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IMPLEMENTACIÓN DE UN CALENTADOR DE AGUA UTILIZANDO UN SEGUIDOR SOLAR

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Academic year: 2017

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(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

IMPLEMENTACIÓN DE UN CALENTADOR DE AGUA

UTILIZANDO UN SEGUIDOR SOLAR

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTA:

EDUARDO MARIANO GARCÍA

ASESORES:

M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ M. EN C. JOSÉ DARÍO BETANZOS RAMÍREZ

(2)

i RESUMEN

En este trabajo se muestra la propuesta de implementación de un calentador de agua utilizando un seguidor solar.

Uno de los principales usos finales de la energía es el calentamiento de agua. En el sector residencial se utiliza principalmente para la higiene personal y actividades relacionadas con la preparación y consumo de alimentos. En la industria, el agua caliente se emplea en la producción, en el tratamiento y manejo de bebidas y alimentos, entre otros usos. En el presente trabajo se implementa un calentador de agua prescindiendo de la quema de combustibles fósiles de manera que es posible minimizar los impactos al medio ambiente.

En el desarrollo e implementación del trabajo se utilizó una estructura mecánica que cuenta con dos ejes de movimiento los cuales permiten modificar la posición del calentador

Se utilizo un seguidor solar, VersaTRAK IPm2m, el cual es un seguidor ciego ya que no necesita de foto resistencias para determinar la posición del sol; cuenta con una base de datos previamente definida la cuál contiene los datos de la trayectoria del sol, y es de fácil configuración, ya que solo es necesario dar de alta 4 parámetros: latitud, longitud, altura con respecto al mar, y la fecha actual, para determinar la zona donde se encuentra instalado el equipo y por consecuente, la trayectoria del sol.

En el control se utilizo un PLC FX3U-16MR, el cual está encargado de ejecutar la secuencia de programación desarrollada para controlar y monitorear los servomotores. Se describe la configuración de los servomotores, los cuales deben realizar los movimientos de los dos ejes con los que cuenta la estructura mecánica.

(3)

ii ÍNDICE GENERAL

CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

1.1 Introducción……….……2

1.2 Objetivo General……….3

1.3 Objetivos Específicos……….…....3

1.4 Justificación………...4

1.5 Antecedentes..………...…….5

CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO. 2.1 Energías renovables...………...7

2.1.1 Energía eólica………..7

2.1.2 Energía hidráulica…...………...8

2.1.3 Energía solar………...8

2.2 Captadores solares………...9

2.2.1 Captador de placa plana………...9

2.2.2 Captador de tubo de vacío………...11

2.3 Seguidores Solares………...12

2.4 PLC………...……..13 2.4.1 Estructura básica de un PLC………...………...……14

2.4.1.1 Fuente de alimentación o suministro de energía………...………..15

2.4.1.2 Unidad Central de Procesamiento (CPU)………..15 2.4.1.3 Módulos de interfaces de entradas y salidas………15

2.4.1.4 Módulo de memorias………...……….16

2.4.1.5 Unidad de Programación………...16

2.4.1.6 Ciclo de operación de un PLC……….16

2.4.2 Clasificación de los PLC’s………...18

2.4.2.1 PLC nano………....18

2.4.2.2 PLC compacto………...18

(4)

iii

2.5.1 Servoamplificadores……….20

2.5.1.1 Control de posición………...20

2.5.1.2 Control de velocidad………..21

2.5.1.3 Control de par de giro………..….21

2.5.2 Servomotores………...….…....22

2.6 Protocolos de comunicación………...24 2.6.1 PROFIBUS……….25 2.6.1.1 PROFIBUS DP………...……25 2.6.1.2 PROFIBUS PA………...25

2.6.1.3 PROFIBUS FMS………25

2.6.2 MODBUS………26 CAPITULO 3 IMPLEMENTACIÓN. 4.1 Estructura mecánica………...….30

3.1.1 Base de equipo………...…..30

3.1.2 Bastidor de soporte principal………...…...31

3.1.3 Bastidor de espejos………..32 3.1.4 Bastidor de soporte de tubo de Cu……….…..…….33

3.1.5 Mecanismo de ajuste de inclinación de tubo de Cu………..………..33

4.2 Selección de equipo………...………..34

3.2.1 PLC FX3U-16MR………..….……...35 3.2.2 Servoamplicador MR-J3-B……….….………37

3.2.3 Sistema VersaTRAK IPm2m………...……38

4.3 Diagramas eléctricos………..……..…40

4.4 Descripción del Software………..……..….50 3.4.1 GX Developer………..…….….50 3.4.2 Sixnet I/O Tool Kit………...…….….53 3.4.3 Configuración de los Servoamplificadores MR-J3-40B……….….57

CAPITULO 4 SECUENCIA DE PROGRAMACIÓN. 4.1 Diagrama de bloques del funcionamiento del programa.………60

(5)

iv CAPITULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTALES Y CONCLUSIONES.

5.1 Resultados Experimentales……….66

5.2 Conclusión……….77

Bibliografía………..78

ANEXO 1 Secuencia de Programación………..81

ANEXO 2 Manual de Operación………..92

ÍNDICE DE FIGURAS 1.1 Esquema básico de un calentador solar………..2

2.1 Captador placa plana………10

2.2 Captador tubo de vacío……….12

2.3 Seguidor solar………12

2.4 Estructura general de un PLC………...14

2.5 Ciclo de operación de un PLC……….17

2.6 Ejemplo de PLC tipo nano………18

2.7 Ejemplo de PLC compacto………...19

2.8 Ejemplo de PLC modular………..20

2.9 Servoamplificador………..22

2.10 Servomotor………..23

2.11 Estructura interna de un encoder……….24

3.1 Estructura mecánica (diseño e implementación)………..28

3.2 Conexión general………...29

3.3 Estructura mecánica………..30

3.4 Base del equipo……….31

3.5 Bastidor soporte principal, espejos y tubo de Cu……….32

3.6 Bastidor de espejos y tubo de Cu………...33

(6)

v

3.8 PLC FX3U-16MR………...35

3.9 Módulo FX3U-20SSC-H………36

3.10 Conexión módulos de expansión……….………36

3.11 Servoamplificador MR-J3-B………..37

3.12 Servomotor HF-KP……….38

3.13 VersaTRAK IPm2m………39

3.14 Alimentación PLC………...41

3.15 Alimentación servoamplificadores………...43

3.16 Alimentación de la fuente externa………44

3.17 Alimentación VersaTRAK IPm2m y FX3U-20SSC-H………...45

3.18 Conexión Servoamplificadores y Servomotores………46

3.19 Conexión Contactores………...46

3.20 Conexión entradas PLC………47

3.21 Conexión salidas PLC………48

3.22 Conexión modulo de salidas……….48

3.23 Conexión displays de temperatura y termopares………..49

3.24 Comunicación RS-485………...50

3.25 New Project……….51

3.26 Entorno de programación GX Developer………52

3.27 Barra de botones………....52

3.28 Enter symbol………53

3.29 Ejemplo de programación……….53

3.30 Sixnet I/O Tool Kit………..54

3.31 Crear un nuevo proyecto………...54

3.32 Agregar a una nueva estación……….55

3.33 Configuración general de la estación IPm………..55

3.34 Entradas configuradas de los ejes azimut y altitude………..56

3.35 Estación VersaTRAK configuración final……….56

3.36 Selección SW1……….57

4.1 Diagrama de bloques del programa………60

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vi

4.3 Solicitud de estado eje altitude………61

4.4 Activación de Límites………...61

4.5 Activación de salidas………62

4.6 Pulsos de entrada eje azimut………..62

4.7 Relación de resoluciones eje azimut……….63

4.8 Pulsos de entrada eje altitude………63

4.9 Relación de resoluciones eje altitude………63

4.10 Pulsos de salida a servomotores………...64

4.11 Pulsos de confirmación VersaTRAK………64

5.1 Elementos internos del tablero de operación………66

5.2 Tablero de operación instalado………...67

5.3 Calentador de agua en operación (día nublado)………..68

5.4 Gráfica de Temperatura (día nublado)………...69

5.5 Calentador de agua en operación (cielo despejado)………...70

5.6 Gráfica de Temperatura (día despejado)………...71

5.7 Gráfica de los pulsos del eje azimut (atardecer)………..73

5.8 Gráfica de los pulsos del eje altitude (atardecer)……….73

5.9 Gráfica de los pulsos del eje azimut (trayectoria completa)………...75

5.10 Gráfica de los pulsos del eje altitude (trayectoria completa)………76

ÍNDICE DE TABLAS 3.1 Nomenclatura del servoamplificador………..43

3.2 Abreviaturas………52

3.3 Asignación de número de eje………..58

5.1 Datos de temperatura (día nublado)………...69

5.2 Datos de temperatura (día despejado)………..71

5.3 Datos de los pulsos de ambos ejes (atardecer)………...72

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CAPÍTULO 1

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1.1 Introducción.

El calentamiento solar de agua es un proceso que puede ser más económico que los procedimientos que utilizan la quema de combustibles fósiles, además de que sus impactos al medio ambiente son prácticamente nulos.

Un calentador solar es un sistema que calienta agua utilizando la energía proveniente del sol sin necesidad de utilizar algún combustible.

Las partes principales que componen a un calentador solar son: el colector, que es el componente que se encarga de transferir la energía solar al agua; el contenedor, que es el lugar donde se almacena el agua caliente; y el sistema de tuberías por donde circula el agua.

El colector solar plano se instala de tal manera que quede expuesto a la radiación solar la mayor parte del día. El colector solar plano está formado por aletas captadoras y tubos por donde circula el agua, los cuales capturan el calor proveniente de los rayos del sol y lo transfieren al agua que circula en su interior.

En la Fig. 1.1 Se muestra el esquema básico de un calentador solar; se pueden notar sus partes principales como lo son: el colector solar, la tubería por donde circula el agua y el tanque de almacenamiento.

(10)

3

En este trabajo de investigación se propone la implementación de un calentador de agua utilizando un seguidor solar. La novedad de este trabajo de investigación es implementar un sistema automático para la obtención de los datos que corresponden a la posición actual del sol, sin la necesidad de utilizar colectores solares o sensores de luz que detecten la luminosidad del sol; el proceso de calentamiento de agua se realizará a través de espejos direccionados hacia un tubo de cobre por donde circulará el fluido y para el movimiento de la estructura mecánica se utilizaron servomotores controlados por un PLC.

Se hace referencia a la estructura y componentes básicos con los que cuenta un calentador solar y su principio de funcionamiento.

Se describe el desarrollo de la implementación; se analiza el funcionamiento de todos los componentes utilizados con la descripción de cada uno de ellos y las partes que componen el sistema completo.

También se realiza la descripción de los ambientes de programación utilizados para el desarrollo de la secuencia de programación, la configuración de cada uno de los componentes que intervienen en el control del sistema, así como las redes utilizadas para la comunicación entre cada uno de los equipos.

1.2 Objetivo General.

Implementar un calentador de agua utilizando un seguidor solar que determina la posición del sol, un PLC mediante el cual se obtienen las señales de control y dos servomotores que permiten modificar la posición del calentador.

1.3 Objetivos específicos.

Configurar el seguidor solar para la obtención de datos, permitiendo determinar la posición del sol.

Desarrollar una secuencia de programación mediante un PLC, el cual estará encargado de realizar el control del seguidor solar.

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4

Monitorear la temperatura mediante termopares para el registro automático de los resultados experimentales.

1.4 Justificación.

El calentamiento de agua es un proceso relativamente simple que principalmente se obtiene con la quema de combustibles fósiles. En el sector residencial se utiliza principalmente para calentar agua para la higiene personal y actividades relacionadas con la preparación y consumo de alimentos. En la industria, el agua caliente se emplea en la producción, en el tratamiento y manejo de bebidas y alimentos, entre otros usos. [1]

El principal problema que presenta la empresa donde se llevará a cabo la implementación es el gasto que implica calentar agua empleando calderas, las cuáles recurren a la quema de combustibles fósiles. Con la implementación del calentador de agua utilizando un seguidor solar propuesto, se busca omitir el uso de calderas, y por consecuente, minimizar gastos e impactos al medio ambiente que estos procedimientos pueden llegar a provocar.

1.5 Antecedentes.

Durante siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la energía solar, no solo como una opción energética sino como una fuente de vida, pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra. [2]

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5

En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como fuente energética, puesto que las reservas de combustibles fósiles se están agotando progresivamente. Esto ha ocasionado que, sean parecidos los precios de un calentador solar y de uno de gas, lo que no sucedía hace 60 años. Así con respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez más baratos, con la gran ventaja de que la luz del Sol, aparece todas las mañanas sin cobrar. [4]

La energía solar es una posibilidad energética en nuestro país, con sus deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas a largo plazo, ya que México posee regiones con el promedio de insolación mundial más alto. El que esta fuente energética sea rentable depende de las investigaciones que se realicen, de los recursos económicos destinados a su estudio y del interés que se presente en su desarrollo. [3]

Calentar agua utilizando energía solar es un proceso que utiliza tecnología ya muy probada en México y en el resto del mundo.

Sin embargo, a pesar de las iniciativas que se han tomado a lo largo de muchos años y de la actual aplicación de estos sistemas, en México no se ha logrado aprovechar el potencial de calentamiento de energía solar y esto se debe a un conjunto de barreras que inhiben su compra e instalación por los posibles usuarios, entre estas barreras resaltan:

Costo inicial de los equipos;

Desconfianza de los posibles usuarios y/o compradores en la tecnología;

Existencia muy limitada de técnicos capacitados para instalar y/o reparar los sistemas.

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CAPÍTULO 2

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2.1 Energías renovables.

Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua y son inagotables a escala humana. Además tienen la ventaja adicional de poder complementarse entre sí, favoreciendo la integración entre ellas.

Son respetuosas con el medio ambiente, y aunque ocasionen efectos negativos sobre el entorno, son mucho menores que los impactos ambientales de las energías convencionales como combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), energía nuclear, etc.

Dentro del marco de las energías renovables se pueden destacar las que tienen un mayor desarrollo tecnológico, y por tanto, mayores posibilidades de competir en el mercado:

- Energía eólica. - Energía hidráulica. - Energía solar.

Con las energías renovables se pueden obtener las dos formas de energía mas utilizadas: calor y electricidad.

2.1.1 Energía eólica.

El sol provoca en la Tierra las diferencias de presión que dan origen a los vientos.

La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el Sol, y las irregularidades de la superficie terrestre.

Aunque solo una pequeña parte de la energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica, la cantidad total es enorme.

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8

generador eléctrico con el eje solidario al sistema motriz, de forma que el viento hace girar las palas y el generador eléctrico.

En la actualidad es una de las energías renovables más competitivas gracias a las mejoras técnicas.

2.1.2 Energía hidráulica.

La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial asociada a los saltos de agua y a la diferencia de alturas entre dos puntos del curso de un río.

Las centrales hidroeléctricas transforman en energía eléctrica el movimiento de las turbinas que se genera al precipitar una masa de agua entre dos puntos a diferente altura.

Una de las principales ventajas de la energía hidráulica es que no contamina. Pero en cambio sus infraestructuras son muy caras y depende de los factores climáticos.

2.1.3 Energía solar.

La energía solar directa es la energía del Sol sin transformar, que calienta e ilumina.

Necesita sistemas de captación y de almacenamiento, y aprovecha la radiación del Sol de maneras diferentes:

- Utilización directa: mediante la incorporación de acristalamientos y otros elementos arquitectónicos con elevada masa y capacidad de absorción de energía térmica, es la llamada energía solar térmica pasiva.

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- Transformación en electricidad: es la llamada energía solar fotovoltaica, la cual permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares. Esta electricidad se puede utilizar de manera directa, se puede almacenar en acumuladores para su uso posterior, e incluso se puede introducir en la red de distribución eléctrica.

La energía solar es una de las energías renovables con mayores posibilidades.

En la implementación de un calentador de agua utilizando un seguidor solar, se emplea la energía solar térmica, ya que los espejos direccionan los rayos solares hacia el tubo de Cu y calientan el fluido que circula por el mismo.

2.2 Captadores solares.

El captador o panel solar es el componente de la instalación en la que se capta la radiación solar y se convierte en energía calorífica, al calentarse el fluido que circula por su interior. Existen dos tipos principales de captadores solares:

- Captador de placa plana. - Captador de tubo de vacío.

2.2.1 Captador de placa plana.

El captador solar de placa plana está formado por los siguientes componentes:

- Carcasa.

- Cubierta transparente. - Absorbedor.

- Aislamiento. - Tuberías.

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[image:17.612.161.451.74.296.2]

10

Fig. 2.1 Captador placa plana.

La carcasa tiene dos misiones, proteger y soportar todos los elementos del captador, y otra estructural para poder adaptarse al edificio o al soporte que sostenga la instalación.

La cubierta transparente del captador principalmente se utiliza para provocar el efecto invernadero y reducir las pérdidas térmicas por convección. Los materiales normalmente usados son el vidrio y el plástico.

El absorbedor recibe la radiación solar, la transforma en calor y la transmite al fluido portador. Se trata de una placa metálica sobre la que se sueldan o embuten tubos por donde circula el fluido. Generalmente son de cobre o aluminio.

El aislamiento se encarga de proteger al absorbedor de las perdidas térmicas en su parte posterior.

Y por último, la tubería con la que cuenta el captador solar, ésta puede ser de dos tipos:

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separación entre tuberías paralelas suele ser entre 10 y 12 centímetros, y el material utilizado para la tubería del captador generalmente es tubo de cobre.

2.2.2 Captador de tubo de vacío.

Estos colectores presentan una configuración totalmente distinta a la de los de tipo plano. En este sistema la superficie de captación está formada por un conjunto de tubos de vidrio, dentro de los cuales se encuentra el absorbedor, formado por un tubo metálico dentro del cual se encuentra el fluido de trabajo, que en este caso no es agua, sino alcohol o similar. Entre el tubo de vacío y el captador hay una cámara en la que se ha hecho el vacío, que es lo que hace de aislante. Los tubos están totalmente sellados en los extremos.

El fluido de trabajo al calentarse, pasa al estado de vapor, sube entonces por el tubo y llega al extremo superior, que está conectado a un condensador que funciona a modo de intercambiador de calor. Aquí el líquido se condensa y vuelve al estado líquido. El líquido retorna a la parte baja del tubo por la gravedad, repitiéndose de nuevo el ciclo de evaporación-condensación.

Estos colectores son capaces de aprovechar la radiación difusa y también funcionan con tiempo frío. Permiten obtener mayores temperaturas y tienen un rendimiento muy elevado. Su durabilidad es mayor, pero su costo también es elevado, por lo que son menos comerciales que los captadores de placa plana. Hoy en día son los más utilizados en las instalaciones con máquina de absorción para refrigeración por su alto rendimiento.

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Fig. 2.2 Captador tubo de vacío.

2.3 Seguidores Solares

Un seguidor solar es un sistema con una parte fija y una parte móvil, la cual dispone de una superficie de captación solar, esta se encuentra lo mas perpendicular posible con respecto al sol a lo largo del día y dentro de sus rangos de movimiento. En la Fig. 2.3 Se muestra un ejemplo de un seguidor solar.

Fig. 2.3 Seguidor solar.

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Dentro de los seguidores solares según su rango de movimiento se encuentran los seguidores de un eje, los cuales solo gozan de un grado de libertad en su movimiento; y los seguidores de dos ejes, los cuales cuentan con dos grados de libertad, capaces de hacer un seguimiento solar más preciso.

Los seguidores solares según su algoritmo de seguimiento se dividen en dos:

Seguidores por punto luminoso. Este tipo de seguidores poseen un sensor que les indica cual es el punto del cielo más luminoso y al que deben apuntar. El algoritmo de este tipo de sensor basa su funcionamiento en la señal entregada por uno o varios sensores, dependiendo de dicha señal se envía un comando de control a uno o varios motores para que se posicionen en el punto más adecuado de luminosidad.

Seguidores con programación astronómica. Se trata de seguidores que mediante un programa y de acuerdo con las ecuaciones solares conocen en qué punto debería estar el sol a cada hora y apuntan a dicha posición.

Este tipo de seguidor presenta una total independencia de las condiciones climáticas ya que su algoritmo no requiere de sensores que indiquen cual es el punto más luminoso. El seguimiento en este caso depende únicamente de una serie de ecuaciones que predicen la ubicación del sol en cualquier momento. Aunque este tipo de seguidor resulta ser de gran precisión, cabe mencionar que la implementación del algoritmo representa un alto grado de complejidad.

2.4 PLC.

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2.4.1 Estructura básica de un PLC.

Las partes principales de un PLC son:

- Fuente de alimentación o suministro de energía - Unidad Central de Procesamiento (CPU)

- Módulos de interfaces de entradas y salidas - Módulo de memorias

- Unidad de programación

En la Fig. 2.4 Se observa un diagrama de bloques de la estructura general con la que cuenta un PLC.

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2.4.1.1 Fuente de alimentación o suministro de energía.

La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema, así como a los módulos que se le pueden agregar al PLC. En general, los PLC´s, poseen dos tipos de fuente de alimentación independiente:

- +5 V.C.D. para la alimentación de todas las tarjetas

- +24 V.C.D. para la configuración de las entradas y salidas

2.4.1.2 Unidad Central de Procesamiento (CPU).

Es la parte inteligente del sistema. Está estructurada en base a un microprocesador, constituida por una unidad de control, memoria interna del programador RAM y circuitos auxiliares. Es la encargada de ejecutar el programa del usuario y de producir las transferencias de datos desde las entradas y hacia las salidas. Toma las instrucciones una a una de la memoria, las decodifica y las ejecuta.

2.4.1.3 Módulos de interfaces de entradas y salidas.

La parte de las entradas adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores

Establecen la comunicación con la planta, permiten ingresar la información proveniente de los sensores, interruptores, etc. y enviar información a motores, bombas, electroválvulas y accionamientos en general. Para esto, las interfaces deben adaptar y codificar adecuadamente las señales.

En la industria existen diferentes dispositivos externos, por lo que las entradas y salidas se pueden clasificar en:

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2.4.1.4 Módulo de memorias.

Es el dispositivo que se encarga de almacenar toda la información que el Controlador Lógico Programable necesita para ejecutar la tarea de control. Los controladores hacen uso de distintos tipos de memoria según sea su capacidad de almacenamiento, su velocidad, volatilidad, etc.

La memoria RAM se utiliza principalmente para el almacenamiento de datos mientras el PLC está encendido.

La memoria ROM se utiliza para guardar el programa monitor del sistema.

La memoria EEPROM se emplea principalmente para almacenar el programa del usuario.

2.4.1.5 Unidad de Programación.

Es un dispositivo externo por el cual se carga un programa al PLC, comúnmente es una computadora la cual se utiliza para escribir y transferir programas al PLC, así como el monitoreo del mismo y se comunican a través de un protocolo de comunicación.

2.4.1.6 Ciclo de operación de un PLC.

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Fig. 2.5 Ciclo de operación de un PLC.

1. Escaneo de entradas. Es el tiempo requerido del controlador para escanear y leer todos los datos de entrada; normalmente lo realiza en milisegundos. 2. Escaneo de programa. Es el tiempo requerido del procesador para ejecutar

las instrucciones del programa. El tiempo de escaneo de programa varía dependiendo de las instrucciones usadas y cada estado de la instrucción durante el tiempo de escaneo.

3. Escaneo de salidas. Es el tiempo requerido del controlador para escanear y escribir todos los datos de salida; normalmente lo realiza en milisegundos. 4. Servicio de comunicaciones. Es la parte del ciclo de operación en el que la

comunicación se lleva a cabo con otros dispositivos, tales como un ordenador personal o HHP.

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2.4.2 Clasificación de los PLC’s.

Debido a la gran variedad de los PLC, tanto en sus funciones, su capacidad, en su aspecto físico y otros, es posible clasificarlos teniendo en cuenta sus distintas características.

2.4.2.1 PLC nano.

Generalmente el PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O integradas) que puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número inferior a 100. Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales. En la Fig. 2.6 Se muestra un ejemplo de un PLC nano.

Fig. 2.6 Ejemplo de PLC tipo nano.

2.4.2.2 PLC compacto.

Este tipo de PLC tiene incorporada la Fuente de Alimentación, CPU y módulos de I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos (alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los PLC tipo nano y soportan una gran variedad de módulos especiales tales como:

Entradas y salidas analógicas. Expansiones de I/O.

Módulos de comunicaciones.

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[image:26.612.185.428.125.334.2]

En la Fig. 2.7 Se observa el PLC compacto, varían en cuanto al diseño y tamaño estos equipos dependiendo del fabricante.

Fig. 2.7 Ejemplo de PLC compacto.

2.4.2.3 PLC modular.

El PLC modular se caracteriza por su gran estructura configurable, flexibilidad y capacidad de adaptación; esto permite configurar un sistema en el momento justo a la medida de cualquier aplicación. Este tipo de PLC se compone de un conjunto de elementos que integran el controlador final como son:

Rack.

Fuente de alimentación. CPU.

Módulos de I/O digitales y analógicas. Módulos de comunicaciones.

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Fig. 2.8 Ejemplo de PLC modular.

En el siguiente apartado se detalla el funcionamiento y características del PLC utilizado en el desarrollo del calentador de agua.

2.5 Sistema Servo

Un sistema servo es un conjunto de un servoamplificador y un servomotor, los cuales integran un sistema conocido como “Motion Control”. Tal expresión se emplea para denominar controles de movimientos de diversos tipos, como puede ser una tarea sencilla de posicionamiento de un eje individual; pero también puede tratarse de controles empleados para tareas muy exigentes, como el posiciona miento de múltiples ejes en grandes plantas.

2.5.1 Servoamplificadores.

Los servoamplificadores son variadores de frecuencia construidos especialmente para el control de servomotores para la realización de movimientos dinámicos.

Dependiendo de la configuración, estos sistemas pueden trabajar en tres modos de funcionamiento:

2.5.1.1 Control de posición.

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de alta precisión con un encoder montado en el servomotor. El par en este modo de control es constante; para la protección de la carga conectada contra fuertes golpes de par de giro debido a la aceleración/frenado, es posible ajustar un valor límite de par por medio de una entrada analógica o internamente por medio de parámetro.

2.5.1.2 Control de velocidad.

La regulación de velocidad y la determinación del sentido de giro se realizan mediante una entrada analógica, o bien mediante la configuración de un parámetro; se pueden seleccionar diferentes velocidades, dependiendo del modelo y marca. En función del comando de velocidad, ya sea mediante una entrada analógica o configurando un parámetro, es posible ajustar los tiempos de aceleración/desaceleración y el torque, para monitorear la velocidad y sentido de giro del servomotor se utiliza un encoder montado en el mismo, el cual mantiene informado al servoamplificador.

2.5.1.3 Control de par de giro.

El control de par de giro se realiza por medio de una entrada analógica, la velocidad se define mediante señales externas de control o internamente configurando un parámetro. Para evitar la aceleración a velocidades excesivas en el funcionamiento sin carga, en aplicaciones que dependen del par de giro, también existe la posibilidad de limitar la velocidad (determinación externa o interna).

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Fig. 2.9 Servoamplificador.

2.5.2 Servomotores.

Son motores diseñados para la ejecución de movimientos altamente dinámicos.

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[image:30.612.205.394.83.278.2]

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Fig. 2.10 Servomotor.

El enconder con el que cuenta el servomotor consta de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y a la misma distancia entre sí, un sistema de iluminación y un elemento foto receptor.

El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco, a medida que el eje gira se van generando pulsos cada vez que la luz atraviese las marcas, llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje.

La resolución del encoder depende del número de marcas que tiene físicamente el disco, éstas varían dependiendo del modelo y marca del servomotor.

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Fig. 2.11 Estructura interna de un encoder.

2.6 Protocolos de comunicación

Muchos sistemas están conformados por equipos de diferentes fabricantes; pese a que puedan estar distanciados entre sí, a menudo se desea que trabajen de forma coordinada para un resultado satisfactorio del proceso. El objetivo principal es la comunicación totalmente integrada en el sistema; dicha integración se realiza mediante los denominados protocolos de comunicación. Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red.

Los buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de proceso, reciben la denominación genérica de buses de campo. Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción.

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Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal. Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son:

2.6.1 PROFIBUS

El protocolo PROFIBUS (Process Field Bus) se divide en tres tipos principales:

2.6.1.1 PROFIBUS DP

PROFIBUS DP (Decentralized Periphery) está optimizado para alta velocidad y coste reducido. Esta versión de PROFIBUS está especialmente diseñada para comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de campo. Puede ser empleado para remplazar transmisiones paralelas de señales con 24 V.C.D. o 4 – 20 mA. El intercambio de datos es cíclico. El tiempo de ciclo del bus ha de ser menor que el tiempo de ciclo del programa del controlador central.

2.6.1.2 PROFIBUS PA

PROFIBUS PA (Process Automation) está especialmente diseñado para automatización de procesos. Permite que sensores y actuadores puedan ser conectados a un bus común en áreas de especial seguridad calificadas como Ex. Básicamente, es la ampliación de Profibus DP compatible en comunicación con una tecnología que permite aplicaciones para la automatización de procesos en recintos expuestos al peligro de explosiones (áreas clasificadas Ex).

2.6.1.3 PROFIBUS FMS

(33)

26

reacción pequeño. En la mayor parte de aplicaciones, el intercambio de datos es fundamentalmente acíclico en base a la demanda del proceso del usuario.

2.6.2 MODBUS

Modbus es un protocolo de transmisión para sistemas de control y supervisión de procesos (SCADA) con control centralizado, funciona mediante el sistema maestro/esclavo, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisión y control de un proceso. Este protocolo puede estar configurado en: RS-232, RS-422 o RS-485.

En Modbus los datos pueden intercambiarse en dos modos de transmisión:

MODBUS RTU. Donde se envían 4 caracteres hexadecimales (4 bits cada uno) para cada mensaje.

(34)

27

CAPÍTULO 3

(35)

28

La implementación del calentador de agua utilizando un seguidor solar, fue desarrollada e instalada dentro de una empresa, ubicada en el municipio Naucalpan de Juárez, Ciudad de México. Fue desarrollada a partir del uso y configuración de los siguientes equipos:

- Sistema VersaTRAK IPm2m. - PLC FX3U-16MR.

- Dos servoamplificadores MR-J3-40B y dos servomotores HF-KP.

Por otra parte también es necesario conocer de manera general el funcionamiento de la estructura mecánica con la que cuenta el calentador de agua.

En la Fig. 3.1 Se contemplan los componentes generales que constituyen a la estructura mecánica. Del lado izquierdo se observa el diseño que se realizo para su posterior fabricación; y del lado derecho esta la estructura mecánica con su respectivo tablero de operación, en donde se encuentran los dispositivos que se utilizaron para llevar a cabo toda la secuencia de programación para la implementación del calentador de agua.

(36)

29

En el presente apartado se explican las partes que componen la estructura mecánica, y su funcionamiento, diagramas eléctricos, diagrama de bloques del funcionamiento de los componentes; así como la descripción del software utilizado para realizar la configuración y programación de los controladores.

En la Fig. 3.2 De describe el diagrama de cómo deben ir conectados de forma general todos los equipos utilizados en la implementación.

(37)

30

3.1 Estructura mecánica

La estructura mecánica consta de las siguientes partes básicas:

Base de equipo

Bastidor soporte principal Bastidor de espejos

Bastidor de soporte de Cu

Mecanismo de ajuste de inclinación de tubo de Cu

[image:37.612.138.467.315.574.2]

En la Fig. 3.3 Se contemplan las partes básicas que conforman la estructura mecánica.

Fig. 3.3 Estructura mecánica.

3.1.1 Base de equipo.

(38)

31

En esta parte del equipo se aloja el accionamiento de giro horizontal del sistema, que está conformado por dos reductores y un servomotor, todos los equipos están acoplados directamente a través de bridas de aluminio. En la Fig. 3.4 Se observa el equipo que se encuentra dentro de la base del equipo.

Fig. 3.4 Base del equipo.

3.1.2 Bastidor de soporte principal.

(39)

32

Fig. 3.5 Bastidor soporte principal, espejos y tubo de Cu.

3.1.3 Bastidor de espejos.

El bastidor de espejos es la parte de la estructura mecánica en donde se alojan los espejos, éstos se encuentran enfocados hacia el tubo de Cu; y tienen la función de reflejar los rayos del sol hacia el tubo de Cu para así poder realizar el calentamiento del agua. Este bastidor cuenta con 20 espejos montados en el, en la Fig. 3.6 Se aprecia el bastidor con los espejos montados.

Bastidor de soporte principal

Bastidor de tubo de Cu

(40)

33

Fig. 3.6 Bastidor de espejos y tubo de Cu.

3.1.4 Bastidor de soporte de tubo de Cu.

El bastidor de soporte de tubo de Cu es donde se encuentra montado el tubo por donde circula el agua que se desea calentar, tiene montados dos termopares, uno a la entrada y otro a la salida del fluido; dichos termopares están conectados a dos displays de temperatura los cuáles nos permiten monitorear la temperatura de entrada y de salida.

3.1.5 Mecanismo de ajuste de inclinación de tubo de Cu.

(41)

34

Fig. 3.7 Bastidor de soporte de tubo Cu y mecanismo de inclinación.

La estructura mecánica tiene dos ejes de movimiento, azimut y altitude; El bastidor de soporte principal se mueve horizontalmente sobre el eje azimut, de este a oeste; el movimiento de este eje se realiza mediante el mecanismo de accionamiento de giro horizontal, en dicho mecanismo se encuentra acoplado un servomotor para poder realizar este movimiento. Mientras que el bastidor de espejos se mueve sobre el eje de altitud, de horizonte a zenit; dicho movimiento se realiza mediante un servomotor con reductor que acciona al husillo acoplado al mecanismo de inclinación, el cuál realiza el movimiento del bastidor de espejos.

3.2 Selección de equipo.

Para realizar la implementación del calentador de agua utilizando un seguidor solar, es necesario tomar en cuenta todos los equipos que se requieren para realizar dicha implementación; una vez definidos los equipos, se tiene que hacer una selección en base a las características con las que cuenta el equipo y seleccionar el que mejor se adapte a las necesidades de la implementación.

En el siguiente apartado se detalla el criterio que se tomó para realizar la selección de los equipos que conforman el sistema de calentamiento de agua.

Mecanismo de inclinación

(42)

35

3.2.1 PLC FX3U-16MR.

La alimentación de este equipo es de 100 a 240 v.c.a, cuenta con 8 entradas y 8 salidas, las entradas son digitales y las salidas son tipo relevador; se le añadieron dos módulos de expansión, uno de entradas y otro de salidas, ya que para esta aplicación no es necesario poner un PLC de mayor capacidad de I/O porque el equipo seleccionado cuenta con la velocidad de procesamiento y funciones necesarias para el desarrollo del proyecto de investigación. La función de este equipo es recibir las señales de control de parte del sistema VersaTRAK IPm2m para así controlar a los servomotores. En la Fig. 3.8 Se muestra el equipo utilizado para ésta proyecto.

Fig. 3.8 PLC FX3U-16MR.

(43)

36

Fig. 3.9 Módulo FX3U-20SSC-H.

El módulo dedicado para el control de movimiento FX3U-20SSC-H puede manejar hasta dos ejes de movimiento, los necesarios para este trabajo, su alimentación es a 24 VCD mediante una fuente externa y se comunica con los servoamplificadores mediante un protocolo de comunicación SSCNET III, que es mediante Fibra Óptica, lo cual lo hace muy fiable ya que este protocolo de comunicación es libre de interferencias electromagnéticas al utilizar un medio óptico.

En la Fig. 3.10 Se contempla la forma en que los módulos de expansión se conectan al PLC; es posible conectar hasta 8 módulos de expansión.

(44)

37

3.2.2 Servoamplificador MR-J3-B

El servoamplificador MR-J3-B dispone de una interface óptica SSCNET III, la cual permite la operación y supervisión del servomotor por parte del controlador. El control de la velocidad de rotación/sentido de giro y el posicionamiento de alta precisión se ejecutan con comandos desde el controlador.

El servomotor cuenta con un encoder de posición absoluta con una resolución de 262144 pulsos/revolución para garantizar un control muy preciso; además se le puede añadir una batería al encoder. La batería del encoder hace innecesario volver a ajustar la posición inicial cuando se enciende nuevamente el sistema, una vez establecida la dicha posición.

La alimentación de la parte de potencia y control es por separado, ya que en caso de falla se protege la parte de control; la parte de potencia se alimenta a 220 v.c.a. mientras que la parte de control se alimenta a 110 v.c.a. Tiene dos puertos de comunicación SSCNET III, el primero para comunicación con el PLC y el segundo para comunicar con el siguiente servoamplificador; dispone de un puerto USB para su configuración. Este servoamplificador cuenta con un puerto de I/O desde donde se puede controlar y monitorear, y un puerto para el encoder para el monitoreo del servomotor. En la Fig. 3.11 Se aprecia el servoamplificador MR-J3-B.

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38

El servoamplificador se trabajara en modo control de posición, ya que los ejes de la estructura mecánica se moverán a una velocidad y par constante, y sólo se necesita saber exactamente en qué posición se encuentran los servomotores. Antes de poner en marcha el servoamplificador en este modo de control, se configura un parámetro, en el cuál se realiza la elección del tipo de modo de control que se requiera.

El modo control de posición trabaja con dos trenes de pulsos; uno para la velocidad y otro para el sentido de giro; estos trenes de pulsos son generados por el PLC mediante el bus de comunicación SSCNET III.

El servomotor utilizado es el HF-KP, consume 0.4 KW, la alimentación es a 220 v.c.a. y tiene un máximo de 6000 revoluciones por minuto. En la Fig. 3.12 Se observa el servomotor HF-KP; en la parte posterior se encuentra el encoder y en la parte superior se encuentran las conexiones que van al servoamplificador.

Fig. 3.12 Servomotor HF-KP.

3.2.3 Sistema VersaTRAK IPm2m.

(46)

39

puerto de comunicación ETHERNET, los cuales se utilizan comúnmente para comunicar este dispositivo en red con otros equipos de campo; y dispone de un puerto de comunicación RS-232, medio por el cual se comunica con la PC para su configuración. También cuenta con entradas y salidas, tanto analógicas como digitales; las entradas y salidas analógicas trabajan con señales de 10 a 30 V.C.D; mientras que las entradas y salidas digitales trabajan con señales de 24 V.C.D., dichas entradas se pueden configurar sink (npn) o source (pnp).

En la Fig. 3.13 Se observa el sistema VersaTRAK IPm2m utilizado; se puede observar que es de fácil instalación ya que cuenta con un diseño de montaje en riel.

Fig. 3.13 VersaTRAK IPm2m.

(47)

40

El VersaTRAK IPm2m podría mandar los pulsos directamente al servoamplificador, pero es necesario un PLC para que ponga límites mecánicos de movimiento y realice la conversión de las resoluciones; ya que el VersaTRAK cuenta con una resolución de 3600 pulsos/revolución, mientras que el servo cuenta con 262144 pulsos/revolución.

Por otra parte, cuenta con tres modos de operación: modo manual, modo automático y modo calibración; la selección del modo de operación se realiza mediante las entradas del equipo.

Está diseñado para el control de motores de C.D.; si se hubiesen seleccionado motores de C.D. se tendría que utilizar un VersaTRAK por cada calentador, y por consecuencia, un mayor trabajo de ingeniería. Ésta implementación se realizó pensando en replicar el calentador; ya que con el uso de los sistema servo, se puede tener una red de hasta 16 sistemas servo con la comunicación por medio de SSCNET III, y solo se necesita usar un sistema VersaTRAK.

3.3 Diagramas eléctricos.

Para la alimentación de todos los componentes, es necesario verificar el consumo de corriente de cada componente en particular y hacer la sumatoria total, para así poder seleccionar el interruptor termo magnético adecuado para el correcto funcionamiento de la instalación eléctrica.

A el interruptor termo magnético va conectado el PLC, el cual tiene un consumo de corriente de 3.15A; Los dos servoamplificadores, tienen un consumo individual de corriente de 0.9A; y por último la fuente de alimentación externa consume una corriente de 2A; por lo tanto la suma de corrientes da un total de 6.95A, motivo por el cual se eligió un interruptor termo magnético de con capacidad de 10A para no tener ningún problema en la instalación eléctrica.

(48)

41

las I/O, también va conectado el sistema VersaTRAK IPm2m, el módulo dedicado al control de movimiento FX3U-20SSC-H, los displays y los termopares.

La alimentación del PLC es a 110 v.c.a; en la Fig. 3.14 Se contempla el diagrama eléctrico de alimentación del PLC.

L1 L2 L3 N

B01

B02

3x10A

2x5A

Fig. 3.14 Alimentación PLC.

La nomenclatura utilizada para definir la dirección de las entradas es X, mientras que en las salidas es Y; se utiliza el sistema octal para numerarlas, por lo tanto las entradas van de X0 a X7, después salta de X10 a X17 y así sucesivamente; y con las salidas es el mismo método, va de Y0 a Y7, Y10 a Y17, etc.

(49)

42

L1 L2 L3 N

B01

C01 C02

3x10A

[image:49.612.91.563.75.471.2]

B03 3x10 B03 3x10

(50)

43

En la Tabla 3.1 se describe la nomenclatura utilizada para las etiquetas en los servoamplificadores.

Tabla 3.1 Nomenclatura del servoamplificador.

Abreviación Aplicación Descripción

L1, L2, L3 Alimentación del circuito de potencia Suministra una alimentación de 220 v.c.a. a la parte de potencia del servoamplificador

P1, P2 Factor de potencia

Cuando no se utiliza P1 y P2, se realiza un puente entre estas dos terminales (cableado de fábrica)

Cuando se utiliza P1 y P2, se desconecta el puente entre P1 y P2 y se conecta la mejora del Factor de Potencia del reactor de DC

P, C, D Opción de Regeneración

Cuando se utiliza un servoamplificador con opción de regeneración integrada, se realiza un puente entre P(+) y D (cableado de fábrica)

Cuando se utiliza una opción de regeneración, se desconecta el puente entre P(+) y D; y se conecta la opción de regeneración a P y C

L11, L21 Alimentación del circuito de control Suministra una alimentación de 110 v.c.a. a la parte de control del servoamplificador

U, V, W Alimentación del servomotor

Se conecta el servomotor hacia las terminales U, V y W para su alimentación.

No se debe desconectar las terminales mientras se encuentra encendido el servomotor

N Unidad de Frenado Cuando se utiliza una unidad de frenado, conectar

en P y N

Tierra Protectiva (PE)

Conectar la terminal de tierra del servomotor hacia la tierra protectiva (PE) de la caja de control para realizar la tierra del sistema

(51)

44

L1 L2 L3 N

B01

B02 3x10A

2x5A

[image:51.612.194.421.70.351.2]

24V 0V

Fig. 3.16 Alimentación de la fuente externa.

El PLC, los Servoamplificadores y la fuente de 24 V.C.D. son los únicos elementos del tablero eléctrico que se alimentan con v.c.a.

(52)

45

[image:52.612.92.518.74.277.2]

24V 0V

Fig. 3.17 Alimentación VersaTRAK IPm2m y FX3U-20SSC-H.

(53)

46

Fibra Óptica (Comunicación SSCNET III)

Cable de Potencia (U, V y W)

Cable de Encoder

1 3

2

1

3

2 1

[image:53.612.108.509.69.309.2]

3 2

Fig. 3.18 Conexión Servoamplificadores y Servomotores.

En la Fig. 3.19 Se muestra el diagrama de conexión de los contactores, los cuales se utilizan para la parte de potencia de los Servoamplificadores, éstos están conectados a las salidas Y0 y Y1 del PLC, las cuáles son a 110 v.c.a.

L1 L2 L3 N

B01

B02 3x10A

2x5A

C01 C02

[image:53.612.201.417.431.663.2]
(54)

47

En la Fig. 3.20 Se encuentra el diagrama de conexión de las entradas del PLC las cuales están conectadas hacia las salidas digitales del VersaTRAK, éstas salidas envían los datos de la posición de los dos ejes de movimiento al PLC; la entradas del PLC X0 y X1 son los pulsos de entrada del eje azimut, que se mueve de este a oeste; mientras que las entradas X2 y X3 son los pulsos de entrada del eje altitude, el cual se mueve de horizonte a zenit. Las entradas del PLC se configuraron Sink, las cuáles conmutan con 0V. Se utilizó la configuración Sink para las entradas ya que el ruido que puedan emitir otros dispositivos electrónicos no afectará a éstas.

24V 0V

Fig 3.20 Conexión entradas PLC.

(55)

48

selecciona el modo automático, con la Y3 se selecciona el modo manual, la Y4 modo calibración, y la salida Y5 determina el “Home” (posición inicial) del VersaTRAK.

24V 0V

Fig. 3.21 Conexión salidas PLC.

Las salidas utilizadas del modulo de expansión FX2N-8EYT-ESS mostradas en la Fig. 3.22 se utilizan para determinar los límites de los ejes, y los pulsos que el PLC le envía al VersaTRAK. Las salidas Y11 y Y12 determinan el límite máximo y mínimo del eje azimut respectivamente; mientras que las salidas Y14 y Y15 determinan el límite máximo y mínimo del eje altitude. La salida Y13 envía los pulsos de confirmación de la posición del eje azimut, mientras que la salida Y14 del eje altitude.

(56)

49

En la Fig. 3.23 Se aprecia la conexión de los displays, las terminales 11 y 12 son para la alimentación del mismo, la cuál es a 110 v.c.a.; por otra parte, los termopares que se utilizaron para monitorear la temperatura del agua están conectados a las terminales 4 y 5 de los displays de temperatura.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1 6 11

2 7

3

4

5 10 15

[image:56.612.113.500.172.471.2]

14 13 12 8 9 DISPLAY 1 24V 0V L1 L2 L3 N B01 DISPLAY 2

Fig. 3.23 Conexión displays de temperatura y termopares.

(57)

50

En la Fig. 3.24 Se indica el diagrama de conexión de la tarjeta de comunicación RS-485 que se utilizó para el registro automático de la temperatura, los datos del registro se almacenan automáticamente en el PLC.

1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 11 15 14 13 12 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 11 15 14 13 12 RDA RDB DATA (+) DATA (-) DATA (-) DATA (+) SDA SDB

110 Ω 110 Ω

Fig. 3.24 Comunicación RS-485.

3.4 Descripción del Software.

El software utilizado para el desarrollo de la programación es el GX Developer, mientras que para la configuración del sistema VersaTRAK se utilizó el Sixnet I/O Tool Kit.

3.4.1 GX Developer.

El software GX Developer soporta desde los controles más compactos de la serie FX, hasta los controles modulares de la serie A y Q. Este software se caracteriza por su sencilla estructura y por lo fácil que resulta aprender a manejarlo. Por lo tanto, el GX Developer, es el software indicado para desarrollar la secuencia de programación del PLC; éste se comunica con el PLC mediante un protocolo de comunicación RS-422.

Dispone de un simulador offline con la que se pueden comprobar todas las funciones importantes del programa antes de la puesta en funcionamiento. Se pueden simular todas las instrucciones y preseleccionar las reacciones de la aplicación, de manera que resulta posible la realización de una comprobación perfectamente realista.

(58)

51

[image:58.612.201.412.123.350.2]

Para crear un nuevo proyecto hay que hacer clic en la opción del menú principal “New Project”, con lo que se abrirá la ventana que se muestra en la Fig. 3.25.

Fig. 3.25 New Project.

A través de la opción “PLC series” se elige la familia de PLC con la que se va trabajar, en este caso la familia de PLC con la que se trabajó es FX. Con la opción “PLC type” se elige el modelo de PLC, el PLC que se utilizó fue el FX3U.

Dentro de “Program Type” se debe de elegir el lenguaje programación con el que se va trabajar, con lenguaje de contactos (LADDER) o a través de diagrama de flujo SFC. Para la serie más robusta de PLC Mitsubishi (serie Q), es posible seleccionar el “Label Setting”, el cual permite trabajar utilizando la programación por Etiquetas (labels) o con etiquetas y Bloques de función (FB).

La opción “Setup project name” se utiliza para seleccionar el destino donde se guardará el nuevo proyecto, así como nombrar y darle título a nuestro proyecto.

(59)
[image:59.612.86.529.66.308.2]

52

Fig. 3.26 Entorno de programación GX Developer.

En la Fig. 3.27 Se observa una colección de botones dedicados a la inserción de contactos y bobinas en la pantalla de edición; la cual se encuentra en la parte superior de la ventana del entorno de programación.

Fig. 3.27 Barra de botones.

En los botones se puede observar, de forma abreviada, cuál es la tecla o combinación de teclas que se tienen que pulsar para insertar en la pantalla de edición un componente de programación. En la Tabla 3.2 Se describe el significado de las abreviaturas.

Tabla 3.2 Abreviaturas

Abreviatura Tecla

s SHIFT

c CTRL

a ALT

(60)

53

Cuando se inserta un componente en la ventana de edición, aparece el formulario “Enter symbol” que se muestra en la Fig. 3.28, desde el cual se escribe el nombre de la bobina/contacto o la instrucción a insertar.

Fig. 3.28 Enter symbol.

En la Fig. 3.29 Se observa un ejemplo de instrucciones insertadas en el menú de edición de la programación.

Fig. 3.29 Ejemplo de programación.

De esta manera se puede observar que el software GX Developer es muy flexible, ya que tiene acceso rápido a las herramientas y es fácil aprender a manejarlo.

3.4.2 Sixnet I/O Tool Kit.

El software Sixnet I/O Tool Kit es una herramienta de configuración, calibración y mantenimiento para el sistema VersaTRAK. Se utiliza para configurar las características de las I/O, y para la calibración del sistema; es necesario ingresar 4 parámetros: latitud, longitud, altitud con respecto al mar y la fecha actual. Dichos parámetros son las coordenadas donde será instalado el sistema VersaTRAK para determinar la trayectoria del sol.

(61)
[image:61.612.88.531.68.308.2]

54

Fig. 3.30 Sixnet I/O Tool Kit.

A continuación se explica de manera general como utilizar el software Sixnet I/O Tool Kit.

Primero se tiene que crear un nuevo projecto, por lo que se selecciona “New Project” desde el menú principal, y aparecerá la ventana que se muestra en la Fig. 3.31.

Fig. 3.31 Crear nuevo proyecto.

En nuestro caso el equipo utilizado es el VersaTRAK IPm2m, por lo cual se selecciona la primera opción del menú mostrado en la Fig. 3.31.

(62)
[image:62.612.212.400.68.202.2]

55

Fig. 3.32 Agregar una nueva estación.

Una vez seleccionada dicha opción, se genera otra ventana, la cual se aprecia en la Fig. 3.33, en ésta ventana aparecen las opciones de seleccionar el modelo de la terminal, número de estación, nombre de estación y número de serie del equipo.

Fig. 3.33 Configuración general de la estación IPm.

[image:62.612.164.449.322.560.2]
(63)

56

[image:63.612.89.528.377.636.2]

Las entradas y salidas del equipo vienen configuradas de fábrica, y no se puede cambiar la configuración de éstas, sólo se pueden configurar 4, éstos son los límites máximos y mínimos de los dos ejes. En la Fig. 3.34 Se resaltan dichas entradas, X2 representa el límite máximo y X3 el límite mínimo en el eje altitude; mientras que X5 es el límite máximo y X6 el límite mínimo en el eje azimut.

Fig. 3.34 Entradas configuradas de los ejes azimut y altitude.

En la Fig. 3.35 Se puede apreciar la pantalla general una vez que ya se ha dado de alta y configurado el equipo para su posterior puesta en marcha.

(64)

57

3.4.3 Configuración de los Servoamplificadores MR-J3-40B.

Para establecer el número de eje de control para servo se utiliza el interruptor giratorio de ajuste de eje (SW1). Si los mismos números se fijan a los diferentes ejes de control en un mismo sistema de comunicación, el sistema no funcionara correctamente. Los ejes de control se pueden ajustar independientemente de la secuencia en que están conectados en la red SSCNET III.

En red de comunicación SSCNET III es posible conectar hasta 16 ejes. En la Fig. 3.36 Se observa el SW1 para la selección del número de eje.

(65)

58

La asignación del número de eje es en sistema hexadecimal; en la Tabla 3.3 Se observa el número de eje que corresponde a la posición del SW1.

Tabla 3.3 Asignación de número de eje.

SW1 Descripción Display

0 Eje No. 1 01

1 Eje No. 2 02

2 Eje No. 3 03

3 Eje No. 4 04

4 Eje No. 5 05

5 Eje No. 6 06

6 Eje No. 7 07

7 Eje No. 8 08

8 Eje No. 9 09

9 Eje No. 10 10

A Eje No. 11 11

B Eje No. 12 12

C Eje No. 13 13

D Eje No. 14 14

E Eje No. 15 15

(66)

59

CAPÍTULO 4

(67)

60

En el presente apartado, se define el diagrama de bloques de cómo trabaja la secuencia de programación; y se explican las partes principales de la misma.

[image:67.612.136.489.161.672.2]

4.1 Diagrama de bloques.

(68)

61

4.2 Programación.

Cuando inicia el ciclo de scan el PLC, lo primero que hace es preguntar si se encuentra listo el módulo de control de movimiento, una vez que ha recibido la confirmación; el PLC activa las salidas Y0 y Y1, que corresponden a los contactores de los servoamplificadores. En la Fig. 4.2 se muestra la línea de programación donde solicita el estado del eje “X” (azimut).

Fig. 4.2 Solicitud de estado eje azimut.

En la Fig. 4.3 Se describe la línea de programación donde se solicita el estado del eje “Y” (altitude).

Fig. 4.3 Solicitud de estado eje altitude.

Una vez activados los dos servomotores, se tienen que definir los límites máximos y mínimos correspondientes a cada eje. Ya que se han definidos, se puede distinguir en la Fig. 4.4 la activación de los límites máximos y mínimos de cada eje; la activación se realiza mediante salidas del PLC y se definen en el VersaTRAK.

(69)

62

En la Fig 4.4 Se puede apreciar que la activación de límites es mediante bobinas, y éstas a su vez activan las salidas; en la Fig. 4.5 se distingue la activación de las salidas del PLC.

Fig. 4.5 Activación de salidas.

Cuando se han definido los límites máximos y mínimos, se procede a la obtención de los trenes de pulsos desde el VersaTRAK para mover los dos ejes del mecanismo; dichos trenes de pulsos corresponden a la posición actual del Sol. En la Fig. 4.6 Se observa la programación utilizada para la obtención de los pulsos; la entrada X0 y X1 son los pulsos de entrada para el eje azimut.

Fig. 4.6 Pulsos de entrada eje azimut.

(70)

63

Fig. 4.7 Relación de resoluciones eje azimut.

Una vez realizada la conversión de resoluciones, se envían los pulsos correspondientes hacia los servomotores por medio del módulo dedicado al control de movimiento FX3U-20SSC-H.

[image:70.612.81.515.340.613.2]

Se efectúa el mismo procedimiento para la obtención de pulsos y conversión de resoluciones del eje altitude. En la Fig 4.8 se aprecian los pulsos de entrada, mientas que en la Fig. 4.9 Se encuentra la parte de la programación que realiza la conversión de resoluciones del eje altitude.

Fig. 4.8 Pulsos de entrada eje altitude.

Fig. 4.9 Relación de resoluciones eje altitude.

(71)

64

Fig. 4.10 Pulsos de salida a servomotores.

Una vez enviados los pulsos de movimiento a los servomotores, éstos realizan las revoluciones que corresponden a la cantidad de pulsos recibidos. El PLC lee en todo momento la posición en que se encuentran los servomotores, cuando éstos llegan a su posición final el PLC envía pulsos de confirmación al VersaTRAK; estos pulsos son enviados en función a la resolución con la que cuenta el VersaTRAK (3600 pulsos/revolución), en la Fig. 4.11 Se puede contemplar la programación utilizada para enviar los pulsos de confirmación al VersaTRAK.

Fig. 4.11 Pulsos de confirmación VersaTRAK.

(72)

65

CAPÍTULO 5

(73)

66

5.1 Resultados Experimentales.

Con la implementación una vez desarrollada, se lograron 4 principales resultados:

- Elaboración del tablero de control, en base a los diagramas previamente realizados.

- Se llevó a cabo la configuración del sistema VersaTRAK y de los dos sistemas Servo.

- La secuencia de programación desarrollada, realizo su función correctamente, al controlar de forma exacta a los servomotores.

- Se registraron los valores de temperatura que alcanzó el interior del tubo de cobre, monitoreados por los displays. Así como el registro de la posición de los servomotores.

[image:73.612.36.584.439.681.2]

A partir del planteamiento de los diagramas eléctricos, se llevo a cabo la elaboración del tablero de control, en el cuál se encuentran todos los equipos utilizados para realizar la implementación. En la Fig. 5.1 Se contemplan los elementos montados en el tablero de operación, y en la Fig. 5.2 Se puede observar dicho tablero instalado listo para su puesta en marcha.

Fig. 5.1 Elementos internos del tablero de operación. Fuente de Alimentación Contactores

Servoamplificadores

VersaTRAK IPm2m Interruptores

Termo magnéticos

(74)

67

Fig. 5.2 Tablero de operación instalado.

Se logró configurar de forma adecuada el sistema VersaTRAK, para recibir de parte de éste equipo, las señales de control que corresponden a la posición del Sol. Una vez obtenidas las señales de control, éstas fueron recibidas por el PLC, el cuál a partir de las señales de control obtenidas se encargó de enviar los pulsos de movimiento correspondientes para que los servomotores llegaran a su posición; a través de la secuencia de programación desarrollada para realizar satisfactoriamente dicho control.

En la Fig. 5.3 Se observa el calentador solar en operación; a pesar de que el cielo está nublado, se puede distinguir claramente que el calentador de agua nunca pierde su referencia con respecto al sol.

Dentro de la caja se encuentra el servomotor del eje

altitude

Dentro de la base del la estructura

mecánica se encuentra el servomotor del eje

azimut

(75)

68

Fig. 5.3 Calentador de agua en operación (día nublado).

[image:75.612.200.414.69.355.2]

En la Tabla 5.1 se muestran los datos registrados que corresponden a la temperatura medida dentro del tubo de cobre, que corresponden al día nublado.

Tabla 5.1 Datos de temperatura (día nublado).

Hora Temperatura del tubo (°C) Temperatura Ambiente (°C)

12:54 p.m. 75.5 26

12:55 p.m. 76.5 26

12:56 p.m. 77.2 26

01:00 p.m. 79.3 27

01:05 p.m. 87.8 27

01:10 p.m. 87.6 27

01:15 p.m. 74.6 26

01:20 p.m. 65.4 25

01:25 p.m. 61 26

01:30 p.m. 66 27

01:35 p.m. 63.8 27

01:40 p.m. 65.4 27

01:45 p.m. 68.2 27

01:50 p.m. 72.5 27

01:55 p.m. 79.8 25

(76)

69

02:05 p.m. 112.6 25

02:10 p.m. 114.5 26

02:15 p.m. 122.5 26

02:20 p.m. 115.8 26

02:25 p.m. 92.3 25

02:30 p.m. 75.6 26

[image:76.612.112.502.215.465.2]

En la Fig. 5.4 se observa la gráfica que corresponde a los valores mostrados en la Tabla 5.1.

Fig. 5.4 Gráfica de Temperatura (día nublado).

En la Fig. 5.5 Se aprecia el calentador de agua, siguiendo la trayectoria del sol con el cielo despejado. La configuración de los servomotores se realiza únicamente definiendo el número de estación y conectándolos a la red SSCNET III.

0 20 40 60 80 100 120 140 Tem p e ratu ra C)

Hora del día

Gráfica de Temperatura (Día nublado)

Figure

Fig. 2.1 Captador placa plana.
Fig. 2.7 Ejemplo de PLC compacto.
Fig. 2.10 Servomotor.
Fig. 3.3 Estructura mecánica.
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Referencias

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