2.1.1 Aplicaciones.

Como ya se mencionó, el puente H se usa para invertir el giro de un motor, pero también puede usarse para frenarlo (de manera brusca), al hacer un corto entre las terminales del motor, o incluso puede usarse para permitir que el motor frene bajo su propia inercia, cuando se desconecta el motor de la fuente que lo alimenta. En la tabla 4 se resumen las diferentes acciones.

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:H_bridge.svg?uselang=es

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:H_bridge_operating.svg

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:H_bridge_operating.svg



Acciones del puente H

S1 S2 S3 S4 Resultado

1 0 0 1 El motor gira en avance

0 1 1 0 El motor gira en retroceso

0 0 0 0 El motor se

detiene bajo su inercia

1 0 1 0 El motor frena (fast-stop)

Tabla 4. Acciones del puente H.

2.2.1.2 Montaje.

Lo más habitual en este tipo de circuitos es emplear interruptores de estado sólido (como Transistores), puesto que sus tiempos de vida y frecuencias de conmutación son mucho más altas. En convertidores de potencia es impensable usar interruptores mecánicos, dado su bajo número de conmutaciones de vida útil y las altas frecuencias que se suelen emplear. Además los interruptores se acompañan de diodos (conectados a ellos en paralelo) que permitan a las corrientes circular en sentido inverso al previsto cada vez que se conmute la tensión, puesto que el motor está compuesto por bobinados que durante breves períodos de tiempo se opondrán a que la corriente varíe.

2.2.2 Reguladores lineales de tensión.

Antes de describir los convertidores conmutados, se debe comprender la necesidad de disponer de una alternativa a los convertidores CD/CD lineales. Un método para convertir una tensión continúa a otra de valor más bajo es utilizar el circuito de la Figura 2.4. La tensión de salida es:

Ec. (2.1)

Donde: V0 = Tensión de salida. IL = Corriente de carga. RL = Resistencia de carga.

http://es.wikipedia.org/wiki/Transistores

http://es.wikipedia.org/wiki/Interruptor

http://es.wikipedia.org/wiki/Diodos

http://es.wikipedia.org/wiki/Bobinas



Figura 2.4. Regulador lineal básico.

La corriente de carga está controlada por el transistor. Ajustando la corriente de base del transistor se puede controlar la tensión de salida en el rango comprendido entre 0 y Vs. Se puede ajustar la corriente de base para compensar las variaciones de la tensión de alimentación o las variaciones de la carga y, de esta manera, regular la salida. Este tipo de circuito se denomina convertidor CD/CD lineal o regulador lineal, porque el transistor opera en la región lineal, en lugar de en la zona de saturación o de corte. De hecho, el transistor se comporta como una resistencia variable [5].

2.2.3 Convertidor conmutado básico.

Una alternativa más eficiente al regulador lineal es el convertidor conmutado. En un convertidor conmutado, el transistor funciona como interruptor electrónico, al estar completamente activado o desactivado (saturación o corte para un transistor bipolar BJT). Este circuito también se denomina “Chopper”. Si se supone que el interruptor de la figura 2.5 es ideal, la salida es igual a la entrada cuando el interruptor está cerrado y es cero cuando está abierto. La apertura y cierre periódicos del interruptor producen la salida de pulsos mostrada en la figura 2.3 (c). La media o componente continua de la salida es:

Ec. (2.2)

La componente continua de la salida se controla ajustando el ciclo de trabajo D, que es la fracción del periodo en la que el interruptor está cerrado:



Ec. (2.3)

Siendo f la frecuencia de conmutación en hercios. En este circuito, la componente continua de la salida será menor o igual a la entrada. La potencia absorbida por el interruptor ideal es cero. Cuando el interruptor está abierto, no pasa corriente por él; cuando el interruptor está cerrado, no cae tensión en el mismo. Por tanto, la carga absorbe toda la potencia y la eficiencia de energía es del 100%. En un interruptor real existirían perdidas, porque la tensión del interruptor no será cero cuando conduzca y el interruptor deberá pasar por la región lineal al pasar de un estado a otro.

(a) (b)

(c)

Figura 2.5. Convertidor conmutado básico

(a) Convertidor CD/CD básico conmutado. (b) Equivalente para conmutación. (c) Tensión de salida.

2.2.4 Convertidor reductor.

En alguna aplicaciones puede ser suficiente controlar la componente continua de una salida de pulsos como la figura 2.5 (c), pero muchas veces el objetivo es producir una salida que sea



continua pura. Una manera de obtener una salida continua en el circuito de la figura 2.5 (a), es insertar un filtro paso bajo después del interruptor. En la figura 2.6 (a), se muestra un filtro paso bajo con una bobina y un condensador (L-C) añadido al convertidor básico. El diodo proporciona un camino a la corriente de la bobina cuando el interruptor está abierto y se polariza en inversa cuando el interruptor está cerrado. Este circuito se denomina convertidor o convertidor reductor, porque la tensión de salida es menor que la de entrada.

2.2.4.1 Relación entre la Tensión y la Corriente.

Si un filtro paso bajo es ideal, la tensión de salida es la media de la tensión de entrada del filtro. La entrada del filtro, Vx en la figura 2.6 (a), es Vs cuando el interruptor está cerrado y cero cuando está abierto, siempre que la corriente en la bobina sea positiva y el diodo conduzca, si el interruptor se cierra de forma periódica con un ciclo de trabajo D, la tensión media en la entrada del filtro es VsD, como se indica en la ecuación 2.2 [5].

(a)

(b)



(c)

Figura 2.6. Convertidor reductor.

(a) Convertidor CD/CD reductor. (b) Cuando el interruptor está cerrado.

(c) Cuando el interruptor está abierto.

Para este análisis se supone que el diodo esta polarizado en directa siempre que el interruptor este abierto, y que la corriente en la bobina es positiva. Una corriente en la bobina que sea positiva en todo el intervalo de conmutación se denomina corriente permanente. Por el contrario, la corriente discontinua se caracteriza porque la corriente de la bonina pasa por cero en cada periodo. Otra forma de analizar el funcionamiento del convertidor reductor de la figura 2.6 es examinar la tensión y la corriente de la bobina. A continuación se enumeran las propiedades del convertidor reductor (y de los convertidores CD/CD en general) cuando funciona en régimen permanente:

1.- La corriente en la bobina es periódica:

Ec. (2.4)

2.- La tensión media en la bobina es cero:

Ec. (2.5)



3.- La corriente madia en el condensador es cero:

Ec. (2.6)

4.- La potencia entregada por la fuente es igual a la suministrada a la carga. Cuando los componente no son ideales. La fuente suministra las perdidas:

Ps = Po (ideal) Ec. (2.7)

Ps = Po + perdidas (no ideal) Ec. (2.8)

2.2.5 Convertidor elevador.

En la Figura 2.7 se muestra el convertidor elevador. Éste es otro convertidor conmutado que funciona abriendo y cerrando periódicamente un interruptor electrónico. Se denomina convertidor elevador porque la tensión de salida es mayor que la de entrada [5].

2.2.5.1 Relación entre la tensión y la corriente.

En el análisis del circuito se hacen las siguientes suposiciones: 1.- El circuito opera en régimen permanente. 2.- El periodo de conmutación es T y el interruptor está cerrado un tiempo DT y está abierto el resto del tiempo, (1 - D)T.

3.- La corriente en la bobina es permanente (siempre positiva). 4.- El condensador es muy grande y la tensión de salida se mantiene constante y su valor es V0. 5.- Los componentes son ideales.



(a)

(b)

(c)

Figura 2.7. Convertidor elevador.

(a) Esquema del circuito. (b) Circuito equivalente cuando el interruptor está cerrado. (c) Circuito

equivalente cuando el interruptor está abierto.

2.2.6 Convertidor reductor-elevador.

Otro convertidor básico en modo conmutado es el convertidor reductor-elevador, que se muestra en la Figura 2.8. La salida del convertidor reductor-elevador puede ser mayor o menor que la tensión de entrada.



2.2.6.1 Relación entre la tensión y la corriente.

Se realizan las siguientes suposiciones acerca del modo de operación del convertidor: 1.- El circuito opera en régimen permanente. 2.- La corriente en la bobina es permanente. 3.- El condensador es lo suficientemente grande como para suponer una tensión de salida constante. 4.- El interruptor está cerrado un tiempo DT y está abierto el resto del tiempo, (1 - D) T.

5.- Los componentes son ideales [5].

(a)

(b)

(c)

Figura 2.8. Convertidor reductor-elevador.

(a) Esquema del circuito. (b) Equivalente del circuito cuando el interruptor está cerrado.

(c) Equivalente del circuito cuando el interruptor está abierto.



2.3 Control PWM.

El PWM (pulse width modulation) o modulación por ancho de pulsos, de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. Expresado matemáticamente:

Ec. (2.9)

Donde: D=Ciclo de trabajo.

=Tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso). T=Período de la función. Los parámetros fundamentales del PWM son el periodo (T) y el ciclo de trabajo (D). El ciclo de trabajo indica el tiempo que la función vale uno respecto al tiempo total (el periodo). La figura 2.9 muestra tres ciclos de trabajo distintos, el periodo del PWM se mantiene constante, y lo que cambia es el tiempo en que la señal se mantiene a uno respecto al periodo total.

Figura 2.9. Señal PWM que se le ha cambiado el ciclo de trabajo.

Si el periodo del PWM es suficientemente pequeño, el dispositivo que está gobernado (por ejemplo, el motor) no notará las variaciones de la tensión y el resultado es que el motor

http://es.wikipedia.org/wiki/Sinusoide

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_cuadrada



recibirá una corriente promedio dada por el ciclo de trabajo. La figura 2.10 muestra dos controles PWM con ciclos de trabajo distintos.

(a)

(b)

Figura 2.10. Control de velocidad con el PWM.

(a) Equivale a una tensión continua del 50% de la nominal: el motor irá a un50% de la velocidad máxima

(b) Equivale a una tensión continua del 20% de la nominal: el motor irá a un 20% de la velocidad máxima

2.3.1 PWM bipolar.

La modulación bipolar permite obtener tensiones de salida tanto positivas como negativas (el valor medio estará en función del ciclo de trabajo de los interruptores o, lo que viene a ser lo mismo, de la duración relativa al periodo de cada secuencia de funcionamiento). En este tipo de modulación se presentan dos posibles secuencias de funcionamiento y se muestran en la figura 2.11.



Secuencia 1: QA+=QB-=1; QA-=QB+=0 Secuencia 2: QA+=QB-=0; QA-=QB+=1

Figura 2.11. Secuencias de funcionamiento de PWM bipolar.

Las señales de control para una conmutación de este tipo pueden generarse a partir del esquema mostrado en la figura 2.12, en el que se pone de manifiesto que solo se controla el ciclo de trabajo de un interruptor (el de los demás viene condicionado por este.

Figura 2.12. Generación de las señales de disparo de los interruptores en PWM bipolar.

Entre los disparos de cada diagonal se introduce un retardo (tiempo muerto) con el fin de asegurar que los interruptores de un mismo semipuente no están cerrados simultáneamente en ninguna circunstancia, pues supondría un corto circuito de la tensión de entrada [6]. 2.3.2 PWM unipolar.

Con este tipo de control la tensión que se aplica al motor varía entre 0 y la tensión de alimentación, tal como se muestra en la figura 2.13.



Figura 2.13. Tensión de salida en PWM unipolar.

Las diferentes secuencias de funcionamiento, en función de los semiconductores que conduzcan, son las siguientes (en cada caso, un interruptor cerrado hace referencia indistintamente a los semiconductores controlados o a sus diodos en antiparalelo. La conducción de uno u otro dependerá del sentido de la corriente del motor como se muestra en la figura 2.14).

Estado 1: V0=Va Estado 2: V0=0

Estado 3: V0=-Va Estado 4: V0=0

Figura 2.14. Esquemas equivalentes en PWM unipolar.



En los estados 1 y 3, la alimentación y el motor están conectados mediante los interruptores correspondientes (son secuencias activas o de transferencia de energía). En los estados 2 y 4 el motor permanece en corto circuito atreves de los diodos en antiparalelo. Estas secuencias se denominan de libre circulación y son pasivas, no existen transferencia de energía entre la entrada y la salida. Las señales de control en este tipo de conmutación pueden generarse mediante dos moduladores como lo muestra la figura 2.15 [6].

Figura 2.15. Generación de señales de control en PWM unipolar.

2.3.2.1 Parámetros importantes.

Algunos parámetros importantes de un PWM son:

• La relación de amplitudes entre la señal portadora y la moduladora, siendo recomendable que la última no supere el valor pico de la portadora y esté centrada en el valor medio de ésta.

• La relación de frecuencias, donde en general se recomienda que la relación entre la frecuencia de la portadora y la de señal sea de 10 a 1.

Sin embargo cuando se utilizan servomotores hay que tener cuidado en las marcas comerciales ya que hay ocasiones en que los valores varían entre 1ms y 2ms y estos valores propician errores.



2.3.2.2 Aplicaciones en motores.

En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, además de otros muy particulares para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones. Se distinguen por fabricar este tipo de integrados las compañías como Texas Instruments, National Semiconductor, Maxim, y algunas otras más. En la figura 2.16 se muestra un ejemplo de las aplicaciones.

Figura 2.16. Ejemplo de aplicaciones.

La modulación por ancho de pulsos es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores eléctricos de inducción o asíncronos. Mantiene el par motor constante y no supone un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza tanto en corriente continua como en alterna, como su nombre lo indica, al controlar: un momento alto (encendido o alimentado) y un momento bajo (apagado o desconectado), controlado normalmente por relevadores (baja frecuencia) o MOSFET o tiristores (alta frecuencia).

Otros sistemas para regular la velocidad modifican la tensión eléctrica, con lo que disminuye el par motor; o interponen una resistencia eléctrica, con lo que se pierde energía en forma de calor en esta resistencia.

En los motores de corriente alterna también se puede utilizar la variación de frecuencia.

La modulación por ancho de pulsos también se usa para controlar servomotores, los cuales modifican su posición de acuerdo al ancho del pulso enviado cada un cierto período que depende de cada servo motor.



2.4 PLC

El controlador lógico programable (o PLC por sus siglas en ingles), es un dispositivo

electrónico que puede ser programado por el usuario y se utiliza en la industria para resolver problemas de secuencias en la maquinaria o procesos, ahorrando costos en mantenimiento y

aumentando la confiabilidad de los equipos [7]. Algunos puntos importantes a considerar de este dispositivo son: • Fue diseñado para programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales. • Los PLC sirven para realizar automatismos; son dispositivos electrónicos que reproducen programas informáticos, que permiten controlar procesos automáticamente. Se tiene que saber que hay infinidades de tipos de PLC, los cuales tienen diferentes propiedades, que ayudan a facilitar ciertas tareas para las cuales se los diseñan.

2.4.1 Funcionamiento.

Cuando se pone en marcha el PLC lo primero que este realiza es una lista de chequeos internos para permitir que todo desde el inicio este en buenas condiciones y todo esté debidamente conectado (fuente de poder, conexiones de entradas y salidas). Una vez efectuadas estas comprobaciones y son aprobadas, la CPU inicia la exploración del programa y reinicializa. Esto último si el autómata se encuentra en modo RUN (marcha), ya que de estar en modo STOP (paro) aguardaría, sin explorar el programa, hasta la puesta en RUN. Al producirse el paso al modo STOP o si se interrumpe la tensión de alimentación durante un tiempo lo Suficientemente largo, la CPU detiene la exploración del programa y luego pone en cero, es decir, desactiva todas las salidas.

Mientras se está ejecutando el programa, la CPU realiza en intervalos continuos de tiempo distintas funciones de diagnóstico (watch-dog). Cualquier singularidad que se detecte se mostrará en los indicadores de diagnóstico del procesador y dependiendo de su importancia se generará un código de error o se parará totalmente el sistema. El tiempo total del ciclo de ejecución viene determinado por los tiempos empleados en las distintas operaciones. El tiempo de exploración del programa es variable en función de la cantidad y tipo de las instrucciones así como de la ejecución de subrutinas. El tiempo de exploración es uno de los parámetros que caracteriza a un PLC y generalmente se suele expresar en milisegundos por cada mil instrucciones. Para reducir los tiempos de ejecución, algunas CPU's constan de dos o más procesadores que operan simultáneamente y están dedicados a funciones específicas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Aparato_electr%C3%B3nico

http://es.wikipedia.org/wiki/Programas_inform%C3%A1ticos

http://es.wikipedia.org/wiki/Regulaci%C3%B3n_autom%C3%A1tica



2.4.1.1 Programación de la memoria de un PLC.

Al programar un PLC se necesita una interfaz entre el operador y el PLC para introducir en la memoria de usuario el programa con las instrucciones que definen las secuencias de control. Normalmente esta interfaz se lleva a cabo a través de softwares instalados en Computadores personales (PC). Dependiendo del tipo de PLC el equipo de programación produce unos códigos de instrucción directamente ejecutables por el procesador o bien un código intermedio, que es interpretado por un programa residente en el procesador (firmware). Las funciones que estos equipos o software de programación son la edición y modificación del programa, detección de errores, archivamiento de programas (discos duros) y monitoreo en línea de variables. La conexión del PC al PLC comúnmente se realiza mediante una conexión en serie (generalmente la RS-232C o la RS-422). Hoy en día existen distintos puertos disponibles según la marca del PLC [16]. Un PLC es un dispositivo usado para controlar. Este control se realiza sobre la base de una lógica, definida a través de un programa. En la figura 2.17 se muestra la estructura de un controlador lógico programable.

Figura 2.17. Estructura de un Controlador Lógico Programable.

Para explicar el funcionamiento del PLC, se pueden distinguir las siguientes partes:

• Interfaces de entradas y salidas • CPU (Unidad Central de Proceso) • Memoria • Dispositivos de Programación



El usuario ingresa el programa a través del dispositivo adecuado (un cargador de programa o PC) y éste es almacenado en la memoria de la CPU.

La CPU, que es el "cerebro" del PLC, procesa la información que recibe del exterior a través de la interfaz de entrada y de acuerdo con el programa, activa una salida a través de la correspondiente interfaz de salida. Evidentemente, las interfaces de entrada y salida se encargan de adaptar las señales internas a niveles del la CPU. Por ejemplo, cuando la CPU ordena la activación de una salida, la interfaz adapta la señal y acciona un componente (transistor, relé, etc.) [8].

2.4.2 Componentes principales.

El autómata programable consta de los siguientes componentes:

• Unidad central de procesamiento (CPU), que constituye el "cerebro" del sistema y toma decisiones en base a la aplicación programada.

• Módulos para señales digitales y analógicas (I/O).

• Procesadores de comunicación (CP) para facilitar la comunicación entre el hombre y la máquina o entre máquinas. Se tiene procesadores de comunicación para conexión a redes y para conexión punto a punto.

• Módulos de función (FM) para operaciones de cálculo rápido.

Existen otros componentes que se adaptan a los requerimientos de los usuarios:

• Módulos de suministro de energía

• Módulos de interfaces para conexión de racks múltiples en configuración multi-hilera.

En la figura 2.18 se muestran más componentes de un PLC [8].



Figura 2.18. Componentes de un PLC. En los componentes mencionados pueden ser conectados diferentes aparatos como por ejemplo:

En los módulos de entrada pueden ser conectados:

Sensores inductivos, capacitivos, ópticos. Interruptores. Pulsadores. Llaves. Finales de carrera. Detectores de proximidad.

En los módulos de salida pueden ser conectados:

Contactores. Electroválvulas. Variadores de velocidad. Alarmas.



2.4.2.1 Funcionamiento del CPU.

Al comenzar el ciclo, la CPU lee el estado de las entradas. A continuación ejecuta la aplicación empleando el último estado leído. Una vez completado el programa, la CPU ejecuta tareas internas de diagnóstico y comunicación. Al final del ciclo se actualizan las salidas. El tiempo de ciclo depende del tamaño del programa, del número de E/S y de la cantidad de comunicación requerida. El ciclo de funcionamiento del PLC se muestra en la figura 2.19 [15].

Figura 2.19. Ciclo del PLC.

2.4.2.2 PLC´s y relevadores.

Los sistemas de relevadores eran utilizados para un proceso específico, por lo tanto su función era única. Pensar en cambiar el proceso era un caos y el cambio requería volver a obtener la lógica de control y para obtenerla se tenía que realizar un análisis matemático. También había que modificar el cableado de los relevadores y en algunos casos incluso era necesario volver a hacer la instalación del sistema.

En cambio, el PLC es un sistema de microprocesador; en otras palabras una computadora de tipo industrial. Tiene una Unidad central de procesamiento mejor conocido como CPU, interfaces de comunicación, y puertos de salida y entrada de tipo digital o análogo, etc., y estas son solo algunas de sus características más sobresalientes. 2.4.3 Campos de aplicación del PLC. En la actualidad el campo de aplicación de un PLC es muy extenso. Se utilizan fundamentalmente en procesos de maniobras de máquinas, control, señalización, etc. La aplicación de un PLC abarca procesos industriales de cualquier tipo y ofrecen conexión a red;



esto te permite tener comunicado un PLC con una PC y otros dispositivos al mismo tiempo, permitiendo hacer monitoreo, estadísticas y reportes [8]. Algunas de las ventajas en el uso del PLC comparado con sistemas basados en relés o sistemas electromecánicos son:

• Flexibilidad: Posibilidad de reemplazar la lógica cableada de un tablero o de un circuito impreso de un sistema electrónico, mediante un programa que corre en un PLC.

• Tiempo: Ahorro de tiempo de trabajo en las conexiones a realizar, en la puesta en marcha y en el ajuste del sistema.

• Cambios: Facilidad para realizar cambios durante la operación del sistema.

• Confiabilidad

• Espacio

• Modularidad

• Estandarización

Algunas otras ventajas del uso del PLC son:

Menor tiempo empleado en su elaboración. Podrás realizar modificaciones sin cambiar cableado. La lista de materiales es muy reducida. Mínimo espacio de aplicación. Menor costo. Mantenimiento económico por tiempos de paro reducidos [8].

2.4.4 Selección del PLC.

La selección de un PLC como sistema de control depende de las necesidades del proceso productivo que tiene que ser automatizado, considerando como más importantes los aspectos que a continuación se enlistan: • Espacio reducido.- Cuando el lugar donde se tiene que instalar el sistema de control dentro de la planta es muy pequeño el PLC es la mejor alternativa, ya que aun con todos sus aditamentos necesarios llegan a ocupar un mínimo de espacio sin que esto vaya en detrimento de la productividad y la seguridad del personal y las instalaciones. • Procesos de producción periódicamente cambiantes.- Existen industrias como es la automotriz que año con año se ve en la necesidad de cambiar el modelo del vehículo que sale



de sus plantas, razón por la cual se tiene que modificar tanto la secuencia de armado como el reajustar los valores de tolerancia de las partes con las que se arma el vehículo. Siendo el arma principal de estos cambios, las modificaciones que sufren las instrucciones del programa que controla la lógica de operación del PLC. • Procesos secuenciales.- Es bien conocido que cuando una actividad que se repite una gran cantidad de veces durante cierto intervalo de tiempo, se convierte en una actividad monótona para el hombre, produciendo en determinado momento fatiga del tipo emocional, provocando la desconcentración y la inducción involuntaria de errores que pueden ser fatales, tanto para la integridad del hombre como para las instalaciones. Con un PLC se puede evitar lo anterior con tan solo implementar secuencias de control, que aunque se repitan muchas veces durante el día, no se perderá la precisión con la que tienen que hacerse. • Actuadores distintos en un mismo proceso industrial.- Con un solo PLC se cuenta con la posibilidad de manipular actuadores de diferente naturaleza entre sí, y todavía más, con un mismo PLC se pueden dirigir diferentes líneas de producción en las que cada una tiene asignada a sus propios actuadores, esto último depende de la cantidad de salidas y en general del tamaño en cuanto a su capacidad para alojar el programa de usuario. • Verificación de las distintas partes del proceso de forma centralizada.- Existe una gran cantidad de industrias en que la planta de producción se encuentra alejada de la sala de control, o también por ejemplo, como es en las plantas petroleras, se tiene la necesidad de verificar la operación a distancia de todas las refinerías. Con un PLC se tiene de manera natural el diseño de redes de comunicación, para que se canalice la información a una central desde la cual se pueda observar a distancia como se encuentra operando el sistema de control automático, y se visualice por medio de monitores la representación gráfica tanto de los sensores como de los actuadores.

Figura 2.20. Sistema de ensamblaje automatizado.


Descripción de Elementos Utilizados. 41

Capítulo 3

Descripción de Elementos Utilizados.

3.1 Actuador lineal POLOLU.

Se utilizó un actuador lineal con retroalimentación de la marca POLOLU, modelo (LACT6P-12V-20). Este actuador lineal de 12 V puede utilizarse en una variedad de aplicaciones de uso pesadas. El motor tiene una caja de reducción 20:1 que da al actuador una calificación de carga dinámica de 110 libras (50 kg) y una velocidad máxima de 0.5 in/s (1.3 cm/s) y está clasificado para soportar hasta 500 libras cuando no avanza. Cuenta con interruptores de límite en cada extremo los cuales facilitan el control sobre el actuador, su gama completa de movimiento y la unidad de tornillo sin fin asegura que el eje mantenga su posición aun cuando no está encendido. Esta versión tiene un trazo de 6 pulgadas (15.6 cm) y un potenciómetro incorporado para la retroalimentación de posición. Este actuador se muestra en la figura 3.1 y en su mayoría es de metal, y está sellado para proteger contra polvo y agua [9].

Figura 3.1 Actuador lineal POLOLU modelo: (LACT6P-12V-20).

A continuación en la Tabla 5 se muestran las especificaciones del actuador lineal:



Dimensiones

Carrera: 6 in (15.6 cm)

Peso: 48 oz (1.133kg)

Especificaciones Generales

Relación de engranajes: 20:01

Funcionamiento libre a 12 V: 500 mA

Corriente a 12V: 10 A

Velocidad lineal a 12 V: 0.5 in / s (1.3 cm / s)

Fuerza lineal a 12 V: 110 lb (50 kg)

¿Incluye Potenciómetro de realimentación? Si Tabla 5. Especificaciones del Actuador Lineal.

3.1.1 Terminales.

Todo actuador tiene un cable de 3 metros de largo. El cable de retroalimentación termina con conectores “hembra” como se muestra en la Figura 3.2, estos cables tiene tres terminales (amarilla, azul y blanco) que son del potenciómetro y el otro cable cuenta con dos terminales que son de la alimentación del motor del actuador. Estos conectores coinciden con versiones “macho” en el cable de extensión para actuadores lineales LD [9].

Figura 3.2. Cables del actuador lineal con retroalimentación.



3.1.2 Dimensiones. Los diagramas del actuador lineal se muestran en la figura 3.3, estas están dadas en pulgadas. Las versiones que incluyen potenciómetros tienen una caja de cambios más grandes, por lo que su tamaño total y el peso son mayores.

(a) Vista superior.

(b) Vista lateral.



(c) Vista inferior.

Figura 3.3. Dimensiones del actuador lineal con retroalimentación.

3.2 Implementación del PWM.

El circuito construido y utilizado en este trabajo es capaz de regular la velocidad de un motor o cualquier carga con alimentación continúa de 12 V. La regulación (control de velocidad) se obtiene mediante la Modulación por Ancho de Pulsos (PWM). Los componentes que se utilizaron para el desarrollo del PWM son:

Capacitor 1 y 2 = 100 nF (cerámico). Capacitor 3 = 420 uF a 25 V (electrolítico). Diodo1 y 2 = N4148 (diodo rápido de propósito general). Resistencia 1 = 47 Ohms. Resistencia 2 = 100k ohms (Potenciómetro). Resistencia 3 = 1k Ohms. Circuito integrado 1 = (IC) NE555, DIP8, Timer/Oscilador.



3.2.1 Funcionamiento del 555

La tensión de funcionamiento del 555 va de 5 V a 20 V. Interiormente, en la terminal 8 va conectado un divisor de tensión mediante 3 resistencias. La terminal 6 es una de las importantes, sale del comparador superior y cuando la tensión de referencia, en la terminal 6, sea mayor a dos tercios de Vcc, entonces este comienza a funcionar llegando al flip-flop y sacando un uno, donde llega a un transistor que en este momento actúa como un interruptor cerrado y también llega a la salida invirtiendo esta señal que entra y transformándola en 0. La terminal 5 es la entrada negativa del comparador superior. La terminal 2 es la entrada negativa del comparador inferior, cuando este tiene una tensión de referencia inferior a un tercio de Vcc, entonces el comparador inferior empieza a funcionar, dando un impulso al flip-flop saliendo de un 0, entonces llega al transistor que al no llegar tensión a la base de este, funciona como interruptor cerrado, y llegando a la salida que invirtiéndolo saca un 1 ósea vcc. La terminal 1 va directamente a masa, la terminal 7 es la de descarga del condensador, la terminal 3 es la salida, la terminal 4 es el “reset” y por último la terminal 8 es + Vcc

En la figura 3.4 se muestran las terminales anteriores.

Figura 3.4. Esquema interno del 555.



Conociendo lo anterior, en la figura 3.5 se presenta el diagrama del circuito que conforma el PWM.

Salida (señal

modulada)

Figura 3.5. Diagrama del circuito del PWM.

Con este diagrama el resultado lo da la terminal (o el pin) de salida nº 3 del circuito integrado 555, el cual provee una onda cuadrada con un duty-cycle ajustable, lo que básicamente significa que se puede variar el ancho de pulso de la onda, lo que provoca cambios en la velocidad del motor. La señal obtenida de la salida del PWM es parecida como se muestra en la figura 3.6, en donde se puede apreciar cómo se varía el ancho del pulso.



Figura 3.6. Onda cuadrada obtenida del pin 3 del 555.

3.2.2 Simulación.

A continuación se presenta la simulación en el programa “Multisim”, del mismo circuito así como su onda resultante al igual que el circuito físico.

Figura 3.7. Circuito de PWM (simulado).



Las figuras siguientes muestran el diferente ancho de la onda el cual está dado por el porcentaje de apertura o de cierre que se necesite, en este caso va del 0 al 100% de apertura.

Figura 3.8. Señal de salida de la onda cuadrada al 100% del potenciómetro (simulado).





Figura 3.11. Señal de salida de la Onda Cuadrada al 50% del potenciómetro (simulado).



3.2.3 Implementación.

En la figura 3.12 se muestra el circuito físico del PWM implementado.

Figura 3.12. PWM implementado.

Las siguientes imágenes muestran la señal de salida del PWM implementado que se obtiene en un osciloscopio, dichas señales al igual que la simulación del circuito, están dadas por el porcentaje del potenciómetro el cual es el que da el ancho de la onda cuadrada. Esta vez se cuenta con un potenciómetro físico, lo cual hace que el porcentaje de resistencia que ofrece este, se pueda variar de forma manual, en la figura 3.12, por ejemplo, se muestra la señal de salida del PWM cuando el potenciómetro ofrece “0” resistencia.



Figura 3.13. Señal de salida de la onda cuadrada al 100% del potenciómetro.




Figura 3.15. Señal de salida de la onda cuadrada 70% del potenciómetro.




Figura 3.17. Señal de salida de la Onda Cuadrada al 0% del potenciómetro.

3.3 Implementación del Puente H.

El puente H que se desarrolló fue con transistores Tip 125 y 120. Los componentes utilizados para el puente H son los siguientes:

2 TIPs NPN 120 2 TIPs PNP 125 4 transistores 2N2222 2 Resistencias de 47 2 Resistencias de 470 2 Resistencias de 3.3K 2 Resistencias de 10K

3.3.1 Funcionamiento del circuito.

Como ya se mencionó en el capítulo anterior, la finalidad de los puentes H es la de controlar el funcionamiento de los motores (cambio de giro) ya que por medio de dos señales de control



se controla la cantidad de voltaje y el sentido por el que le llega al motor para tener control de su velocidad y sentido. El puente H que se utilizó consiste de cuatro pares de transistores: dos transistores Tip 125 PNP Darlington, dos transistores NPN Tip 120 y cuatro transistores 2n2222 de pequeña señal que sirven como interruptores para los transistores TIP, el diagrama de este puente H se observa en la figura 3.18 y en la figura 3.19 se observa el circuito implementado del puente H.

E

C

BQ1

TIP

125

E

C

BQ2

TIP

125

E

C

B

E

C

B

C

B

E

C

B

E

C

B

E

C

B

E

R7

470Ω

R3

3.3KΩ

R2

47ΩR1

47Ω

R5

10KΩ

R8

470Ω

R4

3.3KΩ

R6

10KΩ

B

A

12V

Q3

TIP

120

Q4

TIP

120

+

-

Motor

Figura 3.18. Diagrama del puente H.

Su funcionamiento es bastante simple, mientras el voltaje en las entradas A o B sea 0 la corriente no puede circular por el motor ya que los dos transistores de la parte superior que son los Tip 125 no permiten el paso de corriente, cuando una entrada se alimenta con una tensión de 10 V. y la otra se mantiene en 0 dos de los 4 transistores TIP en este caso serian Q1 y Q4 los cuales permiten que la corriente circule por el motor y llegue a tierra, dependiendo de la entrada que se esté alimentando con la tensión de 10v, es el sentido por el que la corriente circula por el motor.



Cuando las dos entradas están alimentadas le llega voltaje a las dos entradas del motor pero la corriente no circula por que los transistores que la conducen a tierra permanecen abiertos.

Figura 3.19. Circuito físico del puente H.

Entrada en A Entrada en B Salida al motor

con A Salida al motor

con B

0 0 0v 0v

1 0 10v 0v

0 1 0 10v

1 1 10v 10v

Tabla 6. Tabla de verdad del puente H.



3.4 MOELLER Easy 822.

MOELLER easy 822 es un aparato de mando y de entrada de datos. Mediante este dispositivo se pueden resolver las tareas de técnica domestica y de construcción de aparatos y maquinaria. El easy822 es un modulo de control electrónico con: • Funciones de lógica. • Funciones de temporización y de contador. • Funciones de reloj temporizador. • Funciones aritméticas. • Reguladores PID. • Funciones de manejo y visualización.

Figure 3.20. PLC MOELLER easy 822 DC–TC.

Con la red de interconexión integrada easy-NET se pueden unir hasta ocho participantes easy-NET en un circuito de mando. Cada participante easy-NET puede contener un esquema de contactos. De este modo es posible realizar superestructuras de control rápidas, inteligentes y descentralizadas. El cableado de los esquemas de contactos se realiza mediante la técnica de esquemas de contactos. De este modo, el esquema de contactos se introduce directamente en la pantalla del easy [10].



3.4.1 Posibilidades de uso.

El easy ofrece las siguientes posibilidades: • Cablear contactos de cierre y de apertura en serie y en paralelo. • Conectar relés de salida y relés auxiliares. • Determinar salidas como bobina, tele ruptor, reconocimiento de flancos positivos y negativos o como relés con función de auto enclavamiento. • Seleccionar relés temporizadores con distintas funciones: – temporización de trabajo, temporización de trabajo con conexión aleatoria, temporización de reposo, temporización de reposo con conexión aleatoria, temporización de trabajo y de reposo, temporización de trabajo y reposo con conexión aleatoria, – generación de un impulso a partir de una señal, – con tren de impulsos síncrono, – con tren de impulsos asíncrono. • Utilizar un contador progresivo y regresivo. • Contar señales rápidas, – contador progresivo y regresivo con valor límite inferior y superior, – predefinir, – contador de frecuencia, – contador rápido, – contar indicador de valor incremental. • Comparar valores. • Visualizar textos con variables, indicar valores teóricos. • Procesar entradas y salidas analógicas (aparatos DC). • Utilizar relojes temporizadores semanales y anuales. • Contar el tiempo de servicio (contador de tiempo de servicio). • Comunicarse a través de la red de interconexión integrada easy-NET. • Regular mediante reguladores P, PI, PID. • Escalar valores aritméticos. • Emitir valores decimales como señal modulada por duración de impulsos. • Realizar funciones aritméticas, – sumar, – restar, – multiplicar, – dividir. • Supervisar el flujo en el esquema de contactos. • Cargar, guardar o proteger mediante password un esquema de contactos. Los módulos de control ofrecen un gran número de funciones básicas, que hasta ahora el usuario sólo podía realizar con aparatos convencionales montados independientemente y cableados. Además, gracias al display multifunción MFD-Titan® se obtiene una visualización de gran rendimiento adicional [11].



Para el control de grandes aplicaciones con un máximo de 320 señales de entrada/salida.

DESCRIPCIÓN. SÍMBOLO.

12 entradas digitales

6 salidas de relé digitales o

según se desee

8 salidas de transistor

256 vías lógicas cada una

con 4 contactos y 1 bobina

32 textos de mando

y señalización

4 entradas analógicas (10 bit)

seleccionables (no con

aparatos 230 V AC)

4 entradas rápidas 3/5 kHz/

frecuencímetros (sólo con

aparatos DC)

1 ampliación E/S digitales

a conexión de red

Interconectable mediante

easy-NET hasta con

8 participantes

1 salida analógica (10 Bit)

(opcional)

Tabla 7. Símbolos del módulo.



3.4.2 Dimensiones.

Las dimensiones de este PLC se presentan en las siguientes figuras y están dadas en mm. [12]:

Figura 3.21. Dimensiones de PLC MOELLER (vista de frente).

Figura 3.22. Dimensiones de PLC MOELLER (vista de lateral).



PLC MOELLER Easy 822 – DC – TC

Suministro de tensión 24 VCC

Disipación de potencia 3.4 W

Entradas digitales 12

Entradas Analógicas, opcional (0 - 10v) Hasta 4 de las 12 entradas pueden ser

asignadas por el usuario como entradas

analógicas.

Salidas digitales 8

Salidas analógicas (0 – 10v) 1

Pantalla LCD, teclado, teclado fácil si

Reloj , semana / año si

Salida de corriente continua 0.5 A

Dimensiones en pulgadas y centímetros

(ancho, Alto y Largo)

4 x 3.5 x 2.3 pulgadas

10.4 x 9.1 x 5.98 centímetros

Tabla 8. Especificaciones generales.



3.4.3 Partes del módulo de control Easy 822.

Partes que conforman el PLC MOELLER easy 822 se muestra en la siguiente figura [13].

Figura 3.23. Partes del PLC

1) Tensión de alimentación EASY822 .DC- 24 V DC.

2) Entradas

EASY822 DC- 12 entradas 24 V DC (4 también pueden utilizarse como entradas analógicas de 0 hasta 10 V DC/10 bits).

3) Conexión de red NET 4) EASY822-DC

salida analógica 0 hasta 10 V DC/10 bits. 5) Cierre/LED de funcionamiento. 6) Acoplamiento centralizado (easyLink). 7) Espacio para la etiqueta con el símbolo del aparato.



8) Tecla DEL Borrar contactos/relés/conexiones/circuito de corriente en vacío/valor

9) Tecla ALT

Diseñar conexiones Accionamiento del interruptor basculante (toggle) entre contacto de apertura o de

cierre Insertar circuito de corriente Funciones especiales.

10) Red NET-LED.

11) Teclas de cursor: derecha, izquierda, arriba, abajo

Selección de contactos, relés, valor, números Tecla P sobre: Entrada P1 -> Cursor izquierda

Entrada P2 -> Cursor arriba Entrada P3 -> Cursor derecha

Entrada P4 -> Cursor abajo 12) Salidas

EASY8…-DC-TC. 8 x transistor/EASY6…TE 13) Interface (con tapa)

Slot para tarjeta de memoria, batería, interface PC, interface modem. 14) Acoplamiento descentralizado. 15) Tecla OK

Entrar menú, acción, aceptar valor 16) Tecla ESC

Un menú hacia atrás Menú, abandonar selección, cancelar

17) Indicador LCD.



Figura 3.24. Código de referencia.

3.4.3.1 Indicador Led Easy 800.

El easy800 posee en la cara delantera dos LEDs, que indican el estado de la tensión de alimentación (POW) así como del modo operativo RUN o STOP (como lo muestra en la figura 3.12).



LED tensión de alimentación / modo operativo Run / Stop

LED apagado Sin tensión de Alimentación

LED con luz continua

Tensión de alimentación y modo operativo STOP

LED intermitente Tensión de alimentación y modo operativo RUN

LED easy-Net (easy-NET)

LED apagado Easy-Net no está en funcionamiento, anomalía en

configuración

LED con luz continua

Easy-Net se ha iniciado y no se ha detectado ninguna participante

LED intermitente Easy-Net funciona sin anomalías

Tabla 9. Indicador de LED

La forma de conexión entre la PC y el PLC MOELLER Easy822 es por medio de la interface EASY800- PC – CAB tal y como la que se muestra en la figura 3.25.

Figura 3.25. Interface de PC a PLC.


Lazo de control para un actuador lineal. 65

Capítulo 4

Lazo de control para un actuador lineal.

4.1 Definición.

Se puede definir un lazo de control como un arreglo de elementos orientados al mantenimiento de condiciones específicas en un proceso, maquinaria o sistema. El control automático asienta sus bases esencialmente en el concepto de realimentación, el cual se concreta en una estructura de control en la cual el controlador se puede entender como un operador, que en función de la salida deseada, y la salida real medida, proporciona la acción de control a aplicar sobre el sistema.

Las acciones externas al sistema se dividen en dos grupos, variables de control, que se pueden manipular, y perturbaciones sobre las que no es posible ningún tipo de control. La figura 4.1

ilustra de un modo conceptual el funcionamiento de un sistema.

Figura 4.1. Esquema general de un sistema.

Dentro de los sistemas se encuentra el concepto de sistema de control. Un sistema de control es un tipo de sistema que se caracteriza por la presencia de una serie de elementos que permiten influir en el funcionamiento del sistema. La finalidad de un sistema de control es conseguir, mediante la manipulación de las variables de control, un dominio sobre las variables de salida, de modo que estas alcancen unos valores prefijados (consigna) [14].



Un sistema de control ideal debe ser capaz de conseguir su objetivo cumpliendo los siguientes requisitos: 1.- Garantizar la estabilidad y, particularmente, ser robusto frente a perturbaciones y errores en los modelos. 2.- Ser tan eficiente como sea posible, según un criterio preestablecido. Normalmente este criterio consiste en que la acción de control sobre las variables de entrada sea realizable, evitando comportamientos bruscos e irreales. 3.- Ser fácilmente implementable y cómodo de operar en tiempo real con ayuda de un ordenador.

4.2 Elementos básicos.

Los elementos básicos que forman parte de un sistema de control y permiten su manipulación son los siguientes: • Sensores. Permiten conocer los valores de las variables medidas del sistema. • Controlador. Utilizando los valores determinados por los sensores y la consigna impuesta, calcula la acción que debe aplicarse para modificar las variables de control en base a cierta estrategia. • Actuador. Es el mecanismo que ejecuta la acción calculada por el controlador y que modifica las variables de control. Lo anterior se muestra en la figura4.2.

Figura 4.2. Esquema general de un sistema de control.



4.2.1 Variables consideradas.

En un sistema de control, se consideran cuatro grupos de variables. Las perturbaciones, la variable controlada, la variable manipulada y las variables medidas. • Perturbación: Es una variable que ocasiona que la variable controlada se desvié o que altera de alguna forma a esta última. • Variable controlada: Es el parámetro más importante del proceso, debiéndose mantener estable (sin cambios), pues su variación alteraría las condiciones requeridas en el sistema, su monitoreo a través de un sensor es una condición importante para dar inicio al control. • Variable manipulada: Es la variable que se utiliza para mantener a la variable controlada en el punto de control. • Variables medidas: Es una cantidad, propiedad o condición que es medida. 4.2.2 Diagramas de bloques. Es una representación gráfica de la función de transferencia de cada componente de un sistema, permitiendo su combinación y deducción de la función de transferencia global del sistema así como se muestra en la figura 4.3. Existen reglas para la combinación de bloques y para la simplificación de diagramas, con los que se facilita el uso de los mismos.

Figura 4.3. Diagrama de bloques de una función de transferencia.

Ejemplo: Considerando el circuito eléctrico usado, el diagrama de bloques pudiera ser expresado como se indica las figuras 4.4 y 4.5.



Figura 4.4. Circuito RC.

Figura 4.5. Diagrama de bloques de un circuito RC.

La figura 4.6 es un diagrama esquemático de un sistema de control de nivel de líquido. Aquí el controlador automático mantiene el nivel de líquido comparando el nivel real con un nivel deseado y corrigiendo cualquier error mediante un ajuste de la apertura de la válvula neumática. La figura 4.7 es un diagrama de bloques del sistema de control. Dibuje el diagrama de bloques correspondiente para un sistema de control de nivel de líquido operado por personas [14].

Figura 4.6. Sistemas de control de nivel de líquido.



Figura 4.7. Diagrama de bloques equivalente.

En el sistema operado por personas, los ojos, el cerebro y los músculos corresponden al sensor, el controlador y la válvula neumática, respectivamente. La figura 4.8 muestra un diagrama de bloques.

Figura 4.8. Diagrama de bloques de un sistema de control de nivel de líquido operado por personas.

4.3 Lazo abierto.

La acción de control se calcula conociendo la dinámica del sistema, las consignas y estimando las perturbaciones. Esta estrategia de control puede compensar los retrasos inherentes del sistema anticipándose a las necesidades del usuario. Sin embargo, el lazo abierto generalmente es insuficiente, debido a los errores del modelo y a los errores en la estimación de las perturbaciones. Por ello, es común la asociación de lazo cerrado-lazo abierto, de modo que el lazo cerrado permite compensar los errores generados por el lazo abierto, la figura 4.9 muestra un lazo de control abierto [14].



Figura 4.9. Lazo abierto.

Donde: P = Perturbaciones. P´ = Perturbaciones estimadas. y = Variable controlada. Yc = Consigna. u = Acción de control.

4.4 Lazo cerrado. La acción de control se calcula en función del error medido entre la variable controlada y la consigna deseada. Las perturbaciones, aunque sean desconocidas son consideradas indirectamente mediante sus efectos sobre las variables de salida. Este tipo de estrategia de control puede aplicarse sea cual sea la variable controlada. La gran mayoría de los sistemas de control que se desarrollan en la actualidad son en lazo cerrado.

Figura 4.10. Lazo cerrado.

Donde: P=Perturbaciones. P´=Perturbaciones estimadas. y=Variable controlada. Yc=Consigna. u=Acción de control.



4.5 Integración del Controlador Lógico Programable.

Además de los componentes ya desarrollados (Puente H, y PWM), se puede agregar un Controlador Lógico Programable creando así un lazo de control como lo muestra la figura 4.11.

PLC

Motor de CDVastago

Ro

jo

Ne

gro

Actuador

Lienal

CD

CD

Retroalimentación

Entrada

Analógica

6"

(15.24cm)

Salida

Digital 1

“A”

Salida

Digital 2

“B”

Convertidor

CD/CD

Fuente de 12

VCD

Paro

Arranque

Señal PWM

Interruptor

1Interruptor

2

Figura 4.11. Lazo de control desarrollado para la integración del PLC.

Se pueden observar las entradas al PLC de Arranque, de Paro, y de la señal PWM (todas entradas digitales), así como la señal de Retroalimentación (entrada analógica). Además se muestran 2 salidas digitales las cuales van hacia el convertidor CD/CD (puente H), para que el convertidor funcione, necesita una fuente externa de 12VCD que lo alimente y así poder utilizar las señales de salida del PLC.



En la figura 4.12 se muestran las conexiones eléctricas que entran y salen del PLC, así como los componentes que hacen el lazo de control para el actuador. Para alimentar al PLC (tanto a entradas como salidas) se necesita una fuente externa de 24 VCD. La entrada I8 es una entrada analógica correspondiente a la retroalimentación, la cual va a controlar la posición del vástago del actuador, las salidas Q1 y Q2 (que controlan el cambio de giro del motor del actuador) se conectan a unos opto acopladores, los cuales reducen la tensión de las salidas de 24 VCD a 12 VCD, que es la tensión que necesita el convertidor para operar. Los interruptores 1 y 2 de las figuras 4.11 y 4.12 son para el control manual.

A

B

Alimentación del

motor del actuador

Fuente externa

de 24 VCD

+

-

L N

Señal PWM

Retroalimentación

Optoacopladores

CD

CD

Motor de CDvastago

Ro

jo

Neg

ro

Convertidor

CD/CD

Entradas

Salidas

Interruptor

1 Interruptor

2

Figura 4.12. Diagrama eléctrico desarrollado para la integración del PLC.



Las entradas del PLC quedan de la siguiente manera: • Control Lógico Programable

Entradas Digitales: Entrada I1 para el Arranque. Entrada I2 para el Paro. Entrada I3 para la señal PWM. Entrada I4 para interruptor 1. Entrada I5 para interruptor 2.

Entradas Analógicas: Entrada I8 para la Retroalimentación.

4.6 Secuencia de operación para controlar la posición de un actuador lineal.

A continuación se describen los elementos utilizados en la secuencia que controla la posición del vástago del actuador lineal: • Contactos.

Normalmente abierto. Normalmente cerrado.

• Comparador. • Relé Temporizador. La figura 4.13 muestra los contactos utilizados.

a) b)

Figura 4.13. Contactos utilizados en la programación.

a) Contacto normalmente abierto, b) Contacto normalmente cerrado.



4.6.1 Comparador.

Este elemento, como su nombre lo indica, permite comparar dos variables de entrada. En la tabla 10 se observan las comparaciones que permite realizar.

Consultas del comparador

Entrada módulo Entrada módulo

I1

Superior

I2 Igual

Inferior

Tabla 10. Consultas del comprador.

Esto quiere decir que la entrada I1 con respecto a la entrada I2 puede ser:

La entrada I1 Mayor que la entrada I2. La entrada I1 Igual que la entrada I2. La entrada I1 Menor que la entrada I2.

En la figura 4.14 se muestra un bloque comparador y en la tabla 11 se describen las características de los componentes de este comparador.

Figura 4.14. Bloque de comparador.



Características del comparador

Entradas de módulo Descripción Nota

I1

Valor de comparación 1 El módulo procesa valores de comparación en el margen

integral de -21478364888 + 21474836477

I2 Valor de comparación 2 -

Salida del módulo - -

Contacto (salida bit) Descripción Nota

LT

Estado “1” cuando el valor en

la entrada I1 es inferior al valor de la entrada I2 ( I1 <

I2)

LT = Less Than (menor que)

EQ Estado “1” cuando el valor en

la entrada I1 es igual al valor en la entrada I2 (I1 = I2)

EQ = Equal (igual)

GT Estado “1” cuando el valor en

la entrada I1 es mayor que el valor en I2 ( I1 > I2)

GT = Greater Than (mayor que)

Registro de parámetros Descripción Nota

Llamada posible Los parámetros del módulo pueden visualizarse en el

aparato. -

Simulación Descripción Nota

Posible - -

Tabla 11. Características del Comparador.

Las características de entradas y contactos que muestra la tabla 11 se describen a continuación:



4.6.1.1 Entradas. Las entradas de módulo I1 e I2 pueden poseer los siguientes operandos: • Constante • Marcas MD, MW, MB, • Entradas analógicas de IA01 a IA04

IA01: Borne I7 IA02: Borne I8 IA03: Borne I11 IA04: Borne I12

• Salida analógica QA01 • Valor real de QV de otro módulo de función. 4.6.1.2 Contactos.

• Los contactos que pueden utilizarse van de CP01LT a CP32LT (menor que). • Los contactos que pueden utilizarse van de CP01EQ a CP32EQ, (igual). • Los contactos que pueden utilizarse van de CP01GT a CP32GT, (mayor que). 4.6.1.3 Consumo del espacio de memoria del relé contador.

El módulo de función del comparador precisa 32 bytes de espacio de memoria más 4 bytes por constante en las entradas de módulo.

4.6.2 Relé temporizador.

El PLC easy822 permite seleccionar 32 relés temporizadores de T 01 a T 32. Con el relé temporizador puede cambiarse el tiempo de conexión y la hora de conexión y desconexión de un contacto de maniobra. Los retardos configurables se encuentran entre 5 ms y 99 h 59 min.

4.6.2.1 Cableado de un relé temporizador.

Se integra un relé temporizador en la conexión como contacto y bobina. Al mismo tiempo se fija la función del relé en la pantalla de módulos. El relé se inicia por medio de la bobina de disparo T#EN y puede retrocederse mediante la bobina de reinicio definida T#RE. Mediante la tercera bobina T#ST puede detenerse el curso del tiempo real.

4.6.2.2 Modo de funcionamiento de un relé temporizador.

En su esquema de contactos puede excitar un relé temporizador como bobina y utilizar su contacto de maniobra, accionado mediante la función de tiempo, en un campo de contacto.



• Maniobra del relé temporizador: Para iniciar, parar o desactivar (reset) un relé temporizador, introdúzcalo en su esquema de contactos como bobina (en el campo de bobina). En el campo de grupo Función de bobina se establece cuál de estas tres funciones debe dispararse mediante los contactos conectados. • Función de maniobra del relé temporizador: para que el relé pueda actuar como interruptor, se inserte en el esquema de contactos como contacto (en el campo de contacto). En la ventana Campo de propiedades, Registro Elemento de esquema de contactos, campo de grupo Contacto se establece la función de maniobra del contacto como contacto de cierre o de apertura. La función de tiempo, es decir el modo cómo un relé temporizador influye en el tiempo de conexión, depende principalmente del modo operativo que se le otorgan parámetros. 4.6.2.3 Cableado y parámetros para un relé temporizador.

Condiciones previas: Deberá haber aceptado un módulo de control en el proyecto y cambiar a la vista Esquema de contactos.

4.6.2.4 Activación de un relé temporizador.

Se coloca un operando Relé temporizador “T” en el esquema de contactos sobre un campo de bobina para poder influir sobre un tiempo de conexión. • En la ventana Campo de propiedades, registro Elemento de esquema de contactos se selecciona el número de módulo deseado entre 1 y 16 y la función de bobina Disparo. En el esquema de contactos se representará ahora el operando TTxx. • Se selecciona el modo operativo solicitado y el margen de tiempo. • En el registro Parámetros se asigna el valor de consigna para la entrada I1 y, si es necesario, para I2, en caso de que se haya seleccionado el correspondiente modo operativo. Al final de este apartado se describen los operandos -constantes o valores reales seleccionables de otro relé de función. • En caso necesario, se modifica la autorización de la pantalla de parámetros y/o se escribe un comentario sobre los operandos que se seleccionaron. • Se conecta la bobina TTxx con un contacto adecuado para su excitación. El relé temporizador sigue contando siempre y cuando la bobina se excita con el estado “1”.Si utiliza

el modo operativo Generación de un impulso a partir de una señal, al reconocer un flanco positivo el relé temporizador se inicia en TTxx. Nota: Se usan las letras “xx” para hacer referencia al número de bobina.



4.6.2.5 Valoración de un contacto de relé temporizador.

Para que se pueda utilizar el contacto de maniobra, cuyo comportamiento temporal se ha modificado, se debe volver a aceptar en el esquema de contactos el relé temporizador T, conectado como bobina, y situarlo en un campo de contacto. El contacto se conecta según el modo operativo y el valor de consigna. • Se coloca el relé de función “T” sobre un campo de contacto y en el registro Elemento de

esquema de contactos se selecciona el mismo número de módulo que se haya asignado a la correspondiente bobina. • En caso necesario, se cambia la función de maniobra del contacto de apertura a contacto de cierre. • Se conecta el contacto Txx en el esquema de contactos. 4.6.2.6 Desactivación de un relé temporizador.

• Para desactivar un relé temporizador y los contactos de maniobra correspondientes se coloca el relé de función T, ya conectado como bobina de disparo, sobre un campo de bobina de su esquema de contactos. • En el registro Elemento de esquema de contactos se selecciona el número de módulo entre 1 y 16 que ya ha empleado para la activación, y la función de bobina Desactivar. En el esquema de contactos se representará el operando RTxx. • Se conecta la bobina RTxx con un contacto adecuado para su excitación.

En la figura 4.15 se muestra a un bloque relé temporizador y en la tabla 12 se uestran las caracteristicas de cada componente de este bloque.

Figura 4.15. Relé Temporizador.



Características del relé temporizador.

Entradas del

relé de función

(valores de

consigna)

Descripción Nota

I1 Valor de consigna temporal 1 -

I2 Valor de consigna temporal 2 (en un modo

operativo con 2 valores de consigna, por ejemplo intermitente)

-

Salida del relé

de función Descripción Nota

T (Qv)

Valor entero, dependiente del margen de tiempo parametrizado. 0 hasta máximo 99990 en el margen de tiempo segundos: milisegundos. Esta salida se puede utilizar como valor de

consigna para el relé contador C, para otros relés temporizadores T y el de valores analógicos “A”

así como para el valor real para la pantalla de texto “D.

-

Contacto Descripción Nota

Txx (Q1) Contacto de maniobra -

Función de

bobina Descripción Denominación:

Disparo (EN)

El relé temporizador se inicia al detectar un flanco (disparo) en aumento (positivo). A

continuación, esta bobina debe excitarse, sin interrupción, con el estado “1” (Enable) hasta que

se alcanza el comportamiento temporal deseado. Sólo en el modo operativo Generación de un

impulso a partir de una señal basta con detectar un flanco positivo para alcanzar el comportamiento temporal deseado.

TTxx

Desactivar (RE)

Bobina de desactivación Resultado: en estado “1” desactiva el relé

temporizador y el correspondiente contacto de maniobra (reset).

RTxx

Parar (ST) Bobina de retención. HTxx



Se detiene el relé temporizador. Además, el curso del tiempo iniciado se interrumpe mediante el estado “1” en la bobina de retención HTxx.

El tiempo detenido sigue transcurriendo cuando el estado en la bobina de retención HTxx vuelve a

cambiar a “0”. Si la bobina de retención HTxx lleva al estado

“1” en caso de flanco en aumento en la bobina de

disparo TTxx, se retrasará la aceptación del valor de consigna temporal mientras dure este estado

“1” en HTxx. Del mismo modo se retrasa también

el cambio de estado en el contacto de maniobra.

Modo

operativo Descripción Nota

Temporización de trabajo Conectar temporización de trabajo. -

Temporización de trabajo + T

Temporización de trabajo Conectar la temporización de trabajo con margen de tiempo

aleatorio. -

Temporización de reposo

Conectar temporización de reposo. -

Temporización de reposo + T

Conectar la temporización de reposo con el margen de tiempo aleatorio. -

Temporización de

trabajo/reposo

Temporización de trabajo y reposo, deben parametrizarse dos valores de consigna

temporales -

Temporización de

trabajo/reposo + T

Conectar temporización de trabajo y reposo con margen de tiempo aleatorio, deben parametrizarse

dos valores de consigna temporales -

Pulso retentivo Conectar pulso retentivo

Normalice impulsos de

entrada de distinta longitud hasta

lograr una longitud de impulso fija en

el contacto de maniobra del relé



temporizador.

Intermitente

Conectar en intermitente, deben parametrizarse dos valores de consigna temporales. Intermitente síncrono: S1 igual a S2

relación de impulso/pausa = 1:1 Intermitente asíncrono: S1 no igual a S2

relación de impulso/pausa 1:1

Valores temporales:

S1= tiempo de impulso,

S2= tiempo de reposo;

Margen de

tiempo (base) Descripción Nota

S Segundos: milisegundos.

Como constante parametrizable: 00.010 a 99.990 (s.ms), máx. 99990 ms.

Resolución: 10 ms

M : S Minutos: segundos.

Como constante parametrizable: 00:01 a 99:59 (min: s), máx. 5999 seg.

Resolución: 1 seg

H : M Horas: Minutos.

Como constante parametrizable: 00:01 a 99:59 (h: min), máx. 5999 min.

Resolución: 1 min

Pantalla de

parámetros Descripción Nota

Llamada posible Los parámetros pueden visualizarse en el aparato. -

Simulación Descripción Nota

Posible - - Tabla 12. Características del relé temporizador.

La indicación que se da acerca del ajuste de tiempo mínimo: si un valor de consigna temporal es inferior al tiempo de ciclo de programa, el transcurso de tiempo de consigna no se detectará hasta el próximo ciclo. Esto puede provocar estados de conexión imprevisibles.

De la tabla 12 a continuación se describen algunas de las características de sus componentes.



4.6.2.7 Entradas.

Las entradas de módulo I1 e I2 pueden poseer los siguientes operandos: • Constante • Marcas MD, MW, MB, • Entradas analógicas de IA01 a IA04

IA01: Borne I7 IA02: Borne I8 IA03: Borne I11 IA04: Borne I12

• Salida analógica QA01 • Valor real #QV de otro módulo de función. En la tabla 13 se muestran las descripciones de la selección de los operandos para las entradas I1 e I2.

Características de operandos de la entradas

Operando Descripción

Constante De 0 a 99:59 (margen de tiempo “M : S”/“H : M”) o 0 – 99.99 (margen de tiempo “S”)

C

Salida de un relé contador (por ejemplo C3QV). Si el valor real del contador es mayor que el valor de consigna máximo admisible del margen de tiempo parametrizado, el valor de consigna se

limitará a este valor máximo. Ejemplo: Ha parametrizado el margen de tiempo “M: S” y el valor real de

contador es 31333. El aparato limita el valor nominal a 5999 mín.

IA Entrada analógica del módulo (I7 = IA1, I8 = IA2, I11 = IA3, I12 = IA4).

T Salida de un relé temporizador (por ejemplo T4QV) Tabla 13. Operandos de las entradas I1 e I2.

4.6.2.8 Salidas valor real QV.

Al valor real #QV se le pueden asignar los siguientes operandos: • Marcas MD, MW, MB. • Salida analógica QA01.



4.6.2.9 Valores asignados variables.

Comportamiento del valor teórico, cuando se utilizan valores variables. • Los valores variables pueden utilizarse. • Los valores variables se transfieren mediante los operandos. • En la base de tiempo “s” el valor se acepta como “valor en ms”. • El último digito se redondea a cero o cinco. • En la base de tiempo “M: S” el valor se acepta como “valor en s”. • En la base de tiempo “H: M” el valor se acepta como “valor en M (minutos)”.

4.6.2.10 Parámetros.

• + Acceso permitido • – Acceso no permitido

4.6.2.11 Contactos.

T 01Q1 hasta T 32Q1

4.6.2.12 Bobinas.

• Las bobinas se dan de la bobina T 01EN a la bobina T 32EN: bobina de disparo. • Las bobinas se dan de la bobina T 01RE a la bobina T 32RE: bobina de reinicio. • Las bobinas se dan de la bobina T 01ST a la bobina T 32ST: bobina de parada. 4.6.2.13 Consumo del espacio de memoria del relé temporizador.

El módulo de función relé temporizador necesita 52 bytes de espacio de memoria.

4.6.2.14 Remanencia.

Los relés temporizadores pueden accionarse con valores reales remanentes. La cantidad de relés temporizadores remanentes se selecciona en el menú SISTEMA REMANENCIA. En caso de que un relé temporizador sea remanente, al cambiar el modo operativo de RUN a STOP así como al desconectar la tensión de alimentación el valor real se mantiene. Si easy se inicia en el modo operativo RUN, el relé temporizador sigue trabajando con el valor real de seguridad contra cortes de tensión guardado. El estado del impulso de disparo debe corresponderse con la función del relé temporizador.



Estado “1” en: • Temporización de trabajo. • Generación de un impulso a partir de una señal. • Con tren de impulsos.

4.7 Configuración y programación del PLC.

En la imagen 4.16 se observa el software utilizado para el PLC Moeller, el cual es el EASY SOFT 6 en donde se tiene: 1.- Los módulos EASY que se pueden utilizar. 2.- Campo de trabajo.

1

2

Figura 4.16. EASY SOFT 6.

Se da clic izquierdo en la pestaña (+) para poder desplegar y ver las opciones de los módulos que se pueden ocupar, como se muestra en la imagen 4.17.



Figura 4.17. Módulos 800 de EASY SOFT.

Al desglosar y ver las opciones de los módulos, se selecciona el módulo EASY 822-DC-TC, que es el que se utilizó. Para ponerlo en el campo de trabajo se da “clic” izquierdo en el

módulo y sin soltarlo se desliza a la zona de trabajo, una vez estando ahí se suelta, como lo muestra la figura 4.18.

Figura 4.18. Selección de módulo EASY 822-DC-TC.



Al deslizar el módulo en el espacio de trabajo se muestra una ventana llamada “selección del número de versión del aparato” como se muestra en la figura 4.19, a la cual no es necesario modificarle nada y así que se da “aceptar”.

Figura 4.19. Ventana de selección de aparato.

La figura 4.20 muestra el módulo seleccionado ya en el campo de trabajo. Para comenzar a trabajar con la programación del lazo de control se le da doble “clic” izquierdo para que muestre el nuevo campo de trabajo como se observa en la figura 4.21, en donde se tienen las columnas con letras de la A hasta la H y las filas o líneas con numeración de 001 hasta 256 líneas. Estas líneas ya se tienen definidas, por ejemplo si se hace un arreglo en paralelo (enclavamiento) de contactos se utilizan dos líneas (001 y 002), por lo tanto la siguiente instrucción o línea comienza en 003.

Figura 4.20. Módulo EASY 822-DC-TC.



Figura 4.21. Campo de programación.

Para poder comunicarse con el PLC, se da “clic” izquierdo en la opción comunicación, la cual muestra las opciones para realizarla, como se muestra en la figura 4.22.

Figura 4.22. Comunicación con el PLC.



La figura 4.23 muestra las opciones para la configuración del PLC antes y después de establecer comunicación con este.

Figura 4.23. Opciones de configuración.

Para lograr la comunicación con el PLC se utilizan las siguientes instrucciones como se muestra la figura 4.24.

1) Se da “click” izquierdo en la opción conexión para que muestre las opciones. 2) Se da “click” izquierdo en la opción online para establecer comunicación con el PLC.

1

2

Figura 4.24. Comunicando con el PLC.



La figura 4.25. Muestra la secuencia para descargar el programa al PLC

3) Se da “click” izquierdo en PROGRAMA para que muestre sus opciones. 4) Para descargar el programa al PLC se da “click” izquierdo en la opción PC Aparato. 5) Si esta en modo STOP se da clic izquierdo en la opción Run para poner en marcha el

programa cargado.

3

4

5

Figura 4.25. Cargando el programa al PLC. Por último se da “click” izquierdo en PANTALLA para observar desde el software la pantalla del PLC y así navegar en con ayuda de la teclas DEL, ALT, ESC y ACEPTAR, como se muestra en la figura 4.26.

6

Figura 4.26. Pantalla del PLC.



4.7.1 Operación Automática.

En función a la operación automática se desarrollo el diagrama de escalera como se muestra en la figura 4.27. Con las descripciones mencionadas en el punto 4.5 de todos los componentes utilizados así como la descripción de estos, se realizó el diagrama de escalera. En la figura 4.27 se muestra el diagrama de escalera desarrollado para el lazo de control del actuador lineal de forma automática, y posteriormente se describe el funcionamiento de acuerdo a cada línea de este diagrama.

A B C D E F G H I

I08 M01M03

CONDICIÓN 3CONDICIÓN 1

005

006

CONDICIÓN 3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M03

007

008

TEMPORIZADOR

2

CONDICIÓN 2ENTRADA

PWM

AVANCE HACIA

ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01

TEMPORIZADOR

1

CONDICIÓN 3ENTRADA

PWM

AVANCE HACIA

ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02

I08 M01M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02

I01 I02M01

ARRANQUEPARO CONDICIÓN 1

CONDICIÓN 1

001

002

009

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT T01EN

TEMPORIZADOR

1

010

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT T02EN

TEMPORIZADOR

2

011

I08 CP03LT Q02

AVANCE

HACIA ATRAS

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUECONDICIÓN 1

M01

RETROALIMEN

TACIÓN

Figura 4.27. Operación automática.



Descripción de la primera línea: En la figura 4.28 se muestra la línea número 1 en donde se tienen las entradas digitales I01 (paro) e I02 (arranque, a la bobina M01 (condición 1) la cual es un bit. El funcionamiento es; al oprimir arranque se manda un pulso a la bobina M01 haciendo que se energice y para que la bobina se mantenga energizada el contacto M01 funciona como enclavamiento, esto se observa en la figura 4.29.

I01 I02

M01

M01


CONDICIÓN 1

001

002

A B C D E F G H I

Figura 4.28. Primera línea (Automática).

I01 I02

M01

M01


CONDICIÓN 1

001

002

A B C D E F G H I

Figura 4.29. Bobina M01 energizada.

Descripción de la segunda línea: En la figura 4.30 se muestra la segunda línea, la cual tiene una tercera entrada I08 (retroalimentación) la cual es una entrada analógica, dicha retroalimentación es la que sale del actuador, un contacto M01 (condición 1), un contacto del comparador 1 (menor que), un contacto del comparador 2 (mayor que), la bobina y su contacto M02 (condición 2). Su funcionamiento consiste en; la entrada I08 al estar siempre activa (mientras la fuente que active esta entrada este encendida), por lo cual siempre pasa la señal que llega al contacto M01 el cual corresponde a la condición 1, en donde si el contacto no está activado no deja pasar la señal al siguiente componente. Teniendo el contacto M01 activado pasa la señal al contacto del primer comparador, el cual compara la entrada 1 que es I08 con una la entrada 2, que es una constante (valor teórico), si la entrada 1 es menor que la 2 entonces se energizará la



bobina del contacto CP02LT (Menor que) y al hacerlo se activa inmediatamente dicho contacto. Al pasar la señal al siguiente contacto CP03GT que es del comparador 2 (mayor que), no impide el paso de la señal debido a que este contacto no cumple con su condición para que se active. Cuando la bobina M02 esta energizada se activa su contacto y se enclava para mantenerla energizada hasta que se corte la señal, como se observa en las figuras 4.31 y 4.32.

I08 M01 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02 Figura 4.30. Segunda Línea (Automática).

I01 I02

M01

M01


CONDICIÓN 1

001

002

A B C D E F G H I

I08 M01 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02 Figura 4.31. Contacto CP02LT activado.

I08 M01 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02 Figura 4.32. Enclavamiento de M02.



Descripción de la tercera línea: Los dos primeros componentes de la tercera línea son los mismos que la línea 2 pero cambia el contacto CP02LT por un contacto CP03GT (mayor que) que está en paralelo con el contacto M03, después sigue el contacto CP02LT (menor que) y por último la bonina M03 (condición 3, es un bit) como lo muestra la figura 4.33. El funcionamiento es similar al de la línea dos, solo que en este caso cuando esta activado M01 pasa la señal al contacto CP03GT del comparador 2, en donde si la entrada 1 (I07) es mayor que la entrada 2 (valor teórico) energiza la bobina del contacto CP03GT y deja pasar la señal al contacto CP03GT (deja pasar la señal ya que no cumple con su condición para que se active), después pasa a la bobina M03 que se energiza y activa su contacto que se enclava para mantener la bobina energizada, hasta que se deje de interrumpa la señal, como lo muestran las figuras 4.34 y 4.35.

I08 M01 M03


005

006

CONDICIÓN 3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M03 Figura 4.33. Tercera línea (Automática).

I08 M01 M03


005

006

CONDICIÓN 3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M03

007

008

009

TEMPORIZADOR

2

CONDICIÓN 2ENTRADA PWMAVANCE HACIA

ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT T01EN

TEMPORIZADOR

1

Figura 4.34. Contacto CP03GT activado.



I08 M01 M03


005

006

CONDICIÓN 3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M03

007

008

TEMPORIZADOR

2


ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02

I08 M01 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02

Figura 4.35. Contacto M03 enclavado.

Descripción de la cuarta línea.

Los componentes de la línea cuatro son: la entrada digital I03 (señal del PWM), contacto M02 (condición 2), contacto (T01Q1) del temporizador 1, y la bobina Q01 (avance adelante) salida digital 1, esto se observa en la figura 4.36.

Su funcionamiento consiste en; la entrada I03 al estar siempre activada y al tener el contacto M02 (es la condición para que pase o no la señal) activado por la bobina de la línea 2, pasa la señal al contacto del temporizar 1, el cual activa su contacto T02Q1 cuando el temporizador 1 cumple con su conteo.

Al activarse el contacto manda la señal a la salida Q01 que es la que manda la señal al puente H para que gire el motor del actuador en sentido de las manecillas del reloj y cause que se extienda el vástago del actuador. Se desactiva cuando el contacto M02 no deja pasar la señal o se pare por completo la secuencia, lo anterior se observa en la figura 4.37.

007

TEMPORIZADOR

2


ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01 Figura 4.36. Cuarta línea (Automática).



007

TEMPORIZADOR

2


ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01 Figura 4.37. Salida Q1 energizada.

Descripción de la Quinta línea.

Sus componentes son: la entrada digital I03 (señal del PWM), contacto M03 (condición 3), contacto (T02Q1) del temporizador 2, bonina Q02 (avance hacia atrás) es la salida digital 2, se muestra en la figura 4.38. Su funcionamiento consiste en; que la entrada I03 al estar siempre activa deja pasar la señal al contacto M03 (condición para que pase o no pase la señal), el cual se activa en la línea 3 por medio de la bonina M03. Al estar activado el contacto manda la señal al contacto del temporizador T01Q1, el cual se activa cuando dicho temporizador termina su conteo. Al estar activado el contacto del temporizador manda la señal a la bobina de la salida Q02, esta entra al optoacoplador y a su vez manda la señal a una entrada del puente H la cual provoca que el motor del actuador gire en contra de las manecillas del reloj, esto significa que se contrae el vástago del actuador. Se desactiva la salidaQ02 cuando se pone en paro o cuando se deje de cumplir la condición del contacto M03, esto se observa en la figura 4.39.

008

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02 Figura 4.38. Quinta línea (Automática).

008

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02 Figura 4.39. Salida Q2 energizada.

Descripción de la sexta línea. Los componentes de esta línea son: el contacto CP03GT del comparador 1 y la bobina del temporizador 1, estos componentes se muestran en la figura 4.40.



Su funcionamiento se da cuando se activa el contacto CP03GT del temporizador el cual empieza con su conteo y al terminar activa su contacto T01Q1, esto se muestra en las figuras 4.41 y 4.42.

009

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT T01EN

TEMPORIZADOR

1

Figura 4.40. Sexta línea (Automática).

I08 M01 M03


005

006

CONDICIÓN 3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M03

007

008

009

TEMPORIZADOR

2


ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT T01EN

TEMPORIZADOR

1

Figura 4.41. Contacto de temporizador 1 desactivado

I08 M01 M03


005

006

CONDICIÓN 3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M03

007

008

009

TEMPORIZADOR

2


ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT T01EN

TEMPORIZADOR

1

Figura 4.42. Contacto de temporizador 1 activado.



Descripción de la séptima línea.

Sus componentes son: el contacto CP02LT del comparador 2 y la bobina del temporizador 2, lo muestra la figura 4.43. Su funcionamiento esta dado por la activación del contacto CP02LT, al activarse manda la señal a la bobina del temporizador 2, el cual empieza su conteo y al terminar activa su contacto T02Q1, lo anterior se observa en las figuras 4.44 y 4.45.

010

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT T02EN

TEMPORIZADOR

2

Figura 4.43. Séptima línea (Automática).

I08 M01M03


005

006

CONDICIÓN 3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M03

007

008

009

010

TEMPORIZADOR

2


ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT T01EN

TEMPORIZADOR

1

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT T02EN

TEMPORIZADOR

2

004

003

I08 M01M02


CONDICIÓN 2

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02

Figura 4.44. Contacto de temporizador 2 desactivado.



I08 M01M03


005

006CONDICIÓN

3

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMENT

ACIÓN

M03

007

008

TEMPORIZADOR

2


ADELANTE

I03 M02 T02Q1 Q01

TEMPORIZADOR

1


ATRAS

I03 M03 T01Q1 Q02

I08 M01M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMENT

ACIÓN

M02

009

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT T01EN

TEMPORIZADOR

1

010

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT T02EN

TEMPORIZADOR

2

Figura 4.45. Contacto de temporizador 2 activado.

Descripción octava línea. Los componentes ocupados en esta line son: Entrada analógica I8 (retroalimentación), contacto CP03LT del comparador 2, contacto CP02LT del comparador 1, contacto M01 (condición 1), salida Q02 (avance hacia atrás), como se puede observar en la figura 4.46. Su funcionamiento esta dado por la entrada I8 ya que siempre esta activa, al haber un paro inesperado la bobina LT (menor que) del comparador 2 se activa debido a que está por debajo de su valor máximo, y a su vez deja pasar la señal al contacto CP02LT que deja pasar la señal ya que no cumple aun con su condición para que bloque la señal. Una vez que pasa la señal al M01 de igual forma permite el paso de la señal porque no está activo y al llegar la señal a la



salida Q2, energiza la bobina y manda la señal al optoacoplador y este a su vez envía su salida al convertidor CD/CD (puente H).

011

I08 CP03LT Q02

AVANCE HACIA

ATRAS

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUECONDICIÓN 1

M01

RETROALIMEN

TACIÓN

Figura 4.46. Octava línea (Automática).

Los bloques utilizados son:

Dos bloques de comparación, uno es ocupado como valor mínimo y el otro como valor máximo.

Dos temporizadores, de los cuales uno se ocupa para la activación de la salida Q1 y el temporizador 2 para la salida Q2.

Los bloques mencionados se muestran en las figuras 4.47, 4.48, 4.49 y 4.50.

Figura 4.47. Comparador 1 (valor mínimo).

Figura 4.48. Comparador 2 (valor máximo).



Figura 4.49. Temporizador 1 (para salida Q2).

Figura 4.50. Temporizador 2 (para salida Q1).

En la figura 4.51 se muestran los cuatro elementos que se utilizaron en el diagrama de operación automática.

Figura 4.51. Elementos del diagrama de operación automática.



4.7.2 Operación Manual.

En función a la operación manual se desarrolló el diagrama de escalera que se muestra en la figura 4.52. La descripción de cada línea del diagrama de escalera para la operación manual del lazo de control se menciona a continuación.

A B C D E F G H I

I08 I04M01

CONDICIÓN 1SWITCH 1

001

002

CONDICIÓN 1

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMENT

ACIÓN

M01

I08 I05M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMENT

ACIÓN

M02

I03 M01 Q01

AVANCE HACIA

ADELANTECONDICIÓN 1

005

I05

SWITCH 2ENTRADA

PWM

I03 M02 Q02

AVANCE HACIA

ATRASCONDICIÓN 2

006

I04

SWITCH 1ENTRADA

PWM

I08 CP03LT M03

CONDICIÓN 3

007

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE SWITCH 1

I04

RETROALIMENT

ACIÓN

CONDICIÓN

MAYOR QUE

M03 I05 Q02

AVANCE HACIA

ATRAS

008

CONDICIÓN 3 SWITCH 2

Figura 4.52. Operación manual.

Descripción de la primera línea. En la figura 4.53 se muestra la línea número 1 en donde se tiene la entrada analógica I08 (retroalimentación) y la entrada digital I04 (Interruptor 1), el contacto CP02LT del comprador



1, paralelo con el contacto M01 (condición 1), el contacto CP03GT del comparador 2 y por último la bobina M01. El funcionamiento es que la entrada I08 al tener su señal continua y al cerrar el interruptor 1 se manda la señal al contacto CP02LT que está en paralelo con el contacto M01, al activarse el contacto CP02LT manda la señal al contacto CP03GT que deja pasar la señal a la bobina ya que no está activado para bloquearla. Ya energizada la bobina activa el contacto M01 para que se enclave y mantenga la bobina energizada hasta que se corte la señal, se puede observar en las figuras 4.54 y 4.55.

A B C D E F G H I

I08 I04 M01


001

002

CONDICIÓN 1

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M01

Figura 4.53. Primera línea (Manual).

A B C D E F G H I

I08 I04 M01


001

002

CONDICIÓN 1

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M01

Figura 4.54. Interruptor 1 abierto.

A B C D E F G H I

I08 I04 M01


001

002

CONDICIÓN 1

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M01

Figura 4.55. Interruptor cerrado.



Descripción de la segunda línea. En la figura 4.56 se muestra la línea número 2 en donde se tiene la entrada analógica I08 (retroalimentación) y la entrada digital I05 (Interruptor 2), el contacto CP03GT del comprador 2, paralelo con el contacto M02 (condición 2), el contacto CP02LT del comparador 1 y por último la bobina M02. El funcionamiento es dado por la entrada I08 al tener su señal continua y al cerrar el interruptor 2 se manda la señal al contacto CP03GT que está en paralelo con el contacto M02, al activarse el contacto CP03GT manda la señal al contacto CP02LT que deja pasar la señal a la bobina ya que no está activado para bloquearla. Ya energizada la bobina activa el contacto M02 para que se enclave y mantenga la bobina energizada hasta que se corte la señal, se muestra en la figuras 4.57.

I08 I05 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02

Figura 4.56. Segunda línea (Manual).

I08 I05 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02

Figura 4.57. Interruptor 2 cerrado.

Descripción de la tercera línea.

Sus componentes de la línea tres son: la entrada digital I03 (señal del PWM), contacto M01 (condición 1), contacto de la entrada I05 (interruptor 2), y la bobina Q01 (avance hacia adelante) salida digital 1, se muestra en la figura 4.58. Su funcionamiento consiste en que la entrada I03 al estar siempre activa y al tener el contacto M01 (es la condición para que pase o no la señal) activado por la bobina de la línea 1, pasa la señal al contacto de la entrada I05 que deja pasar la señal debido a que no está activado.



La señal llega a la salida Q01 que es la que manda la señal a un optoacoplador que manda la señal de su salida al puente H, lo anterior se observa en la figura 4.59.

I03 M01 Q01

AVANCE HACIA


005

I05

SWITCH 2ENTRADA

PWM

Figura 4.58. Tercera línea (Manual).

A B C D E F G H I

I08 I04 M01


001

002

CONDICIÓN 1

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMEN

TACIÓN

M01

I08 I05 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02

I03 M01 Q01

AVANCE HACIA


005

I05

SWITCH 2ENTRADA

PWM

Figura 4.59. Bobina de salida Q01 energizada.

Descripción de la cuarta línea. Sus componentes de la línea cuatro son: la entrada digital I03 (señal del PWM), contacto M02 (condición 2), contacto de la entrada I04 (interruptor 1), y la bobina Q02 (avance hacia atrás) salida digital 1, se muestra en la figura 4.60. Su funcionamiento consiste en que la entrada I03 al estar siempre activa y al tener el contacto M02 (es la condición para que pase o no la señal) activado por la bobina de la línea 2, pasa la señal al contacto de la entrada I04 que deja pasar la señal ya que no está activado.



Al llegar la señal a la salida Q02 y se energiza la bonina, manda la señal a un optoacoplador y su salida al puente H, lo anterior se observa en la figura 4.61.

I03 M02 Q02

AVANCE HACIA

ATRASCONDICIÓN 2

006

I04

SWITCH 1ENTRADA

PWM

Figura 4.60. Cuarta línea (Manual).

I08 I05 M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMEN

TACIÓN

M02

I03 M01 Q01

AVANCE HACIA


005

I05

SWITCH 2ENTRADA

PWM

I03 M02 Q02

AVANCE HACIA

ATRASCONDICIÓN 2

006

I04

SWITCH 1ENTRADA

PWM

Figura 4.61. Bobina de salida Q02 energizada.

Descripción de la quinta y sexta línea. La línea sexta es la continuación de la quinta y sus componentes son: la entrada I08 (retroalimentación), contacto CP03LT del comparador 2, contacto CP02LT del comparador 1, contacto de la entrada I04 (interruptor 1), bobina M03 (condición 3), contacto M03, contacto de la entrada I05 (interruptor) y la bobina de la salida Q02 (avance hacia atrás), lo anterior se muestra en las figuras 4.62 y 4.63. Su funcionamiento se da cuando hay un paro inesperado de inmediato sin que este ningún interruptor cerrado pasa la señal del la entrada I08 al contacto CP03LT que cumple con su condición del comparador 2, ya que es menor al valor establecido como máximo, pasa la señal al contacto CP02LT y deja pasar la señal hasta que cumpla con su condición. Al llegar al contacto de la entrada I04 como no está cerrado el interruptor energiza la bobina M03 que a su vez en la sexta línea activa el contacto M03 y manda la señal al contacto de la entrada I05, de



igual manera como no está cerrado el interruptor deja pasar la señal hasta la bobina de la salida Q02, como se puede observar en la figura 4.64.

I08 CP03LT M03

CONDICIÓN 3

007

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUESWITCH 1

I04

RETROALIMEN

TACIÓN

CONDICIÓN

MAYOR QUE

Figura 4.62. Quinta línea (Manual).

M03 I05 Q02

AVANCE HACIA

ATRAS

008


Figura 4.63. Sexta línea (Manual).

A B C D E F G H I

I08 I04M01


001

002

CONDICIÓN 1

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CP03GT

RETROALIMENT

ACIÓN

M01

I08 I05M02


003

004

CONDICIÓN 2

CP03GT

CONDICIÓN

MAYOR QUE

CONDICIÓN

MENOR QUE

CP02LT

RETROALIMENT

ACIÓN

M02

I03 M01 Q01

AVANCE HACIA


005

I05

SWITCH 2ENTRADA

PWM

I03 M02 Q02

AVANCE HACIA

ATRASCONDICIÓN 2

006

I04

SWITCH 1ENTRADA

PWM

I08 CP03LT M03

CONDICIÓN 3

007

CP02LT

CONDICIÓN

MENOR QUE SWITCH 1

I04

RETROALIMENT

ACIÓN

CONDICIÓN

MAYOR QUE

M03 I05 Q02

AVANCE HACIA

ATRAS

008


Figura 4.64. Modo de paro inesperado.


Conclusiones. 107

Conclusiones.

Integrados todos los componentes, queda completo el diseño el lazo de control del actuador lineal eléctrico. Los dispositivos implementados, han sido seleccionados por su existencia en el mercado y costos razonables, involucrando investigación, análisis, pruebas y fabricación de cada componente necesario para la implementación del lazo de control, y desde luego, pueden ser perfectibles abriendo nuevas líneas de investigación, como pueden ser: • Fuentes de generación de energía eléctrica. • Nuevas formas de programación. Como resultado final del proyecto, se obtiene que se logró el objetivo principal, controlar la posición de un actuador lineal de CD por medio de la integración del convertidor de CD/CD y la señal de retroalimentación hacia un controlador lógico programable.

Cabe mencionar que aún se continúan haciendo pruebas de velocidad, y precisión en cuanto al vástago al actuador lineal. Con esto se concluye este proyecto, en el cual se pusieron en práctica muchos conocimientos importantes, ampliando así nuestra visión de lo que es la implementación del control en un proceso, o en este caso un elemento (actuador lineal) el cual puede participar o formar parte de un proceso. Es satisfactorio ver el resultado de los conocimientos teóricos aplicados en algo práctico o físico, ya que siempre es más atractivo e interesante ver el “para que se necesitan” las

formulas, por ejemplo. Es por esto que se propone este proyecto como un medio didáctico para utilizarlo con estudiantes de la carrera en Ingeniería en Control y Automatización para que sirva como medio palpable de lo que se trata y hace el control.


Fuentes de información. 108

Bibliografía.

[1] “Máquinas Eléctricas de Corriente Continua” IPN Centro de Estudios Científicos y Tecnológicos “Wilfrido Massieu” 2006 Ing. Rubén Gallegos Quiroz.

[2] “Máquinas Eléctricas Rotativas” McGraw-Hill [3] “Actuadores”

Soltex Chile S.A. Autor: Eugenio Vildósola C.

[4] “Avances en Robótica y Visión por computador”

Ediciones de la Universidad de Castilla-La Mancha José Andrés Somolinos Sánchez. [5] “Electrónica de Potencia” University Valparaiso, Indiana Daniel W. Hart. [6] “Electrónica de Potencia, Teoría y Aplicaciones”

Alfaomega José Manuel Benavent García. Antonio Abellán García. Emilio Figueres Amorós. [7] ABC Electronics http://www.abcinnova.com/articulos-e-informacion/18-ique-es-un-plc-y-que-beneficios-tiene.html (Revisado 27/10/12). [8] “Controladores Lógicos Programables” Universidad Tecnológica de Chile Instituto Profesional Centro de Formación Técnica Autor: Luis Vera V. [9] http://www.pololu.com/catalog/product/2307 (Revisado 27/01/13). [10] http://www.moeller.net/binary/w_brochures/w7557es.pdf (Revisado 27/01/13). [11] ftp://ftp.moeller.net/DOCUMENTATION/AWB_MANUALS/h1423e.pdf (Revisado 27/01/13)

http://www.abcinnova.com/articulos-e-informacion/18-ique-es-un-plc-y-que-beneficios-tiene.html

http://www.abcinnova.com/articulos-e-informacion/18-ique-es-un-plc-y-que-beneficios-tiene.html

http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/industrial/sistemasinteligentes/UT3/plc/PLC.html

http://www.pololu.com/catalog/product/2307

http://www.moeller.net/binary/w_brochures/w7557es.pdf

ftp://ftp.moeller.net/DOCUMENTATION/AWB_MANUALS/h1423e.pdf


Fuentes de información. 109

[12] http://www.klocknermoeller.com/easy800/easy822-dc-tc.htm (Revisado 27/01/13). [13] http://www.klocknermoeller.com/easy800/19790208.pdf (Revisado 27/01/13). [14] “Ingeniería de control moderna”

Tercera edición Katsuhiko Ogata. University of Minnesota

http://www.klocknermoeller.com/easy800/easy822-dc-tc.htm

http://www.klocknermoeller.com/easy800/19790208.pdf


Índice de tablas y figuras. 110

Índice de tablas y figuras.

Figura: Página

1.1. Motor de C.D. 01

1.2. Partes constitutivas del motor de C.D. 02

1.3. Inducido. 03

1.4. Escobillas. 04

1.5. Ley de Biot y Savart. 05

1.6. Regla de Fleming (mano izquierda). 06

1.7. Fuerzas de sentido contrario en los lados

de una espira que tiende a hacerla girar. 07

1.8. Par de fuerzas resultante en el inducido de un motor. 08

1.9. Modelo de un motor de C.D. 09

1.10. Modelo de un motor de C.D. en Matlab. 10

1.11. Respuesta del sistema. 10

1.12. Esquema elemental de un motor de C.D.,

con excitación separada 11

2.1. Actuador lineal eléctrico. 17

2.2. Estructura de un puente H. 19

2.3. Los 2 estados básicos del puente H. 19

2.4. Regulador lineal básico. 21

2.5. Convertidor conmutado básico. 22

2.6. Convertidor reductor. 24

2.7. Convertidor elevador. 26

2.8. Convertidor reductor-elevador. 27

2.9. Señal PWM que se le ha cambiado el ciclo de trabajo. 28

2.10. Control de velocidad con el PWM. 29

2.11. Secuencias de funcionamiento de PWM bipolar. 30

2.12. Generación de las señales de disparo de los

Interruptores en PWM bipolar. 30

2.13. Tensión de salida en PWM unipolar. 31



2.14. Esquemas equivalentes en PWM unipolar. 31

2.15. Generación de señales de control en PWM unipolar. 32

2.16. Ejemplo de aplicaciones. 33

2.17. Estructura de un Controlador Lógico Programable. 35

2.18. Componentes de un PLC. 37

2.19. Ciclo del PLC. 38

2.20. Lugares donde puede instalarse un PLC. 40

3.1. Actuador lineal POLOLU modelo: (LACT6P-12V-20). 41

3.2. Cables del actuador lineal con retroalimentación. 42

3.3. Dimensiones del actuador lineal con retroalimentación. 44

3.4. Esquema interno del 555. 45

3.5. Diagrama del circuito del PWM. 46

3.6. Onda cuadrada obtenida del pin 3 del 555. 47

3.7. Circuito del PWM (simulado). 47

3.8. Señal de salida de la onda cuadrada al 100% del

potenciómetro (simulado). 48







3.12. PWM implementado. 50

3.13. Señal de salida de la onda cuadrada al 100% del potenciómetro. 51





3.18. Diagrama del puente H. 54

3.19. Circuito físico del puente H. 55

3.20. PLC MOELLER easy 822 DC-TC. 56



3.21. Dimensiones del PLC MOELLER (vista de frente). 59

3.22. Dimensiones del PLC MOELLER (vista lateral). 59

3.23. Partes del PLC. 61

3.24. Código de referencia. 63

3.25. Interface de PC a PLC. 64

4.1. Esquema general de un sistema. 65

4.2. Esquema general de un sistema de control. 66

4.3. Diagrama de bloques de una función de transferencia. 67

4.4. Circuito RC. 68

4.5. Diagrama de bloques de un circuito RC. 68

4.6. Sistema de control de nivel de líquido. 68

4.7. Diagrama de bloques equivalente. 69

4.8. Diagrama de bloques de un sistema de control de nivel del

Líquido operado por personas. 69

4.9. Lazo abierto. 70

4.10. Lazo cerrado. 70

4.11. Lazo de control desarrollado para la integración del PLC. 71

4.12. Diagrama eléctrico desarrollado para la integración del PLC. 72

4.13. Contactos utilizados en la programación. 73

4.14. Bloque de comparador. 74

4.15. Relé temporizador. 78

4.16. EASY SOFT 6. 84

4.17. Módulos 800 de EASY SOFT. 85

4.18. Selección de módulo EASY 822-DC-TC. 85

4.19. Ventana de selección de versión. 86

4.20. Módulo EASY 822-DC-TC. 86

4.21. Campo de programación. 87

4.22. Comunicación con el PLC. 87

4.23. Opciones de configuración. 88

4.24. Comunicando con el PLC. 88

4.25. Cargando el programa al PLC. 89



4.26. Pantalla del PLC. 89

4.27. Operación automática. 90

4.28. Primera línea (Automática). 91

4.29. Bobina M01 energizada. 91

4.30. Segunda línea (Automática). 92

4.31. Contacto CP2LT activado. 92

4.32. Enclavamiento de M02. 92

4.33. Tercera línea (Automática). 93

4.34. Contacto CP03GT activado. 93

4.35. Contacto M03 enclavado. 94

4.36. Cuarta línea (Automática). 94

4.37. Salida Q1 energizada. 95

4.38. Quinta línea (Automática). 95

4.39. Salida Q2 energizada. 95

4.40. Sexta línea (Automática). 96

4.41. Contacto de temporizador 1 desactivado. 96

4.42. Contacto de temporizador 1 activado. 96

4.43. Séptima línea (Automática). 97

4.44. Contacto de temporizador 2 desactivado. 97

4.45. Contacto de temporizador 2 activado. 98

4.46. Octava línea (Automática). 99

4.47. Comparador 1 (valor mínimo). 99

4.48. Comparador 2 (valor máximo). 99

4.49. Temporizador 1 (para salida Q2). 100

4.50. Temporizador 2 (para salida Q1). 100

4.51. Elementos del diagrama de operación automática. 100

4.52. Operación manual. 101

4.53. Primera línea (Manual). 102

4.54. Interruptor 1 abierto. 102

4.55. Interruptor cerrado. 102

4.56. Segunda línea (Manual). 103



4.57. Interruptor 2 cerrado. 103

4.58. Tercera línea (Manual). 104

4.59. Bobina de salida Q01 energizada. 104

4.60. Cuarta línea (Manual). 105

4.61. Bobina de salida Q02 energizada. 105

4.62. Quinta línea (Manual). 106

4.63. Sexta línea (Manual). 106

4.64. Modo de paro inesperado. 106

Tabla: Página

1. Partes constitutivas del motor de C.D. 02

2. Ventajas y desventajas de actuadores eléctricos C.D. 17

3. Comparación entre tres tipos de actuadores rotatorios. 18

4. Acciones del puente H. 20

5. Especificaciones del Actuador Lineal. 42

6. Tabla de verdad del puente H. 55

7. Símbolos del módulo. 58

8. Especificaciones generales. 60

9. Indicador de LED. 64

10. Consultas del comparador. 74

11. Características del comparador. 75

12. Características del relé temporizador. 81

13. Operandos de las entradas I1 e I2. 82

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