Sistema anticolisión para grúas torre

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial

SISTEMA ANTICOLISIÓN DE GRÚAS TORRE

TRABAJO FIN DE GRADO

GRADO EN TECNOLOGÍAS INDUSTRIALES

Autor: Carrasco Porlan, Francisco Director: Almonacid Kroeger, Miguel

Cartagena, Septiembre 2018

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Me gustaría dar las gracias a todas las personas que han aportado su granito de arena a este trabajo pero, sobre todo, a las que me han aguantado mientras lo hacía.

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Índice

Resumen ... 1

Abstract ... 2

1. Introducción ... 3

2. Objeto del trabajo ... 4

3. Motivación ... 4

4. Metodología ... 5

4.1. Asesoramiento ... 5

4.2. Trabajos a realizar ... 5

4.3. Consideraciones previas ... 5

4.4. Documentación... 6

5. Componentes del sistema ... 7

5.1. Sensor de orientación ... 7

5.1.1. Requisitos ... 8

5.1.2. Selección del sensor ... 8

5.1.3. Estructura y posicionamiento ... 9

5.2. Sensor de posición del carro ... 10

5.2.2. Selección del sensor ... 11

5.2.3. Estructura y posicionamiento ... 11

5.3. Comunicación inalámbrica ... 12

5.3.2. Selección de los módulos ... 12

5.4. Tratamiento de datos y actuación ... 13

5.4.1. Requisitos del autómata ... 15

5.4.2. Selección del autómata ... 15

6. Estudio, cálculo y programación de las situaciones de peligro. ... 16

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6.2. Desarrollo del algoritmo de seguridad ... 20

7. Resultados experimentales ... 23

7.1. Experimentación con encoder ... 23

7.2. Implementación del encoder al sistema... 29

8. Conclusiones ... 32

Referencias ... 33

Índice de Figuras

Figura 1. Volumen descrito por una grúa. (Cossio, 2004) ... 3

Figura 2. Esquema de zonas. (AGS, 2017) ... 4

Figura 3. Esquema de situación de peligro. (AGS, 2017) ... 6

Figura 4. Referencia de ceros grados. (AGS, 2017) ... 8

Figura 5. Encoder Baumer. (RS Components, 2018) ... 9

Figura 6. Cable para sensor M12. (Automation 24, 2018) ... 9

Figura 7. Posicionamiento del sensor. (Construcciones Metálicas COMANSA S.A., 2015) ... 10

Figura 8. Sensor de posición del carro. (Sistemas Forza, S.L, 2005) ... 11

Figura 9. Módulos inalámbricos. (Phonenix Contact, 2018) ... 13

Figura 10. Distancia de seguridad. (AGS, 2017) ... 13

Figura 11. Delimitación de zonas. (Elaboración propia) ... 14

Figura 12. Jerarquía de operación. (AGS, 2017) ... 14

Figura 13. Autómata Omron. (RS Components, 2018) ... 15

Figura 14. Fuente de alimentación. (RS Components, 2018) ... 16

Figura 15. Variables y posiciones futuras. (AGS, 2017)... 16

Figura 16. Descomposición de la situación. (Elaboración propia) ... 17

Figura 17. Triángulo GB. (Elaboración propia) ... 18

Figura 18. Triángulo de GA. (Elaboración propia) ... 18

Figura 19. Esquema de cálculo de zona de interferencia. (Elaboración propia) ... 19

Figura 20. División en zonas 0, 1 y 2. (Elaboración propia) ... 20

Figura 21. Situación de las constantes. (Elaboración propia) ... 22

Figura 22. Servomotor con encoder. (RS Components, 2018) ... 23

Figura 23. Conexiones del encoder. (RS Components, 2018) ... 24

Figura 24. Circuito de control del encoder. (Elaboración propia) ... 24

Figura 25. Montaje del circuito para encoder. (Elaboración propia) ... 25

Figura 26. Activar contador rápido. (Elaboración propia) ... 25

Figura 27. Configuración del contador. (Elaboración propia) ... 26

Figura 28. Definir las entradas del autómata. (Elaboración propia) ... 26

Figura 29. Dirección de memoria del contador rápido. (Elaboración propia) ... 27

Figura 30. Asignación de la memoria del contador. (Elaboración propia) ... 27

Figura 31. Cargar configuración del hardware. (Elaboración propia) ... 28

Figura 32. Contador rápido negativo (TIA Portal) ... 28

Figura 33. Contador rápido Positivo (TIA Portal) ... 29

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Figura 34. Montaje completo del encoder. (Elaboración propia) ... 29

Figura 35. Constantes. (TIA Portal) ... 30

Figura 36. Esquema de situación 1. (Elaboración propia) ... 30

Figura 37. Respuesta de autómata a situación 1. (Elaboración propia) ... 30

Figura 38. Esquema de situación 2. (Elaboración propia) ... 31

Figura 39. Respuesta del autómata a situación 2. (Elaboración propia) ... 31

Índice de Tablas

Tabla 1. Tipos de grúas. (Martínez, 2017) ... 3

Anexos

Anexo A. Diagrama de contactos Anexo B. Datasheet Encoder.

Anexo C. Datasheet Autómata Omron.

Anexo D. Datasheet transformador para alimentación.

Anexo E. Datasheet del conector 12M para el encoder.

Anexo F. Datasheet de los módulos inalámbricos.

Anexo G. Datasheet del encoder del laboratorio.

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Resumen

En la actualidad el método más común para el desplazamiento de cargas pesadas en la industria es, sin duda alguna, la grúa. Uno de los tipos de grúas más usuales, principalmente como herramienta básica en la construcción de edificios, son las conocidas “grúas torre fijas”. Las grúas torre son máquinas con emplazamiento fijo que actúan sobre la superficie que describe la circunferencia que forma su radio de acción, delimitado por la longitud de su brazo. Usualmente se instalan dos grúas torre de manera que las zonas de trabajo delimitadas por esta circunferencia puedan superponerse y ocasionar accidentes.

El objetivo de este proyecto es desarrollar un sistema de seguridad que evite esos posibles conflictos que se puedan producir en una grúa torre debido a su situación. El mecanismo está basado en un conjunto de sensores y actuadores controlados por un autómata programable que toma las decisiones apropiadas para que se pueda trabajar de manera segura.

Este proyecto reinterpreta información de sistemas diferentes pero que comparten finalidad.

Los principales equipos de referencia han sido “anticolisión de puentes de grúa” y “anticolisión para grúas torre”, de las empresas IED Electronics y AGS respectivamente.

La fase experimental se ha dividido en tres etapas: sensorización, comunicaciones inalámbricas y procesamiento de datos. Mediante el asesoramiento de la empresa Electromain y a través de los requisitos de cada componente se han escogido los encoder EIL580 de la marca Baumer junto con el cable del tipo M12 de Phoenix Contact para la sensorización; los módulos de E/S Wireless Radionline de Phoenix Contact para la comunicación inalámbrica y el autómata CP1L-EM junto con el transformador DIN S8VK-S, ambos de la marca Omron, para el procesamiento de los datos.

Mediante distintos cálculos se ha establecido la mejor manera de delimitar las posibles situaciones de peligro. En principio se evaluó la posibilidad de medir mediante ecuaciones matemáticas la distancia entre las grúas y actuar sobre esta. Debido a la complejidad de estas ecuaciones se llegó a la conclusión de que no era factible implementarlas en el autómata. Como resultado del proyecto y resolución a los planteamientos anteriores, se deduce que la estrategia más eficaz es dividir la zona de peligro en tres subzonas, evitando así que ambas grúas coincidan en la misma área prefijada.

A través del software TIA Portal se ha llevado a cabo la programación del diagrama de contactos, el cual el PLC usará para regir su funcionamiento. Este diagrama se ha basado en unas constantes que serán modificadas según la situación en la que se instale el sistema, es decir, se refieren a las características de cada grúa y los datos sobre la situación entre ellas.

La conclusión final de este trabajo experimental muestra un sistema anticolisión sencillo y eficaz, sirviendo a su vez de base para futuros proyectos en el mismo campo. Es importante considerar que será necesario un proceso de depuración para poder llegar a un sistema competitivo en el mercado y que solvente un problema a la orden del día.

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SISTEMA ANTICOLISIÓN PARA GRÚAS TORRE | Francisco Carrasco Porlan

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Abstract

Today, the most common method for moving heavy loads in industry is undoubtedly the crane. One of the most common types of cranes, mainly as a basic tool in building construction, are the so-called "fixed tower cranes". Tower cranes are a machine with a fixed location, which acts on the surface that describes the circumference that forms its radius of action, delimited by the length of its arm. Two tower cranes are usually installed so that the working areas bordered by this circumference can overlap and cause accidents.

The objective of this project is to develop a safety system that avoids those possible problems that may occur in a tower crane due to its situation. The mechanism is based on a set of sensors and actuators controlled by a programmable automaton that makes the appropriate decisions so that it can work safely.

This project reinterprets information from different but shared purpose systems. The main reference equipment has been "crane bridge anticollision" and "anticollision for tower cranes", from IED Electronics and AGS respectively. The experimental phase has been divided into three stages: sensorization, wireless communications and data processing.

With the advice of Electromain and the requirements of each component, the EIL580 encoders from Baumer have been chosen together with the M12 type cable from Phoenix Contact for sensor technology, the Wireless Radionline I/O modules from Phoenix Contact for wireless communication and the CP1L-EM controller together with the DIN S8VK-S transformer, both from Omron, for data processing.

Different calculations have been used to determine the best way to identify possible dangerous situations. First of all, the possibility of measuring by means of mathematical equations the distance between cranes and act on it. Due to the complexity of these equations it was concluded that it was not feasible to implement them in the automaton. As a result of the project and resolution to the previous approaches, it can be deduced that the most effective strategy is to divide the danger area into three subzones, avoiding in this way that both cranes coincide in the same predetermined area.

Through the TIA Portal system, the programming of the ladder diagram, which the PLC will use to govern the operation, has been effected. This diagram has been relied on constants that will be modified according to the situation in which the system is installed. In other words, they are referred to the characteristics of each crane and the data on the situation among them.

The final conclusion of this experimental work shows a simple and effective anticollision system, which also serves as a basis for future mechanical projects in the same field. It is important to consider that a purification process will be necessary in order to achieve a competitive system in the market that solves a problem in the following areas on the agenda.

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1.Introducción

Una grúa es un mecanismo de elevación de cargas de funcionamiento discontinuo que se emplea para elevar y distribuir las cargas situadas en la parte del gancho o elemento de sujeción, a distintas alturas y posiciones de tal manera que nos permite manipular elementos de construcción fácilmente y con poco esfuerzo. (Martínez, 2017)

Se distinguen distintos tipos de grúas diseñadas según la acción que vayan a desarrollar.

Generalmente se suelen diferenciar según la Tabla 1.

Tabla 1. Tipos de grúas. (Martínez, 2017)

Grúas torre

Grúa torre fija Grúa torre desplazable Grúa torre desmontable Grúa torre auto desplegable

Grúa torre monobloc Grúa torre trepadora Grúa telescópica

Grúa móvil Grúa pluma Grúa pórtico

El presente proyecto se va a centrar en el tipo de grúa torre que se denomina como grúa torre fija, aunque en el resto de este se le va a denominar como “Grúa torre”. Este tipo de grúa es un equipo de funcionamiento electromecánico o hidráulico con un eje vertical giratorio y un brazo con varias poleas, que sirve para levantar pesos y llevarlos de un punto a otro, dentro del círculo que el brazo describe. Este tipo de grúas están formadas por 3 mecanismos básicos que permiten cubrir todo el volumen que crea el brazo de ésta con el suelo, como se ve en la Figura 1. A cada uno de estos mecanismos le corresponde un motor para asegurar su movimiento que se denominan elevación, giro y translación. (Cossio, 2004)

Figura 1. Volumen descrito por una grúa. (Cossio, 2004)

Estas grúas torre fijas se instalan de manera permanente en un emplazamiento, realizando todo su trabajo desde la misma ubicación. Es por esto, por lo que se puede dar la situación en la que se necesite instalar dos o más grúas torre fijas en lugares próximos entre sí que llevarán a conflictos los cuales se intentará buscar una solución.

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2.Objeto del trabajo

Se plantea como objetivo principal de éste proyecto establecer las bases para la construcción de un sistema anticolisión para grúas torre, que proporcione una seguridad y fiabilidad óptima para su implantación en una situación real.

El sistema mencionado se desea utilizar en situaciones en las que existan dos o más grúas torre situadas, de tal manera, que sus radios de acción interfieran entre ellos y provoquen un conflicto. Además también existirá la posibilidad de que éste radio de acción contacte con zonas a las que está prohibido el paso como pueden ser espacios aéreos protegidos o zonas escolares.

Estas posibilidades están recogidas en la Figura 2.

Figura 2. Esquema de zonas. (AGS, 2017)

En una primera aproximación al proyecto, se asume un sistema compuesto por distintos sensores que capten la situación de cada grúa y un autómata que procese la información y actúe según esta.

3.Motivación

Según la norma UNE 58-101-92, parte 2 «Aparatos pesados de elevación. Condiciones de resistencia y seguridad en las grúas torre desmontables para obras. Condición de instalación y utilización», en el caso de grúas que trabajen una por encima de otra, se deben adoptar las medidas eficaces para evitar que el cable de elevación o la carga de la grúa más alta, colisione con cualquier elemento de la más baja. (UNE 58-101-92 Aparatos pesados de elevación. Parte 2, 1992)

Es por esto, que no se especifica un sistema concreto a instalar o que requisitos tiene que tener para evitar este riesgo pero si la necesidad de tomar medidas adecuadas y eficaces. Hasta el momento se han tomado medidas tales como el establecimiento de un horario para el uso de cada una de las grúas, la firma de un contrato por parte de los gruistas asumiendo el riesgo del peligro y haciéndose responsables de este e incluso se ha llegado a ver situaciones en las que sólo existía un punto de alimentación para todas las grúas y, por lo tanto, no podrían funcionar varias de ellas al mismo tiempo.

Tras investigar se ha observado que las medidas que se han tomado hasta ahora son arriesgadas o demasiado rudimentarias. Además, que existe una escasa variedad en el mercado de

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sistemas con este fin aun siendo una necesidad que está a la orden del día y requerida por ley. Es todo esto lo que hace de este proyecto una necesidad inmediata.

4.Metodología

4.1. Asesoramiento

Para la realización de este proyecto se cuenta con el asesoramiento de la empresa de grúas torre, Montajes Costa Cálida S.L. Este contacto servirá para poder acercarnos al mundo de la maquinaria de construcción, en especial a las grúas torre, además de servir de apoyo en el desarrollo del sistema. También nos podrá guiar y acercarnos a otras empresas relacionadas aún más de cerca con los sistemas anticolisión, como es el caso de fabricantes de mecanismos con la misma finalidad o propietarios de estos. En este último caso se ha de destacar la empresa Revisur S.L, propietaria de varios sistemas anticolisión que se nos permitió analizar de manera presencial.

También se recurrirá a la empresa Electromain para el asesoramiento electrónico. Esta compañía está especializada en el campo de la electrónica industrial, con técnicos expertos en el campo de los autómatas así como en todos sus captadores y sensores. Electromain tiene un amplio catálogo de productos que se prevé que puedan resolver todas las necesidades que tenga el presente proyecto.

4.2. Trabajos a realizar

Para la realización de este proyecto se va a comenzar con una previsión de los trabajos que se van a tener que realizar así como el orden en el que se llevarán a cabo, con el fin de poder realizar una tarea organizada y poder conseguir los mejores resultados posibles.

En primer lugar se procederá al análisis de sistemas similares y una primera proyección de en qué se basará la composición y el funcionamiento del nuestro. A continuación se va a dividir el sistema en unas partes bien diferenciadas para así poder avanzar de manera ordenada y secuencial.

Cada una de estas partes será desarrollada en profundidad y se va a ir proponiendo componentes específicos que las compondrán. Se realizará la programación mediante un diagrama de contactos y diferentes experimentos de manera práctica con simulaciones de situaciones reales para poder depurar el sistema lo máximo posible. Por último se obtendrán unas conclusiones óptimas respecto al trabajo desarrollado y se realizará una propuesta de posibles mejoras.

4.3. Consideraciones previas

Para comenzar el proyecto es necesario definir diferentes características de este que hacen asentar las bases del sistema y a partir de las cuales se comenzará a trabajar. En primer lugar se van a establecer los parámetros que van a intervenir en el sistema y sus posibles características:

 Número de grúas: Se referirá al número de grúas que van a participar el en sistema.

 Altura: Considerando como la distancia que hay desde el suelo hasta la pluma de la grúa. Se considerará la grúa alta (GA) y la grúa baja (GB).

 Radio de acción: Distancia que habrá desde la torre de la grúa hasta el punto más lejano de la pluma.

 Posición de la pluma: Se referirá al ángulo que forme la pluma con una referencia que se establecerá previamente.

 Posición del carro: Distancia desde la torre hasta la posición en la que se encuentre el carro en ese instante.

 Zona de interferencia: Rango del radio de acción que interfiere con otro y por tanto es la zona de peligro.

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En una primera aproximación se va a trabajar considerando una situación de dos grúas de alturas diferentes y con un radio de acción que interfiere entre ellas. Se pretende que estas grúas puedan trabajar evitando que el cable de elevación de la grúa más alta pueda colisionar con la pluma de la grúa más baja, como se muestra en la Figura 3. Esto lleva a dos posibles situaciones para evitar el peligro; en una de ellas se permitiría que el gancho de la grúa más alta pudiera pasar por encima de la más baja controlando la altura a la que se encuentra este, la segunda posibilidad sería evitar esto y que el gancho siempre pase fuera del radio de acción de la grúa más baja.

Se ha optado por elegir la segunda opción basándose en temas de seguridad, ya que si se permitiera pasar una carga por encima de la grúa más baja se debería controlar la altura que tendrá esta carga, que es una variable indefinida y, por lo tanto, no da la seguridad de evitar la colisión.

Figura 3. Esquema de situación de peligro. (AGS, 2017)

Otra decisión importante que se debe tomar antes de empezar será la de que grúa será la dominante. Se va a establecer como grúa dominante la grúa alta. En ella se va a establecer el autómata y el receptor para recibir la información de los sensores de la otra grúa. Esta decisión se ha tomado debido a que si se encuentra la situación de que la GA está realizando un movimiento que puede conllevar peligro, puede evitar la zona de interferencia moviendo el carro si las circunstancias lo permiten. Cosa que con la GB no podría hacerse, ya que si el carro de la GA se sitúa en la zona de interferencia, la pluma de la GB no podrá pasar por esta zona y deberá girar hacia el lado contrario.

4.4. Documentación

Se ha procedido a una búsqueda de información sobre sistemas que intenten solucionar el mismo problema y a analizar cada uno de dichos sistemas, con el fin de poder adquirir ideas que se puedan adaptar a nuestro modelo.

En primer lugar se ha encontrado un sistema de procedencia española, perteneciente a la empresa IED Electronics, cuyo nombre es DynACS y está destinado básicamente a su utilización en puentes grúa. Es por esto que aunque sus principios básicos se basan también en la captación de información mediante sensores, transmitir la información y tomar decisiones por una centralita, estas grúas tienen un movimiento lineal, no de rotación, y por lo tanto, su programación será diferente.

Otro sistema encontrado ha sido el de la empresa francesa AGS (Automatisme Grue Sécurité).

Este sí que está destinado a grúas torre para evitar su colisión tanto entre varias de estas a distintas alturas como también limitar que una grúa pueda pasar por espacios restringidos. Se han podido analizar dos sistemas de esta empresa para la misma función, el ID4 y el ID4S, en el que su diferencia básica radica en la interfaz para poder controlarlo. El principio de funcionamiento sigue

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siendo el mismo; los sensores captan la información para posicionar la grúa, esta información se envía, bien por cable o vía radio, a una centralita que analiza la información y actúa sobre el cuadro eléctrico de la grúa limitando los diferentes movimientos para evitar el peligro. (AGS, 2017)

Se ha analizado más a fondo el sistema ID4, ya que gracias a la empresa Revisur S.L se ha podido acceder a uno de estos aparatos. Se ha podido comprobar que los sensores que utiliza tanto para el análisis de la posición del carro como del giro, son potenciómetros ajustados a la rueda del carro y a la corona de la grúa respectivamente. Para la comunicación inalámbrica se utilizan módulos de radio con el protocolo “Token ring” en el cual todos pueden recibir los datos enviados y solo uno puede estar enviando información de manera simultánea. En cuanto a la centralita, contiene distintos mecanismos electrónicos para el análisis de información, así como distintos relés que serán los que actúen en el mismo cuadro eléctrico de la grúa limitando cada movimiento.

El sistema también tiene la posibilidad de utilizar una alimentación de 230 o 400 V de alterna.

También es preciso mencionar que todo sistema tiene una posibilidad de poder ser puenteado de forma manual para poder utilizar en caso necesario ambas grúas sin ninguna restricción. Y también contienen un dispositivo llamado “Caja negra” el cual funciona de manera similar al de un avión. Este recoge toda la información de funcionamiento de las grúas y de cuando el dispositivo ha sido puenteado con el fin básico de poder tener una responsabilidad en caso de accidente, ya que si el sistema falla cuando está activado la responsabilidad será del proveedor de este, pero en caso contrario, si falla porque ha sido puenteado, la responsabilidad caerá sobre el que está utilizándolo.

5.Componentes del sistema

En este apartado se van a separar las partes que tendrá el proyecto, distinguiendo las necesidades que tendrá cada una y proponiendo posibles componentes.

Se va a comenzar hablando de los sensores que se encargarán de proporcionar la información sobre la posición cada grúa. Se partirá de la base que será necesario tres sensores. Dos de ellos para conocer la posición de la pluma y del carro de la grúa alta y otro para conocer la posición de la pluma de la grúa baja, ya que la posición del carro de la grúa baja no puede ocasionar en ningún caso una situación de peligro.

5.1. Sensor de orientación

Este sensor va a tener la misión principal de detectar en qué posición se encuentra la pluma de cada grúa respecto a una referencia común para ambas. Por esto, el primer problema que se encuentra es establecer esta referencia común para ambas grúas.

Se han barajado dos posibilidades distintas de referencias de posición común para ambas grúas. La primera de ella consiste en establecer esta como la línea que forman ambas plumas apuntándose entre ellas y estableciendo para cada una los cero grados ahí, como se muestra en la Figura 4. Esta referencia es igual a la que utilizan los sistemas similares que se han analizado y tiene la ventaja que a la hora de calcular la distancia entre el gancho de la grúa alta con la pluma de la grúa baja, los cálculos serán un problema de trigonometría.

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Figura 4. Referencia de ceros grados. (AGS, 2017)

La segunda posibilidad es la de establecer la referencia de los cero grados para cada grúa con el norte magnético terrestre. Esta opción ha sido desarrollada en función de la posibilidad de utilizar como sensor un compás, bien magnético o electrónico, que por defecto toman esta referencia angular y haría que el modelo se simplificara. Finalmente, se ha decidido utilizar la primera opción debido a la simplificación en los cálculos que se tendrá más adelante a la hora de programar.

Se propone además, la utilización de un encoder incremental de medición de la posición angular, también será necesario que sea multivuelta hasta un máximo de vueltas correspondientes a tres vueltas de la corona de la grúa, ya que en la Norma Española de Aparatos Pesados de Elevación UNE 58-101-92 Parte 2, dice que se prohíbe realizar más de 3 rotaciones hacia el mismo sentido con el fin de evitar torsiones excesivas en el cable de elevación.

Por tanto, sabiendo el ángulo, que lo proporcionará el encoder, el paso de la ruedas dentadas y el número de dientes de esta, que será un parámetro a proporcionar según la situación, se tendrán todos los datos necesarios para poder calcular la posición de la pluma.

5.1.1. Requisitos

El encoder que se va a utilizar deberá tener unas características específicas para cumplir los requisitos mínimos necesarios para desarrollar su función sin problemas.

En primer lugar es necesario que sea bidireccional, es decir que recoja giros del eje en ambos sentidos. También, como se describe más adelante, se acoplará de tal manera que el número de vueltas de la corona no será el mismo que el del encoder, por lo tanto, será necesario establecer una relación entre estos, además de que el sensor sea multivuelta.

5.1.2. Selección del sensor

Para proceder a la selección del sensor se ha decidido consultar a la empresa Electromain, mencionada anteriormente, exponiendo las necesidades que se tienen, así como los requisitos básicos que se han encontrado.

En primer lugar se ha dado a elegir entre dos modelos distintos de encoder, los de 360 pulsos y los de 500 pulsos. En cuanto al primero de ellos tiene como ventajas que al estar hablando de movimientos radiales, sería más fácil corresponder los grados a cada pulso en este caso. Respecto al de 500 pulsos, tendrá una mayor precisión y es un tipo de encoder más genérico, por lo tanto, más fácil de encontrar recambios con cualquier otro proveedor.

Se ha optado por elegir el encoder de 500 pulsos debido a que se considera que pese a que dificultará un poco más los cálculos a la hora de programar, sus ventajas lo hace la mejor opción.

El sensor elegido será el de la marca Baumer y modelo EIL580, con referencia del fabricante EIL580P-SC10.5BF.01024.B, el cual se puede ver en la Figura 5. Es un codificador

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de tipo incremental con un tipo de señal TTL/HTL, 1200 rpm máximas y una tensión de alimentación de 4,75 a 30 voltios DC. Toda la información sobre este sensor está recogida en el Anexo B. (RS Components, 2018)

Figura 5. Encoder Baumer. (RS Components, 2018)

Este encoder tiene la posibilidad de establecer la señal de referencia del cero y posee un eje de tipo sólido de 10 mm de diámetro el cual será el que se acoplará a la rueda dentada.

Para la conexión del sensor será necesario un cable especial del tipo M12. Se va a seleccionar el cable del fabricante Phoenix Contact del tipo hembra con 8 pines y del tipo 5M. La referencia del fabricante es 10129332 y se puede observar el conector en la Figura 6 con su Datasheet en el Anexo E. (Automation 24, 2018)

Figura 6. Cable para sensor M12. (Automation 24, 2018)

5.1.3. Estructura y posicionamiento

El sensor tendrá una estructura y posicionamiento similar al del limitador de orientación de la grúa, tal y como se ve en la Figura 7.

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Figura 7. Posicionamiento del sensor. (Construcciones Metálicas COMANSA S.A., 2015)

El encoder será adaptado a un eje con una rueda dentada de módulo 12 mm, parámetro estandarizado para las coronas de grúas torre. Esta rueda tendrá un número de dientes que junto con la Ecuación 1 se podrá obtener la relación entre los diámetros de la corona y la rueda dentada.

𝑍₁ 𝑍₂ =𝑑₁

𝑑₂ ^{( 1)}

Esta relación será la que se usará en la programación para determinar el ángulo de giro, es decir, por cada vuelta del encoder la corona habrá girado un ángulo equivalente según la situación.

5.2. Sensor de posición del carro

La función de este sensor será la de detectar la posición que tendrá el carro de la GA a lo largo de la pluma. Para esto se tomará como referencia la torre de la grúa, que será el “cero”.

Para conseguir esto se han barajado distintas opciones. Una de ellas ha sido la de un sensor lineal de posición, pero ha sido rápidamente descartada ya que la longitud de una pluma está entre los 20 a los 55 metros y la detección de estos sensores es del orden de milímetros.

Otra opción puede ser la de establecer un simple final de carrera a la distancia a la que la que el carro pueda suponer un peligro. Pero al estar tratando con movimientos radiales, establecer este sensor nos limitaría algunos movimientos que no son necesarios. Esta solución sería perfecta para puentes grúa en el que los movimientos son lineales.

Una de las posibilidades que puede ser viable es la de establecer en el eje que mueve el motor del carro un contador de vueltas. Este motor funciona a unas revoluciones altas, y por lo tanto, cada vuelta hará que el carro avance poco y la precisión que se alcanzará con este sistema puede ser suficiente para lo que se requiere. El problema de esta solución es poder detectar el sentido de

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giro del eje, que se podría hacer estableciendo una codificación en la señal de la vuelta pero probablemente aumente considerablemente el trabajo en este sensor.

Por último, la opción más correcta se cree que será la de establecer otro encoder solidario al eje de la reductora que mueve el carro. Este sensor daría una mayor precisión de donde se encuentra el carro.

Otra opción sería la de establecer un potenciómetro en el eje de la reductora que detectará tanto ambos sentidos de giro como todas las vueltas necesarias para que el carro pueda llegar hasta el final pero este potenciómetro sería demasiado caro en comparación con el encoder.

5.2.1. Requisitos

Este encoder tendrá que detectar el sentido de giro ya que el carro puede ir en un sentido u otro. Además deberá ser multivuelta ya que el tambor del carro sobre el que va a estar montado va a girar varias veces en cada sentido.

5.2.2. Selección del sensor

Para la selección de este sensor se ha llegado a la conclusión de que la solución más sencilla será la de escoger un encoder similar al utilizado en el sensor de orientación. Esta unificación de sensores podrá facilitar mucho más el trabajo en la programación y, además, aportará una mayor facilidad de tener repuestos disponibles en caso de avería de alguno de los encoder, ya que, como se ha mencionado antes, se ha escogido un tipo de sensor muy común en los diferentes proveedores de componentes de electrónica industrial.

El sensor escogido por lo tanto será el mismo de la marca Baumer y modelo EIL580 junto con el mismo cable de Phoenix Contact del tipo M12.

5.2.3. Estructura y posicionamiento

Como se ha mencionado antes, el sensor de posición del carro va a colocarse solidario al tambor donde se enrolla el cable que mueve el carro, como se establece en la Figura 8.

Figura 8. Sensor de posición del carro. (Sistemas Forza, S.L, 2005)

Al igual que en el sensor de orientación, será necesario obtener la equivalencia entre una vuelta del encoder y la distancia que se ha movido el carro. Esto se hará de manera sencilla

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mediante la ecuación de la longitud de la circunferencia, ya que el tambor gira recogiendo un cable que mueve directamente el carro de la grúa. (Sistemas Forza, S.L, 2005)

5.3. Comunicación inalámbrica

Esta parte del sistema será la encargada de enviar la información que recojan los sensores de una de las grúas hasta el autómata que se situará en la otra, para evitar la comunicación mediante cables que resultaría muy costosa debido a la distancia que habrá entre ambos componentes.

Como se ha especificado antes, la GB solo contendrá un sensor y por lo tanto, será la que menos información tendrá que enviar. Esta es una de las razones por la cual la información será enviada de la GB hasta la GA.

Las diferentes posibilidades para enviar la información de manera inalámbrica son Wi-Fi, infrarrojos y radio. En una primera aproximación descartamos los infrarrojos debido a que la limitación de espacio y obstáculos lo hace inviable.

En segundo lugar se baraja la comunicación vía Wi-Fi. Para esta situación la comunicación necesitará unos sesenta metros de alcance aproximadamente, dependiendo de la situación. Para que una red Wi-Fi tenga este alcance deberá ser una red muy potente que va a hacer que el precio aumente considerablemente. Además este tipo de comunicación será más costosa de configurar que cualquier otra.

Por lo tanto se ha decidido que la mejor opción será la de utilizar un comunicador por radio.

Este tipo de comunicación utilizará una frecuencia de radio determinada para enviar la información desde el emisor al receptor. Se pretende experimentar en el laboratorio este tipo de comunicación para poder configurarla de manera óptima. El único inconveniente que se debe tener en cuenta a la hora de la instalación o de posibles fallos es que en una grúa torre se utilizan otros tipos de comunicaciones por radio, como la del mando a distancia, estas comunicaciones pueden interferir entre ellas y será necesario coordinarlas de tal manera que esto no suceda.

5.3.1. Requisitos

A continuación se van a exponer los requisitos que deben tener los módulos de radio que se van a utilizar.

En primer lugar las señales deben tener un alcance mínimo de cien metros, suficiente para que en cualquier tipo de situación puedan funcionar sin ningún problema. Además, se necesitará que la velocidad de intercambio de datos sea grande y respecto a la capacidad, valdrá con que permita transmitir un volumen de datos medio.

Por último, los módulos de radio deben ser compatibles con el autómata que se va a utilizar y los demás componentes del sistema.

5.3.2. Selección de los módulos

Tras el asesoramiento de la empresa Electromain se ha recomendado la utilización de los módulos E/S Wireless Radioline de la marca Phoenix Contact mostrados en la Figura 9. Este sistema de radio se caracteriza por sencillez en la instalación y utilización ya que no necesita programación. Además el sistema no sólo permite trasmitir señales E/S sino que también podrá enviar y recibir datos serie. En el Anexo F se recoge algunas de sus especificaciones.

(Phonenix Contact, 2018)

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Figura 9. Módulos inalámbricos. (Phonenix Contact, 2018)

Este tipo de módulos van a permitir que el autómata mande las señales de corte de los movimientos tras las salidas de los propios y poder limitar los movimientos de la GB.

También van a poder enviar los datos del sensor de la GB a través de su entrada. Por lo tanto, va a ser una opción ideal para el sistema.

5.4. Tratamiento de datos y actuación

Se ha decidido que el proyecto se base en un autómata programable que será el que trate los datos recibidos por los sensores y actúe en la parada de los determinados movimientos de ambas grúas. Este autómata será posicionado en la GA y tendrá que tener la capacidad suficiente de poder procesar la información y actuar con la velocidad necesaria para que no se produzca ningún peligro.

Respecto a la programación se presentan dos posibilidades de actuación sobre ellos. La primera de ellas es la de calcular la distancia de seguridad que hay entre el carro de la grúa alta y la pluma de la grúa baja mediante los datos proporcionados por los sensores. Se establecerá una cota de distancia de seguridad y se limitarán todos los movimientos que hagan que esta distancia sea menor a la mencionada, como se puede observar en la Figura 10.

Figura 10. Distancia de seguridad. (AGS, 2017)

La otra posibilidad es la de dividir el espacio en zonas delimitadas por los parámetros que sean fijos como se muestra en la Figura 11. Estas zonas sólo podrán estar resididas por una de las grúas en cada momento y si alguna de ellas está ocupada la otra no podrá entrar hasta que salga

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la primera. Esta posibilidad reducirá la cantidad de cálculos que tendrá que hacer el autómata y por lo tanto aumentará la velocidad de procesamiento, en contraposición la precisión no será tan grande como con el cálculo de la distancia de seguridad.

Figura 11. Delimitación de zonas. (Elaboración propia)

Tal como se ha establecido anteriormente y se puede ver en la Figura 12, será la GA la grúa dominante y la que enviará la orden de parada a la GB en el caso de que sea necesario, o parará ella misma. Por lo tanto, la GB será la denominada como “esclava” y la GA como “maestra”.

Figura 12. Jerarquía de operación. (AGS, 2017)

Se propone un proceso de actuación en la limitación de los movimientos a través de relés que bien serán los que contenga el propio autómata en el caso de la GA donde se va a encontrar el autómata o a través de un módulo de entradas y salidas que se colocará en la GB junto con el receptor de radio que lo comunicará con PLC. Estos relés internos del autómata y del módulo anteriormente mencionado se acoplarán en serie con los propios limitadores que ya contenga la grúa y tendrán un funcionamiento similar al de estos.

Como se ha mencionado anteriormente, el sistema va a tener como componente principal un autómata programable o PLC. Este autómata puede definirse como un equipo electrónico programable en lenguaje no informático y diseñado para controlar, en tiempo real y en un ambiente industrial, procesos secuenciales.

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La función que tendrá este elemento será la de recibir la información procedente de todos los sensores colocados en las grúas y analizar a través de diversos cálculos si la situación conlleva un peligro o no. En caso afirmativo va proceder a actuar sobre el cuadro eléctrico de la grúa limitando el movimiento que en ese momento esté generando el peligro.

También se ha decidido colocar el autómata en la GA y un módulo de entradas/salidas remotas en la GB con el fin de tener poder de actuación en ambas grúas. Tanto el autómata como el módulo de E/S estarán comunicados mediante los módulos de radio mencionados en el capítulo anterior.

5.4.1. Requisitos del autómata

En primer lugar, el autómata tiene que tener un número mínimo de entradas y de salidas correspondiente al número de sensores que vaya a tener conectados, en este caso van a ser tres. En cuanto a salidas, el autómata tendrá que limitar los movimientos de giro derecha, giro izquierda, carro hacia adelante y carro hacia atrás, referentes al por lo tanto tendrá que tener cuatro salidas.

En cuanto a la velocidad de procesamiento de datos deberá ser rápida ya que la idea es que el cálculo se haga de manera instantánea en función de donde se encuentre la grúa en cada momento, y a partir de ahí que se proceda a actuar.

5.4.2. Selección del autómata

La empresa Electromain ha aconsejado el uso de un autómata de la marca Omron, compañía que ellos representan. Omron es una empresa que lleva muchos años a la cabeza en la innovación de manera global sobre muchos campos de la electrónica, uno de ellos la automatización industrial. Además la empresa posee un software propio para la programación de sus autómatas basado en los diagramas de contactos. Este software tiene una versión demo la cual contiene funcionalidades suficientes para poder realizar la programación de este sistema.

El autómata que se ha decidido utilizar es el Omron CP1L-EM con referencia del fabricante CP1L-EM30DT1-D mostrado en la Figura 13. Este autómata contiene 30 puertos E/S repartidos en 18 entradas y 12 salidas del tipo PNP. Además tiene una memoria de 10.000 pasos y Ethernet. La velocidad que puede procesar este PLC es de 100 kHz, más que suficiente para las necesidades de este sistema. La hoja de datos de este componente está en el Anexo C. (RS Components, 2018)

Figura 13. Autómata Omron. (RS Components, 2018)

Para la alimentación de este autómata será necesario un transformador con salida de 24V en DC y 2,5A. Para esto se ha propuesto una fuente de alimentación de carril de la marca

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Omron, DIN S8VK-S a 60W como la mostrada en la Figura 14. Este transformador tiene permitida una corriente de entrada monofásica de 100 a 240 V en AC y de 90 a 350 en DC, lo cual permite una gran versatilidad a la hora de alimentar el autómata. Se recogen todas las características en el Anexo D. (RS Components, 2018)

Figura 14. Fuente de alimentación. (RS Components, 2018)

6.Estudio, cálculo y programación de las situaciones de peligro.

En este apartado se va a desarrollar el tema relacionado con el tratamiento de los datos y la actuación sobre el sistema en función de estos.

6.1. Cálculo de las situaciones de peligro

Antes de comenzar con la programación será necesario desarrollar las fórmulas que obtengan la distancia que habrá entre el gancho de la GA con la pluma de la GB.

Para desarrollar estos cálculos se va a comenzar estableciendo las variables que van a intervenir en ellos. Algunas de estas variables son las que se pueden observar en la Figura 15.

Figura 15. Variables y posiciones futuras. (AGS, 2017)

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17 Estas variables serán:

 Ángulos que forman cada grúa con la referencia establecida anteriormente (αGA=a y αGB=b). Este dato vendrá proporcionado por los dos sensores de orientación.

 Distancia que hay entre las torres de ambas grúas (h). Esta variable será un parámetro fijo que se establecerá en la instalación del sistema en cada situación.

 Distancia que habrá entre el gancho de la GA y la pluma de la GB (d). Para esta distancia se establecerá la mínima que será la que corresponda a la línea que une la posición del gancho de la GA con una perpendicular a la pluma de la GB. Esta será la distancia que se tendrá que calcular para la posterior comparación con la distancia de seguridad y actuación.

 Distancia que habrá entre la torre de la GA hasta el gancho de esta (L). Esta distancia será la que indique la posición del carro de esta grúa por lo tanto será la información que proporcione el sensor de posición del carro.

Para obtener la distancia “d” en primer lugar se ha descompuesto en dos triángulos el sistema como se puede ver en la Figura 16. Se ha dividido “d” en dos segmentos representados por las variables X1 y X2. Además se ha dividido la distancia “h” entre las dos torres en otra variable denominada como “y”.

Figura 16. Descomposición de la situación. (Elaboración propia)

A continuación se va a analizar cada uno de los triángulos por separado comenzando por el referido a la GB, representado en la Figura 17.

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Figura 17. Triángulo GB. (Elaboración propia)

Se deduce que por la relación que existe entre los ángulos de un triángulo:

𝑐 = 180 − 90 − 𝑏 = 90 − 𝑏 ^{( 2)}

𝑋₂= (ℎ − 𝑦) · sin 𝑏 ( 3)

Para seguir se va a hacer un análisis del triángulo de la GA, teniendo en cuenta las razones trigonométricas y las relaciones de los triángulos, como se puede observar en la Figura 18.

Figura 18. Triángulo de GA. (Elaboración propia)

Las ecuaciones que resultarían serían:

𝑃 = 𝐿 · sin 𝑎 ^{( 4)}

𝑦^′ = 𝐿 · cos 𝑎 ^{( 5)}

𝑋₁= 𝑃 sin 𝑐

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𝑦^′′= 𝑋₁· cos 𝑐 ^{( 7)}

Y ahora, a partir de la combinación de las ecuaciones 4 y 6:

𝑋₁=𝐿 · sin 𝑎 sin 𝑐

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Además uniendo las ecuaciones 8 y 7:

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19 𝑦^′′=𝐿 · sin 𝑎 · cos 𝑐

sin 𝑐 =𝐿 · sin 𝑎 tan 𝑐

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Por lo tanto la distancia “y” será:

𝑦 = 𝑦^′+ 𝑦^′′= 𝐿 · cos 𝑎 +𝐿 · sin 𝑎 tan 𝑐

( 10)

Y finalmente la distancia “d” que se buscaba resultará:

𝑑 = 𝑋₁+ 𝑋₂ =𝐿 · sin 𝑎

sin 𝑐 + (ℎ − 𝑦) · sin 𝑏 ^{( 11)}

Que sustituyendo “y” se resolverá como:

𝑑 = 𝐿 · sin 𝑎

sin(90 − 𝑏)+ (ℎ − (𝐿 · cos 𝑎 + 𝐿 · sin 𝑎

tan(90 − 𝑏))) · sin 𝑏 ^{( 12)}

Siendo “a” el ángulo de la GA, “b” el ángulo de la GB, “L” la distancia del carro a la torre y

“h” la distancia entre las torres de ambas grúas.

Para una buena actuación del sistema y una facilidad de programación será necesario también poder calcular la franja angular en la cual cada grúa se encuentra en la zona de interferencia. Esto hará que el programa, en cualquier situación en la que se instale el sistema, pueda calcular cual será esta zona y a través de la cual podrá empezar a actuar. En la Figura 19 se muestra un esquema en el cual los datos que queremos obtener son los representados por las cotas “ap” y “bp”, que serán definidos a través de la longitud de cada pluma (R1 y R2) y la distancia entre ambas torres (h).

Figura 19. Esquema de cálculo de zona de interferencia. (Elaboración propia)

Este problema se resolverá de manera sencilla a través del teorema del coseno que pondrá ambos ángulos que se necesitan en función de los datos dados, como se muestra en las ecuaciones 13 y 14.

cos(𝑎𝑝) =𝑅1²− 𝑅2²− ℎ²

−2 · ℎ · 𝑅2

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cos(𝑏𝑝) =𝑅2²− 𝑅1²− ℎ²

−2 · ℎ · 𝑅1

( 14)

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Y depurando las ecuaciones se llega al resultado de que:

ap = acos (𝑅1²− 𝑅2²− ℎ²

−2 · ℎ · 𝑅2 ) ^{( 15)}

bp = acos (𝑅2²− 𝑅1²− ℎ²

−2 · ℎ · 𝑅1 ) ^{( 16)}

Todos los resultados de las ecuaciones que se han obtenido han sido comprobados por medio del programa de diseño SolidWorks. Se han utilizado diferentes situaciones para poder comprobar que estas ecuaciones cumplen las condiciones y pueden ser implementadas en el sistema.

6.2. Desarrollo del algoritmo de seguridad

Se ha decidido optar por la opción de dividir el espacio en zonas y actuar en función de estas, debido a que la ecuación que ha resultado en el apartado de cálculos para el cálculo de la distancia de seguridad es demasiado complicada para que el autómata pueda procesarla con fluidez, además aportará una dificultad extra el hecho de tener que programarla.

Para comenzar se explicará cómo se van a tratar los datos que se van a recoger y como se va a actuar. En primer lugar se ha decidido dividir el espacio de trabajo en 3 zonas que se van a representar en la Figura 20. Las zonas 1 y 2 van a pertenecer a la zona de interferencia que se va a dividir en 2 partes por la línea que une las dos torres de las grúas. La zona 0 será el resto del espacio que no pertenece a esta zona de interferencia. Cada grúa podrá estar en cualquiera de estas tres zonas pero teniendo en cuenta que la GA marcará la zona donde está su orientación y su posición del carro, sin embargo, la GB marcará la zona donde está sólo su orientación. Además se ha simplificado más aun estableciendo un rectángulo que delimite estas zonas y así simplemente establecer un máximo de la posición del carro en la pluma que haga que entre dentro de las zonas de peligro.

Figura 20. División en zonas 0, 1 y 2. (Elaboración propia)

Esta división de zonas facilitará el trabajo de poder analizar el sistema y poder limitar determinados movimientos y dejar libres otros para poder salir con facilidad de la situación de peligro. Es decir, se analizará la posición actual de cada grúa, si alguna de ellas se encuentra dentro de la zona de interferencia se analizará la posición de la otra y si se acerca a esta zona que

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ya está ocupada se deberá saber a través de qué lado se va a acercar para poder limitar los movimientos determinados. Por ejemplo, si la GA se encuentra en la zona 1, se analizará la posición de la GB, si esta se encuentra en la zona 0 y se acerca a los límites con la zona 1 se parará todos los movimientos y únicamente se dejará libre los giros derecha de la GB y GA y el carro.

Estos movimientos serán los permitidos hasta que una de las dos grúas salga o bien a la zona 0 o a la zona 2 y así evitar el peligro. Esta rutina será la que se repetirá para todas las situaciones posibles.

Cada una de las zonas será reconocida a través de los ángulos “ap” y “bp” tanto en sentido negativo como positivo teniendo en cuenta el “cero” como la línea media. Se establecen dos opciones respecto a la programación, que a parte de las longitudes de las plumas y la distancia entre torres sean datos introducidos, también se introduzcan los ángulos de peligro. Por el contrario, otra opción es que se le añada las ecuaciones al programa y este los calcule automáticamente. El problema que se presenta con el cálculo de estos por medio de la programación es el de la dificultad de meter ecuaciones en esta, por lo tanto, se partirá de la base de que estos ángulos son datos dados también.

Se ha decidido que se va a trabajar directamente en pulsos, es decir, no se va a producir la conversión de pulsos a grados, sino que se va a obtener la razón entre una vuelta y los pulsos del encoder y se va a trabajar directamente como unidad de medida estos pulsos. Por lo tanto, será necesario obtener los pulsos que se corresponderán a los ángulos de peligro y la distancia “Z”

mencionada anteriormente y a partir de ahí comprarlos para obtener la zona en la que se encuentra cada grúa.

A continuación se va a proceder a explicar cada una de las secciones de la programación y como se ha planteado. Se hará referencia a los segmentos del diagrama de contactos el cual se encuentra en el Anexo 1.

En primer lugar se han configurado los tres contadores rápidos, como se ha hecho anteriormente, para cada uno de los tres encoders que va utilizar el sistema. Cada uno de ellos tendrá dos entradas para sus dos canales y su pulsador del reset con el fin de poder calibrar el sistema o para poder salir de alguna situación especial que no se haya contemplado en la fase general puenteando el sistema. Las entradas de estos encoder serán la %I0.0 y %I 0.1 para el encoder del giro de la GA, %I 0.2 y %I 0.3 para el sensor del carro de la GA, %I 0.4 y %I 0.5 para el sensor de giro de la GB y por último los resets de la %I 0.6 a la %I 1.0 respectivamente.

Para cada contador rápido se ha establecido su variable del tipo DInt que indicaba su configuración, correspondiendo a las direcciones 1000, 1004 y 1008.

Las salidas van a corresponder a cada uno de los movimientos de cada grúa que influyan en el sistema, es decir, los giros en ambos sentidos de las dos grúas y el movimiento de carro hacia adelante y hacia atrás de la GA. Las salidas van a funcionar como un relé en serie con el circuito que activa cada movimiento, estando el circuito normalmente cerrado y abriendo este en el caso de que se active la salida. Estas salidas se han asignado como giro derecha, izquierda, carro adelante y atrás de la GA y giro derecha e izquierda de GB con las salidas desde la %Q0.0 a la

%Q0.5 respectivamente. También se ha establecido una salida correspondiente a un posible zumbador que alerte cuando hay riesgo de colisión y el sistema ha actuado que se ha colocado en la salida %Q0.6.

Otras variables a destacar en la programación son las constantes. Estas variables van a ser las que se van a modificar en cada situación en la que se instale el sistema. Estas se van a referir a los ángulos de peligro de cada grúa y a la distancia en la que el carro entra en la zona de interferencia. Las constantes se van a dividir en las correspondientes al giro que serán “AP”,

“2AP” y “0AP” para la GA y “BP”, “2BP” y “0BP” para la GB. La primera variable de cada grúa, representada con el comienzo de su nombre por “A” o “B”, corresponde a los pulsos correspondientes al ángulo de peligro, la segunda, comenzando su nombre por “2”, corresponde a los pulsos totales que tiene una vuelta menos los correspondientes al ángulo de peligro y la última, representada por el “0”, corresponde a los pulsos totales de una vuelta completa.

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Otra variable es la “Z” que corresponde a la resta entre la longitud de la pluma de la GA menos el valor “L” máximo, es decir, si las dos grúas se colocan en la referencia del cero (enfrentadas) pues la distancia respecto a la torre con la que el carro de la GA coincide con el principio de la pluma de la GB. Todas estas constantes se representan en la Figura 21.

Figura 21. Situación de las constantes. (Elaboración propia)

Por último en el tema de variables, se han establecido variables de memoria del tipo Bool que indiquen la zona en la que se sitúan cada una de las grúas y si el sentido de giro es positivo o negativo, cosa que facilitará la programación. También se han creado tres variables del tipo DInt para poder almacenar el valor de los contadores rápidos.

Respecto al diagrama de contactos se va a comenzar comentando que los segmentos 1 y 2 son similares al 3 y 4 pero cada uno asignado a una grúa, ya que son los referentes al giro. En primer lugar se transporta el valor del encoder a la variable de memoria que se ha creado para esto y si este valor es negativo (Ya que gira en sentido contrario) se establece el valor absoluto activando la variable que indica que el sentido es negativo. A continuación el siguiente segmento con el fin de simplificar al máximo el diagrama y trata de que cada vez que se dé una vuelta, el valor del sensor va a volver a ser 0. Esto se ha hecho mediante restadores que una vez que se llegue al valor máximo de la vuelta, este se le reste al valor del sensor. Se han establecido tres de estos restadores en serie ya que como se ha mencionado anteriormente una grúa no puede dar más de tres vueltas en el mismo sentido y por lo tanto no será necesario más.

En cuanto al segmento 5 es simplemente para mover el valor de la variable que tiene el contador rápido del encoder del carro a la memoria asignada para este.

Los segmentos 6, 7 y 8 también van a ser muy similares a los 9, 10 y 11 por el mismo motivo que los anteriores, cada uno será el correspondiente a una grúa, a excepción de que en la GB no se va a tener en cuenta el sensor del carro. El primero de ellos es el correspondiente a detectar si la grúa se encuentra en la zona 0, es decir, fuera del peligro. Para esto se va a detectar si el sentido es positivo o negativo y comprarlo con los valores de las constantes que se han introducido.

Además en el caso de la GA, se tiene en cuenta que si la posición del carro está lo suficientemente atrás no habrá peligro y siempre se encontrará en esta zona. Los siguientes dos segmentos indican si estarán en la zona 1 o 2 de la misma manera, comparando con los correspondientes valores de las variables, y en el caso de la GA también con el valor del carro. Se ha intentado obtener la mayor seguridad posible estableciendo las fronteras con las zonas de peligro como intervalos cerrados.

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El segmento 12 es el que activa el zumbador anteriormente mencionado, y únicamente detecta si hay dos grúas en la misma zona y se activa hasta que esta situación cambie.

Y más adelante van las limitaciones de los movimientos de giro. Estas limitaciones se han separado en 2 segmentos, limitaciones de giro a izquierda de ambas grúas y de giro derecha de ambas grúas, ya que según la referencia que se ha tomado los movimientos van a ir ligados y cuando sea necesario limitar el giro en un sentido de una grúa, la otra va a tener que limitarse en el mismo giro. Para el análisis de estas situaciones se ha procedido a establecer como referencia siempre la grúa que esta fija en una zona y teniendo en cuenta todas las posibles situaciones de peligro que puede provocar la otra, es decir, a través de cuantos lados puede acceder a esa zona que está ocupada y según el lado del que acceda limitar unos movimientos u otros. Se ha tenido que tener especial cuidado cuando el sensor da valores negativos, ya que las referencias van a cambiar y por eso se ha tenido en cuenta el valor de la variable que indica el signo del valor del encoder y así utilizar unas referencias u otras.

7.Resultados experimentales

Debido a la imposibilidad de poder realizar el sistema completo por falta de recursos se va a proceder a realizar diversas pruebas experimentales con componentes lo más similar posible a los que se utilizan en el proyecto con el fin de poder comprobar en funcionamiento del mecanismo.

7.1. Experimentación con encoder

Se ha procedido al uso de un encoder en el laboratorio para poder profundizar en los conocimientos sobre el uso de estos. El sensor que se va a utilizar es el que tiene acoplado el servo motor RS263-6011 que se puede observar en la Figura 22. Corresponde a un encoder de 500 pulsos por vuelta con salida en formato TTL y una tensión de actuación de 5V DC. Además, posee dos canales para poder conocer el sentido de giro. Su hoja de especificaciones está recogida en el Anexo G.

Figura 22. Servomotor con encoder. (RS Components, 2018)

El sensor posee 5 pines los cuales corresponden a las conexiones que se especifican en la Figura 23. Se procederá a conectar una fuente de alimentación de 5V DC en los pines 4 y 1.

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Figura 23. Conexiones del encoder. (RS Components, 2018)

Al disponer de un sensor con una tensión de 5V y tener que utilizarlo como entrada a un autómata que funciona con 24V se va a tener que utilizar dos transitores para cerrar y abrir el circuito de 24V mediante la señal de control que sale del encoder a 5V, esto por partida doble ya que se disponen de dos canales para el encoder. El transistor que se va a utilizar va a ser el BC547.

Se ha optado por el uso de este componente ya que la salida del encoder es un operacional y por su impedancia es la opción más adecuada. En un principio se intentó utilizar un octoacoplador hasta que se llegó a la conclusión de que este no era adecuado por la impedancia que se ha mencionado antes. Las intensidades de cada uno de los circuitos serán controladas por resistencias de 4,7K y 10K. El circuito resultante será el de la Figura 24.

Figura 24. Circuito de control del encoder. (Elaboración propia)

Una vez montado soldados todos los componentes y montado el circuito se ha quedado tal cual muestra la Figura 25.

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Figura 25. Montaje del circuito para encoder. (Elaboración propia)

Una vez conectado el encoder será necesario configurar la programación para que lo capte como tal. Se va a utilizar el llamado “Contador rápido” del software de programación. Esto se configurará en propiedades del autómata y activando los contadores rápidos HSC como se puede ver en la Figura 26.

Figura 26. Activar contador rápido. (Elaboración propia)

A continuación se pedirá la configuración que tiene el contador. Como estamos ante un encoder de dos canales se deberá elegir la opción “Contador A/B”. Además se puede establecer la configuración de “Contador A/B cuádruple” para poder obtener una mayor precisión. Este paso se puede ver en la Figura 27.

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Figura 27. Configuración del contador. (Elaboración propia)

Para seguir se pulsará en la pestaña de “Utilizar entrada de reset externa” para poder establecer a cero el contador y poder calibrar los sensores con la referencia del cero que se necesita en el caso de que esta se modifique.

En el siguiente paso hay que indicar cuales son las entradas al autómata de cada uno de los canales de salida del encoder y cuál será la entrada del reset que se ha configurado antes. En el caso que se ha llevado a cabo serán las entradas %I0.2, %I 0.3 y %I0.4 respectivamente, como se observa en la Figura 28.

Figura 28. Definir las entradas del autómata. (Elaboración propia)

Y por último se indica la dirección en la cual van a ir los datos de este contador. Esta dirección va asociada a cada contador (Figura 29). A esta dirección habrá que asociarle una variable en la tabla de variables del tipo DInt donde se almacenarán los pulsos del encoder (Figura 30).

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Figura 29. Dirección de memoria del contador rápido. (Elaboración propia)

Figura 30. Asignación de la memoria del contador. (Elaboración propia)

Para cargar toda la configuración que se ha establecido en el autómata será necesario pulsar en la opción de cargar configuración del hardware que se encuentra en el menú del autómata que se está programando, como se ve en la Figura 31.

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Figura 31. Cargar configuración del hardware. (Elaboración propia)

Una vez puesto en marcha el autómata con la configuración que se le ha cargado se podrá observar como cuando gira el eje del encoder el valor de la variable donde se guardan los datos de este aumenta o disminuye según el sentido de giro pasando por valores positivos y negativos como se puede ver en la Figura 32 y Figura 33.

Figura 32. Contador rápido negativo (TIA Portal)

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Figura 33. Contador rápido Positivo (TIA Portal)

7.2. Implementación del encoder al sistema

A continuación se ha procedido a conectar el encoder al autómata, cargando en este el programa definitivo del anticolisión. La finalidad es que el sensor actúe como una entrada a este y así poder corroborar el buen funcionamiento del mecanismo. El montaje será el que muestra la Figura 34.

Figura 34. Montaje completo del encoder. (Elaboración propia)

Para la correcta prueba de este será necesario tener en cuenta que el eje es movido por un motor, que a su vez está conectado en serie con las salidas del autómata, y por lo tanto si estás se activan el motor dejará de girar automáticamente. También será necesario establecer unos parámetros de las constantes que indiquen unos ángulos de peligro razonables con respecto a los pulsos que proporciona el sensor por vuelta. En este caso se han utilizado como constantes los valores que se observan en la Figura 35 .

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Figura 35. Constantes. (TIA Portal)

Para la comprobación del sistema se han simulado dos situaciones de peligro distintas para ver la respuesta del sistema ante estas. En la primera de las situaciones la GB se va a situar en la Zona 1 y la GA va a tener su pluma orientada en la Zona 1 pero el carro va a estar atrás y va a intentar entrar avanzando este, como se puede ver en el esquema de la Figura 36.

Figura 36. Esquema de situación 1. (Elaboración propia)

En esta situación el sistema responderá de tal manera que dejará mover el carro hacía atrás y permitirá el giro hacia el lado que no tenga peligro, en este caso es el izquierdo. Esta respuesta se puede ver en la Figura 37.

Figura 37. Respuesta de autómata a situación 1. (Elaboración propia)

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La segunda situación se va a situar la GA en la zona 1 y la GB va a intentar entrar a esta zona desde arriba, es decir desde “BP”. En este momento el sistema actuará para evitar los movimientos de giro izquierda y carro hacia delante. El esquema de la situación y las respuestas del autómata se pueden ver en la Figura 38 y Figura 39.

Figura 38. Esquema de situación 2. (Elaboración propia)

Figura 39. Respuesta del autómata a situación 2. (Elaboración propia)

Además, se puede observar que en ambas respuestas del autómata también se ha activado la salida %Q0.6, que pertenece a la alarma que va a indicar que hay una situación de peligro y por tanto siempre se activará cuando el sistema entre en funcionamiento.