UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN FACULTAD POLITÉCNICA
ELEVADOR DE CUATRO NIVELES CON TRES MODOS DE FUNCIONAMIENTO
Autores: Yo Ana Cheón José Miguel Barboza Derlis Romero Segovia Orientador: Ing. Lucas Frutos
Palabras claves: elevador, ascensor, ascensor, microcontrolador, microcon trolador,
1. INTRODUCCIÓN Un ascensor o elevador, es un sistema de transporte vertical diseñado para movilizar personas o bienes entre pisos definidos, Estos aparatos consisten en una cabina o plataforma que se desplazan dentro de un hueco, y se deslizan por unas guías verticales, constando de mecanismos de seguridad y una fuente de energía eléctrica para su funcionamiento mecánico y electrónico.
En 1.853 se exhibió un ascensor equipado con un dispositivo (llamado seguro) para parar la cabina si la cuerda se rompía. En este caso, un resorte haría funcionar dos trinquetes sobre la cabina, forzándolos a engancharse a los soportes de los lados del hueco así como al soporte de la cabina. Este invento impulsó la construcción de ascensores.
Los elevadores verticales los hay de muchos tipos, ya sean de varias velocidades, diferentes tipos de cabina, diferentes decoraciones de cabina, iluminación, etc [1]. Los elevadores hidráulicos, se distinguen de los otros porque llevan un pistón que por dentro tiene aceite, y es lo que le propulsa para poder subir. La máquina que lleva esta llena de aceite, y cuando el elevador hidráulico quiere bajar, la máquina absorbe el aceite que está en ese momento en el pistón y en ese instante empieza a bajar hacia abajo. Este tipo de maniobra es recomendable para edificios con pocas alturas, aunque también se pueden instalar en edificios de mayores alturas.[2]
Las puertas exteriores pueden ser también de varios tipos, puertas manuales, puertas semiautomáticas o automáticas. Los elevadores verticales pueden llevar diferente carga de personas, dependiendo del peso que acepte la cabina, que hay desde dos personas en adelante, dependiendo del tipo de carga que acepte.
En edificios de gran altura se hace la necesidad de la instalación de elevadores verticales ya que nos evita tener que subir o bajar escaleras de modo que nos hacen la vida más fácil y nos hace utilizar menos esfuerzo.
Por su especificación técnica debe disminuir la velocidad cuando alcanza cierta altura por causa de la gravedad, para esto se utiliza variadores de velocidad controlados por PLC [3]. Estos elevadores verticales, nos hacen la vida más fácil, ya que nos evita tener que subir escaleras en edificios de una gran altura.
1.1 Elementos constitutivos 1.1.1 Cabina La cabina es el elemento mediante el cual son transportados los bienes o personas del sistema de ascensores. Se halla conformada por dos elementos principales: el bastidor y la caja.
El bastidor de acero es el elemento al que se fijan los cables de tracción y el mecanismo de paracaídas. Su coeficiente de seguridad debe estar calculado para resistir las cargas normales y las que se produzcan en el momento en que entre en funcionamiento el sistema paracaídas y quede acuñada bruscamente la cabina.
La caja, fijada sobre el bastidor, debe estar construida por materiales de alta resistencia mecánica, que además sean incombustibles y que no provoquen gases ni humos.
El techo de la cabina debe soportar sin romperse ni deformarse con el peso de dos hombres. Sobre el mismo se han de colocar los controles del equipo en maniobra manual.
1.1.2 Grupo tractor Los grupos tractores para ascensores están normalmente formados por un motor acoplado a un reductor de velocidad, en cuyo eje de salida va montada la polea acanalada que arrastra los cables por adherencia.
Los motores más utilizados son trifásicos, del tipo de rotor de jaula de ardilla.
El reductor está formado por un sinfín de acero engranado con una corona de bronce. En el mismo eje del sinfín del reductor va generalmente montado el tambor del freno, acoplado por un enlace mecánico a la polea de tracción.[4]
1.1.3 Maniobras de control El control de los sistemas de ascensores es llevado adelante por maniobras electrónicas, encargadas de operar la dirección de movimiento de la cabina y de seleccionar los pisos en los que esta deba detenerse.
Actualmente, los controles de ascensores son microprocesadores que mediante algoritmos de inteligencia artificial determinan la forma de disminuir los tiempos de espera de los
pedidos de llamadas coordinando los distintos equipos para trabajar en conjunto; También se utilizan PLC para el control de giro del motor, puertas de cabina, puertas de piso, velocidad de inicio de movimiento y velocidad de parada.
1.2 Dispositivos de seguridad La seguridad del sistema es un elemento clave en los ascensores. Para maximizarla se emplean varios dispositivos específicos:
1.2.1 Enclavamiento mecánico de las puertas En el acceso a los pisos, que hace imposible la apertura de todas las puertas de acceso excepto la del piso en que se halla detenida la cabina.
1.2.2 Enclavamiento eléctrico de las cerraduras También en los pisos, que impide el movimiento del ascensor en caso de que alguna puerta se encuentre abierta.
1.2.3 Paracaídas de rotura o desequilibrio de cables de tracción Dispositivo capaz de detener el ascensor aún con plena carga, acuñándose sobre las guías, que se utiliza para detener al ascensor cuando la velocidad de la cabina excede cierto límite establecido o cuando se rompe uno de los cables de suspensión.
1.2.4 Limitador de velocidad Se trata de una polea instalada en la parte alta del elevador conectada a la cabina a través de un cable de acero el cual transmite el movimiento para monitorear la velocidad. En caso de aumento de velocidad, el dispositivo utiliza el principio de energía centrífuga para activar un segundo dispositivo instalado en la cabina que actúa como una cuña y detiene el movimiento.
1.2.5 Finales de carrera Sensores que interrumpen la alimentación cuando la cabina rebasa los extremos en ascenso o en descenso.
1.2.6 Dispositivo de parada de emergencia Interrumpe la maniobra, corta la alimentación del grupo tractor y actúa el freno. Permite la detención del ascensor dejando sin efecto los mandos de cabina y pisos.
1.2.7 Timbre de alarma Para que lo utilicen los pasajeros en caso de avería o emergencia, y recibir asistencia lo más pronto posible.
1.2.8 Luz de emergencia Ilumina la cabina en caso de que el alumbrado normal sea interrumpido por alguna falla o corte de energía.[5]
2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo General: Diseñar un sistema electrónico utilizando un microcontrolador PIC, capaz de ejecutar operaciones de forma automática o decidir sus próximas operaciones mediante señales externas previstas por un operador, para determinar la lógica del programa.
2.2 Objetivos Específicos: 2.2.1 Montar los circuitos correspondientes para la unidad de control y la unidad de potencia. 2.2.2 Realizar la interconexión de los periféricos del microcontrolador con los respectivos sensores y actuadores. 2.2.3 Demostrar las diversas aplicaciones que tiene el microcontrolador PIC 16F877A. 2.2.4 Diseñar el software del microcontrolador en lenguaje de programación C.
3 MATERIALES Y MÉTODOS La estructura física del sistema diseñado está constituido por una maqueta de la fosa de un elevador, construida por cuatro vigas en H de latón, unidas por varillas planas de hierro sujetadas con tornillos y unidas a una base de madera mediante piezas metálicas en forma de L. El motor de corriente continua de 24 Vatios, está posicionado en la parte superior de la estructura para efectuar la tracción de la caja y el contrapeso mediante una correa industrial. Las partes móviles, la cabina del elevador y el contrapeso, están encastradas a ejes que sirven para que éstas se deslicen hacia arriba y abajo sin que se balanceen lateralmente. Se utilizaron dos ejes para la caja del elevador y uno para el contrapeso. Los sensores magnéticos (reed switch) están adheridos a las varillas planas que indican los pisos del edificio, que son cuatro en total, planta baja, primero, segundo y tercer piso. El sistema posee un panel de mando donde se encuentran los pulsadores para llamada a los respectivos pisos y parada de emergencia y unos interruptores para la selección del modo de operación.
También consta de un display de cristal líquido (LCD) de matriz de puntos de 40 por 2 líneas que sirve para indicar la posición del elevador en un instante determinado [6]. El control electrónico del elevador se consigue mediante el microcontrolador PIC 16F877A montado en un placa que tiene como periféricos los buses de datos que se conectan a los respectivos puertos del PIC, consta de un cristal de 4 MHz para el oscilador interno del PIC y en las entradas de la alimentación están conectados capacitores para la reducción de ruido eléctrico, incluye un circuito de reset conectado al respectivo pin del PIC para restablecer el sistema [7].
A continuación, se describen los bloques que componen el prototipo desarrollado.
Fuente de Alimentación
Interfaz de potencia Motor
Sensores
Circuito de Mando
Circuito de control
Display LCD
Figura 1 Diagrama de bloques del sistema.
3.1 Software para visualización de pisos en Display El software para visualización del display fue desarrollado en lenguaje C, y compilado con el programa Mplab a lenguaje de máquina para ser gravado en ICprog que es el programa que ejecuta el grabador de PIC.
3.2 Software para funciones de movimiento y parada Al igual que el software de visualización para el display fue desarrollado en lenguaje C, compilado con MPlab y gravado en ICprog, esta vez teniendo en cuenta los módulos de parada con detección de los sensores reed switch y tiempo de espera en parada hasta una siguiente señal o pedido externo mediante el circuito de mando.
3.3 Circuito de Control
Todo el sistema se encuentra gobernado por un solo circuito integrado, el microcontrolador PIC 16F877A, este PIC dispone de 40 pines, trabaja con 35 palabras de instrucciones, es un microcontrolador CMOS FLASH de 8 bits que posee seis puertos de entrada/salida configurables para que operen de diversas formas. Para la aplicación del proyecto, se utilizan los seis puertos disponibles; el puerto A actúa como entrada para las señales de selección de modo de operación; el puerto B es la salida que se conecta a la unidad de potencia para controlar el movimiento del motor; el puerto C es la entrada de los sensores de pisos y de los pulsadores; el puerto D está configurado como salida para enviar
datos al LCD; y el
puerto E envía las
señales de control al
LCD.
Figura 2 Circuito de control.
3.4 Circuito de Mando El PIC 16F877A por un lado se
conecta a los sensores, a los
pulsadores, a 2 interruptores, al
pulsador stop, y posee dos
salidas A y B; que junto con
GND se conectan al circuito
inversor de giro para controlar
todos los movimientos del
motor que mueve al ascensor.
Figura 3. Circuito de mando.
3.5 Interfaz de potencia El interfaz de potencia se realizo mediante el diseño del circuito digital tipo puente H que hace posible la inversión de giro del motor cuando se requiera en la operación del sistema; para esto se utilizaron los transistores TIP 122 y 127 transistores bipolares NPN 222 y capacitor para control de ruido de la alimentación, el interfaz recibe pulsos del circuito de control uno para que gire en un sentido y otro para el sentido contrario, cuando no hay presencia de estos pulsos el motor permanece en reposo.
La tierra del circuito de control
es común a la tierra del circuito
de potencia, si la señal de
entrada es 0 Voltios y 0 Voltios
el motor ubicado en el centro
no gira, una de las señales debe
ser de 5 Voltios para que
empiece a girar el motor, cuando
se tenga 0 y 5 gira en un
sentido y si se tiene 5 y 0 gira en
otro sentido, los 5 Voltios
polarizan los transistores del
lado derecho o izquierdo del circuito, así también si ambos extremos están polarizados tampoco habrá giro.
Figura 4. Circuito de control de giro de motor (Puente H).
4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN El sistema diseñado resultó ser robusto físicamente, sin descuidar la estética, pues soportaba el peso y el movimiento del motor sin que se aprecien vibraciones de la estructura. La caja del elevador se deslizaba de manera suave a través de los ejes y al arrancar no se producían saltos ni sacudidas. Dicha caja se detenía en el lugar indicado de subida y de bajada, por lo que concluimos que la elección y disposición de los sensores fue
la correcta. Se realizaron pruebas en los modos de funcionamiento automático y manual durante varias horas y el software no se colgó y respondió adecuadamente, el motor no se calentó ni tampoco lo hizo el microcontrolador o la interfaz de potencia (puente H), lo que indica que los componentes fueron dimensionados correctamente. Las placas impresas fueron diseñadas mediante Eagle 4.17 y se manufacturaron mediante un proceso fotomecánico,
tipo
perforadas
con taladro
dremmel y
los componentes
soldados
con
soldador de
punta
fina de
forma
empírica.
Para grabar
el
microcontrolador se utilizó el grabador que es de propiedad del laboratorio de la Facultad Politécnica.
a)
b)
Figura 5. a) prototipo a prueba y simulación de sensores en protoboard. b) prototipo teminado.
5 CONCLUSIONES El logro conseguido fue el de construir la maqueta de un elevador funcional, lo más cercano posible a un ascensor real utilizado en la actualidad, que puede ser utilizado con fines didácticos para comprender su funcionamiento y para realizar el desarrollo del software que controla un ascensor real a fin alcanzar un nivel óptimo de ahorro de energía, reducción de tiempo de espera del usuario y desempeño del motor en un modelo a escala bastante aproximado a uno real. Las limitaciones encontradas fueron en la construcción de la estructura y en la miniaturización de los dispositivos de seguridad que se encuentran en un ascensor real.
6 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] sistemas de ascensores y elevadores de carga. wikipedia. Enciclopedia Libre. www.wikipwdia.org/ascensores . [2] Electrohidráulica. Festo Didactic. D. Merkle, K. Rupp. [3] Motores Eléctricos. Variación de Velocidad. J. Roldán Viloria. Paraninfo. [4] Selección y aplicación de motores eléctricos. lebosco - Dias - siemens- tomo 1. McGRAW- HILL. [5] Revista del ascensor- octubre 2007 [6] datasheet del display [7] Microcontroladores PIC 16F87x. Diseño practico de aplicaciones. Segunda parte. José M. Angulo Usategui. – Susan Romero Yesa. – Ignacio Angulo Martines.
