Metodología de análisis y puesta en marcha de un Servodrive

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(1)PROYECTO FIN DE CARRERA Presentado a. LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. Para obtener el título de. INGENIERO ELECTRÓNICO por. Martha Angarita Poblador. METODOLOGÍA DE ANÁLISIS Y PUESTA EN MARCHA DE UN SERVODRIVE. Sustentado el día 07 mes 12 del año 2011 frente al jurado:. Composición del jurado -. Asesor:. Gustavo Andrés Ramos, Profesor asistente, Universidad de los Andes. -. Jurados :. Susana Esperanza Torres, Profesor Asistente, Universidad de Los Andes.

(2) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 2 Servodrive Contenido 1 2. INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 3 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 3 2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 3 2.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 3 2.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 4 3 ESTADO DEL ARTE DE LOS SERVO-DRIVES...................................................................... 4 3.1 Servo-drives ............................................................................................................. 4 3.2 Aplicaciones en la industria ..................................................................................... 5 4 APROXIMACIÓN TEÓRICA AL FUNCIONAMIENTO DEL SERVODRIVE ............................. 7 4.1 Variación de velocidad para motores AC ................................................................ 7 4.2 Control por orientación de campo (FOC) ................................................................ 8 4.3 Implementación del modelo computacional .......................................................... 11 5 CONFIGURACIÓN DE UN SERVODRIVE CON TECNOLOGÍA ALLEN BRADLEY ................ 14 5.1 Implementación de rutinas en el tablero Allen Bradley......................................... 14 5.1.1 Rutina 1 .......................................................................................................... 14 5.1.2. Rutina 2 .......................................................................................................... 16. 5.2 Control de posición:Prototipo físico vs modelo computacional. ........................... 18 5.3 Caso de estudio: Control de velocidad para modelar sistemas urbanos de transporte masivo. ............................................................................................................. 19 5.3.1 Motor sin carga ............................................................................................... 22 5.3.2. Motor con carga = 100% ................................................................................ 26. 5.3.3. Variación en el THD en función de la carga ................................................. 29. 6 DISCUSIÓN .................................................................................................................... 30 7 CONCLUSIONES............................................................................................................. 31 8 AGRADECIMIENTOS ...................................................................................................... 32 9 REFERENCIAS ................................................................................................................ 32 10. APÉNDICES ..................................................................................................................... 35 10.1 Manual de configuración del Servo-drive y prácticas de laboratorio ....................... 35.

(3) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 3 Servodrive 1. INTRODUCCIÓN El problema de la eficiencia energética es de vital importancia en la actualidad debido a los problemas ambientales que trae el uso excesivo de la energía eléctrica, el incremento en los precios y la incertidumbre de su suministro. Esta problemática se hace más evidente en países en vía de desarrollo, donde las tecnologías que se implantan resultan en muchos casos obsoletas. En particular, más del 65 % de la energía eléctrica de la industria es consumida por motores, razón por la cual se requiere el uso de dispositivos que permitan variar la velocidad de los mismos con el fin de no consumir energía no aprovechada. El desarrollo de la electrónica de potencia y los sistemas de control automático asociados (Servo drives) han hecho posible la implementación de soluciones flexibles a esta problemática, a partir del uso de dispositivos semiconductores de potencia y esquemas de modulación eficiente. Específicamente en nuestro país no hay ingenieros capacitados para estas tareas ya que las universidades no cuentan con programas específicos que refuercen esos ámbitos, por tal razón es también muy importante establecer herramientas de aprendizaje que permitan a los estudiantes conocer el manejo de estos equipos. El desarrollo de este proyecto permitirá hacer uso de la electrónica de potencia y sistemas de control automático como son los Servo drives para definir un modelo computacional que permita entender su funcionamiento. Adicionalmente se diseñarán prácticas de laboratorio que permitan a los estudiantes capacitarse en el manejo de estos equipos.. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General Definir una metodología para la configuración de un Servo-drive Allen Bradley para uso industrial basado en un modelo computacional y un montaje experimental.. 2.2 Objetivos Específicos • Realizar una revisión del estado del arte de los Servo-drives y sus aplicaciones en la industria. • Programar y configurar el Servo-drive Allen Bradley en sus diferentes estados de operación. • Definir un modelo computacional equivalente y comparable con el Servo-Drive Allen Bradley. • Diseñar y plantear dos prácticas de laboratorio que permitan interactuar a los estudiantes con el Servo-drive Allen Bradley. La primera a nivel computacional y la segunda a nivel experimental..

(4) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 4 Servodrive 2.3 Alcance y productos finales Al finalizar este proyecto se habrá hecho una completa caracterización de un prototipo a nivel industrial de un Servo Drive con tecnología Allen Bradley. De esta manera se contará con una metodología para la configuración del mismo y una práctica de laboratorio que permita a los estudiantes entender la lógica utilizada en la programación de rutinas. Adicionalmente se contará con un modelo computacional equivalente del sistema del Servo drive y una práctica de laboratorio que permita entender la lógica de control de posición y velocidad.. 3. ESTADO DEL ARTE DE LOS SERVO-DRIVES 3.1 Servo-drives Un Servodrive es un sistema encargado de alimentar y monitorear el comportamiento de un servomotor con el fin de comparar las variables de operación reales con un nivel de referencia. De esta manera permite corregir el desempeño del sistema dirigiéndolo en la dirección necesaria para alcanzar el valor deseado Los servomotores son motores eléctricos que pueden ser controlados tanto en velocidad como en posición de manera rápida y precisa. Este último control es posible gracias a la presencia de un encoder que permite obtener el valor de posición del rotor en cada instante de tiempo. Esto se logra por medio de un circuito electrónico que contiene un diodo láser el cual emite un haz de luz siempre que no sea interrumpido por las ranuras de una lámina metálica. De esta manera se mantiene una cuenta del número de ranuras a medida que se produce el movimiento del motor.[17] Dentro de las principales características de los servos se encuentran: Velocidad de respuesta alta dada la reducción en la inercia del rotor. Requieren de poco mantenimiento. Capacidad de operar a velocidades altas. Pérdidas muy bajas en el rotor. Construcción cerrada que le permite operar bajo todo tipo de ambientes. Amplio rango de potencia (de 100W a 300kW). Bajo consumo de energía.[17] En la actualidad, los servomotores que más se usan son los motores de corriente alterna sin escobillas tipo Brushless. La figura 1 muestra la constitución básica de este tipo de motores..

(5) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 5 Servodrive. Fig. 1 . Constitución de los motores tipo Brushless. Tomado de [17]. En este tipo de motores el estator se encuentra segmentado y gracias a que el espacio rellenado de cobre es de casi el doble con respecto a un motor común, se desarrolla una potencia mayor dentro de un tamaño menor. Adicionalmente, se cuenta con una resina conductora de calor que permite compensar el calor producido por el cobre. Finalmente, se tiene que el rotor está compuesto por imanes de Nedimio-Hierro-Boroque que brindan una mayor densidad de flujo, mejor rendimiento y mayor par.[17]. 3.2 Aplicaciones en la industria La primera aplicación de los Servomotores en la industria corresponde al modo de operación por control de posición. Dada la precisión en el movimiento y la rapidez de respuesta, se emplea en el sector alimenticio para el empaque y envase de todo tipo de productos. Adicionalmente se emplea en todo tipo de industrias que requieran controlar la cantidad de caudal que pasa por una válvula (como las petroleras) o dosificar la cantidad de producto que ingresa a un recipiente. Finalmente se encuentra una aplicación reciente denominada Pick and Place. En ésta, el servomotor maneja unos brazos robóticos que son capaces de recoger y cargar elementos en movimiento para colocarlos en otro sitio previamente establecido. En esta juega un papel importante la precisión que brinda el servo ya que en muchos casos los elementos requieren de un manejo delicado. La figura 2 permite visualizar cada una de estas aplicaciones..

(6) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 6 Servodrive. b). a). c). d) Fig. 2 . Aplicaciones en la industria para el control de posición. a) Máquina empacadora. Tomada de [29]. b) válvula controlada por servomotor. Tomada de [30] . c) Máquina pick and place. Tomada de [27]. d) Doblado de cajas y encasado de productos. Tomado de [17]. Ahora bien, otras aplicaciones en la industria requieren del control de la velocidad en lugar de la posición. En estas, los servos representan una mejor solución que los variadores de velocidad comunes dado que poseen una velocidad de respuesta mayor y consumen menos energía. El control de velocidad se hace principalmente para el transporte de todo tipo de elementos y en muchos casos complementa el trabajo hecho por el control de posición en un proceso de producción. Adicionalmente, permite bobinar hilos u otro tipo de materiales. En la figura 3 se muestran las aplicaciones del control de velocidad..

(7) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 7 Servodrive \. a). b). Fig. 3 . Aplicaciones en la industria para el control de velocidad. a) Banda transportadora. Tomado de [28]. b) Bobinado de carretes de hilo. Tomado de [28]. 4. APROXIMACIÓN TEÓRICA AL FUNCIONAMIENTO DEL SERVODRIVE 4.1 Variación de velocidad para motores AC El control eficiente de la velocidad de un motor AC requiere de la generación de un conjunto de voltajes trifásicos de frecuencia variable por medio del uso de dispositivos semiconductores de potencia (Mosfets, IGBT’S, diodos) los cuales, al actuar como switches permiten convertir un voltaje DC en uno AC (o al revés). La configuración que se muestra en la siguiente figura permite realizar este tipo de generación. Fig 4 . Configuración típica de conversores de potencia utilizados para manejar motores trifásicos AC. Tomado de [15]..

(8) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 8 Servodrive El primer bloque corresponde a un rectificador trifásico de onda completa no controlado, el cual permite transformar un voltaje AC en uno DC. En cuanto al funcionamiento de los diodos se tiene que sólo puede conducir un diodo a la vez en cada parte del puente (superior a inferior). La tensión de línea de mayor valor establecerá los diodos que se encuentren en conducción dado que el ánodo del diodo que esté encendido estará conectado a la tensión de fase de mayor valor en ese instante. En el circuito de la figura superior el voltaje AC de entrada tiene una frecuencia de 60Hz y el DC de salida corresponde a VD. El condensador que se encuentra en medio de los dos bloques actúa como un filtro que permite reducir el rizado de la tensión a la salida del puente. Adicionalmente, este capacitor almacena la energía del variador (Bus DC). Es importante que el voltaje en el bus DC siempre se mantenga dentro de un rango especificado. Si su valor está por debajo, el inversor no tiene la energía necesaria para atender las necesidades del motor. Si se encuentra por encima, significa que el motor está trabajando como generador y por lo tanto entrega energía al variador. [15] Posteriormente, el voltaje del bus DC pasa por un inversor trifásico controlado de 6 pulsos que permite generar el voltaje AC de frecuencia variable que se entregará al motor mediante el encendido y apagado de los 6 switches. La forma de los pulsos a la salida inversor depende del tipo de control utilizado.. 4.2 Control por orientación de campo (FOC) Como es bien sabido, el control de motores DC es bastante sencillo dada la relación perpendicular entre el flujo de campo (estator) y el de armadura (rotor). Gracias a esto, es posible controlar de manera independiente el flujo (por medio de la corriente de campo) y el torque (por medio de la corriente de armadura). Sin embargo, esta facilidad de control no se aplica para los motores AC debido a las interacciones presentes entre los campos del rotor y el estator (no tienen una relación ortogonal).[13] Una de las soluciones a este problema corresponde al control orientado por campo, el cual permite desacoplar la corriente en el estator y el flujo en el rotor de manera que se establezca un control independiente del flujo y el torque. La figura 5 muestra el diagrama de bloques utilizado para un control orientado por campo indirecto..

(9) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 9 Servodrive. Fig 5. Diagrama de bloques de un sistema de control orientado por Campo. Tomado de [13]. Antes de introducir la manera como funciona el FOC, es importante entender la operación de las transformadas de Park y Clark. Por tal razón, a continuación se expondrán los principios de estas transformaciones. Con el fin de simplificar los sistemas de ecuaciones que modelan el motor (los cuales pueden ser complicados y difíciles de tratar) se implementan las transformadas de Clark y Park. Éstas permiten obtener sistemas sencillos y por lo tanto fáciles de analizar donde el cálculo de las variables no presenta grandes requerimientos computacionales. [11].. Fig. 6 . Transformación de Clark y Park.

(10) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 10 Servodrive El diagrama mostrado en la figura 6 contiene los pasos básicos en el proceso de transformación de una magnitud trifásica. En primer lugar se tiene la representación de una magnitud trifásica a través de fasores (magnitud y fase). Posteriormente, se define un nuevo sistema coordenado estacionario definido por los ejes α-β-0. El plano definido por los ejes α-β contiene todas las tensiones y corrientes trifásicas, las cuales pueden ser expresadas como vectores de módulo constante y ángulo dependiente de la frecuencia del sistema. [12] La expresión matricial para realizar esta transformación está dada por (1).. Ahora bien, con el fin de definir vectores con posiciones fijas (de tal manera que permanezcan constantes en régimen permanente), se establece un nuevo sistema de referencia compuesto por los ejes d, q y o. En esta nueva base, los ejes d y q giran sobre el plano formado por los ejes α-β a una velocidad dada por wt. Por tal razón el vector que representa la magnitud trifásica (obtenido en la transformada de Clark), al girar de la misma manera que los ejes d y q, se transforma en un vector fijo.[12] La expresión que permite calcular esta transformación está dada por (2). Donde corresponde al ángulo de rotación de los ejes d-q. De esta manera se tiene que las transformadas de Clark y Park permiten trasformar un vector en el dominio del tiempo a otra base compuesta por ejes giratorios (d-q).[12] Ya habiendo comprendido la transformación del dominio temporal al dominio d-q se pasa a determinar el funcionamiento del FOC. Las entradas del bloque son: Flujo del rotor de referencia ( ), torque de referencia (τ*), velocidad del rotor (ωm) y corrientes del estator (iabc). Y la salida corresponde a la señal de disparo para el inversor. En primer lugar se muestrea la corriente del estator y por medio de las transformadas de Park y Clark se obtienen las componentes i qs e ids.. Estas componentes permiten calcular la velocidad de deslizamiento (ωs) y por medio de (3) obtener el ángulo entre la fase ‘a’ del estator y d..

(11) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 11 Servodrive. Este ángulo es un parámetro de entrada para las transformadas de Park y Clark. Adicionalmente, la componente ids permite estimar el valor del flujo en el rotor ( ) en términos de Laplace (con condiciones iniciales cero) por medio de (4).[13][14].. Donde Lm es la corriente de magnetización del motor y Tr es la constante de tiempo del rotor. Posteriormente, se determina la componente de cuadratura del estator (i qs*) necesaria para producir un torque electromagnético igual al de referencia (τ *). Adicionalmente, se compara el flujo en el rotor calculado por (4) con el valor de referencia ( ) por medio de un control proporcional integral. De esta manera se obtienen las componentes iqs* e ids* necesarias para ajustar el comportamiento del motor a los valores de referencia.[13][14] Finalmente, se realizan transformadas inversas de Clark y Park con el fin de obtener las componentes de corriente que han sido calculadas (i qs* e ids*) en el dominio del tiempo (iabc*). Este valor de corriente pasa por un bloque de regulación con histéresis ajustable. De esta manera se compara el valor de i abc* con la corriente de línea actual del motor, en caso que la corriente no se encuentre en la banda de histéresis se mandan señales de control hacia el inversor. Estas señales están orientadas a forzar a la corriente a permanecer dentro de la banda de histéresis.[13]. 4.3 Implementación del modelo computacional Ya habiendo definido todos los elementos que hacen parte del control de un servomotor, se implementó un modelo computacional equivalente. Este modelo permite comparar las variables reales del sistema con valores ideales para así determinar el desempeño del mismo. La figura 7 permite visualizar los principales bloques que conforman el modelo..

(12) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 12 Servodrive. Fig 7. Modelo computacional equivalente para el servodrive.. El modelo de la figura 7 permite hacer control tanto en velocidad como en posición. El selector del tipo de control determina la velocidad de referencia que entra al bloque de regulación de velocidad y de esta manera la variable a controlar. A continuación se explicarán los bloques utilizados en los dos tipos de control. El esquema fundamental para la variación de la velocidad del motor corresponde al mostrado en la sección 4.1. La entrada de la red (trifásica) pasa por un rectificador trifásico no controlado que transforma la tensión AC en tensión DC la cual es almacenada en un condensador. Posteriormente un inversor convierte la tensión DC en AC la cual alimenta directamente al motor. Ahora bien, cuando el motor se encuentra en la etapa de frenado deja de comportarse como motor para actuar como generador. Esto implica que estará regenerando energía al sistema y por lo tanto aumentando el valor de la tensión en el bus DC. Con el fin de mantener este valor dentro de los rangos tolerables por parte de los componentes de los convertidores, se incluyó un bloque denominado Chopper. Este bloque corresponde a un conmutador eléctrico que dirige la tensión del bus DC a una resistencia de disipación.[18]. Para la implementación computacional de este bloque se utilizó uno ya existente en Simulink, donde se seleccionaron voltajes de activación y desactivación de 340V y 320V respectivamente. La implementación de la señal de disparo de los IGBT se hizo mediante un bloque de control por orientación de campo (FOC). El esquema utilizado corresponde exactamente al mostrado en la figura 5. Es posible ver que las entradas de este módulo corresponden a un flujo en el rotor de referencia, torque de referencia y corrientes en el estator. Por medio de las transformaciones y cálculos mostrados en la sección 4.2 se obtiene la señal de control para el inversor..

(13) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 13 Servodrive Por otro lado, se tiene que el bloque de control (FOC) necesita ciertos valores de referencia para trabajar. Estos valores no se obtienen directamente del motor, por tal razón se implementó un bloque denominado regulador de velocidad. Éste recibe el valor de velocidad tanto de referencia como el actual del motor (en rpm) para posteriormente determinar el valor de torque y flujo de referencia que utiliza el control. La figura 8 muestra la manera como se implementó este bloque.. Fig 8. Implementación del regulador de velocidad. En primer lugar, la velocidad de referencia pasa por un bloque en el que se determina la máxima aceleración y desaceleración en el motor con el fin de que no haya sobrevoltajes o subvoltajes en el bus DC. Estos valores se definieron en . Por otro lado, la velocidad actual del motor se introduce en un filtro pasabajas que elimina todas las componentes de alta frecuencia. Finalmente, estos dos valores entran a un restador que permite obtener el error de velocidad, el cual determina el valor del torque de referencia mediante un controlador PID. Cabe resaltar que el valor de referencia de torque pasa por un saturador que asegura que el torque de referencia no supere al nominal del motor. El flujo de referencia, por su parte, se determina con la velocidad de referencia. En primer lugar, ésta pasa por un bloque que elimina los valores negativos que pueda tomar. Posteriormente es ingresada a un bloque de saturación cuyo mínimo valor corresponde a la velocidad sincrónica (ns) y no tiene límite superior (la salida de este bloque se denotará como Nsat de aquí en adelante). De esta manera se tiene que siempre que la velocidad de referencia sea menor a la sincrónica, el valor a de Nsat será igual a ns y de ahí podrá aumentar hasta término indefinido. Finalmente, se calcula del flujo de referencia por medio de la expresión:.

(14) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 14 Servodrive Es sencillo ver que si la velocidad de referencia es menor a la sincrónica, el valor del flujo de referencia será igual al nominal (que es el máximo valor que puede tomar). De aquí en adelante, a medida que la velocidad de referencia aumente, el flujo de referencia se hará cada vez más pequeño. De esta manera se tiene que para hacer control de velocidad, basta con seleccionar el bloque de velocidad de referencia (Vref de color verde en la figura 7) como entrada del regulador de velocidad. Si por el contrario, se requiere hacer control de posición es necesario utilizar un bloque adicional denominado control de posición. Éste recibe la velocidad del motor y una posición de referencia para arrojar a la salida la velocidad de referencia que entra al regulador de la figura 8. La manera como obtiene esta salida es muy sencilla, en primer lugar integra la posición del motor para obtener la posición en cada instante de tiempo. Posteriormente se resta el valor de la posición real con la de referencia para obtener un error de posición. Finalmente, este error pasa por un controlador PID que determina el valor de la velocidad de referencia.. 5. CONFIGURACIÓN DE UN SERVODRIVE CON TECNOLOGÍA ALLEN BRADLEY Los conceptos básicos requeridos para configurar el Servo se resumen en el manual de usuario presentado en la sección 10 (Apéndices). Para la implementación de las rutinas que se desarrollarán a lo largo de esta sección, se utilizó la metodología de configuración del dispositivo presentada en el manual.. 5.1 Implementación de rutinas en el tablero Allen Bradley Como se ha visto hasta el momento, los Servodrives ofrecen la posibilidad de hacer control tanto en posición como en velocidad. Por tal razón se implementaron dos rutinas que permiten observar el comportamiento del sistema en cada uno de estos escenarios.. 5.1.1. Rutina 1. La principal funcionalidad de los ServoDrives en la industria es el control de posición dada la posibilidad que tienen de realizar movimientos micrométricos a gran velocidad. Éste es de vital importancia para máquinas especializadas en el empaque y envase de productos alimenticios, químicos, farmacéuticos y en general cualquier producto que requiera ser empacado. Adicionalmente, esta aplicación permite controlar válvulas para variar el caudal de diferentes fluidos. La rutina 1 corresponde a la variación continua de la posición entre cero y 180. El tiempo que el servomotor debe tomar para cada cambio de posición es de 1 segundo. Esta rutina, es la que se debe llevar a cabo en el proceso de empaquetamiento de los productos donde una prensa se debe cerrar cada.

(15) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 15 Servodrive determinado tiempo para sellar el empaque. La figura 9 muestra el diagrama de flujo utilizado para crear la rutina 1 en el programa RSLogix5000.. INICIO. Bit de Inicio = ‘1’?. No. Sí Eje del motor cambia de 0o a 180o No Bandera Proceso completado =’1’?. Sí Eje del motor cambia de 180o a 0o No Bandera Proceso completado =’1’?. Sí Bit de parada = ’1’?. No Fig 9. Diagrama de flujo para la rutina 1. Sí FIN.

(16) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 16 Servodrive. Fig 10. Comportamiento de la velocidad y posición del motor en la rutina 1. La figura 10 permite visualizar el comportamiento de la posición y velocidad del motor en cada instante de tiempo. Resulta bastante obvio que se está ejerciendo control en la posición y no sobre la velocidad. La línea azul corresponde a la posición la cual varía entre 0o y 180o en intervalos de 1 segundo. La línea verde es la velocidad, la cual toma valores positivos (aunque muy pequeños) mientras el eje va de 0o a 180 o y valores negativos cuando retorna a 0 o dado que el sentido de giro cambia.. 5.1.2. Rutina 2. Una segunda aplicación de los Servo-drives corresponde al control de velocidad. Esta aplicación resulta bastante útil para máquinas que utilizan mecanismos de elevación, transportadoras, bombas, ventiladores, embotelladoras, extrusoras, molinos, entre otras. En estas máquinas, un adecuado control de velocidad permite obtener una buena productividad, buena terminación de los productos, evita aceleraciones bruscas y ofrece la posibilidad de fabricar diferentes productos sin tener que recurrir a máquinas separadas. La rutina implementada corresponde a la variación de la velocidad del motor por intervalos de tiempo de 5 segundos. Es posible distinguir tres etapas diferentes: la de aceleración, velocidad constante y por último la de frenado. La figura 12 permite visualizar la velocidad de referencia para el motor..

(17) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 17 Servodrive. INICIO No No Bit de Inicio. = ‘1’? Sí Contador 1 empieza a contar. v = 20 rps. a=4rps2 No Contador 1 llegó a cuenta máxima?. Sí Contador 2 empieza a contar. v = 20 rps. a = 0 No Contador 2 llegó a cuenta máxima?. Sí Contador 3 empieza a contar. v = 40 rps. a =4rps2. FIN. No. Contador 4 empieza a contar. v = 0 rps. a = -10rps2. Contador 3 llegó a cuenta máxima?. Sí Sí Contador 4 empieza a contar. v = 50 rps. a = 2rps2. Sí. Contador 4 llegó a cuenta máxima?. No Fig 11. Diagrama de flujo para la rutina 2.

(18) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 18 Servodrive. Fig 12. Comportamiento de la velocidad y posición del motor en la rutina 2. La figura 12 permite visualizar como efectivamente el motor está siguiendo la curva de velocidad programada (curva azul). La curva verde muestra el aumento progresivo en la posición a medida que el motor de mueve y en el momento en que éste se detiene, la posición se mantiene en un único valor.. 5.2 Control de posición:Prototipo físico vs modelo computacional. Como se vio en la sección 3.2, el control de posición corresponde a una aplicación de gran importancia en la industria. La rutina 1, implementada en lógica de escalera a través del software RSLogix5000 y posteriormente descargada al PLC del tablero Allen Bradley, permitía controlar la cantidad de ángulos de giro del eje del motor. De esta manera se dispuso que, partiendo de una posición inicial indefinida, el rotor girará 180o en un tiempo de 1s y posteriormente retornara a su estado original en el mismo tiempo. Este comportamiento permite simular las máquinas empacadoras donde un par de prensas se deben cerrar y luego volver a abrir cada determinado tiempo, dependiendo del tamaño del empaque y de la cantidad de unidades a producir. Al programar este mismo comportamiento en el modelo computacional explicado en la sección 4.3 (seleccionando el modo de posición controlada), se obtuvieron los resultados mostrados en la figura 13..

(19) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 19 Servodrive. Fig 13. Resultados computacionales para el control de posición.. En la figura 13 se puede observar que la posición del eje del motor cambia de 0 a 1 (que es el equivalente a 180o) en un tiempo de 1 segundo y gasta el mismo tiempo para regresar a 0. La velocidad, por su parte, toma valores positivos (cercanos a 1 rad/s) durante el cambio de 0 a 1 y negativos durante el regreso a la posición inicial. Esto se debe a que el motor ve la velocidad como un vector caracterizado por una magnitud y un signo, en este caso el signo está dado por el sentido de giro del rotor. Al comparar este resultado con el obtenido en la figura 10 se puede observar que son prácticamente iguales, sin embargo el resultado computacional no llega exactamente a 1 y 0. Esto se debe a que la velocidad del controlador real es mucho mayor que la del modelo en Simulink. De esta manera, en un segundo el motor del modelo no alcanza a llegar exactamente al valor de posición de referencia. Y aunque tiempos menores a un segundo generalmente no se utilizan en la industria para este tipo de rutinas, se puede observar que la Tecnología de los controladores Allen Bradley no ofrece restricciones de velocidad de operación.. 5.3 Caso de estudio: Control de velocidad para modelar sistemas urbanos de transporte masivo. Los sistemas urbanos de transporte de interés en esta sección corresponden a aquellos que requieren de un sistema de alimentación eléctrica, tales como los metros, ferrocarriles, trenes y tranvías. El análisis del comportamiento de estos sistemas es de vital importancia para el desarrollo de los sistemas de distribución de electricidad dado que permite determinar sus necesidades energéticas. [21] Sin profundizar mucho en los sistemas de distribución o las necesidades energéticas de los sistemas de tracción eléctrica, esta sección pretende aplicar la.

(20) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 20 Servodrive metodología desarrollada para la configuración del Servo-drive en la creación de rutinas que permitan obtener una aproximación general del comportamiento de estos sistemas. Para ello se considerarán las etapas de movimiento que se presentan de una estación a otra y la relación de estas con la carga.. Fig 14. Ciclos de trabajo para diferentes distancias entre estaciones de parada. Tomado de [22].

(21) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 21 Servodrive La figura 14 permite observar el comportamiento de velocidad en función del tiempo (ciclo de trabajo) entre dos estaciones para 4 situaciones diferentes. Tomando como base las curvas presentadas en [22], se implementaron rutinas en RSLogix 5000 teniendo en cuenta que la duración total de cada recorrido es de un minuto y la velocidad máxima a la que llegan es de 50 rps (3000 rpm). Las gráficas de corriente que se muestran a continuación corresponden a los valores a la entrada del Servo-drive, es decir en la red.. Fig 15. Forma de corriente general a la entrada del servo.. La figura 15 muestra la forma de corriente que entrega la red. Esta señal presenta deformación con respecto a la onda senoidal debido a la presencia de distorsión armónica. Esto se debe a que la señal presenta armónicos, es decir múltiplos de la componente fundamental, la cual tiene la misma frecuencia de la señal original. La distorsión armónica en este caso se da por la presencia de cargas no lineales. Dentro de éstas se encuentran el rectificador y el inversor que según se mostró en la sección 4.1 corresponden al esquema fundamental para control de velocidad en motores. Ahora bien, la señal de voltaje en raras ocasiones presenta distorsión. En este caso casi siempre se mantiene como una onda senoidal pura de 120Vrms. Sin embargo, cuando se agrega una carga del 100% al motor alcanza a tener un poco de distorsión, la figura 16 muestra la forma de onda más distorsionada que llega a presentar el voltaje..

(22) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 22 Servodrive. Fig 16. Mayor distorsión presente en el voltaje.. Ahora bien, con el fin de estudiar el cambio del comportamiento del sistema en función de la carga, se implementaron las rutinas de la figura 14 para diferentes valores de carga (0%, 25%, 50% 75%, 100%). A continuación se expondrán los resultados para los dos casos críticos (0% y 100%). 5.3.1. Motor sin carga. La adquisición de los valores de voltaje y corriente de la red se hizo mediante Labview, la interfaz se muestra en la figura 17.. Fig 17. Interfaz de Labview para la adquisición de datos (carga 0%). En la figura 17 es posible ver la forma de onda de la corriente, el voltaje y los armónicos presentes en la corriente, adicionalmente se tiene el valor del THD en.

(23) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 23 Servodrive cada instante de tiempo. Al ver la cantidad de armónicos de amplitud importante en la corriente, se espera que el valor del coeficiente de distorsión armónica sea elevado (como de hecho ocurre). Para la toma de datos de la corriente y el voltaje, se hizo una pequeña modificación a las rutinas. Con el fin de poder visualizar los resultados de una mejor manera, éstas se redujeron a 12 segundos cada una y se corrieron una detrás de otra para simular un recorrido completo. La figura 18 muestra la variación en la corriente en para este caso.. Fig 18. Variación de la corriente sin carga (valores medidos). Con el fin de validar estos resultados, se implementaron las mismas rutinas en el modelo computacional. La figura 19 permite observar la corriente obtenida con el modelo computacional.. Fig 19. Variación de la corriente sin carga (modelo computacional).

(24) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 24 Servodrive En primer lugar, resulta evidente la relación entre la corriente que pide el sistema a la red y la velocidad del motor. Cuando el motor no está en movimiento, la corriente de la red es muy pequeña y a medida que aumenta su velocidad, el consumo de corriente se va haciendo mayor hasta alcanzar un valor máximo de aproximadamente 6 A. Al comparar los resultados obtenidos mediante el modelo computacional con los medidos, se encuentra que el comportamiento de la corriente para ambos casos es igual. La única diferencia se presenta cuando el motor no está en movimiento ya que en el montaje físico, el motor sigue pidiendo una pequeña cantidad de corriente para permanecer encendido. En el modelo, sin embargo, cuando no hay ningún movimiento por parte del motor se asume que está apagado, por tal razón el consumo de corriente tiende a cero. Finalmente, un hecho que se pudo evidenciar en ambos resultados fue la presencia de un pico de corriente cuando el motor cambia de aceleración constante a velocidad constante o a aceleración negativa. Esto se debe principalmente a que la corriente presenta una relación proporcional con el torque. Y el torque, a su vez posee una relación con la aceleración. La figura 20 permite relacionar estos dos valores de manera gráfica.. Fig 20. Relación entre el torque y la aceleración. Tomado de [24]. Es posible ver que el torque requerido para acelerar el motor es mayor que para mantenerlo en una velocidad fija o desacelerarlo. La expresión dada por (6) ofrece la definición más formal para el torque.. Donde corresponde al torque requerido para acelerar y desacelerar el sistema y es el torque a velocidad constante, el que permite vencer la fricción y las cargas externas..

(25) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 25 Servodrive En este caso, dado que no hay presencia de carga mecánica, la componente del torque debida a la aceleración tiene un valor de importancia en el torque total. Con el fin de comprobar la relación dada por (6) se determinó el torque tanto a nivel experimental como en simulación para este caso. Los resultados de muestran en las figuras 21 y 22.. Fig 21. Torque eléctrico del motor para una rutina específica con carga 0% ( valores medidos). Fig 22. Torque eléctrico del motor para una rutina específica con carga 0%( valores simulados). Ambas gráficas muestran el mismo valor, sin embargo el torque de la figura 21 corresponde a un porcentaje del nominal mientras que el de la figura 22 es el torque como tal en Nm. En ambos casos se puede observar que el valor de torque máximo que se alcanza es de aproximadamente 0.3 Nm (que representa el 3% de 11.1 Nm, el valor nominal) cuando el motor está acelerando..

(26) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 26 Servodrive 5.3.2. Motor con carga = 100%. La interfaz de Labview para este caso se muestra en la figura 23. Fig 23. Interfaz de Labview para la adquisición de datos (carga 100%). Es posible observar que para la máxima carga, la corriente que se le pide a la red se satura en el valor nominal del motor. Adicionalmente se empieza a presentar distorsión en la forma de onda del voltaje (aunque no muy significativa). Finalmente es posible ver que las componentes armónicas de la corriente disminuyen notablemente con lo cual se espera que el valor del THD disminuya también. Los resultados de corriente para la implementación física y el modelo computacional se muestran en las figuras 24 y 25.. Fig 24. Variación de la corriente para carga de 100% (valores medidos).

(27) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 27 Servodrive. Fig 25. Variación de la corriente para carga de 100% (valores simulados). Como se había dicho anteriormente, la corriente se satura en su valor nominal y por lo tanto en este caso no es posible visualizar el cambio de corriente proporcional a la velocidad como en las figuras 18 y 19. Sin embargo se conserva la forma básica de las rutinas originales. En el caso de la figura 24, la corriente inicial es bastante pequeña. Sin embargo, esto se debe al funcionamiento del freno utilizado para simular la carga. Antes que el motor se mueva por primera vez, el freno no ejerce ninguna fuerza, por tal razón ese instante inicial de corriente no debe tomarse en cuenta. El torque medido de manera experimental y por medio de la simulación se muestra en las figuras 26 y 27.. Fig 26. Torque eléctrico del motor para una rutina específica con carga 100% ( valores medidos).

(28) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 28 Servodrive. Fig 27. Torque eléctrico del motor para una rutina específica con carga 100% ( valores medidos). Al igual que en el caso anterior, los resultados medidos físicamente corresponden a un porcentaje del torque mientras que los de simulación son el valor en Nm. En todo caso es posible visualizar que el torque corresponde al 100% ó 11.1 Nm (incluso un poco mayor). El aumento en el torque dado por la aceleración no se observa de la misma manera en este caso dado que, al ser tan alta la carga mecánica, la aceleración no ofrece un aporte suficientemente significativo en el cálculo total del torque (expresión (6)). Adicionalmente se observa que aproximadamente en el segundo 41, el torque cae a cero. Esto se presenta por la activación de la protección contra sobrecargas. Como es conocido, la protección permite la presencia de sobrecargas durante un tiempo determinado (el cual es inversamente proporcional a la magnitud de la sobrecarga). Pasado este tiempo, un interruptor corta la alimentación del sistema por un breve instante para luego volverse a cerrar. Sin embargo, dado que el motor ha dejado de moverse, le es imposible iniciar el movimiento con una carga tan elevada. Por tal razón el torque se mantiene en cero. La figura 28 muestra el valor de la tensión para este mismo caso.. Fig 28. Tensión a la entrada del servo para la carga de 100% ( valor medido).

(29) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 29 Servodrive Como se había dicho anteriormente, tan pronto se sobrepasa el tiempo permitido para la sobrecarga se corta la alimentación del Servo para luego restablecerse.. 5.3.3. Variación en el THD en función de la carga. Ahora bien, con el fin de establecer la consecuencia directa de los resultados obtenidos hasta ahora, se calculó el THD en cada instante de tiempo para todos los valores de carga. La figura 29 permite visualizar estos resultados.. Fig 29. Variación del THD en función de la carga. (valores medidos). Es posible ver que el THD tiene una relación no sólo con la carga si no también con la velocidad del motor. A medida que la carga y la velocidad aumentan, el THD disminuye (y por lo tanto el factor de potencia aumenta). De esta manera se tiene que tanto el factor de potencia como el THD son buenos a plena carga. Sin embargo, para cargas pequeñas empiezan a alejarse del valor ideal. Generalmente, el trabajo de los motores de inducción no se hace a plena carga, razón por la cual éstos suelen operar con un bajo factor de potencia. [25] Por el lado de la relación con la velocidad del motor se tiene que a velocidades pequeñas, el deslizamiento (7) tiende a la unidad. Por tal razón el ángulo de desfase es grande y por lo tanto el factor de potencia es pequeño. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, el deslizamiento tiende a valores más pequeños con lo que el ángulo de desfase disminuye, aumentando así el factor de potencia (y por lo tanto disminuyendo el THD).

(30) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 30 Servodrive La tabla que se muestra a continuación permite resumir los resultados obtenidos para todos los valores de carga. Carga. Imax(A). 0% 25% 50% 75% 100%. 6 10 13,5 13,5 13,5. THD promedio 1,77 1,58 1,4 1,2 1. Torque máx (%) 3 35 63 91 122. PF/DPF 0,49 0,53 0,58 0,64 0,7. Como se dijo a lo largo de esta sección, la corriente aumenta en función de la carga dada la relación directa que tiene con el torque. Sin embargo, ésta se satura en el valor de corriente máxima del motor a una carga de aproximadamente 50% (5.55Nm). El THD, por su parte siempre tiene valores elevados. Sin embargo éstos se ven disminuidos con el aumento en la carga y velocidad. Por tal razón el valor mínimo para este coeficiente se presenta a plena carga con la velocidad nominal del motor. Cabe resaltar que la distorsión presente en la corriente de la red también puede deberse a otras cargas no lineales que se encuentran en el mismo laboratorio y que no hacen parte de este proyecto. Finalmente, se tiene que el porcentaje de sobrecarga máximo que admite el Servo es de 122% antes de activar la protección contra sobrecargas.. 6. DISCUSIÓN En primer lugar, fue posible realizar una amplia revisión del estado del arte de los Servodrives. Posteriormente, teniendo en cuenta sus principales aplicaciones en la industria, se fijaron dos estados de operación (velocidad y posición controlada). Adicionalmente se diseñó un modelo computacional que permitió validar los resultados obtenidos de manera experimental. Sin embargo éste último tuvo problemas en cuanto a la velocidad del controlador, razón por la cual no pudo dar una respuesta exacta para el control de posición. Sin embargo, esto no trae grandes implicaciones ya que la velocidad para control de posición no alcanza rangos muy elevados. En cuanto a los resultados en el control de velocidad, obtenidos a través del caso de estudio. Se logró analizar un escenario de vital importancia hoy en día como son los sistemas de tracción eléctrica. En esta parte se obtuvo un desempeño excelente por parte del modelo computacional ya que los resultados obtenidos fueron bastante cercanos a los experimentales..

(31) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 31 Servodrive Ahora bien, los resultados obtenidos en el THD y factor de potencia fueron bastante alejados de los rangos deseados. Esto pudo deberse a la presencia de otro tipo de cargas que afectaron la medición, a las características de funcionamiento propias del equipo y a que no fue posible evaluar las condiciones máximas (carga de 100% a velocidad nominal) dado que las herramientas de medición no permitían tener sobrecargas tan elevadas por intervalos de tiempo prolongados. De esta manera se tiene que fue posible cumplir con todos los objetivos propuestos al inicio del proyecto al desarrollar una metodología para la configuración de un Servo drive tanto a nivel experimental como computacional. Ésta fue validada por medio de la implementación de diferentes rutinas y la aplicación de un caso de estudio. Se esperaría poder continuar en el futuro en la ampliación de los resultados obtenidos, la búsqueda de una manera para hacer operar al motor bajo condiciones más extremas y la implementación de diferentes tipos de soluciones para corregir y/o mejorar los resultados del THD y factor de potencia.. 7. CONCLUSIONES El desarrollo de este proyecto permitió implementar una metodología para la configuración de un Servo-drive con tecnología Allen Bradley. Adicionalmente se definió un modelo computacional equivalente gracias al cual fueron validados los resultados experimentales. Sin embargo, este modelo presentó ciertas restricciones en el control de posición debido a que la velocidad del controlador del mismo no es suficientemente grande y al intentar aumentarla se presenta una respuesta sub-amortiguada. Las rutinas implementadas haciendo uso de la metodología de configuración, permitieron modelar los estados de operación de un Servodrive dentro de la industria (velocidad controlada y posición controlada) de acuerdo con los procesos más característicos del sector. Finalmente, el análisis del caso de estudio permitió apreciar el comportamiento del sistema frente a diferentes valores de carga. Gracias a esto se demostró la relación directamente proporcional entre la corriente que pide el sistema a la red y la velocidad de motor. Esta corriente aumenta también con el incremento de la carga hasta que alcanza su valor nominal donde se satura. Adicionalmente, se encontró que para cargas bajas el torque eléctrico del motor es mayor cuando éste trabaja con una aceleración diferente de cero. Sin embargo, a medida que aumenta la carga este valor se va haciendo menos significativo produciendo un torque prácticamente constante. Dentro de este mismo caso de estudio fue posible medir el valor del THD. Esto permitió encontrar una relación inversamente proporcional entre la distorsión.

(32) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 32 Servodrive armónica y los valores de carga y velocidad. De esta manera, se determina que tanto la distorsión armónica como el factor de potencia presentan las mejores características a plena carga con la velocidad nominal.. 8. AGRADECIMIENTOS En primer lugar, agradezco al Profesor Gustavo Andrés Ramos, asesor de este proyecto, por su continua colaboración, sugerencias planteamiento de análisis complementarios orientados a mejorar la calidad de los resultados. Agradezco también al Ingeniero Davis Montenegro por su colaboración con las herramientas de Labview necesarias para la toma de algunos datos. Finalmente, agradezco a todas las personas que colaboraron en el manejo de los equipos y la elaboración de elementos adicionales necesarios para la culminación de este proyecto.. 9. REFERENCIAS [1] Descorps, G.; Espagne, P.; Neacsu, C.; Wesolowski, P.; , "Variable Speed Drive "Regenerative" Type -Lessons Learnt-," Electrical and Instrumentation Applications in the Petroleum & Chemical Industry, 2007. PCIC Europe 2007. 4th European Conference on , vol., no., pp.1-8, 13-15 June 2007. [2] Ramirez, G.; Leon, R.; Valenzuela, M.A.; , "Robust computer-aided tuning of highperformance speed controlled digital servodrives," Industrial Electronics, 2008. ISIE 2008. IEEE International Symposium on , vol., no., pp.546-551, June 30 2008-July 2 2008 [3] Moynihan, F; , “Fundamentals of DSP-Based control for AC machines”. Embedded control systems group. [4] Cadena, L.; “Diseño de un centro de control de motores”. Universidad de los Andes. Bogotá-Colombia, 2011. [5] Escobar, E.; “Implementación de modelo computacional para control de torque en máquinas de inducción bajo cargas mecánicas variables, con aplicación en tracción eléctrica”. Universidad de los Andes. Bogotá-Colombia, 2011 [6] RSTeched 2011. Presentaciones del curso. Rockwell Automation. Bogotá-Colombia. 2011. [7] Servoaccionamientos (control de ejes). Disponible online en : http://www.etitudela.com/celula/downloads/servoaccionamientos.pdf [8] Logix 5000 Controllers Sequential Function Charts. Programming Manual. Rockwell Automation. [9] Logix 5000 Controllers Motion Instructions. Reference Manual. Rockwell Automation. [10] Logix 5000 Controllers Common procedures. Programming manual. Rockwell Automation..

(33) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 33 Servodrive [11] C. Montes Chacón. Metodología para la docencia del control vectorial de la máquina síncrona de imanes permanentes. Consultado el 23-11-2011. Disponible online en : upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/2959/1/54313-1.pdf [12] M. Pietzch García. Convertidores CC/CA para la conexión directa a la red de sistemas fotovoltaicos. Consultado el 23-11-2011. Disponible online en : upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/2696/5/36106-5.pdf [13] H. Khan. Field Oriented Control. Renesas. 2008. [14] D. Rodas. Estrategia de campo orientado en el control de motores de inducción. Universidad Tecnológica de Pereira. Mayo 2006. [15] Motion Control. El convertidor de frecuencia. Consultado el 24-11-2011. Disponible online en : http://www.infoplc.net/blog4/category/variadores-defrecuencia-inverter/ [16] El servomotor. Consultado el 24-22-2011. Disponible online en : http://www.infoab.uclm.es/labelec/solar/electronica/elementos/servomotor.htm [17] Servoaccionamientos (Control de ejes). Consultado el 20-10-2011. Disponible online en: http://www.etitudela.com/celula/downloads/servoaccionamientos.pdf [18] Guía técnica # 8. Frenado eléctrico. Disponible online en : http://www05.abb.com/global/scot/scot201.nsf/veritydisplay/92546f2be5281d93 c1256d280041534a/$file/technical_guide_no_8_es.pdf [19] MathWorks. Product Documentation. Field oriented control Induction Motor Drive. Disponible online en: http://www.mathworks.com/help/toolbox/physmod/powersys/ref/fieldorientedc ontrolinductionmotordrive.html [20] WANG Yu, DENG Zhi-quan, WANG Xiao-lin. The Flux Weakening Up Speed Operation Study for the Direct Torque Control of Induction Motor. China. 2008. [21] R. Moreno Chuquén, M. Ríos Mesías, G. Ramos López, E. Quintero Restrepo. Sistemas de alimentación eléctrica a sistemas de transporte masivo tipo metro. Ingeniería y Universidad, Vol. 13, Núm. 2, julio-diciembre, 2009, pp. 423-437 Pontificia Universidad Javeriana. Colombia. [22] M. Ríos, G. Ramos, F. Rodríguez. Alimentación eléctrica de los sistemas urbanos de transporte masivo. Universidad de los Andes, Codensa S.A., Colciencias. Bogotá. 2011. [23] Rockwell Automation. Product Profile MP-series low inertia motors. Disponible online en: http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/pp/m p-pp001_-en-p.pdf [24] Manual del sistema SureStep. Selección del sistema SureStep. Apéndice A. Disponible online en : www.automationdirect.com/static/manuals/.../appxa.pdf. [25] LEYDEN. Ingeniería de ventas. Boletín técnico BT002. Compensación individual. Disponible online en: www.leyden.com.ar/esp/pdf/boletin_02.pdf [26] Lucas Nulle. Sistemas de entrenamiento técnico. Servofreno, Aparato de control..

(34) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 34 Servodrive [27] Direct Industry. Robot de empaque pick and place. Disponible online en : http://www.directindustry.es/prod/bosch-packaging-technology/robots-deempaque-pick-and-place-61849-398135.html [28] Máquinas bobinadores de carretes de hilo. Disponible online en: http://spanish.alibaba.com/product-gs/bobbin-winder-cl-2e--208912482.html [29] Servoaccionamientos. Disponible online en : http://www.etitudela.com/celula/downloads/servoaccionamientos.pdf [30] HAUTEMAN.Actuador eléctrico – ACMA multivueltas. Disponible online en : http://www.hauteman.com/buscarProductos.php?categoria=16&material=todos. [31] F. Gonzalez-Longatt. Entendiendo la Transformación de Park. Junio 2004..

(35) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 35 Servodrive 10. APÉNDICES 10.1 Manual de configuración del Servo-drive y prácticas de laboratorio. Manual de configuración del Servo-drive Allen Bradley Ultra 3000 1. Configuración de Servo-drive marca Allen Bradley La caracterización del dispositivo (Servo-Drive) empieza por la definición de los componentes básicos de un sistema de control y las especificaciones de cada uno de ellos dentro de la tecnología Allen Bradley. Posteriormente se hace un reconocimiento de las herramientas dadas por esta tecnología y el software de Rockwell Automation para, finalmente, establecer rutinas que permitan entender el papel de los Servodrives dentro de la industria.. 1.1 Sistemas de control. Fig 1. Flujo de información en un sistema de control. Este tipo de sistemas almacenan y ejecutan programas que controlan procesos, máquinas y/o dispositivos mediante la evaluación de señales de entrada (que pueden ser estados de operación o señales externas como el accionamiento de un sensor). Esta labor requiere de la presencia de 5 elementos fundamentales como son: Controlador, Sistema I/O, Redes de comunicación, Hardware de visualización y sistema de programación. El siguiente diagrama permite visualizar de manera general la función principal de cada uno de ellos..

(36) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 36 Servodrive. Fig 2. Componentes principales de un sistema de control.. Como respuesta a estos requerimientos en un sistema de control, en el laboratorio de la Universidad se implementó un centro de control de motores por medio de la tecnología Allen Bradley, la figura 3 permite visualizar la disposición física de los equipos.. Fig 3. Centro de control de motores disponible en el laboratorio de electrónica de potencia de la Universidad de los Andes.

(37) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 37 Servodrive A. El controlador es el encargado de realizar el procesamiento de las señales de entrada para tomar decisiones orientadas a generar acciones sobre los componentes del sistema. Para ello cuenta con memoria programable y un procesador. Dentro de las principales funciones se encuentran: Control de entradas y salidas, Sincronización, generación de reportes, manejo de las comunicaciones y manipulación de datos. La tecnología Allen Bradley posee una línea de controladores (Serie ControlLogix) los cuales constan de un PLC y pueden ser programados directamente desde un computador mediante conexión serial o una red de comunicación. El centro de control de motores que se encuentra alojado en el laboratorio ML007 de la Universidad de los Andes cuenta con un controlador Logix 5563 el cual se comunica con un computador vía EtherNet. El controlador puede operar en tres modos diferentes: 1. Run: El código programado se está ejecutando y no puede ser editado y/o descargado. 2. Program: El programa no se está ejecutando y por lo tanto puede ser editado y/o descargado. 3. Remote: Es posible acceder y/o modificar el programa de manera remota. B. Dentro del sistema de entradas y salidas se distinguen dos componentes: 1. Módulos I/O que forman parte del sistema de control. 2. Dispositivos I/O que forman parte de los dispositivos, máquinas o procesos. El tablero de la Universidad cuenta con varios módulos de periferia descentralizada (denominados Flex I/O), los cuales están habilitados para conectar diferentes tipos de elementos tales como sensores o interruptores. C. Las redes de comunicación representan conexiones físicas entre los componentes del sistema y son utilizadas para transferir datos. El laboratorio cuenta con 4 redes para realizar la comunicación. 1. EtherNet: Permite establecer la conexión entre el computador con los sistemas de ejecución de procesos. Dentro de los dispositivos que se conectan a esta red se encuentran: Routers, switches, Flex I/O, HMI, PLCs, entre otros 2. DeviceNet: Permite al controlador interactuar con los dispositivos del sistema sin la necesidad de hacer uso de cableado. El tiempo de respuesta es bastante rápido aunque no permite trasmitir un volumen elevado de datos. Dentro de los principales dispositivos que se pueden conectar a esta.

(38) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 38 Servodrive red se encuentran: Actuadores, válvulas, drives, switches, sensores, HMI, Flex I/O, entre otros. 3. ControlNet: Permite a los controladores y otros tipos de hardware intercambiar información de manera rápida. Dentro de los dispositivos que se pueden conectar a esta red se encuentran: Drives, EOI, PLCs, HMI, Flex I/O, entre otros. 4. SERCOS: Corresponde a una red de fibra óptica que permite realizar una comunicación con el Servodrive. El software RSLinx Classic permite agregar cada una de estas redes para posteriormente ser utilizadas en los procesos de control. La figura 9 muestra cada una de las redes que han sido adicionadas para el funcionamiento de las rutinas. Es importante aclarar que debe existir una correspondencia entre la localización física del dispositivo y la localización del mismo dentro del programa. Cada uno de los dispositivos está ubicado en un slot diferente, donde el PLC se encuentra en el slot 0 y las dos redes SERCOS en el 5 y 6.. Fig 4. Software para configurar el controlador y las redes de comunicación.. D. El Hardware de visualización corresponde a una interfaz gráfica que permite a los operadores interactuar de manera directa con los equipos. Es posible distinguir dos tipos: 1. EOI (Electronic Operator Interface): Interfaz gráfica utilizada para configurar o monitorear procesos al enviar información al PLC. 2. HMI(Human-Machine Interface): También conocidas como (Operator Interface Terminals). Ofrece un intercambio de información entre el.

(39) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 39 Servodrive operador y el proceso. De esta manera, el usuario puede conocer el estado del proceso y de la misma manera alterar el valor de ciertas variables. El equipo de la Universidad cuenta con interfaces HMI en el Servo-drive, el variador de velocidad y el arrancador suave. Éstas permiten visualizar el estado de los dispositivos y/o modificar algunos de sus parámetros de operación. E. El sistema de Programación permite programar y monitorear la operación del controlador. Este sistema está compuesto por el dispositivo de programación (computador) y el software (Para el desarrollo de las rutinas se utiliza RSLogix 5000). El software RSLogix 5000 permite crear las rutinas que se van a ejecutar en el controlador, editar o monitorear un proyecto ya existente y configurar módulos en el Chasis del controlador. La figura 5 muestra la ventana principal de RSLogix 5000 donde se pueden diferenciar 3 áreas importantes para la configuración de los dispositivos y el desarrollo de los programas.. Fig 5. Software utilizado para implementación de programas. El área 1 permite visualizar el estado actual del controlador (Run, Program o Remote) así como descargar el programa del computador al PLC una vez se implementada la rutina. Adicionalmente permite conocer si los dispositivos que se están controlando se encuentran en estado de falla o funcionan adecuadamente..

(40) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 40 Servodrive El área 2 permite establecer una organización dentro del programa de control. De esta manera es posible diferenciar las tareas, los programas y las rutinas dependiendo de la sección del proceso. En esta área es posible también, adicionar y configurar cada uno de los dispositivos sobre los cuales se va a ejercer el control (es aquí donde se agregan el Servo-Drive y el servomotor). El área 3 permite implementar el cuerpo del programa, es decir que contiene las rutinas que se van a ejecutar en cada una de las partes del proceso. Ya habiendo identificado cada uno de los agentes que intervienen en un proceso de control se pasa ahora a la definición específica de los elementos que hacen parte del control de un Servodrive. La figura 6 permite visualizar el flujo de información.. Fig 6. Lazo de control de un servomotor. Tomado de [6].. Una vez se ha descargado el programa del computador al PLC, éste se comunica con el Servo-drive para informarle las decisiones de control que se han tomado después de evaluar las señales de entrada. Claro está que para poder establecer la comunicación entre estos dispositivos es necesario hacer uso de una interfaz que en este caso es la red SERCOS. Posteriormente, el Servo-drive convierte los comandos que ha recibido en señales de voltaje que orientan la posición y velocidad del motor. Finalmente, existe un dispositivo de realimentación que le permite al controlador verificar que la posición actual del motor corresponde efectivamente a la deseada.. 1.2 Herramientas de la tecnología AB para la creación de rutinas. El direccionamiento se hace por medio de Tags que corresponden a una colección de bits dentro de la memoria del controlador que almacenan datos, cálculos, fallas, etc. A cada Tag se le da un nombre descriptivo, el cual permite conocer las características del valor que está almacenando. De esta manera se acaba con el.

(41) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 41 Servodrive problema de los direccionamientos numéricos no descriptivos que complican la programación de las rutinas. Para la implementación de un programa en el software RSLogix 5000, es necesario establecer una jerarquía cuyo esquema principal se muestra en la figura 7.. Fig 7.Jerarquía en los programas implementado en RSLogix5000. Las tareas permiten establecer una organización en tiempo y prioridad de un conjunto de programas. Cada tarea requiere de al menos un programa, el cual a su vez contiene rutinas. Las rutinas contienen el código ejecutable del proyecto en el controlador y se clasifican en rutina principal y subrutinas. Teniendo en cuenta que las rutinas componen la parte más específica de la programación, es ahí donde se establecen las acciones a realizar en cada sección del proceso. En el software de Rockwell es posible crear rutinas en 4 lenguajes diferentes dependiendo de sus necesidades: 1. Lógica de escalera: Este lenguaje de programación organiza las instrucciones en “peldaños”, los cuales a su vez hace parte de una escalera. Es posible diferenciar dos tipos de instrucciones: De entrada (Chequean, comparan o examinan condiciones específicas del proceso) y de salida (ejecutan acciones). La figura 8 permite visualizar la estructura de este tipo de programación.. Fig 8. Programación en lógica de escalera..

(42) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 42 Servodrive Es posible ver que si se cumplen las instrucciones de entrada (mostradas en el recuadro azul) entonces se ejecutan las instrucciones de salida (mostradas en el recuadro naranja). Es posible también evaluar dos condiciones de entrada al mismo tiempo (es decir realizar un AND) o evaluar el cumplimiento de alguna de varias opciones (es decir un OR). Las instrucciones de entrada siempre van a ser booleanas pero las de salida pueden contener diferentes tipos de acciones que por lo general tienen efecto sobre los dispositivos de salida. 2. Diagrama de bloques funcionales: Este tipo de programación se basa en lazos de control. Permite representar de manera gráfica diferentes expresiones matemáticas como bloques interconectados. Dentro de sus componentes se encuentran las instrucciones de bloques funcionales, hojas, referencias de entrada y salida y cables que permiten interconectar todos los bloques entre sí. 3. Diagramas secuenciales de funciones: Permite definir el progreso de la rutina a través de pasos o estados, los cuales a su vez contienen acciones. El cambio de un paso a otro se hace por medio de transiciones, las cuales sólo pueden tener un valor binario. 4. Texto estructurado: Corresponde a un lenguaje de programación que usa instrucciones en forma de texto para definir las acciones a ejecutar. Se compone de expresiones, operadores y comentarios. Dentro de las instrucciones más utilizadas en la programación de un servo se encuentran: 1. MSO: Activa la salida del drive al eje. 2. MSF: Desactiva la salida del drive al eje. 3. MAS: permite parar un proceso de movimiento específico de manera instantánea y sin desactivar la salida al eje. 4. MAJ: Permite dar movimiento a un eje con velocidad y aceleración definidas. 5. MAM: Permite mover un eje a una posición específica.. 2. Prácticas de laboratorio 2.1 Práctica 1.

(43) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 43 Servodrive. Práctica 1: Implementación de rutinas para el Servo-drive Allen Bradley Ultra 3000 Objetivos: 1. Identificar los elementos principales que intervienen en el control de un Servo-drive. 2. Adquirir herramientas básicas sobre el manejo del software RSLogix 5000. 3. Entender la lógica utilizada en la creación de rutinas para el control de un servomotor con el fin de implementar una rutina específica.. Herramientas y Requisitos previos: 1. 2. 3. 4. 5.. Software RSLogix5000 y RSLinx Classic con la configuración apropiada de driver. Tablero Allen Bradley con todos sus dispositivos funcionando correctamente. Archivo Uniandes_Servo.ACD adjunto a esta práctica. Conocimientos sobre el uso de los Servo-drives en la industria. Para antes de la práctica se debe leer y entender totalmente el marco teórico mostrado a continuación. 6. Se recomienda leer el capítulo 3 del manual de instrucciones. [2] 7. Se recomienda leer el capítulo 8 de manual de procedimientos comunes de los controladores [3]. Marco teórico: Un Servodrive es un sistema cuyas señales de corrección de error se obtienen mediante realimentación negativa, es decir que el error obtenido al comparar las variables de salida reales con un nivel de referencia permite corregir el desempeño del sistema dirigiéndolo en la dirección necesaria para eliminar dicho error. El Servodrive permite realizar un control de posición del motor sobre el cual está actuando (servomotor). Éste último posee un encoder en el rotor cuya función es dar una realimentación del valor del ángulo entre el rotor y el estator. [1] El Servodrive utilizado a lo largo de la práctica corresponde a un Ultra 3000 marca Allen Bradley y el servomotor es un motor AC con las siguientes especificaciones: Torque nominal: 4.18 Nm. Máxima Velocidad: 5000 RPM. Potencia Nominal: 1.8 kW. Resistencia Nominal: 1.2 Ohms a 25°C. Voltaje nominal: 230V RMS (línea a línea)..

(44) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 44 Servodrive Arquitectura general del sistema:. El gráfico mostrado en la parte superior corresponde al tablero Allen Bradley que se encuentra en el laboratorio ML007. En la gráfica es posible diferenciar los diferentes bloques que componen el sistema como son: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.. Energización del sistema. Fuente 24V DC. PLC Logix5563 Puertos de comunicación (EtherNet, deviceNet, ControlNet, Sercos). Variador de Velocidad. Arrancador suave. Servodrive. Sensor infrarrojo. Sensor de inducción.. Las partes que se encuentran subrayadas corresponden a los objetos de estudio en esta práctica. Creación de rutinas: Una rutina contiene el código ejecutable del proyecto en el controlador. Existe una única rutina principal que llama a todas las demás rutinas del programa (una para cada sección del proceso). Dentro del lenguaje de programación para las rutinas se encuentran:.

(45) Metodología de Análisis y puesta en marcha de un 45 Servodrive Lógica de escalera. Diagrama de bloques de funciones. Diagrama secuencial de Funciones. Texto estructurado.. En el desarrollo de la práctica sólo se utilizará el primero de estos lenguajes. A continuación se presenta una breve explicación sobre la programación en lógica de escalera. La siguiente muestra la ejecución de una rutina programada en lógica de escalera:. Se puede observar que la lógica conserva varias herramientas de los demás lenguajes de programación utilizados en otros cursos. En este caso, si se cumplen las instrucciones de entrada (mostradas en el recuadro azul) entonces se ejecutan las instrucciones de salida (mostradas en el recuadro naranja). Es posible también evaluar dos condiciones de entrada al mismo tiempo (es decir realizar un AND) o evaluar el cumplimiento de alguna de varias opciones (es decir un OR). Las instrucciones de entrada siempre van a ser booleanas pero las de salida pueden contener diferentes tipos de acciones que por lo general tienen efecto sobre los dispositivos de salida (servomotor en este caso). A continuación se muestran dos de las instrucciones que serán utilizadas a lo largo de la práctica cuyo entendimiento es de vital importancia para el desarrollo de la misma..