COMUNICACIONES.
En este capítulo se complementa el sistema de comunicaciones que se ha desarrollado en este proyecto con un variador de frecuencia (PowerFlex 40), el cual se integra al nivel de información, como una alternativa al nivel de campo. El objetivo de integrar este dispositivo es dar un plus al proyecto realizado, con el fin de dar una aplicación al sistema de comunicaciones. En el desarrollo del capítulo presente, se describe la metodología para la configuración del PowerFlex 40 para ser integrado a la red de información (Ethernet/IP), así como la programación para interactuar con él desde la HMI (PANELVIEW PLUS 1000), en la cual se crearán pantallas para monitorearlo y manipularlo.
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5.1 Descripción general del variador de frecuencia PowerFlex 40.
Como se menciona anteriormente, el variador de frecuencia PowerFlex 40 es incorporado a este proyecto como un plus de una aplicación, ya que como su nombre lo indica este dispositivo utilizado para la regulación de velocidad en motores de corriente alterna; es por tal motivo que se desarrolla como un complemento a lo que se ha venido elaborando a lo largo de este proyecto, sin separarlo de la arquitectura principal propuesta para este mismo.
La familia de variadores PowerFlex del fabricante Allen-Bradley utiliza la arquitectura de redes abiertas que proporciona el conjunto común de funciones y servicios para el protocolo industrial común (CIP) utilizado en los sistemas Ethernet/IP, DeviceNet y ControlNet. Al proporcionar la capacidad de control, configuración y recolección de datos en una sola red, permite simplificar la comunicación en planta y contribuir a la reducción del costo total de propiedad, en el caso del variador de frecuencia que se emplea en este proyecto, únicamente cuenta con la entrada RS485 (Ethernet/IP), por lo cual esta forma parte de esta red en el sistema de comunicaciones.
En la figura 5.1 se muestra la composición física del variador de frecuencia PowerFlex 40, el cual es utilizado en el desarrollo del proyecto.
Figura 5. 1 Variador de frecuencia PowerFlex 40.
El variador de frecuencia PowerFlex 40 como se observa en la figura anterior consta de un tablero de control montado en su chasis para su operación local, en la figura 5.2 se muestran a detalle cada uno de los elementos que integran tablero de control.
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Figura 5. 2 Variador de frecuencia PowerFlex 40 y su tablero de control.
En la tabla 5.1 se muestra la descripción de cada uno de los indicadores luminosos que componen el tablero de control del PowerFlex 40.
Tabla 5. 1 Indicadores luminosos del tablero del PowerFlex 40.
No. Etiqueta Condición Descripción 1 Indicadores de
arranque y sentido de giro
Rojo constante Indica que el drive está corriendo y comandando la dirección del motor
Rojo intermitente Indica que se ha dado un cambio de dirección aproximándose a cero, mientras tanto indica la dirección actual.
2 Display alfanumérico Rojo constante Indica número parámetro, valor parámetro y código de falla
Rojo intermitente Cuando parpadea un dígito indica que este puede ser editado, si todos los dígitos parpadean indica una condición de fallo
3 Unidades mostradas Rojo constante Indica las unidades del valor parámetro mostrado en el display
4 Estado del programa Rojo constante Indica que el valor parámetro puede ser cambiado 5 Estado de falla Rojo intermitente Indica si el drive está fallando
6 Estado del
potenciómetro Verde constante Indica si el potenciómetro está activo 7 Estado botón de
arranque
Verde constante Indica si el botón de arranque fue activado. Si se activa la reversa será deshabilitado este indicador hasta girar completamente en tal sentido Como es de suponer cada uno de los elementos del tablero de control (botones y potenciómetro) del variador de frecuencia PowerFlex 40 cumplen con funciones específicas, mismas que se describen a detalle en la tabla 5.2.
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Tabla 5. 2 Botones de control en el tablero del PowerFlex 40.
No. Botón Etiqueta Descripción
8 Salir Regresa un paso en el menú de
programación.
Cancela el cambio a un valor parámetro y para salir del modo programa.
Seleccionar Avanza un paso en el menú de programación.
Selecciona el digito siempre y cuando se esté viendo el valor parámetro
Flecha arriba/Flecha abajo Incremento/decremento el valor del digito parpadeante
Entrar Avanza un paso en el menú de programación.
Guarda el cambio del valor parámetro 9 Potenciómetro Usado para el control de velocidad del
driver
Arranque Usado para arrancar el driver
Reversa Usado para cambiar el sentido de giro del driver
Paro Usado para detener el driver o limpiar fallas. Este botón siempre está activado Como se menciona al inicio del capítulo, el variador de frecuencia PowerFlex 40 que se utiliza en el desarrollo de este proyecto cubre ciertas especificaciones técnicas como los puertos RS-485 para la comunicación por medio de la red Ethernet/IP, la cual viene como por default del fabricante Allen- Bradley para este dispositivo, en la tabla 5.3 se observan además otras especificaciones técnicas elementales del variador de frecuencia.
Tabla 5. 3 Especificaciones técnicas del PowerFlex 40.
Dispositivo PowerFlex 40 Corriente de corte 100,000 Amperes
Valores de entrada Voltaje de 3 fases: 200…240V
Frecuencia de entrada Frecuencia: 47 a 63Hz
Potencia 1HP
Rango de frecuencia de salida 0 a 400Hz
Rango de voltaje de salida De 0V hasta voltaje del motor montado Dimensiones mm (plg.) 180 (7.09) H x 100 (3.94) W x 136 (5.35) D Comunicaciones Integrado: RS485 Opcional: - DeviceNet - LonWorks - EtherNet/IP - BACnet - PROFIBUS™ DP - Bluetooth - ControlNet.
Interface con operador Keypad integrado de 4 digitos, 10 Leds indicadores adicionales, potenciómetro local y 8 botones
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adicionales para el control efectivo del variador y sus parámetros.
Atmósfera No instalar en áreas con gases volátiles o corrosivos, vapores o polvos
Normas UL, C-Tick, CE, EMC EN618003, low voltage EN602041/EN50178
Diagrama eléctrico típico del PowerFlex 40
En la figura5.3 se muestra la conexión eléctrica típica del PowerFlex 40, el cual se muestra en este capítulo para tipificar o mostrar su conexión al suministro eléctrico a la entrada y su conexión de salida a un motor de corriente alterna, cabe resaltar que en el caso particular de este proyecto se limita únicamente a la comunicación por medio de la red Ethernet/IP para control y monitoreo del mismo el cual es el tema medular del proyecto como se ha planteado en el título y en los objetivos de este.
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5.2 Configuración y programación del PowerFlex 40
A continuación se describen los pasos relevantes para poner en comunicación el PowerFlex 40 junto con los otros elementos de la red Ethernet/IP, de esta forma se podrá operar tanto local como remotamente.
Para integrar el variador de frecuencia PowerFlex 40 a la red Ethernet/IP, primero se asigna una dirección a la PC o Workstation como se ha mencionado anteriormente, en conexiones de red
localizada en panel de control. Posteriormente se pone en modo ―RUN‖ el driver para redes
Ethernet/IP en el software RSLinxClassic, como se muestra en la figura 5.4, para comunicar la PC con los PAC´S y en este caso en particular también con el variador de frecuencia PowerFlex 40.
Figura 5. 4 Driver de comunicación Ethernet/IP entre la PC y el PowerFlex 40.
Ahora se puede asignar la dirección IP al variador de frecuencia PowerFlex 40 mediante el software BOOTP/DHCP, como se muestra en la figura 5.5.
Figura 5. 5 Asignación de la dirección IP al PowerFlex 40.
En la imagen anterior del software BOOTP/DHCP se observa que la dirección que se le asigna al PowerFlex 40, es la 192.168.30.30 para integrarlo a la red.
En el software RSLinxClassic se verifica que los dispositivos en la red Ethernet/IP se encuentran conectados; además de permitir la apertura de comunicación de los dispositivos con el software de Allen-Bradley en la PC o Workstation,permitiendo la configuración del PowerFlex 40. Para utilizar
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el variador de frecuencia (PowerFlex 40), es más que suficiente que exista comunicación entre la unidad de control 1 (ControlLogix) con dirección IP 192.168.30.19, la Interfaz Hombre/Máquina PanelView Plus 1000 con dirección IP 192.168.30.3 y el PowerFlex 40 con dirección 192.168.30.30, como se observa en la figura 5.6.
Figura 5. 6 PowerFlex 40 conectado a la red Ethernet/IP.
Después de verificar que hay comunicación en RSLinx Classic, se procede a dar de alta el dispositivo PowerFlex 40 en software RSLogix 5000, en este software se selecciona el driver asociado al variador de frecuencia para comunicarlo con el PAC, como se muestra en la figura 5.7 declarándose inmediatamente al variador como esclavo y al controlador como maestro.
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Se debe ser cuidadoso al dar de alta el módulo en RSLogix 5000, asegurándonos de darle la misma dirección IP que se le asignó en el software BOOTP/DHCP como se muestra en la figura 5.8.
Figura 5. 8 Dirección del PowerFlex 40 en RSLogix 5000.
Se elige la opción ―Change‖ que aparece en la información general del variador al darlo de alta para
modificar parámetros importantes, como la tensión de alimentación que maneja el variador, el número de fases y los caballos de fuerza para los que está diseñado como se muestra en la figura5.9, misma información que se puede ver en el software RSLinxClassic al dar clic izquierdo en el icono del variador, de no proporcionar la información correcta la comunicación entre los elementos de la red no se dará.
Figura 5. 9 Izquierda: información proporcionada en RSLinx Classic. Derecha: especificaciones técnicas modificadas en RSLogix 5000.
En la ventana que aparece al dar de alta el variador (figura 5.4, derecha), En la pestaña ―Drive‖se
abre la opción de ―Parameter List‖, en la cual en la columna de ―value‖ se pone en ―Comm
Port‖los parámetros a manipular desde el PanelView Plus 1000 (―Start Source‖ y ―Speed
Reference‖), como se muestra en la figura 5.10, teniendo en cuenta que esto debe ser realizado en
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Figura 5. 10 Parámetros del variador que se manipularan por “Comm Port”.
Como se observa en la figura 5.11 ahora ya aparecen los Tags que se encuentran en la memoria del variador para poder operarlo, con lo cual se dice que la comunicación es exitosa y es momento de comenzar a programar la unidad de control 1 ControlLogix.
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Figura 5. 11 Tags de la memoria interna del PowerFlex 40.
En el programa elaborado para el PowerFlex 40 lleva a cabo el control elemental de este, el cual consta de arranque, paro, cambio de giro, así como el incremento y decremento de la frecuencia de salida; dicho control se puede realizar localmente o remotamente, a través del PAC y de la HMI (PanelView Plus 1000), mismos que se localizan en diferentes áreas. La figura 5.12 muestra los Tags empleados para la secuencia del programa; mismo que debe facilitar el control desde la HMI de la mano con el programa que se crea en FactoryTalk View Studio, el cual se muestra más adelante.
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Figura 5. 12 Programa para control del PowerFlex 40 en RSLogix 5000.
La lista de Tags creados en la memoria de la unidad de control 1 asociados al programa para el control del variador de frecuencia se observan en la figura 5.13. Siendo los del recuadro de arriba los asociados directamente a los botones en las plantillas de PanelView Plus 1000 (Tags del programa) y los de abajo los modificados por los botones anteriores (Tags del controlador o CPU).
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Figura 5. 13 Tags creados para control del PowerFlex 40 en RSLogix 5000.
5.3 Creación de Pantallas para PanelView Plus 1000
Una vez creado el programa en RSLogix 5000, se procede a realizar el programa en FactoryTalk View Studio que se muestra en la HMI. Una vez comunicado el PanelView Plus 1000 con la unidad de control 1(ControlLogix), se establecen los ―Links‖ del PACcon la HMI, siguiendo el procedimiento visto en el capítulo 4 de este proyecto correspondiente a FactoryTalk View Studio para crear una nueva plantilla. En la figura 5.14 se observa el menú principal implementado para el PanelView Plus 1000.
Figura 5. 14 Menú principal para el control del PowerFlex 40.
Como se ve en la figura anterior, el menú consta de dos imágenes principales que son la unidad de control 1 (ControlLogix) la cual da acceso al control remoto del variador de frecuencia y un
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recuadro que nos permite visualizar el comportamiento del variador en tiempo real con un rango especifico (tendencia); además de una opción para salir de la plantilla si así se requiere.
En la figura 5.15, se observa la plantilla de control remoto del variador que consta debotones de arranque y paro, dos botones para cambiar el sentido de giro y dos botones para incremento o decrementode la velocidad (frecuencia), cuyo valor actual se muestra en un Display(recuadro azul) localizado debajo de estos cuyas unidades estan en Hertz; además cuenta con la opción para pasar directamente de esta plantilla a la tendencia del variador, y un botón para regresar al menú principal.
Figura 5. 15 Plantilla de control para el PowerFlex 40.
En la figura 5.16 se observa la tendencia del variador de frecuencia en un tiempo determinado junto con su valor actual, con un botón para regresar al menú principal.
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Una vez terminadas las plantillas se descarga el programa completo en el PanelView Plus 1000 teniendo cuidado de que la revisión sea la misma entre el programa que se va a descargar y la revisión del PanelView Plus 1000figura 5.17.
Figura 5. 17 Descarga de pantallas al PanelView Plus 1000 del PowerFlex 40.
5.4 Esquema de la red Ethernet/IP con el PowerFlex 40
En el sistema de comunicaciones, el variador de frecuencia PowerFlex 40 queda integrado en la red de información Ethernet/IP como se menciona en el comienzo de este capítulo, el esquema de la red de Ethernet/IP con el variador de frecuencia PowerFlex 40 integrado se muestra en la figura 5.18.
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Figura 5. 18 Integración del PowerFlex 40 a la red Ethernet I/P del sistema de comunicaciones.
En la arquitectura cada elemento tiene un cometido dentro de la red Ethernet/IPmismo que se describen en la tabla 5.4.
Tabla 5. 4 Descripción de los dispositivos de la red Ethernet/IP en la arquitectura donde se integra el variador de frecuencia PowerFlex 40.
Dispositivo Dirección IP Descripción
Estación de ingeniería 192.168.30.1 - Configuración de la red Ethernet/IP - Elaboración del programa de la unidad de control 1, a partir de la cual se controla el PowerFlex 40
- Elaboración de las plantillas para la unidad de monitoreo
Estación de monitoreo PanelView
Plus 1000 192.168.30.3 Control remoto y monitoreo del variador de frecuencia PowerFlex 40 Unidad de control 1 ControlLogix 192.168.30.19 Control remoto del variador de frecuencia
PowerFlex 40
PowerFlex 40 192.168.30.30 Dispositivo a controlar y manipular en la arquitectura mostrada en la figura 5.18
Con la integración del variador de frecuencia PowerFlex 40, se complementa el sistema de comunicaciones desarrollado en el proyecto,siendo su integración en la red de información Ethernet/IP, en la cual se lleva a cabo el control local y remoto del PowerFlex 40, siendo el control de forma remota a través delPAC y lasHMI (PanelView Plus 100 y las PC), y de forma local en el tablero que está integrado al chasis del variadorde frecuencia (PowerFlex 40), acercando de esta forma el sistema de comunicaciones más a una arquitectura industrial típica.
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CAPÍTULO 6. RESULTADOS Y
CONCLUSIONES FINALES DEL
PROYECTO
En este capítulo se describen los resultados que se obtuvieron a partir de los objetivos planteados al inicio de este proyecto, revisando el objetivo general y los objetivos específicos, comprobando uno por uno, si es que se lograron llevar a cabo y de lo contrario, se especifica porque motivos no se cumplieron. Posteriormente se visualizan las conclusiones que se tiene del trabajo, que son las observaciones de los puntos clave para poder entender la integración de un sistema de comunicaciones aplicables a un sistema de control distribuido y este mismo.
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6.1 Resultados.
1. Se logró integrar la arquitectura de un sistema de comunicaciones aplicables a un SCD en el laboratorio B-08 de Pesados,es decir, las tareas asignadas a los PAC’S y el flujo de información se llevaron a cabo de forma distribuida,cubriendo los dos niveles (de trabajo y de control) planteadas como un objetivo principal del proyecto.
2. El siguiente resultado que se obtuvo fue la comprobacióndel funcionamiento de las redes de comunicación, mediante las pruebas que se realizaron a las E/S (remotas y del PAC), que se monitorearon en las diferentes HMI´S, con la capacidad de visualizar el comportamiento de las señales en cualquiera de estas.
3. El tercer objetivo se concluyó de manera satisfactoria, ya que a través del PANELVIEW PLUS 1000 se logró monitorear y controlar el variador de frecuencia PowerFlex 40 modificando sus parámetros, tales como son: arranque y paro, velocidad y cambio de giro, mostrando su comportamiento en tiempo real en la pantalla de la HMI (tendencias).
6.2 Conclusiones finales del proyecto
Con la realización de este trabajo se consiguió, integrar dos redes de comunicaciones aplicables aun sistema de control distribuido, estas son: Ethernet/IP (nivel de información) y ControlNet (nivel de control), ya que de por sí los sistemas industriales están concebidos de forma modular.
Entre las conclusiones que se obtienen de la elaboración de este proyecto es que en un sistema de comunicaciones se deben evaluar las características de las redes que se van a utilizar, tanto físicas como de comunicación, ya que de estas depende la eficacia en el intercambio de la información; tales características son:
- Las variedades de cableado que utilizan,
- que tan vulnerables a interferencias electromagnéticas son dicha red en conjunto con su capa física,
- si son ideales para sitios en donde se manejan productos o subproductos inflamables, - la longitud máxima permitida del cableadoantes de que su señal se atenúe,
- el número máximo de estaciones o nodos permitidos en cada red, - el ancho de banda,
- y no menos importante la velocidad de transferencia.
Del tipo de cableado dependen: la flexibilidad del mismo, si cuentan con blindaje para disminuir las interferencias electromagnéticas, e incluso como se ve en el desarrollo del proyecto, afecta a la velocidad de comunicación en el caso de Ethernet/IP que varía desde los 10Mbps (llamado también Ethernet estándar), los 100Mbps (llamado también Fast Ethernet) y llegando hasta los 1000Mbps (llamado también Gigabit Ethernet), de los cuales se utiliza en este proyecto la velocidad de transmisión intermedia (100Mbps), que como se menciona en el cuerpo del trabajo, estaes la que se ajusta a las necesidades del mismo.También del tipo de cableado dependerá el número de nodos o estaciones que se pueden agregar a cada red, como lo dicen las especificaciones técnicas de cada tipo.
Mientras que el ancho de banda o lo que es lo mismo la cantidad de información (bits, Bytes, etc.) por segundo (velocidad de transferencia), como su definición lo dice, nos limita la cantidad de flujo
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de información en el sistema de comunicaciones, por lo que en una aplicación industrial cualquiera en donde se requiera controlar una infinidad de variables, este punto a considerar es relevante. Estas consideraciones previas aseguran una armonía entre el entorno de operación y la comunicación de los dispositivos en la red.
Una vez que se eligen la capa física de las redes de comunicación, es indudable que el siguiente paso es verificar que el hardware cuenta con las especificaciones técnicas necesarias para lograr el cumplimiento de las acciones de control requeridas en un proceso, a lo que le precede las conexiones eléctricas y de comunicación como se realiza en este proyecto, mismas que son descritas por el fabricante, que en este caso es Allen-Bradley en los catálogos de sus dispositivos. Estas conexiones deben realizarse minuciosamente a detalle como lo marca el fabricante, ya que de esto también depende el funcionamiento del sistema, debido a que por ejemplo, una señal de entrada conectada incorrectamente no será correctamente medida, por lo que el control de la variable transmitida por esta señal no se efectuará adecuadamente; y como consecuente el monitoreo.