UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y AUTOMATIZACIÓN
Tesis de grado previa a la obtención del título de:
INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS, MENCIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
“IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE SERVOMOTORES INDUSTRIALES A TRAVÉS DE DRIVERS Y CONTROLADORES PLC PARA EL LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL DE LA UTE”
Estudiantes: VINICIO JAVIER RAMÍREZ CELI JUAN CARLOS TORRES TORRES
Director de Tesis: Ing. VICTOR ARMIJOS
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IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE SERVOMOTORES INDUSTRIALES A TRAVÉS DE DRIVERS Y CONTROLADORES PLC PARA EL LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL DE LA UTE.
Ing. Víctor Armijos
DIRECTOR DE TESIS ________________________________
APROBADO
Ing. Nilo Ortega
PRESIDENTE DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Néstor Albán
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
Ing. Jorge Teran
MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________
iii
El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad de los autores:
_________________________________ Vinicio Javier Ramírez Celi C.I 172310059-8
_________________________________ Juan Carlos Torres Torres C.I 150086080-2
Autores: VINICIO JAVIER RAMIREZ CELI
JUAN CARLOS TORRES TORRES
Institución: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
Título de Tesis: IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO
DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE SERVOMOTORES INDUSTRIALES A TRAVÉS DE DRIVERS Y CONTROLADORES PLC PARA EL LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL DE LA UTE.
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo…...de………..del 2013.
Ing. Nilo Ortega
COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Estimado Ingeniero
Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo investigativo realizado por los señores: VINICIO JAVIER RAMÍREZ CELI Y JUAN CARLOS TORRES TORRES, cuyo tema es: “IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DIDÁCTICO PARA EL CONTROL DE SERVOMOTORES INDUSTRIALES A TRAVÉS DE DRIVERS Y CONTROLADORES PLC PARA EL LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL DE LA UTE”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Particular que informo para fines pertinentes.
Atentamente,
____________________________ Ing. Víctor Armijos
v
DEDICATORIA
A Díos por habernos permitido llegar hasta este punto y habernos dado salud para lograr nuestros objetivos, además de su infinita bondad y amor.
Este trabajo va dedicado para las personas perseverantes que día a día luchan para alcanzar sus ideales y que no les importa tener caídas o resbalones se levantan y siguen su camino para llegar a la meta tan anhelada.
A los nuevos estudiantes de la materia de automatización, ya que este trabajo les ayudara a practicar como ejemplo real de una empresa que servirá para adquirir conocimientos prácticos y no solo teóricos.
vi
AGRADECIMIENTOS
A Dios la luz que guía mi camino y me concede el privilegio de disfrutar la vida.
A mis padres por brindarme su apoyo incondicional, compresión y afecto desde niño.
Gracias mami por estar junto a mí en los momentos difíciles, por siempre darme ánimos para continuar luchando, por ser paciente y soportar mis malos ratos.
Gracias papi por tu confianza y cariño, por haberme educado para ser un hombre de bien..
A Juan Carlos por permitirme ser mi amigo y compañero colaborando junto a mí en la realización de este trabajo.
A la Universidad Tecnológica Equinoccial en la cual he forjado mis conocimientos profesionales tanto prácticos como teóricos.
Al Ing. Víctor Armijos por su ayuda y guía en el desarrollo de este proyecto de tesis, por brindarme su tiempo para responder mis inquietudes y compartir sugerencias y opiniones.
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AGRADECIMIENTOS
A Dios por darme la vida y enviarme en una familia tan maravillosa con unos Padres que dan todo por mí para superarme día a día.
A mi mamita por ensenarme a ser responsable con las tareas, darme la más valiosa herencia que es el conocimiento, por estar hay cuidándome toda la vida dando su apoyo y llorando conmigo en mis días difíciles y tristes, simplemente no eres una madre sino que eres una amiga y un confidente para mí, gracias a ti he cumplido mis metas propuestas te amo Mamita.
A mi papito por ser un pilar fundamental en mi educación y en la realización de mi tesis por el apoyo que me dio en todos estos años y por el buen ejemplo de responsabilidad y esfuerzo que realiza por nosotros te amo Papito.
A Vinicio por ser mi amigo y acompañarme en este trabajo quien siempre estuvo un paso adelante.
A mis hermanas Gisela, Mónica y familia que siempre han estado pendientes de mí apoyándome en todo momento los Amo a todos.
A Cristian, David y Edgar que han sido mis amigos fundamentales y me ayudaron en este periodo de la realización de la tesis
A la Universidad Tecnológica Equinoccial por haberme formado como un profesional de bien y ser parte de este grupo de personas tan especiales que aportan con el desarrollo de mi país.
Al Ing. Víctor Armijos por su ayuda en el momento que se presentó algún inconveniente, siempre respondiendo a nuestro llamado solucionando la duda.
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TEMA PÁG.
Portada ……….i
Sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal..……….ii
Responsabilidad del autor……...……..………...……...iii
Aprobación del director de tesis…………..………..…………..iv
Dedicatoria………...v
Agradecimientos………....vi
Índice………..viii
Resumen ejecutivo………..xvi
Executive summary………xviii
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes 1
1.1.1 Antecedentes Históricos 1
1.1.2 Antecedentes Científicos 2
1.1.3 Antecedentes Prácticos 3
1.1.4 Importancia del Estudio 4
1.1.5 Situación actual del tema de Investigación 4
1.2 Limitaciones del Estudio 5
1.3 Alcance del Trabajo 5
1.4 Objeto de Estudio 5
1.5. Objetivos de Estudio 6
1.5.1 Objetivo General 6
1.5.2 Objetivos Específicos 6
1.6 Justificación 7
ix
1.8. Aspectos metodológicos del estudio 8
1.8.1 Unidad de análisis 8
1.8.2 La población de estudio y sus características 8
1.8.3 Tipo y nivel de la Investigación 8
1.8.4 Método o métodos de estudio 9
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Servomotores 11
2.1.1 Funcionamiento del Servo 14
2.2 Servo drive 17
2.2.1 Elementos de un Servo drive 18
2.2.2 Display 18
2.2.3 Entrada potencia 18
2.2.4 Salida Potencia 19
2.2.5 Comunicaciones Serie 19
2.2.6 Motion BUS 20
2.2.7 Seguridad Integrada 20
2.2.8 Entradas y salidas I/O 20
2.2.9 Realimentación del encoder del motor. 22
2.2.10 Realimentación Encoder Auxiliar. 22
2.3 Variador de Velocidad 22
2.3.1 Operación de un variador de frecuencia 23
2.3.2 Funcionamiento de un inversor de Frecuencia 24
2.3.3 Ventajas con el uso de un variador de frecuencia 25
2.4. Sistemas HMI (Interfaz Hombre Maquina) 27
2.4.1 Funciones de un HMI 29
2.5. Controlador Lógico Programable 31
x
2.5.2 Funciones básicas de un PLC 34
2.5.3. Lenguajes de programación 34
2.5.3.1 Lenguaje a contactos. (LD) 35
2.5.3.2 Lenguaje por Lista de Instrucciones. (IL) 36
2.5.3.3 Grafcet. (SFC) 36
2.5.3.4 Plano de funciones. (FBD) 37
2.6. Protocolos de comunicaciones industriales 38
2.6.1 Bus de Campo 39
2.6.1.1 Hart 39
2.6.1.2 Profibus 40
2.6.1.2.1 Profibus DP (Decentralized Periphery). 40
2.6.1.2.2 Profibus PA (Process Automation). 41
2.6.1.2.3 Profibus FMS (Fieldbus Message Specification). 41
2.6.1.3 Foundation Fieldbus 41
2.6.2 Modbus 41
2.6.3 Devicenet 42
CAPITULO III
METODOLOGÍA
3.1 Diseño de la Investigación 43
3.2. Tipos de Investigación 43
3.2.1 Por la idealización. 43
3.2.2 Según el objeto de estudio 44
3.2.3 Según las variables 44
3.2.4 Por la Cronología 44
3.3. Método de investigación 44
3.3.1 Método de la medición 45
3.3.2 Método experimental 45
xi
3.5 Condiciones de Prueba 46
CAPITULO IV
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
4.1 Introducción 47
4.2. Instrumentos del módulo 48
4.3 Diseño mecánico del módulo 52
4.4 Diseño eléctrico del módulo. 54
4.5 Construcción del tablero. 56
4.5.1 Montaje Mecánico. 57
4.5.2 Utilización de herramientas 58
4.5.3 Utilización de materiales mecánicos. 58
4.6. Diseño del tablero. 59
4.6.1 Estructura 59
4.6.2 Descripción de operación. 62
4.6.3 Distribución espacial de los elementos 63
4.6.4 Especificaciones de uso de los tableros 63
4.6.5 Problemas 64
4.6.6 Precauciones 65
4.6.7 Dimensiones y vistas de los tableros 65
4.6.7.1 Costos 66
4.6.7.2 Esquema de conexiones fuente de poder 66
4.6.7.3 Conexión canaleta plástica dieléctrica 66
CAPITULO V
PROGRAMACIÓN Y OPERACIÓN
xii
5.1.1 PLC Delta (DVP20SX2) 67
5.1.2 Modulo de expansión (DVPEN01) del PLC 71
5.1.3 Controlador De Temperatura 73
5.1.4 Convertidor De Frecuencia Delta VFD-E 76
5.1.5 Pantallas Delta HMI 79
5.1.5.1 Modelo DOP-B07S (E) 415 79
5.1.5.2 DOP-AS35THTD 87
5.1.6 Servo Motor Delta 89
5.1.7 Servo Drive Delta ASD-A204 21-U 91
5.2 Programación de los equipos 102
5.3 Comunicación de los equipos 110
CAPITULO VI
PRACTICAS DE APLICACIÓN
6.1 Práctica 1 122
6.2 Práctica 2 135
6.3 Práctica 3 147
6.4 Práctica 4 159
CAPITULO VII
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1 Conclusiones 171
7.2 Recomendaciones 173
BIBLIOGRAFÍA 174
xiii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2. 1 Estructura Del Servomotor 11
Figura 2. 2 Curva De Funcionamiento 14
Figura 2. 3 Ejemplos De Posicionamiento De Un Servo 15
Figura 2. 4 Periodos Entre Pulsos 16
Figura 2. 5 Otra Posibilidad De Pulsos De Control 17
Figura 2. 6 Elementos De Un Servo Drive 18
Figura 2. 7 Variador De Velocidad 23
Figura 2. 8 Hmi 28
Figura 2. 9 Funciones De Un Hmi 30
Figura 2. 10 Diversos Plc’s 31
Figura 2. 11 Aplicaciones Del Plc´S 33
Figura 2. 12 Lenguaje A Contactos 35
Figura 2. 13 Lenguaje Por Listas De Instrucciones 36
Figura 2. 14 Grafcet 37
Figura 2. 15 Plano De Funciones 37
Figura 2. 16 Señal De Transmisión Con Protocolo Hart 40
figura 4. 1 Espacio Físico Para El Montaj 48
Figura 4. 2 Vista Previa Completa Del Módulo 50
Figura 4. 3 Vista Previa Panel Frontal. 51
Figura 4. 4 Vista Final Panel Frontal 51
Figura 4. 5 Módulo Dinámico Terminado. 52
Figura 4. 6 Collage De Construcción Del Modulo 53
Figura 4. 7 Collage De Construcción Del Modulo 55
Figura 4. 8 Collage De Construcción Del Modulo 56
Figura 4. 9 Medidas Del Tablero 57
Figura 5. 1 Dvp20sx2 67
Figura 5. 2 Especificaciones Dvp 68
Figura 5. 3 Descripción Plc (Dvp20sx2) 70
Figura 5. 4 Módulo Dvpen01 71
xiv
Figura 5. 6 Estructura Exterior 78
Figura 5. 7 Estructura Interna 78
Figura 5. 8 Dop-B07s (E) 415 80
Figura 5. 9 Descripción Exterior 81
Figura 5. 10 Descripción Parte Posterior 82
Figura 5. 11 Dimensiones De La Pantalla 82
Figura 5. 12 Puerto Com1 85
Figura 5. 13 Puerto Com2 85
Figura 5. 14 Puerto Com3 86
Figura 5. 15 Ethernet Interface (Lan) 86
Figura 5. 16 Pantalla Dop/As35thtd 87
Figura 5. 17 Com1 Y Com3 (As38bstd, As35thtd) Series 88
Figura 5. 18 Puerto Com2 (As38bstd, As35thtd) Series 88
Figura 5. 19 Servo Motor 91
Figura 5. 20 Componentes De Conexionado 96
Figura 5. 21 Puertos De Comunicación 97
Figura 5. 22 Componentes De Alimentación Y Enfriamiento 98
Figura 5. 23 Caja Para Baterías 99
Figura 5. 24 Parámetros Del Servo Drive 102
Figura 5. 25 Tabla De Parámetros Del Servo Drive 103
Figura 5. 26 Características De Cada Dirección Del Servo 104
Figura 5. 27 Configuraciones Del Plc 105
Figura 5. 28 Configuración Puerto Com1 105
Figura 5. 29 Configuración De Comunicación 106
Figura 5. 30 Parámetros De Comunicación 107
Figura 5. 31 Caja Para Baterías 107
Figura 5. 32 Configuraciones Generales De Comunicación 108
Figura 5. 33 Parámetros Del Variador 109
Figura 5. 34 Protocolo De Comunicación 109
Figura 5. 35 Configuración Del Controlador 110
Figura 5. 36 Página Principal Asda_Soft 110
xv
Figura 5. 38 Configuración De Entradas Digitales 112
Figura 5. 39 Configuración Scredit 112
Figura 5. 40 Elementos De La Barra De Ethernet 113
Figura 5. 41 Configuración Del Hmi 113
Figura 5. 42 Configuración De Las Entradas 114
Figura 5. 43 Elección Para El Elemento A Controlar 114
Figura 5. 44 Configuración Del Controlador 115
Figura 5. 45 Configuración De Pulsos 116
Figura 5. 46 Programación Del Plc 117
Figura 5. 47 Configuración Del Plc 118
Figura 5. 48 Configuración Del Controlador 119
Figura 5. 49 Ingreso De Parámetros 120
Figura 5. 50 Teclado Numérico 120
Figura 5. 51 Configuración Del Controlador 120
Figura 5. 52 Programación De Los Controladores 121
Figura 5. 53 Parámetros De Los Controladores 121
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 4.1 Equipos de control y supervisión del modulo ... 49
Tabla 4.2 Herramientas para la construcción ... 58
Tabla. 4.3 Tabla de materiales mecánico ... 59
Tabla 5.1 Contadores de alta velocidad integrados ... 69
Tabla 5.2 I/O Análogas integradas ... 70
Tabla 5.3 Descripción módulo DVPEN01 ... 71
Tabla 5.4 Red interfaz ... 72
Tabla 5.5 Serial interface ... 72
Tabla 5.7 Descripción Teclas ... 74
Tabla 5.8 Especificaciones ... 75
Tabla 5.9 Explicación del modelo ... 77
xvi
Tabla 5.11 Modelos pantallas ... 80
Tabla 5.12 Descripción de los puestos COM ... 89
Tabla 5.13 ECMA-C10604ES ... 90
Tabla 5.14 Especificaciones... 90
Tabla 5.15 Especificaciones ASDA-A2Serie ... 93
Tabla 5.16 Explicación Del modelo ... 96
xvii
RESUMEN EJECUTIVO
En el presente proyecto trata del diseño, construcción y montaje del módulo didáctico para prácticas de automatización programable en la carrera de ingeniería electromecánica, para el equipamiento del laboratorio de automatización industrial.
Con la finalidad de fortalecer los laboratorios de la Universidad la tesis consta de la entrega de un tablero equipado y diseñado para prácticas completamente didácticas, y así obtener un aprendizaje más completo respecto a la automatización industrial, a continuación presentaremos lo realizado en cada capítulo.
El capítulo I se describe los antecedentes generales, acerca de la automatización, el uso y la evolución de la misma y la importancia del estudio.
El capítulo II constituye una introducción a los fundamentos teóricos con respecto al conocimiento de los equipos y elementos que se instalaron en el tablero conociendo los conceptos básicos.
El capítulo III se describe la metodología que seguimos para llegar alcanzar los objetivos planteados en nuestro proyecto
El capítulo IV constituye el diseño y la construcción del tablero didáctico, donde constan los elementos y equipos que se instalaran en el tablero así como también las precauciones, y el control que tiene.
xviii
El capítulo VI constituye la descripción de las prácticas tanto del control de pequeños procesos industriales aplicando el control por medio del HMI
El capítulo VII se hace referencia a las conclusiones y recomendaciones de la presente tesis, haciendo descripción de lo necesario e indispensable es el tablero para la universidad dentro de la carrera de ingeniería Electromecánica.
xix
EXECUTIVE SUMMARY
This thesis deals with the design, construction and assembly of practical training module for programmable automation in electromechanical engineering degree from the Universidad.
In order to strengthen the laboratories of UTE Santo Domingo, this thesis consists of the delivery of a board appointed and designed to fully teaching practices, and thus obtain a more complete learning about industrial automation.
Chapter I describes the general background, about automating the use and evolution of it and the importance of the study.
Chapter II is an introduction to the theoretical foundations with respect to knowledge of equipment and components that were installed on the board knowing the basics.
Chapter III describes the methodology we follow to reach the objectives outlined in our project
Chapter IV provides the design and construction of educational board, in which are the elements and equipment that will be installed on the board as well as the precautions, and the control you have.
xx
Chapter VI is the description of the practices of both the small industrial process control using control via HMI
Chapter VII refers to the conclusions and recommendations of this thesis, by describing what is necessary and indispensable to the university board in Electromechanical engineering degree.
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1 Antecedentes
1.1.1 Antecedentes Históricos
En los últimos tiempos la educación universitaria está buscando la excelencia académica y para lograrlo se necesita la dedicación de los profesores y la implementación de laboratorios dotados de tecnología actual que ayuden a reforzar los conocimientos impartidos por los docentes a los estudiantes de electromecánica de la Universidad
Con la finalidad de proporcionar al laboratorio de Automatización Industrial de la universidad Tecnológica Equinoccial un módulo para realizar prácticas y reforzar los conocimientos adquiridos en los programas de estudio sobre el control de servomotores industriales los cuales tiene una aplicación muy amplia en los procesos industriales
La historia de la automatización está caracterizada por periodos de constantes innovaciones tecnológicas, su origen se remonta a los años 1750 cuando surge la revolución industrial:
Año Observación
1745 : Máquinas de tejido controladas por tarjetas perforadas 1817-1870 : Máquinas especiales para corte de metal.
1863 : Primer piano automático, inventado por M. Fourneaux.
1856-1890 : Sir Joseph Whitworth enfatiza la necesidad de piezas Intercambiables.
Spencer
1940 : Surgen los controles hidráulicos, neumáticos y electrónicos Para
1945-1948 : John Parsons comienza investigación sobre control Numérico
1960-1972 : Se desarrollan técnicas de control numérico directo y manufactura computarizada
Para la automatización de procesos, se desarrollaron máquinas operadas con Controles Programables (PLC), sistemas HMI motores con control de posicionamiento o Servomotores siendo estos actualmente de gran ampliación en industrias como la textil y la alimentación.
La palabra ¨servo¨, había sido declarada en 1873 por Jean Joseph Léon Farcot en el libro ¨Le Servo-Moteur ou Moteur Asservi¨. En éste describía varios diseños de aparatos que funcionaban por medio del vapor. El trabajo de Farcot representó un importante avance en el desarrollo del control en ingeniería.
1.1.2 Antecedentes Científicos
En la actualidad los sistemas de control en los sistemas industriales son de mucha importancia para el control de la maquinaria de producción y se necesita sistemas de control automáticos que realicen estos procesos
A principios del siglo XX hubo un creciente interés por la estabilización de barcos y dirección automática, que se enfatizó en el uso de servomecanismos. En 1908 Elmer Sperry creó un estabilizador activo, un giroscopio usado en estos barcos.
En la actualidad los Servo drives están diseñados para obtener las altas prestaciones de los servomotores convencionales, en aplicaciones donde antes era impensable utilizar tecnología brushless.
La tecnología actual permite varios modos de control, desde posicionamiento punto a punto, control de velocidad y par, hasta funciones de control de posición de ejes, como homing o gearing incorporadas en la mayoría de los servomotores actuales
1.1.3 Antecedentes Prácticos
El uso de los servomotores industriales está creciendo y por esta razón se deben analizar en el laboratorio de Automatización Industrial. Para realizar estas pruebas de programación y control se necesita de un módulo didáctico para que los estudiantes de la carrera de la carrera de Ingeniería Electromecánica puedan hacer sus prácticas, y complementar de manera más eficiente la teoría que reciben en clases de Automatización Industrial.
Las consecuencias de la básica implementación de equipos didácticos en el laboratorio, es notoria cuando los graduados de Ingeniería Electromecánica ingresan al campo laboral y no tienen totalmente claras las nociones de programación y control de servomotores industriales
la carrera de Ingeniería Electromecánica en la cátedra de Automatización, ya que el Tutor no puede complementar las prácticas eficientemente.
1.1.4 Importancia del Estudio
La importancia de desarrollar este tema, “Diseño y construcción de un módulo didáctico para el control de servomotores industriales a través de drivers y controladores PLC se basa en la necesidad de que los estudiantes de la carrera de Electromecánica tengan una formación académica orientada a los sistemas de automatización que se están aplicando en la actualidad y de esta manera tengan un correcto desenvolvimiento de su vida profesional.
Al finalizar el proyecto quedará un Laboratorio funcional, más aun teniendo conocimiento de las bondades que ofrece la automatización dentro de las industrias. El tema de Tesis planteado, es de importancia e interés colectivo porque se basa en la necesidad insatisfecha de los maestros y estudiantes al no contar con un laboratorio de estas características.
1.1.5 Situación actual del tema de Investigación
En la actualidad la Universidad Tecnológica Equinoccial campus Arturo Ruiz Mora, cuenta con módulos didácticos pero básicamente orientados hacia la programación de PLC, pero en lo que corresponde a la programación y control de servomotores carece de este tipo de módulos, siendo este uno de los principales problemas que cuenta la carrera de Ingeniería Electromecánica en la cátedra de Automatización Industrial, ya que el Tutor no puede hacer las prácticas eficientemente.
módulo didáctico para el control de servomotores industriales a través de drivers y controladores PLC se complementaría los módulos del Laboratorio.
1.2 Limitaciones del Estudio
El modulo didáctico para el Control de servomotores industriales a través de drivers y controladores PLC cuenta con equipos modernos como son los HMI y el Servo drive y como está destinado para el Laboratorio de Automatización Industrial las limitaciones en cuanto al ordenador y los motores que se utilizan para las pruebas están superadas ya que el laboratorio cuenta con estos equipos.
1.3 Alcance del Trabajo
Con la Implementación del módulo didáctico para el control de servomotores a través de drivers y controladores PLC para el Laboratorio de Automatización Industrial se complementara el nivel de aprendizaje de los alumnos de la universidad tecnológica equinoccial de la carrera de Ing. electromecánica. Se contará con un Manual de Usuario para el manejo del Módulo y de plantillas diseñadas para llevar un control de las prácticas realizadas, con estas herramientas los estudiantes de la carrera de Ingeniería Electromecánica podrán contar con un recurso indispensable para su formación académica y profesional.
1.4 Objeto de Estudio
1.5. Objetivos de Estudio
1.5.1 Objetivo General
Diseñar, construir y montar un módulo didáctico para el control de servomotores industriales a través de drivers y controladores PLC para hacer prácticas de Automatización Industrial en el laboratorio de la UTE
1.5.2 Objetivos Específicos
Analizar los requerimientos del laboratorio de Automatización Industrial de la UTE para implementar un módulo didáctico para el control de servomotores
Seleccionar de los dispositivos y equipos de automatización para el diseño y construcción del módulo didáctico para el control de servomotores industriales en el Laboratorio de Automatización Industrial
Diseñar y construir el modulo didáctico para el control de servomotores industriales en el Laboratorio de Automatización Industrial
Realizar el diseño de la programación y comprobar el funcionamiento de todos los equipos del módulo didáctico para el control de servomotores industriales en el Laboratorio de Automatización Industrial
1.6 Justificación
La aplicación de esta investigación está destinada para mejorar el nivel de aprendizaje en la parte práctica de los estudiantes de ingeniería electromecánica en el control de servomotores industriales a través de drivers y controladores PLC además poder plasmar los conocimientos adquiridos en la teoría y que muchas de las veces no se puede ejecutar las practicas por falta equipos e instrumentos
Además con la elaboración del módulo didáctico también se va a realizar una guía o manual del mismo, orientado a las prácticas ya antes mencionadas que se van a realizar que servirán además como herramienta de consulta para los estudiantes de Electromecánica
Actualmente en nuestra localidad las pequeñas y grandes industrias han ido de alguna manera haciendo uso de sistemas automatizados con uso de servomotores y controladores lógicos para la producción de sus productos, lo cual hace notar a simple vista de la necesidad y la importancia que requiere el tener conocimientos claros y específicos al momento de automatizar un proceso para garantizar nuestro trabajo como profesionales.
Con esta necesidad surge la idea de implementar un módulo en el laboratorio de la UTE, y que los estudiantes se formen profesionalmente para ejecutar su trabajo de manera óptima.
1.7 Hipótesis o idea a defender
1.8. Aspectos metodológicos del estudio
1.8.1 Unidad de análisis
Controlador Lógico Programable PLC y HMI para el control de Servomotores Industriales.
1.8.2 La población de estudio y sus características
Implementación de un módulo didáctico destinado a prácticas de Automatización Industrial para los estudiantes de la carrera de Ingeniería en Electromecánica y Automatización de la UTE Santo Domingo.
1.8.3 Tipo y nivel de la Investigación
La presente investigación será una investigación exploratoria y aplicada, como se detalla a continuación.
Exploratoria: ya que la información que se va a obtener será del campo de las prácticas realizadas y con esto se generara conocimientos concretos acerca de la investigación planteada
1.8.4 Método o métodos de estudio
Analítico.- Este método servirá para el tratamiento, la interpretación de los datos recopilados en el proceso de la investigación y además para la elaboración de los resúmenes.
Inductivo.- Partimos del problema que es la necesidad de implementar un módulo didáctico para el laboratorio de Automatización. En la presente investigación se realizaran los métodos empíricos de la observación y la medición.
Deductivo.- Luego de determinar como punto de partida los aspectos teóricos, llegaremos a establecer generalizaciones relacionadas con los requerimientos de protección, control y adaptación de las instalaciones para optimizar el servicio y con esto elaborar la propuesta.
Estadísticos.- Se utilizarán para el análisis, elaboración de tablas y elaboración de gráficos con datos para un mejor entendimiento del presente trabajo investigativo
Sintético.- Se utilizara para la recolección de la información para la realización del resumen y análisis de la teoría y de los datos estadísticos.
Día a día la tecnología avanza, las empresas tienen la necesidad de adquirir tecnología para el mejoramiento de sus sistemas y garantizar un eficaz funcionamiento de sus procesos. De igual manera las universidades se ven en la obligación de adquirir tecnología para mejorar sus sistemas de enseñanza.
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Servomotores
Los servo motores son utilizados en las más variadas aplicaciones industriales donde una elevada dinámica, control de par, precisión de velocidad y posicionamiento son factores decisivos para el aumento de la calidad y productividad en la figura 2.1 se muestra la estructura del servomotor. Poseen todas estas características aliadas a un bajo costo, elevado desempeño y robustez.
Figura N° 2. 1 Estructura del servomotor
Fuente: http://www.electronicaindustrial.cl/menuservo.html
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
Las ventajas de la tecnología de motores sin escobillas son: mayores torques en equipos más pequeños, peso más ligero (para potencias iguales), mayor capacidad de rango de velocidad, modelos operados por torque o por velocidad, posicionamiento y aceleración más rápidos. El motor tiene una capacidad de sobrecarga de 300-400%.
El servomotor está diseñado para proporcionar control y "desempeño" precisos. Por ejemplo, transportar una carga y posicionarla más rápido. Sin embargo, ¿qué permite al servomotor realizar esto?, ¿qué hace al servomotor diferente de otros motores? La respuesta está en el diámetro del servomotor y el uso de un dispositivo de retroalimentación.
El servomotor ha sido diseñado específicamente para tener un diámetro reducido, mientras mantiene la misma potencia y torque de salida. Por ejemplo, comparando un motor de 1 caballo de potencia (0.74 kW), un motor típico AC tienen entre 177-203mm de diámetro, un motor SCR tienen 114mm de diámetro, los servomotores DC tienen 102 mm de diámetro y un servomotor AC sin escobillas tiene 90mm cuadradas. Esto permite ajustar los servomotores en ubicaciones confinadas en espacios estrechos.
Un pequeño tamaño también conduce a un menor peso. Al comparar los pesos de motores de inducción y servomotores de potencia similar se aprecia que los servomotores son mucho más ligeros, entre un 40 a 50% y en algunos casos, incluso hasta un 70% más ligeros.
Los servomotores son usados con retroalimentación para así cerrar el lazo. Un sistema de lazo cerrado es un sistema en el que hay un comando y una señal de retroalimentación. La señal de retroalimentación provee información al control para monitorear el proceso y llevar a cabo tareas con mayor precisión, por ejemplo, realiza mediciones a las tareas que el motor está realizando. El comando y la señal de retroalimentación son comparadas y luego el control envía una señal de corrección para compensar cualquier error. Esto permite mejorar la precisión en las aplicaciones.
El servomotor es parte de un equipo, un equipo que es usado para controlar posición, dirección y velocidad de una carga. Las otras partes del equipo incluyen el control, la fuente de energía, y un controlador de movimiento programable o posicionador, todos trabajan juntos en un esfuerzo de equipo para desarrollar de forma precisa las tareas o trabajos de la aplicación.
La fuente de energía convierte la energía de AC a DC, para suministrar una alimentación de alto nivel al accionamiento servo controlado y una alimentación de bajo nivel para el circuito lógico.
El accionamiento servo controlado aplica la cantidad justa de potencia sobre el motor para mover la carga. Si el motor no está funcionando suficientemente rápido, el dispositivo de retroalimentación informa al control sobre esta situación y éste aplica entonces más potencia hasta que se obtiene la velocidad apropiada. Si la velocidad es muy alta ocurre entonces lo contrario.
servo controlado sobre la necesidad de aplicar potencia para mover el servomotor hacia la posición deseada o comandada.
Los servomotores producen piezas más rápido, mejorando así la productividad, la confiabilidad de las aplicaciones y la calidad de las piezas. Así, los servomotores representan la mejor inversión en productividad a largo plazo, una combinación ganadora.1
2.1.1 Funcionamiento del Servo
La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una onda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el objetivo de modificar la posición del servo según se desee.
Figura N° 2. 2 Curva de funcionamiento
Fuente: http://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/sistema/motores_servo.htm
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
El sistema de control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro del motor.
1
Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º) como se muestra en la figura Nº 2.3, mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias.
Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°.
Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos.2
Figura N° 2. 3
Ejemplos de posicionamiento de un servo
Fuente: http://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/sistema/motores_servo.htm
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
2
El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms).
Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del eje de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños como se muestra en la figura N° 2.4.
Figura N° 2. 4 Periodos entre pulsos
Fuente: http://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/sistema/motores_servo.htm
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
Figura N° 2. 5
Otra posibilidad de pulsos de control
Fuente: http://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/sistema/motores_servo.htm
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
2.2 Servo drive
Un Servo drive es un amplificador especial electrónico que se usa para alimentar los servomotores eléctricos, en la figura N° 2.6 se muestra los elementos de un servo drive. Un servo drive controla la señal de retroalimentación del servomotor y continuamente ajusta la desviación del comportamiento esperado.
actual del motor con el estado del motor mandado. A continuación, altera la frecuencia de la tensión o la anchura de impulsos al motor así como para corregir cualquier desviación de la condición mandado3.
2.2.1 Elementos de un Servo drive
Figura N° 2. 6
Elementos de un servo drive
Fuente: http://www.infoplc.net/blog4/2010/08/04/elementos-de-un-servo-drive/
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
2.2.2 Display
Muchos servos incluyen una pantallita o Display para informar del estado del servo así como posibles anomalías.
2.2.3 Entrada potencia
La entrada de potencia (desde la red eléctrica), aporta la energía necesaria al Drive para que posteriormente rectificada y troceada sea entregada al motor.
3
Normalmente existen versiones del servo para monofásico y trifásico. La frontera entre sistemas monofásicos y trifásicos acostumbra a situarse alrededor de 1KW-1.5 KW. Dependerá del fabricante.
La mayoría de los servosistemas tendrán a su vez una entrada adicional de control, que alimentará la lógica del servo drive. Esta entrada acostumbra a ser de 230 V (para sistemas monofásicos) a 24 V (para sistemas trifásicos).
2.2.4 Salida Potencia
La salida de potencia es la que alimenta al motor, es por donde la onda PWM de alta potencia será conducida para hacer girar el motor según velocidad y par comandados.
Por tratarse la señal PWM de una señal de alta frecuencia y alta potencia, existe la posibilidad de que ondas radiadas afecten a otros equipos adyacentes. Para evitar este problema deben seguirse las instrucciones de montaje e instalación del fabricante del equipo.
2.2.5 Comunicaciones Serie
Pese a que hoy en día la mayoría de los servos presentan versiones con Buses de Motion Control Digitales, lo cierto es que existen muchas aplicaciones que se siguen solucionando con consignas analógicas o de pulsos. Para poder configurar dichos servos se acostumbra a dotar al servo de un puerto de comunicaciones serie.
2.2.6 Motion BUS
Para sistemas multiejes en los que se requiere acceso a parámetros de muchos ejes y funciones de control de eje en las que varios ejes funcionan sincronizados o coordinados, acostumbran a utilizarse sistemas de Motion BUS digitales.
2.2.7 Seguridad Integrada
La normativa de seguridad europea es muy estricta y cada vez lo va a ser más. Ciertamente las móviles de una máquina son un punto de peligro, es por esto que desde hace algunos años están apareciendo servosistemas con funciones de seguridad integrada, el motivo es claro: aumentan la seguridad (la seguridad está integrada en la electrónica del drive, reduciéndose así el tiempo re reacción), y facilitan el proceso de certificación de la seguridad de la máquina.
2.2.8 Entradas y salidas I/O
Todos los servos necesitan interactuar con su entorno, en función de la naturaleza del servo de la disponibilidad de un bus de control de motion, los servos vendrán provistos de más o menos entradas.
I/O’s típicas en un servo son:
Enable/Run: Habilitación de la etapa de salida del DC BUS
Positive Over Travel (POT): Los límites de carrera positivos indican al servo (p.e. mediante un sensor inductivo) que ha alcanzado una posición física que no debe de ser superada.
Negative Over Travel (NOT): Análogamente al POT, existen posiciones en sentido negativo de movimiento que no deben de ser superadas.
TouchProbe (o captura de registro): Se trata de una entrada ultrarrápida que permite al servo memorizar la posición del eje cuando dicha entrada es activada.
Adicionalmente el servo acostumbrará a tener como mínimo las siguientes salidas:
Alarma indicará que el servo se encuentra en estado de fallo
Ready todo va bien
Brake El servo está operando un motor con freno eléctrico que permite detener el servomotor en cualquier instante pudiéndose configurar el tiempo de frenado.
2.2.9 Realimentación del encoder del motor.
Esta entrada es necesaria para un control preciso del motor, es imprescindible para poder cerrar el lazo de velocidad y, en la mayoría de las aplicaciones también se utilizará para cerrar el lazo de posición.
2.2.10 Realimentación Encoder Auxiliar.
La realimentación del lazo de velocidad nos vendrá dada por el encoder del motor, pero en ocasiones resulta útil poder cerrar el lazo de posición con otro encoder adicional: P.E. cuando la mecánica de la máquina es francamente mal, pueden existir notables holguras entre la posición del eje del motor y la posición de la carga que queremos controlar.
También se da el caso de sistemas que tengan un ‘deslizamiento’ inherente, P.E. una cinta transportadora de papel en la que exista un cierto deslizamiento del papel respecto al eje.4
2.3 Variador de Velocidad
Actualmente los inversores de frecuencia desempeñan un lugar preponderante dentro de la industria en general por su flexibilidad y multiplicidad en opciones de utilización a un costo muy razonable.
Muchas son las aplicaciones en donde la variación de velocidad se ha convertido en la vida misma de la fabricación de cualquier tipo de productos.
Bien puede ser para arranques y paros frecuentes, cargas de alta inercia, troquelado, extrusión, bombeo, ventilación, coordinación de movimientos en
4
líneas de producción, uso en regulación de velocidad, posicionamiento, sincronización, e infinidad de otras aplicaciones que antes solo era posible hacerlas parcialmente con corriente directa (cd) usando motores y controles costosos de adquirir y de mantener5.
Figura N° 2. 7 Variador de velocidad
Fuente: http://www.mecmod.com/delta.asp?zona=4
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
Marcas de prestigiada trayectoria, líderes en su ramo como son Yaskawa, Weg, Siemens y Robicon proveen equipos de muy altas prestaciones en una gama continua de precio y características que permiten combinaciones y alternativas aún inimaginables.6
2.3.1 Operación de un variador de frecuencia
El inversor de frecuencia es un dispositivo electrónico que básicamente y como función principal, varía la velocidad desde cero hasta la nominal máxima de motores de inducción asíncronos trifásicos de corriente alterna; estos motores son los comúnmente empleados en toda la industria. El inversor no es aplicable a motores monofásicos de corriente alterna con arranque por capacitor. Una
5
Manual de Ingeniería Eléctrica, Donald G. Fink/ H. Wayne Beaty, pág. 20-80, 1 Edición, 1996
6
vez instalado a la entrada del motor no es necesario tener arrancadores, protecciones o contactores adicionales en el circuito de alimentación del motor.
Todo el trabajo lo hará el inversor de frecuencia. Tanto su instalación como su operación por el personal encargado es sumamente sencilla; sin duda es más complicada la instalación y conexión de una arrancador convencional simple porque este tiene contactor, bobina y protector térmico cuyo alambrado es exterior a los componentes. La variación de velocidad se hace mediante el giro de una perilla y el arranque y paro del motor mediante dos botones ya integrados al cuerpo del mismo inversor. No se necesita gente especializada en electrónica para instalarlo o para operarlo.
En un circuito donde ya exista un arrancador simple es posible quitar el arrancador y conectar un variador de frecuencia simplemente usando los mismos tres cables que entran al arrancador y los tres que van al motor.
En una instalación básica de inversor de frecuencia no es necesario ningún cableado especial o adicional al ya existente. Igualmente que con un arrancador convencional será necesaria un protección de corto circuito tal como fusibles o termo magnético a la entrada del inversor. Es importante hacer notar que un variador de frecuencia no substituye a un motor reductor por diversas circunstancias técnicas referentes al torque o par de salida.7
2.3.2 Funcionamiento de un inversor de Frecuencia
En su concepto más básico, el inversor de frecuencia rectifica o transforma la corriente alterna (CA) de la alimentación en corriente directa (CD), para ello cuenta con un circuito de rectificadores formado por diodos, un Contactor interno, unas resistencias y unos capacitores que permiten obtener una CD lo
7
más plana posible (sin rizo). Posteriormente, la CD se transforma nuevamente en CA de la frecuencia deseada diferente o igual a los 60 ciclos por segundo estándar en la línea de alimentación; esta variación de la frecuencia es la que propiciará que el motor gire más rápido a más lento según se gire la perilla de control.
Para lograr la conversión de CD a CA, internamente en el inversor existen dos tarjetas electrónicas, una de control que tiene un procesador similar al de una computadora y que es el cerebro del aparato quien mandará a otra tarjeta electrónica llamada de disparo o de potencia que regulará la operación de un circuito de transistores de potencia IGBT quienes son los últimos encargados de formar la nueva corriente alterna de la salida hacia el motor mediante el sistema PWM, “Pulse Width Modulation”,”Modulación por ancho de pulso”).
El inversor de frecuencia, simultáneamente a que mueve la frecuencia, a su vez, mueve el voltaje de salida al motor, por ejemplo, si se baja la frecuencia de salida también se baja el voltaje de salida y a la inversa.
Esto permite mantener la capacidad de torque o par del motor ya que la corriente permanecerá aproximadamente constante para una determinada carga mecánica. Todo lo anterior es hecho automáticamente en el interior del inversor de frecuencia sin intervención o conocimiento del operador.8
2.3.3 Ventajas con el uso de un variador de frecuencia
Es posible mover la velocidad del motor o motorreductor según las necesidades de la producción o el proceso, esto puede ser hecho de forma automática o manual sin la necesidad de costosos motores especiales de CD y controladores de CD que en conjunto resultan más costosos sin ninguna
8
ventaja sino por el contrario, conllevan mayores costos de mantenimiento porque el motor tiene múltiples puntos de falla.
El inversor cuenta con una carátula en donde se indican corriente circulante, voltaje, velocidad del motor, fallas, etc. no disponibles en otro tipo de controles de velocidad como son los mecánicos o los de CD.9
No se requieren protecciones adicionales de sobre corriente para la protección del motor, esto lo hace el propio inversor de forma fina y ajustable sin ningún costo adicional protegiendo al motorreductor.
Es posible automatizar el sistema utilizando otras características propias del inversor de frecuencia utilizando para ellos circuitos de lazo cerrado con encoder o similar. También es posible un excelente control de velocidad o par usando lazo abierto mediante la característica de “control vectorial” de los inversores.
Se puede arrancar suavemente (tanto como se requiera) una determinada carga sin golpear la trasmisión variando el tiempo de aceleración lo que no es posible con otros sistemas de variación mecánica.
Se puede regular la corriente de arranque del motor aumentando la capacidad de arranques y paros frecuentes (hasta 20-25 por minuto) sin sobrecalentar el motor y disminuyendo el consumo de energía.
Mejora el factor de potencia y el consumo de corriente de la instalación disminuyendo los costos operativos.
9
Es posible manejar automáticamente varios inversores de frecuencia funcionado en cascada en donde la velocidad de unos dependerá de la indicación de otro llamado inversor maestro.
Cualquiera de los inversores puede ser el inversor maestro que mandará a los demás. Si se mueve la velocidad de un tramo de banda transportadora, automáticamente variará la velocidad de otros tramos de banda interconectados en el mismo o diferente proceso que tengan motorreductores diferentes.
Es posible adecuar con toda precisión el par o torque del motor a la carga mecánica para obtener mínimo desgaste y esfuerzo del sistema ahorrando energía eléctrica y en algunos casos será posible mover una misma carga con menos potencia que cuando se utiliza un arrancador convencional (alta inercia).
Es factible usar el inversor de frecuencia para controlar el tiempo de desaceleración del sistema mecánico.
El costo inicial de adquisición es menor que un variador mecánico o un conjunto de corriente directa (CD)
2.4. Sistemas HMI (Interfaz Hombre Maquina)
Las señales del procesos son conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC’s (Controladores lógicos programables), RTU (Unidades remotas de I/O) o DRIVE’s (Variadores de velocidad de motores). Todos estos dispositivos deben tener una comunicación que entienda el HMI.
Figura N° 2. 8 HMI
Fuente: http://es.scribd.com/doc/91396512/HMI-Introduccion-HMI
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
La interfaz de usuario es el medio con que el usuario puede comunicarse con una máquina, un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo, suelen ser fáciles de entender y de accionar.10
Las interfaces básicas de usuario incluyen menús, ventanas, teclado, ratón, beeps y algunos otros sonidos que la computadora hace.
10
En general, todos aquellos canales por los cuales se permite la comunicación entre el ser humano y la computadora. La mejor interacción humano-máquina se lleva a cabo a través de una adecuada interfaz (Interfaz de Usuario), que le brinde tanto comodidad, como eficiencia.
En el ámbito industrial junto a la implantación de automatismos que gestionaran los procesos productivos se fueron creando interfaces que permitieran interactuar al hombre con los componentes de control instalados.
Las primeras interfaces eran grandes mesas de control con indicadores lumínicos acompañados con una leyenda que permitían a los usuarios conocer el estado del sistema.
Actualmente las interfaces de usuario son modernas pantallas táctiles con software que permiten tanto conocer el estado del sistema como modificar sus variables.
2.4.1 Funciones de un HMI
Figura N° 2. 9 Funciones de un HMI
Fuente:http://tecnostock.opentiendas.com/hmi.-interfaces-hombre-maquina-y-scada/hmi
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
Supervisión.- Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.
Control.- Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del proceso y así mantener estos valores dentro de ciertos límites.
La aplicación de la función de control desde un software corriendo en una PC puede quedar limitada por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema.
2.5. Controlador Lógico Programable
Un controlador lógico programable (PLC), es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial la figura N° 2.10 muestra algunos modelos de PLC, procesos secuenciales.
Un PLC trabaja en base a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los accionadores de la instalación.
Figura N° 2. 10 Diversos PLC’s
Fuente: http://www.cursosdeplc.com/que-es-plc.html/plc_01
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
En los sistemas de lógica combinacional, el estado de una salida queda determinado por el estado de una cierta combinación de entradas sin importar la historia de éstas.11
Los PLC’s resultaron muy atractivos ya que, a diferencia de los antiguos circuitos permiten reprogramación, ocupan comparativamente muy poco espacio, consumen poca potencia, poseen auto-diagnóstico y tienen un costo competitivo.
Sin embargo, fueron las innovaciones tecnológicas en microprocesadores y memorias lo que ha hecho tan versátiles y populares a los PLC's.
Así, los PLC's pueden realizar operaciones aritméticas, manipulaciones complejas de datos, tienen mayores capacidades de almacenamiento y pueden comunicarse más eficientemente con el programador y con otros controladores y computadoras en redes de área local.12
2.5.1 Campos de aplicación
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso, los cuales han tenido una evolución con el pasar de los años ya que la industrialización de los procesos cada vez son más comunes ya que se requiere llegar una precisión única en la elaboración de muchos elementos, para lo cual es necesario tener la precisión de una máquina y no del hombre.
La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en la industria.
11
Autómatas Programables, osep alcells, os Luis omeral p g. , 1 Edición Alfaomega,
12
Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc.; por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, entre otros como se muestra en la figura N° 2.11.
Figura N° 2.11 Aplicaciones del PLC´s
Fuente: http://www.delama.it/spa/catalog/sistemi-di-controllo-computerizzati/arquitectura.html
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
Espacio reducido
Procesos de producción periódicamente cambiantes Procesos secuenciales
Maquinaria de procesos variables
Instalaciones de procesos complejos y amplios
Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso
2.5.2 Funciones básicas de un PLC
Detección.- Lectura de la señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.
Mando.- Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
Diálogo hombre máquina.- Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso.
Programación.- Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata.
El diálogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la máquina.
2.5.3. Lenguajes de programación
Por lo tanto, la comunicación hombre-máquina debería ser similar a la utilizada hasta ese momento.
El lenguaje usado, debería ser interpretado, con facilidad, por los mismos técnicos electricistas que anteriormente estaban en contacto con la instalación.
Estos lenguajes han evolucionado en los últimos tiempos, de tal forma que algunos de ellos ya no tienen nada que ver con el típico plano eléctrico a relés.
Los lenguajes más significativos son:13
2.5.3.1 Lenguaje a contactos. (LD)
Es el que más similitudes tiene con el utilizado por un electricista al elaborar cuadros de automatismos que se detallan en la figura N° 2.12.
Muchos autómatas incluyen módulos especiales de software para poder programar gráficamente de esta forma.
Figura N° 2. 12 Lenguaje a contactos
Fuente: http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/pulsos/apuntes/plc/Los%20PLC.htm
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
13
2.5.3.2 Lenguaje por Lista de Instrucciones. (IL)
En los autómatas de gama baja, es el único modo de programación. Consiste en elaborar una lista de instrucciones como se muestra en la figura N° 2.13, o nemónicos que se asocian a los símbolos y su combinación en un circuito eléctrico a contactos.
También decir, que este tipo de lenguaje es, en algunos los casos, la forma más rápida de programación e incluso la más potente.
Figura N° 2. 13
Lenguaje por listas de instrucciones
Fuente: http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/pulsos/apuntes/plc/Los%20PLC.htm
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
2.5.3.3 Grafcet. (SFC)
automatización de forma teórica y posteriormente convertirlo a plano de contactos.
Figura N° 2. 14 Grafcet
Fuente: http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/pulsos/apuntes/plc/Los%20PLC.htm
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
2.5.3.4 Plano de funciones. (FBD)
En la figura N° 2.15 se muestra el plano de funciones lógicas, resulta especialmente cómodo de utilizar, a técnicos habituados a trabajar con circuitos de puertas lógicas, ya que la simbología usada en ambos es equivalente.
Figura N° 2. 15 Plano de funciones
Fuente: http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/pulsos/apuntes/plc/Los%20PLC.htm
2.6. Protocolos de comunicaciones industriales
Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red. Estos han tenido un proceso de evolución gradual a medida que la tecnología electrónica ha avanzado y muy en especial en lo que se refiere a los microprocesadores.
Un importante número de empresas en nuestro país presentan la existencia de islas automatizadas (células de trabajo sin comunicación entre sí), siendo en estos casos las redes y los protocolos de comunicación Industrial indispensables para realizar un enlace entre las distintas etapas que conforman el proceso.
La irrupción de los microprocesadores en la industria ha posibilitado su integración a redes de comunicación con importantes ventajas, entre las cuales figuran:
Mayor precisión derivada de la integración de tecnología digital en las mediciones
Mayor y mejor disponibilidad de información de los dispositivos de campo Diagnóstico remoto de componentes
La integración de las mencionadas islas automatizadas suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de procesadores jerárquicamente anidados. Esto da lugar a una estructura de redes Industriales, las cuales es posible agrupar en tres categorías:
2.6.1 Bus de Campo
Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción.
El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a través del tradicional lazo de corriente de 4 -20mA o 0 a 10 VDC, según corresponda.
Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLC’s, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisión.
Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal.
Los buses de campo con mayor presencia en el área de control y automatización de procesos son:
HART Profibus
Fieldbus Foundation
2.6.1.1 Hart
dígitos 1 y 0 respectivamente y que en conjunto forman una onda sinusoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20 mA, ver figura N° 2.16.
Figura N° 2. 16
Señal de transmisión con Protocolo Hart
Fuente: http://sp.hartcomm.org/protocol/about/aboutprotocol_how.html
Elaborado por: Vinicio Ramírez y Juan Carlos Torres/2012.
Como la señal promedio de una onda sinusoidal es cero, no se añade ninguna componente DC a la señal analógica de 4-20 mA, lo que permite continuar utilizando la variación analógica para el control del proceso.
2.6.1.2 Profibus
(Process Field Bus) Norma internacional de bus de campo de alta velocidad para control de procesos normalizada en Europa por EN 50170.
Existen tres perfiles:
2.6.1.2.1 Profibus DP (Decentralized Periphery).
2.6.1.2.2 Profibus PA (Process Automation).
Para control de proceso, cumple normas especiales de seguridad para la industria química (IEC 1 1 15 8-2, seguridad intrínseca).
2.6.1.2.3 Profibus FMS (Fieldbus Message Specification).
Para comunicación entre células de proceso o equipos de automatización.
2.6.1.3 Foundation Fieldbus
Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo de comunicación digital para redes industriales, específicamente utilizado en aplicaciones de control distribuido.
Puede comunicar grandes volúmenes de información, ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatización.
Está orientado principalmente a la interconexión de dispositivos en industrias de proceso continuo. Los dispositivos de campo son alimentados a través del bus
2.6.2 Modbus
Modbus es un protocolo de transmisión para sistemas de control y supervisión de procesos (SCADA) con control centralizado, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisión y control de un proceso. La Interfaces de Capa Física puede estar configurada en: RS-232, RS-422, RS-485.
Modo RTU Modo ASCII
2.6.3 Devicenet
Red de bajo nivel adecuada para conectar dispositivos simples como sensores fotoeléctricos, sensores magnéticos, pulsadores, etc. Dispositivos de alto nivel (PLC, controladores, computadores, HMI, entre otros). Provee información adicional sobre el estado de la red, cuyos datos serán desplegados en la interfaz del usuario.14
14
CAPITULO III
METODOLOGÍA
3.1 Diseño de la Investigación
El proyecto es para dar a conocer los detalles de cómo se realizó el proceso para el diseño y la construcción del módulo didáctico, en el desarrollo de la tesis se mencionara el avance o el abarque del estudio aplicado, el o los tipos de investigación que se utilizaron, se mencionara también el diseño de la investigación ya concluida, además de los todas las técnicas y métodos que se necesitó para la recopilación de la información, y la obtención de datos para la conclusión y el análisis final del proyecto a presentar.
3.2. Tipos de Investigación
Para la desarrollar el modulo hemos analizado y tomado como bases los siguientes tipos de investigación los cuales se detallaran a continuación:
3.2.1 Por la idealización.
La investigación que se presentara a continuación va a servir para determinar la solución al problema de las prácticas que se realizan en el laboratorio de automatización, generalizando prácticas en los laboratorios, para lo cual se va a diseñar, construir e implementar un Módulo didáctico para automatización en el laboratorio.
