Controlador de Un Elevador Con El PLC S7-200 (7)

CAPITULO 1. Introducción ..................................................... ................................................................................................... .............................................. 3 1.1 Resumen ....................................................................................................................... 3 1.2.- Antecedentes .............................................................................................................. 4 1.2.1.- Componentes de un ascensor .............................................................................. 5 1.2.2.- Funcionamiento ..................................................... ................................................................................................... .............................................. 9 1.3 Justificación Jus tificación ................................................. ........................................................................................................ ............................................................... ........ 10 1.4 Objetivos............................................. ................................................................................................... ........................................................................ .................. 11 CAPITULO 2. Características de los motores de paso pas o ........................................................ 12 2.1 Introducción ................................................. ........................................................................................................ ............................................................... ........ 12 2.1.1 Interacción de los Campos Flexibles ................................................. ................................................................... .................. 13 2.1.2 Aspectos constructivos ........................................................................................ 13 2.1.3 Características Mecánicas.................................................................................... 17 2.1.4 Características desfavorables de los motores pasó a paso. .................................. 18 2.1.5 Formas Forma s de Alimentación .................................................. ...................................................................................... .................................... 20 2.2 Manual para par a el uso de un motor de pasos. pasos . ................................................ .................................................................. .................. 21 2.2.1 Principio P rincipio de funcionamiento ..................................................... ................................................................................ ........................... 22 2.2.2 Secuencias para par a manejar motores paso a paso Bipolares .................................... 25 2.2.3 Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares .................................. 26 2.2.4 Una referencia importante ................................................................................... 29 2.2.5 Identificando los cables en Motores P-P P -P Bipolares ............................................. 31 CAPITULO 3. Características del Sistema de Control ........................................................ 32 3.1 Tableros de d e control ............................................................................................. ........ 32 3.1.1 Tablero de control interno ................................................ ........................................................................... ........................... 32 3.1.2 Tablero de control externo .............................................. .................................................................................. .................................... 34 3.1.3 Tablero de control de mantenimiento ................................................ .................................................................. .................. 35 3.2 Sensores de control ........................................................ .................................................................................................... ............................................ 37 3.3 Funcionamiento que se desea que tenga el elevador ............................................ 37 CAPITULO 4. Circuitería y diseño electrónico ................................................................... .................................................................. . 39 4.1 PLC S7-200 ..................................................... ......................................................................................................... ...................................................... 40 4.2 Etapa de Potencia........................................................................................................ 42 4.2.1 L297 ............................................... ...................................................................................................... ............................................................... ........ 42 4.2.2 IRFZ44N .................................................. ...................................................................................................... ...................................................... 44 4.2.3 74LS47 .................................................... ........................................................................................................ ...................................................... 45 4.2.4 LM324 ..................................................... ......................................................................................................... ...................................................... 46 4.2.5 MRD300 .................................................. ...................................................................................................... ...................................................... 47 4.2.6 H21B1 ...................................................... ........................................................................................................... ..................................................... 47 4.3 Fuentes de Voltaje ...................................................................................................... 48 4.3.1 Transformador ..................................................................................................... 49 4.3.2 Puente de diodos rectificadores ........................................................................... 49 4.3.3 Reguladores de voltaje......................................................................................... 50 CAPITULO 5. Programación Pr ogramación ................................................... ............................................................................................... ............................................ 51 5.1 Diagrama de Flujo ...................................................................................................... .................................................................. .................................... 52 5.2 Tablas ......................................................................................................................... 53 5.2.1 Temporizadores ................................................................................................... 53 5.2.2 Contadores ........................................................................................................... ................................................................................ ........................... 55 5.2.3 Marcas ................................................................................................................. 58 5.2.4 Localidades de Memoria ..................................................................................... 59 1

5.3 Programa ............................................. ................................................................................................... ........................................................................ .................. 59 5.3.1 Inicio del programa .................................................. .............................................................................................. ............................................ 60 5.3.2 Almacenamiento en las localidades de Memoria ................................................ 61 5.3.3 Lógica con los pisos intermedios......................................................................... 62 5.3.4 Señales a los Motores .......................................................................................... 64 Conclusiones ................................................. ....................................................................................................... ........................................................................ .................. 67 Apéndice A: Hojas de datos ......................................................................................... .................................. ............................................................... ........ 69 Bibliografía ................................................... ......................................................................................................... ........................................................................ .................. 77

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5.3 Programa ............................................. ................................................................................................... ........................................................................ .................. 59 5.3.1 Inicio del programa .................................................. .............................................................................................. ............................................ 60 5.3.2 Almacenamiento en las localidades de Memoria ................................................ 61 5.3.3 Lógica con los pisos intermedios......................................................................... 62 5.3.4 Señales a los Motores .......................................................................................... 64 Conclusiones ................................................. ....................................................................................................... ........................................................................ .................. 67 Apéndice A: Hojas de datos ......................................................................................... .................................. ............................................................... ........ 69 Bibliografía ................................................... ......................................................................................................... ........................................................................ .................. 77

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CAPITULO 1. Introducción 1.1 Resumen Conforme la sociedad ha ido creciendo y desarrollándose ha descubierto que una de las cosas mas importantes es la comodidad con el consiguiente ahorro de tiempo y esfuerzo, por eso el invento inve nto de los elevadores, mecanismos encargados de transportar personas y no solo el ahorro de que las personas caminen, si no también en lo indispensable de transportar personas incapacitadas, sobre todo en lugares en los que estas personas se encuentran solas. Aunque el sistema desarrollado en ésta tesis no tiene mucho de innovador, se decidió trabajar sobre él porque requiere subsistemas tanto mecánicos como eléctricos y electrónicos, lo cual representó un reto que enriquece nuestra formación profesional. Cabe señalar que la parte de la programación tuvo mínimas complicaciones gracias a lo sencillo que es de manejar el programa V3.1 STEP 7 MicroWIN SP2 y lo eficaz del PLC S7-200. El modo de controlar los motores y de poder tener la lectura de donde se encontraba el elevador fue obtenido de trabajos anteriores de la universidad, otro de los motivos por el cual se decidió utilizar los motores de pasos y no uno de corriente directa que nos demandaba diseñar un controlador PID. Por último debido al hecho de que en el PLC entre más largo sea el programa más lenta es es su forma de transmisión de datos, se decidió utilizar una frecuencia externa para tener una mayor eficiencia en el movimiento de cajón del elevador.

Los ascensores o elevadores empezaron como simples cuerdas o cadenas a modo de montacargas. Un ascensor es básicamente una plataforma que es empujada o jalada por medios mecánicos. La estructura física de un elevador para transportar personas consta de una cabina, que se desliza por unas guías muy parecidas a los rieles de trenes, colgada por unos cables de una polea superior y equilibrada con un contrapeso. Se mueve con un motor eléctrico. 3

Capitulo 1. Introducción

La cabina del elevador debe ser diseñada, en tamaño, de modo que no quepan en ella más personas de aquéllas cuyo peso es capaz de mover.

1.2.- Antecedentes El primer ascensor fue desarrollado por Arquímedes en el año 236 a.C., que funcionaba con cuerdas y poleas. Para acceder al Monasterio de San Barlaam, en Grecia, construido sobre altas cumbres, se usaron montacargas para uso de personas y suministros, donde la fuerza motriz era provista aún por los hombres. A pesar de que las grúas y ascensores primitivos, accionados con energía humana y animal o con norias de agua, el ascensor moderno es en gran parte un producto del siglo XIX. La mayoría de los elevadores del siglo XIX eran accionados por una máquina de vapor, ya fuera directamente o a través de algún tipo de tracción hidráulica.

En 1835 se utilizó el ascensor movido por una máquina a vapor para levantar cargas en una fábrica de Inglaterra. Diez años más tarde, William Thompson diseñó el primer ascensor hidráulico, que utilizaba la presión del agua corriente. En el año de 1853, Elisha Graves Otis, construyó un montacargas dotado de un dispositivo de seguridad tal que al cortarse el cable de tracción, la cabina quedaba detenida. Su invento fue presentado en la Feria del Palacio de Cristal de Nueva York y ganó la confianza del público al permitir que cortaran intencionalmente el cable del montacargas con el Sr. Otis en su interior (figura 1.1). Este fue el principio del transporte de personas. En 1857, Otis instaló el primer ascensor para pasajeros del mundo, en una tienda de Nueva York, movido por una máquina de vapor a una velocidad de 0,2 m/seg.

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En la figura 1.2 se muestra la patente del elevador de Elisha Otis.

Figura 1.1 Primer Elevador con freno

Figura 1.2 Diagrama de la patente

1.2.1.- Componentes de un ascensor Los principales componentes de un ascensor son: Caja: es el recinto o espacio que en un edificio o estructura, se destina para

emplazar el ascensor. También se lo denomina hueco o pasadizo. (figura 1.3) Cuarto de M áqui nas: es el local destinado a alojar la maquinaria motriz, tableros y

demás implementos que gobiernan el funcionamiento de un ascensor. (figura 1.4) Coche: conjunto formado por el bastidor, la cabina, plataforma y accesorios que se

desliza sobre las guías principales (figura1.5).

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Figura 1.3. Diagrama de la caja o hueco.

Figura 1.4 Diagrama del cuarto de Máquinas

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El Cuarto de Máquinas será construido con materiales no combustibles y el lado mínimo no será inferior a 2,20 m. La ventilación será natural y permanente ya sea por vanos laterales colocados en zonas opuestas o vano lateral y cenital (claraboya). Al frente y atrás del tablero de maniobras, el ancho mínimo de paso es 0,70 m. En la figura 1.5 se muestra el corte de elevación y las diferentes medidas que se tienen entre cada piso y también todo lo que debe llevar en si.

Figura 1.5 Diagrama General

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También se deben tener otros componentes existentes como lo son las puertas externa (de rellano) e interna (de cabina). Existen distintos tipos de puertas. La más tradicional, la de "tijera", prohibida para el rellano a partir del año 1972, es aún vista en muchos edificios. Por tal razón es aquí más necesario el uso de la pantalla de defensa en el coche o guardapiés pues su misión es justamente proteger el pie de las personas, especialmente el de los niños que por imprudencia o descuido atraviesan sus miembros inferiores por las puertas de rellano. La separación entre puertas enfrentadas de cabina y de rellano no será mayor que 0,15 m. La violación a esta norma ha dado origen a muchos accidentes fatales como consecuencia de imprudencia de jóvenes que han encontrado en ese reducto un lugar apropiado para jugar a las escondidas sin medir las consecuencias que al cerrar las puertas, el ascensor se pone en marcha al llamado de cualquier piso. Las puertas, tanto de de rellano como de la cabina, pueden ser de varias secciones. Las más comunes y tradicionales se muestran en la figura 1.6.

Figura 1.6 Puertas de rellano y cabina

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Existen otro componente no menos importante que los demás, como lo son los operadores de control, los cuales son: 

Operador Interno



Operador Externo



Operador de Cabezal Operador interno o botonera interna es aquella que se encuentra situada dentro de la

cabina y es capaz de recibir una o más peticiones a la vez. En ella se encuentran botones como el número de piso, parada de emergencia, entre otros. Operador externo es el par de botones que se encuentran en cada piso. Operador de cabezal es aquel al que sólo tiene acceso el personal de mantenimiento y tiene la característica de poder provocar un paro general, ya sea para reparación, mantenimiento u en algún tipo de emergencia.

1.2.2.- Funcionamiento Un ascensor moderno consiste en una cabina sujeta por una armadura ó chasis que se mueve verticalmente (o casi verticalmente) por un hueco dispuesto dentro o en la parte exterior de un edificio y movido por un motor, que antiguamente fue de vapor. El elevador deberá tener los siguientes requisitos para tener un buen desempeño o funcionamiento: • El elevador cuenta con un sistema de control electrónico que gobierna el

funcionamiento general del equipo atendiendo a normas de seguridad. • La cabina se pondrá en marcha sólo si las puertas se encuentran perfectamente

cerradas y trabadas y la tecla de PARADA DE EMERGENCIA en posición desactivada.

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• El controlador interrumpe automáticamente cualquier maniobra qu e no pueda ser

ejecutada en un tiempo predeterminado. • Para utilizar el elevador, presione el Pulsador externo de LLAMADA. • Si la cabina se encuentra a nivel del piso desde donde se ejecuta la llamada,

el pulsador de LLAMADA estará apagado indicando que se encuentra en condiciones de servicio. • Si la cabina no se encuentra a ni vel de piso desde donde se ejecuta la

llamada, la luz roja del pulsador estará encendida. La cabina acudirá al piso de llamada y la luz roja del pulsador se apagará indicando que puede proceder a abrir la puerta y hacer uso del elevador. • Presionando el Pulsador interno de MARCHA la cabina se pondrá en movimiento y se

detendrá al finalizar la orden indicada. Para abandonar el elevador empuje la puerta hacia afuera.

1.3 Justificación Gran parte por la que se decidió elaborar este proyecto, es el hecho de buscar una aplicación que requiera del mayor numero de entradas, salidas, memorias, contadores, etc. del PLC, esto para ver el desarrollo práctico y la eficiencia que tiene el PLC S7-200. El elevador se acomodó de la forma adecuada a la demanda que buscábamos obtener del PLC. Se sabe que la lógica de programación de un elevador es muy compleja, ese es uno de los motivos por el cual se decidió utilizar el lenguaje KOP (escalera) del PLC, puesto que se nos facilitaba más el manejo de éste lenguaje. Otro de los motivos por el cual se decide utilizar el PLC S7-200 y no otros sistemas de controladores es porque requiere, poca etapa de potencia para el control de dispositivos externos, puesto que el propio PLC soporta corrientes de hasta 1 ampere en salidas con relevador y si son salidas con transistor soporta hasta 0.3 amperes; en cuanto a niveles de voltaje puede manejar salidas de 30 volts

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c.d. y hasta 240 volts en c.a., con esto se reduce de manera importante la parte de la circuitería externa para la elaboración del elevador. Es importante señalar que uno de nuestras motivaciones principales es el hecho de desarrollar un sistema de uso común en el mundo como lo es el elevador, teniendo en cuenta que la lógica que maneja es elaborada por nuestro criterio, respetándose claramente los sistemas que ya se conocen en los diseños de elevadores, pero no con el comportamiento exacto, porque creemos que no hay dos elevadores de diferentes empresas que lleven la misma lógica. Ya obteniendo el resultado que se quería, fue de gran motivación para nosotros el hecho de haber implementado el control de un elevador, lo que consideramos un punto muy importante en nuestro currículo tanto personal como laboral.

1.4 Objetivos 1

Diseñar y construir un elevador en base a la programación KOP del PLC S7-200.

2

Diseñar la circuitería adecuada para que la interfase entre el PLC y el elevador permita el intercambio de información entre ambos.

3

Diseñar el control de movimiento de un elevador.

4

Utilizar el PLC S7-200 como enlace entre la computadora y el elevador.

5

Programar el control del elevador para que sea capaz de atender las instrucciones de servicio que sean requeridas, tener la capacidad de poder ofrecer lo que es más cómodo para el usuario tanto en tiempo como en selección de pisos y tener un panel de fácil manejo para el mantenimiento que el elevador requiera durante su vida de uso.

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Capitulo 2. Características de los motores de paso

CAPITULO 2. Características de los motores de paso 2.1 Introducción En muchas ocasiones se hace necesario convertir una energía eléctrica en otra mecánica; cuando dicha energía mecánica se requiere en forma rotacional, un motor es el elemento ideal para tal conversión. Cuando se requiere un control preciso de la trayectoria a seguir por la mano o herramienta de un robot manipulador, es más sencillo y económico usar motores paso a paso que servomotores de c.c. con realimentación. Se obtienen una elevada exactitud y una muy buena regulación de la velocidad, aunque su mayor inconveniente es su no muy elevada velocidad angular o de giro. Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica, tecnología aeroespacial, gobierno de discos duros y flexibles en sistemas informáticos, manipulación y posicionamiento de piezas y herramientas en general. El motor de paso a paso es un elemento capaz de transformar pulsos eléctricos (información digital) en movimientos mecánicos. El eje del motor gira un determinado ángulo por cada impulso de entrada. El resultado de este movimiento, fijo y repetible, es un posicionamiento preciso y fiable. Un motor de paso a paso puede girar, en ambos sentidos, un número exacto de grados, con incrementos mínimos determinados por el diseño.

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2.1.1 Interacción de los Campos Flexibles El principio de funcionamiento de los motores de paso a paso es muy sencillo. Se basa en las fuerzas de atracción y repulsión ejercidas entre polos magnéticos. Teniendo en cuenta que los polos magnéticos del mismo signo se repelen, si los bobinados del estator 1, se alimentan de tal manera que éste se comporta como un polo norte y el estator 2 como un polo sur, el rotor imantado (imán permanente), si es giratorio, se mueve hasta alcanzar la posición de equilibrio magnético, como se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1. Polaridad de los bobinados

Si cambiamos por algún método, al alcanzar el rotor la posición de equilibrio que el estator cambie la orientación de sus polos, aquél tratará de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor. El rotor girará 180º cada vez que cambian las condiciones.

2.1.2 Aspectos constructivos Para permitir una mejor resolución por paso, se añaden más polos al estator; además en dichos polos se mecanizan una serie de dientes, al igual que en el rotor. 13


La construcción de un motor práctico consiste en un estator de dos electroimanes con un número n de pares de polos cada uno. Los polos norte y sur de cada uno están desplazados entre sí medio paso polar, al tiempo que entre los dos electroimanes existe un desplazamiento de un cuarto de paso polar, entre polos del mismo nombre. El rotor de imán permanente se magnetiza con el mismo número de polos de uno de los electroimanes del estator. La interacción entre los polos del estator y los del rotor hace que, al aplicarse dos ondas cuadradas, desfasadas un cuarto de período entre sí, a las dos bobinas de los electroimanes, el rotor gire un cuarto de paso polar por cada cambio de polaridad de la tensión aplicada a las bobinas. Así, para un motor con doce pares de polos por bobina del estator, se producirán 48 pasos con doce pares de polos por bobina del estator, se producirán 48 pasos por revolución, es decir,7,5º por paso (paso polar, 360/12= 30). Los valores de ángulos más corrientes se muestran en la figura 2.2:

Figura 2.2. Ángulos más corrientes.

Los tipos de motores paso a paso son tres: 1º. De imán permanente: Está formado por un estator de forma cilíndrica, con un cierto número de bobinados alimentados en secuencia, que crean un campo magnético giratorio de manera discontinua. 14


El rotor, concéntrico con el estator y situado sobre el eje, contiene un imán permanente magnetizado, que en cada instante tenderá a alinearse con el campo magnético creado. Su principal ventaja es que su posicionamiento no varía aun sin excitación y en régimen de carga debido a la atracción entre el rotor y los entrehierros del estator. 2º. De reluctancia variable. El estator presenta la forma habitual, con un número determinado de polos electromagnéticos. Sin embargo, el rotor no es de imán permanente sino que está formado por un núcleo de hierro dulce de estructura cilíndrica pero con un cierto número de dientes tallados longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral.

Cuando una corriente circula a través del bobinado apropiado, se desarrolla un momento que hace que el rotor gire a la posición en la cual la reluctancia del circuito sea mínima. Cuando se hace pasar una corriente a través de otro bobinado, el punto de reluctancia mínima se genera en otra posición, produciendo el giro del rotor a esa nueva posición. En la figura 2.3 y 2.4 se muestra un motor de paso a paso de reluctancia variable, constituido por tres devanados, E1, E2 y E3, excitados secuencialmente y por un rotor con cuatro dientes, D1,D2,D3 y D4. Cuando el primer arrollamiento E1, recibe alimentación, atraerá al rotor hasta que el diente más cercano, por ejemplo, D1, se alinee con el campo. Al llegar la excitación a E2, el diente D2 será el más próximo, con lo que el rotor girará 30º. De la misma forma, con el siguiente impulso aplicado a E3, será el diente D3 el alineado, girando otros 30º.

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Al restituir la alimentación a E1, el atraído será D4, con lo que se vuelve a avanzar un ángulo similar a los anteriores. La principal ventaja es su elevada velocidad de accionamiento. Y su principal desventaja es que en condiciones de reposo (sin excitación) el rotor queda en libertad de girar y, por tanto, su posicionamiento en régimen de carga dependerá de su inercia y no será posible predecir el punto exacto de reposo.

Figura 2.3. Excitación de los devanados.

Figura 2.4. Excitación de los devanados 2.

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3º. Híbridos. Son combinación de los dos tipos anteriores; el rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. Se obtienen importantes pares de accionamiento, un gran número de pasos por vuelta y una frecuencia de trabajo elevada.

2.1.3 Características Mecánicas Par dinámico o de trabajo: Es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso, es decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo, de la carga. El fabricante ofrece las curvas denominadas de arranque sin error y que relaciona el par en función del número de pasos. Par de mantenimiento: Es el par requerido para desviar, en régimen de excitación, un paso el rotor cuando la posición anterior es estable; es mayor que el par dinámico y actúa como freno para mantener el rotor en una posición estable dada. Par de detención: Es un par de freno que, siendo propio de los motores de imán permanente, es debido a la acción del rotor cuando los devanados estatóricos están desactivados. 17


Estos momentos se expresan en mili newton por metro. Momento de inercia del rotor: Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro cuadrado. Ángulo de paso: Avance angular producido bajo un impulso de excitación, o sea, los grados de cada paso. Números de pasos por vuelta: Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución completa. Frecuencia de paso máxima: Es el máximo número de pasos por segundo que el rotor puede efectuar obedeciendo a los impulsos de control.

2.1.4 Características desfavorables de los motores pasó a paso. Rango de velocidad limitada: El bobinado del estator constituye una carga inductiva, que limita la velocidad de conmutación de la corriente del bobinado. Además el magnetismo remanente del rotor crea una caída de tensión inductiva que agrava la conmutación. 18


Estos efectos limitan la máxima velocidad con que el motor puede moverse, pero pueden mejorarse considerablemente utilizando un adecuado control de corriente. Resonancia: La característica no amortiguada de un motor paso a paso hace que trabajando con pasos incrementales pequeños el motor se mueva bruscamente. Con cada paso se provoca unas subidas de tensión que se amortiguan poco a poco. Si la frecuencia del paso se hace igual a la frecuencia propia de oscilación del motor éste, inevitablemente, se pondrá en oscilación no amortiguada, con lo cual el eje se moverá enérgicamente en vaivén. Se han desarrollado dispositivos amortiguadores mecánicos para conseguir un movimiento más suave, pero estas cargas permanentes en el eje hacen, normalmente, que la eficiencia del motor paso a paso, que es de sí muy baja, caiga por debajo de niveles aceptables. La mejora se consigue en un movimiento lineal si la forma de operación es por micros pasos, de forma que puede utilizarse una serie de engranajes para transferir la potencia del motor. Baja eficiencia: Un motor paso a paso activado disipa una gran cantidad de energía en la parte resistiva de los arrollamientos del estator. Si se mantiene estacionario el eje, la resistencia es el factor limitador de la corriente de perdidas; también el par (momento de torsión) a la velocidad crítica es necesariamente alto. Los circuitos basados en excitación por corriente mejoran la característica dinámica de los estos motores en cierta medida pero, desafortunadamente, las fuentes de corriente lineales tienen un rendimiento francamente bajo. 19


Si se usan fuentes de corriente conmutadas de alto rendimiento, evitamos los problemas anteriores. La intensidad que atravesará los arrollamientos del estator es totalmente programable, el diseñador puede conseguir reducir significativamente la disipación total del motor parado. Resolución limitada: Los motores paso a paso se clasifican según el número de pasos que es capaz de dar por revolución (vuelta). Usando el modo de micro pasos, esta especificación no tiene mucha importancia y un motor de tipo específico puede, por lo tanto, funcionar mucho mejor de lo que esta especificación indica.

2.1.5 Formas de Alimentación De acuerdo con sus características, la alimentación requiere ciertas consideraciones a tener en cuenta según los distintos métodos: A tensión fija: Cuando un motor paso a paso se alimenta a tensión constante, el par decrece al aumentar la frecuencia de paso; ello es debido al aumento de las fuerzas contraelectromotrices, produciéndose simultáneamente una pérdida de potencia útil por el retardo que sufre el aumento de corriente hasta alcanzar su valor máximo. A corriente constante: Si el inconveniente anterior se trata de paliar con un aumento de la tensión de alimentación, la corriente de excitación aumentará creando problemas de disipación de calor, llegando incluso a la destrucción del motor.

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El sistema de corriente constante mantiene la corriente media a un valor fijo, mediante el troceado de la corriente de entrada, conectando y desconectando la alimentación. Este método es muy adecuado en aplicaciones que requieren aceleraciones rápidas o cambios de frecuencia. A dos niveles de tensión: Consiste en aplicar una tensión elevada durante los avances de paso para, una vez sacado del reposo el rotor, disminuir la tensión a un nivel considerablemente más bajo; con ello se consigue una reducción de la potencia disipada y un aumento del par en el arranque. Este método es ideal para aquellas aplicaciones donde la separación entre pasos sea elevada, reduciendo, por tanto, la potencia consumida y pudiendo conservar el par de mantenimiento.

2.2 Manual para el uso de un motor de pasos.

Figura 2.5. Forma física de un motor de pasos

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

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La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

2.2.1 Principio de funcionamiento Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Figura 2.6. Imagen del rotor

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Figura 2.7. Imagen de un estator de 4 bobinas

Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:

Figura 2.8 

Bipolar:

Figura 2.9

Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 2.8).

Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En figura 2.10 podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge). Como se aprecia, será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor, es decir que para

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controlar un motor Pasó a Paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos H-Bridges iguales al de la figura 3 . El circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y no corresponde con exactitud a un H-Bridge. En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293 (ver figura 2.10 bis).

Figura 2.10

Figura 2.10 bis.

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

Unipolar: Estos

motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su

conexionado interno (ver figura 2.9). Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. En la figura 2.11 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador, un circuito integrado programable (PIC), o un controlador lógico programable (PLC).

Figura 2.11

2.2.2 Secuencias para manejar motores paso a paso Bipolares Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la secuencia seguida. A continuación se puede ver la tabla 2.2.2.1 con la secuencia necesaria para controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:

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Tabla 2.2.2.1. Secuencia para motor Bipolar PASO

TERMINALES A B C D

+V +V -V -V

1 2 3 4

-V -V +V +V

+V -V -V +V

-V +V +V -V

2.2.3 Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a continuación. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las secuencias en modo inverso. Secuencia Normal:

Esta es la secuencia más usada y la que generalmente

recomienda el fabricante. Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de retención. PASO

Bobina Bobina Bobina Bobina A B C D

1

ON

ON

OFF

OFF

2

OFF

ON

ON

OFF

3

OFF

OFF

ON

ON

4

ON

OFF

OFF

ON

Figura 2.12 Secuencia normal.

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Secuencia del tipo wave drive:

En esta secuencia se activa solo una bobina a la

vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave. La contrapartida es que al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor. PASO

Bobina A

Bobina B

Bobina C

Bobina D

1

ON

OFF

OFF

OFF

2

OFF

ON

OFF

OFF

3

OFF

OFF

ON

OFF

4

OFF

OFF

OFF

ON

Figura 2.13 Secuencia del tipo wave drive Secuencia del tipo medio paso:

En esta secuencia se activan las bobinas de tal

forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan primero 2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.

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PASO

Bobina A

Bobina B

Bobina C

Bobina D

1

ON

OFF

OFF

OFF

2

ON

ON

OFF

OFF

3

OFF

ON

OFF

OFF

4

OFF

ON

ON

OFF

5

OFF

OFF

ON

OFF

6

OFF

OFF

ON

ON

7

OFF

OFF

OFF

ON

8

ON

OFF

OFF

ON

Figura 2.14 Secuencia de medio pasó.

28


Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience. Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las siguientes formas: 

Puede que no realice ningún movimiento en absoluto.



Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.



Puede girar erráticamente.



O puede llegar a girar en sentido opuesto.

Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.

2.2.4 Una referencia importante Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no tenemos hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los cables a los bobinados y el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones que se detallan a continuación:

Figura 2.15. Motores P-P con 5 cables.

Figura 2.16. Motores P-P con 6 cables.

29


1. Aislando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación: Como

se

aprecia en las figuras anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos cables comunes, pero generalmente poseen el mismo color, por lo que lo mejor es unirlos antes de comenzar las pruebas. Usando un tester para chequear la resistencia entre pares de cables, el cable común será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables. Esto es debido a que el cable común tiene una bobina entre ella y cualquier otro cable, mientras que cada uno de los otros cables tiene dos bobinas entre ellos. De ahí la mitad de la resistencia medida en el cable común. 2. Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable

común (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los

otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demás cables de forma alternada y observando los resultados. El proceso se puede apreciar en la figura 2.17:

Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese será llamado cable A. Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los tres cables restantes provoca un paso en sentido anti horario al ser conectado también a masa. Ese será el cable B. Manteniendo el cable A conectado a masa, probar cuál de los dos cables restantes provoca un paso en sentido horario al ser conectado a masa. Ese será el cable D. El último cable debería ser el cable C. Para comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que no debería generar movimiento alguno debido a que es la bobina opuesta a la A. Figura 2.17. Identificación de cables de las bobinas.

30


Nota: La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.

2.2.5 Identificando los cables en Motores P-P Bipolares Para el caso de motores paso a paso bipolares (generalmente de 4 cables de salida), la identificación es más sencilla. Simplemente tomando un tester en modo ohmetro (para medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina, debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja). Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los cables de una de las bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si el sentido de giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir las conexiones de ambas bobinas y el H-Bridge. Para recordar 

Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar.



Un motor de paso con 6 cables también puede ser de 4 fases y unipolar, pero con 2 cables comunes para alimentación. pueden ser del mismo color.



Un motor de pasos con solo 4 cables es comúnmente bipolar.

31

CAPITULO 3. Características del Sistema de Control Como ya se había mencionado anteriormente, el elevador cuenta con tres tableros de control, uno en el interior del elevador, otro en cada piso y un tercero que se encuentra situado en el cuarto de máquinas. Otro tipo de control que se tiene se da mediante sensores ópticos como el H21B1, los cuales fueron colocados en cada piso, así como en la parte superior de la puerta del elevador. Otro tipo de sensores ópticos que se utilizaron son los MRD300 los cuales se colocaron en la parte inferior de la puerta del elevador.

3.1 Tableros de control 3.1.1 Tablero de control interno Este se encuentra situado en el interior de la cabina y cuenta con botones indicadores de piso (piso 1, piso 2, etc.), botón de alarma, entre otros que a continuación se mencionarán. 1. Botón seleccionador de piso: Estos botones (P1, P2, P3, P4) como su nombre lo indica, es el encargado de dar la orden hacia el piso que se quiere ir. Estos botones han sido numerados del uno al cuatro dependiendo el piso al que quiera ir el usuario. 2. Botón de Alarma: En caso de que suceda algún problema, al oprimir éste botón se manda una señal al tablero de control de mantenimiento para dar aviso del malfuncionamiento del elevador.

32

Capitulo 3. Características del sistema de control

3. Botón de Puerta: Este interruptor (Puerta Abierta) permite al usuario dejar la puerta abierta el tiempo que éste quiera. Este tipo de interruptores útil en los hoteles en playas, o en hospitales ya que algunas veces se necesita de más tiempo para subir al ascensor del permitido por la misma programación del elevador. 4. Display: Este componente mostrará el piso en el que se encuentra la cabina del elevador. Los componentes del tablero de control interno anteriormente mencionados se muestran en la figura 3.1.

Figura 3.1 Panel de control interno

33


3.1.2 Tablero de control externo Este tipo de tablero es colocado o situado en cada piso, pero difieren los tableros de pisos intermedios de los pisos superior e inferior, ya que éste tipo de tablero nos da la instrucción de si lo que se quiere es subir o bajar. Tablero de control externo para pisos superior o inferior

Este tablero sólo cuenta con un botón, para el piso uno o inferior sólo se requiere ir hacia arriba y no hacia abajo, para el piso cuatro o superior es el caso opuesto ya que lo único que se puede hacer es bajar.

Tablero de control externo para pisos intermedios

Este tablero cuenta con dos botones: 1. Botón hacia arriba: Este botón se encarga de dar la instrucción de que lo que se quiere es subir. 2. Botón hacia abajo: Este botón se encarga de dar la instrucción de que lo que se quiere es bajar. Estos botones se encuentran en la parte exterior frontal del elevador, éste tipo de botones se encuentran en cada piso. Los componentes antes mencionados se encuentran en la figura 3.2.

34


Figura 3.2 Panel de control externo intermedio

3.1.3 Tablero de control de mantenimiento Este tablero cuenta con los mismos botones que el tablero de control interno, sólo que éste cuenta con un botón más el cual es:

35


Botón de paro General: Este interruptor (Inicio) es usado para mantenimiento o para solucionar algún problema o malfuncionamiento del elevador. Cabe destacar que a este tablero sólo tiene acceso el personal de mantenimiento. Los componentes del tablero de mantenimiento, anteriormente mencionado, se muestran en la figura 3.2.

Figura 3.3 Panel de control de mantenimiento

36


3.2 Sensores de control

Los sensores que utilizamos son de tipo ópticos, ya que gracias a ellos se puede dar el control para detener la cabina en cada piso, así como para indicar el piso en el que se encuentra la cabina mediante una simple interrupción, la indicación de piso en el que se encuentra el ascensor será mostrado por un display de 7 segmentos, instalados uno en cada piso y en el tablero de control interno. Se cuenta también con dos sensores ópticos H21B1 más, estos son para el control de la puerta de la cabina, se colocó uno en la parte superior derecha para indicar si la puerta se encuentra cerrada, otro más para al abrir la puerta y tocar el sensor se detuviera y tener una apertura de puerta uniforme. También se utilizaron dos sensores ópticos MRD300, uno colocado en el exterior de la puerta y otro en el interior de la cabina. Estos sensores tienen dos fines, el primero para saber si se encuentran personas interrumpiendo la señal la puerta deberá permanecer abierta hasta que ambos sensores dejen de ser interrumpidos. El otro fin es tener el control de personas, es decir, se debe de tener un máximo de cupo, el cual se controlará por estos sensores, si se interrumpe primero el sensor exterior y después el interior incrementará la cuenta, por lo contrario, si toca primero el sensor interior y después el exterior decrementa.

3.3

Funcionamiento que se desea que tenga el elevador

El funcionamiento del elevador básicamente sigue los siguientes puntos: 

Cuando se selecciona algún piso, se enciende una luz en el piso indicándole que va a tener parada en ese piso, esto porque hay condiciones en las que si el elevador esta en uso no atenderá algunas instrucciones.

37












Una vez que llega al piso seleccionado se apagara la luz. Se puede dar la instrucción de ir al piso que desee dentro del elevador, en nuestro caso tenemos piso 1, piso 2, piso 3 y piso 4, fuera de cada piso habrá botones indicando si se quiere subir o se desea bajar, esto solo será en los pisos 2 y 3, en el piso 1 solo habrá opción de subir y en el piso 4 la de bajar. Una de las instrucciones mas importantes que atiende el elevador es que si una persona quiere subir (ej. Del piso 1 al 4) y en los pisos intermedios también se le pide subir, y el elevador no ha pasado este piso, entonces el elevador se detendrá por la persona (no atendiendo el piso al que desea ir) el elevador solo atiende que la persona quiere subir y cuando deje de hacerlo si la persona que pidió en el piso intermedio subir no deseaba ir a ese piso, entonces ya podrá ejecutar una instrucción indicándole al elevador a donde desea subir. Por otro lado es igual si el elevador va a bajar (ej. Del piso 4 al 1), y los pisos intermedios piden bajar, entonces también atenderá a estos haciendo una parada en estos pisos, pero no podrán dar una instrucción hasta que el elevador deje de bajar, si no es el piso al que deseaba ir la persona de los pisos intermedios entonces ya detenido el elevador podrá darle una instrucción al elevador. Es posible almacenar a la memoria del PLC otras instrucciones importantes y frecuentes en el uso de los elevadores. Como es el caso de un poco de ahorro de tiempo, este elevador atiende la instrucción de que si una persona quiere subir (ej. Del piso 1 al 3), y en un piso intermedio se desea bajar, entonces el elevador almacenará esa instrucción en la memoria del PLC y en el momento en que deje de subir, entonces el elevador regresara por la persona que desea bajar y podrá atender su instrucción sin ningún problema, esto también es posible en el caso contrario, en el que si una persona desea bajar (ej. Del piso 3 al 1), y en un piso intermediario se desea subir, entonces primero cumple la primera petición de bajar hasta donde se le haya indicado y ya después regresara por la persona que desea subir. Un display externo en cada piso, y uno interno en la cabina del elevador indica en que piso se encuentra el elevador, sin importar que este se encuentre en movimiento.

38

CAPITULO 4. Circuitería y diseño electrónico En el control del elevador mecánico se requiere tener la circuitería que controle a los motores, y a su vez, dichos circuitos necesitan de una fuente de voltaje la cual será la encargada de suministrar la energía necesaria así como a los motores. Así mismo se requiere una etapa que se encargue de la comunicación entre los sensores ópticos colocados en cada piso del elevador, el programa y los circuitos de control de motores. Para esto se utilizó el PLC S7-200 de Siemens, debido a sus características y a su fácil comunicación con el programa STEP 7 Micro/WIN SP2. El PLC S7-200 comprende diversos sistemas de automatización pequeños (MicroPLCs) que se pueden utilizar para numerosas tareas. Gracias a su diseño compacto, su capacidad de ampliación, su bajo costo y su amplio juego de operaciones, los Micro-PLCs S7-200 son especialmente apropiados para solucionar tareas de automatización sencillas. En nuestro caso, fue sencillo adaptarnos al esquema que nos requería el PLC, porque como ya se ha comentado se nos ahorra gran parte de circuitería por la comodidad que otorga el controlador, una ves mas esta es una justificación por la que se decide utilizar el PLC S7-200 y no otro tipo de controles comerciales como algún PIC (circuito integrado programable). El esquema de conexión se muestra a continuación en la figura 4.1. Los diagramas de conexiones son expuestos en la misma parte en la que son mencionados, esto para la comodidad de alguien que quiera consultar o tenga alguna duda de las conexiones utilizadas en esta tesis.

39

Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico

Alimentación de Sensores

Programa en Sensores

PLC S7-200

Controlador de Motores Y Etapa de Potencia

STEP 7 Micro/WINsP2.

Elevador Mecánico

Alimentación de Motores y Controladores Figura 4.1 Diagrama a bloques de conexión del sistema

4.1

PLC S7-200

EL Micro-PLC S7-200 es un equipo autónomo compacto que incorpora una unidad central de procesamiento (CPU), una fuente de alimentación, así como entradas y salidas digitales. El sistema se controla mediante entradas y salidas (E/S). Las entradas vigilan las señales de los dispositivos de campo (ej. sensores e interruptores), mientras que las salidas supervisan las bombas, motores u otros aparatos del proceso. Se dispone de entradas 40


y salidas integradas (en la CPU), así como de E/S adicionales (en los módulos de ampliación). Éste CPU 224 puede ampliarse hasta 7 módulos, cada módulo consta de 8 salidas y 8 entradas, como se muestra en la figura 3.2.

Figura 4.2 CPU S7-200 Tabla 4.1 Programación de puertos de entrada del PLC S7-200

Entrada

Función

I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I5.0 I5.1 I5.2 I5.3 I5.4 I5.5 I5.6

INICIO BOTON PISO 1 BOTON PISO 2 BOTON PISO 3 BOTON PISO 4 BOTON SUBE DEL PISO 2 BOTON SUBE DEL PISO 3 BOTON BAJA EN EL PISO 2 BOTON BAJA EN EL PISO 3 SENSOR DEL PISO 1 SENSOR DEL PISO 2 SENSOR DEL PISO 3 SENSOR DEL PISO 4 SENSOR DE LA PUARTA ABIERTA SENSOR DE LA PUERTA PARA QUE ABRA Y CUENTE 1 SENSOR DE LA PUERTA PARA QUE CUENTE 2

41


Tabla 4.2 Programación de puertos de salida del PLC S7-200

Salida

Función

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q2.0 Q2.1 Q2.2 Q2.4 Q2.5 Q2.6

LUZ DEL PISO 1 LUZ DEL PISO 2 LUZ DEL PISO 3 LUZ DEL PISO 4 FRECUENCIA ENABLE DEL MOTOR ACTIVA EL MOTOR A DEL DISPLAY 1 B DEL DISPLAY 1 C DEL DISPLAY 1

4.2 Etapa de Potencia En la etapa de potencia se involucran a todos los elementos y dispositivos que se requieren para el control de los motores, también se involucran las fuentes de voltaje que suministran energía a todo el sistema. Dichas fuentes además de suministrar energía a los motores suministran a los controladores y a los sensores. Los motores de paso llegan a consumir una cantidad de corriente considerable, es por eso, que se ocupa un diseño diseñ o basado en el circuito integrado L297. Como se sabe, existen dos tipos de motores de paso, unipolar y bipolar. Debido a que utilizamos motores de paso unipolares, tendremos que utilizar el transistor Mosfet IRFZ44N como etapa de potencia para completar el diseño ya antes mencionado.

4.2.1 L297 El circuito integrado L297 es un controlador para motores de pasos, el cual genera cuatro señales de fase que pueden ser utilizados en motores de paso bipolares y en motores de paso unipolares. Una de sus características principales es que se puede generar una 42


secuencia de medio paso, modo normal y a paso completo y debido a la salida PWM se puede permitir el control de corriente en las bobinas. El rasgo de éste dispositivo es que sólo requiere el reloj, dirección y señales de entrada de modo de operación, debido a que la fase es generada internamente. Algunas de las características del circuito integrado L297 son:



Modo de operación de onda completa y normal.



Modo de operación de medio paso y paso completo.



Control de dirección en sentido horario y antihorario.



Regulación de corriente.



Corriente de carga programable.



Pocos componentes externos.



Entradas de control (reset, home y enable).

Este circuito debe complementarse con los transistores tipo Mosfet, los cuales sirven como etapa de potencia para los motores. En la figura 3.3 se muestra el diagrama de conexiones. También se requiere de un arreglo de resistencia y capacitor, el cual nos permite controlar el reloj interno del circuito. (Véase Apéndice A para hoja de datos).

43


Figura 4.3 Diagrama de conexiones para el control del Motor

4.2.2 IRFZ44N El transistor IRFZ44N es de tipo canal n, es mejorado por el poder de efecto de campo nivelado normal en un encapsulado plástico que usa la tecnología ‘trench’. El

dispositivo ofrece la resistencia de estado muy baja y tiene diodos zener integrados que dan protección de ESD a 2kV. Fue pensado para el uso en los suministros de poder de modo cambiados y el propósito general que cambian las aplicaciones. Éste transistor se caracteriza por tener un diodo entre la compuerta de drenaje (D) y la compuerta Fuente (S). (Véase Apéndice A para hoja de datos). Tabla 4.3 Diagrama de Pines PIN DESCRIPCION

1 2 3 Tab

Gate Drain Source Drain

44


Figura 4.4 Símbolo

Figura 4.5 Configuración de Pines

4.2.3 74LS47 El circuito integrado 74ls47 es un decodificador BCD de 7 segmentos de colector abierto que acepta cuatro líneas de datos de entrada en BCD, genera sus complementos internamente y descifra los datos con siete AND/OR que tienen los rendimientos del colector abierto para manejar el indicador de segmentos directamente. Cada rendimiento del segmento garantiza 24 mA. en estado ON (LOW) y resiste 15V en el estado OFF (HIGH) de 250A. Las entradas auxiliares proporcionan borrado. Algunas características son: 

Salidas de colector abierto.



El indicador de paso segmenta directamente.



Entrada de prueba de lámpara.

Este circuito al conectarse con un display de 7 segmentos nos permite ver la señal de salida, mediante un arreglo sencillo, como se muestra en la figura 3.6. (Véase Apéndice A para hoja de datos).

45

Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico 5V +V

220 220 220

100

U1 74LS47 A3 A2 A1 A0

g f e d c b a

V+

DISP1 abcdefg.

test RBI RBO

Figura 4.6 Diagrama de conexión del CI 74LS47

4.2.4 LM324 EL circuito integrado LM324 consiste en cuatro amplificadores operacionales independientes, son amplificadores operacionales de alta ganancia en un solo substrato monolítico. Un condensador en cada uno de los amplificadores proporciona la remuneración de la frecuencia para el aumento de la unidad. Estos dispositivos se diseñan especialmente para funcionar desde fuentes solas o duales, y la gama diferenciada del voltaje es igual a la energía proveída por el voltaje. El drenado de energía bajo un voltaje del modo común de la entrada se extienden de 0V a V+ -1.5V (solo provee la operación) hacen estos dispositivos convenientes para el funcionamiento por batería. (Véase Apéndice A para hoja de datos). Algunas aplicaciones son: 

Sumadores.



Osciladores.



Multivibradores.



Multiplicadores.

46


4.2.5 MRD300 El fototransistor MRD300 está diseñado para aplicaciones que requieren radiación sensible y características estables. (Véase Apéndice A para hoja de datos). Algunas características son: 

El diseño del empaquetado está diseñado para un fácil manejo y adaptación.



Corriente mínima de 4mA.



Pin-Base externo para agregar control. Algunas aplicaciones son:



Conmutación óptica.



Contadores.



Transformación industrial y control.



Moduladores ligeros.



Lector de posición.

4.2.6 H21B1 El H21B1 consiste en un diodo que emite infrarrojo del arseniuro de galio junto con un photodarlington de silicio en una cubierta plástica. El sistema de empaquetado se diseña para optimizar la resolución mecánica, la eficacia que se junta, el rechazamiento ligero ambiental, el coste y la confiabilidad. El boquete en la cubierta provee de los medios de interrumpir la señal con un material opaco, cambiando la salida de "on" a un estado de "off".

Pin 1 Ánodo Pin 2 Cátodo Pin 3 Colector Pin 4 Emisor Tabla 4.4 Diagrama de Pines

Figura 4.7 Diagrama esquemático.

47


La implementación de éste sensor fue indispensable para el buen funcionamiento del elevador, debido a que sin éstos no habría sido posible la atención a las llamadas. El circuito correspondiente a éste sensor se muestra en la figura 4.8. (Véase Apéndice A para hoja de datos).

Figura 4.8 Diagrama del sensor

4.3 Fuentes de Voltaje Las fuentes de voltaje constituyen una parte importante del proyecto de tesis, ya que se encargan de suministrar energía a todo el sistema. Se requirieron varias fuentes de voltaje para alimentar a los motores, circuitos integrados y sensores. Dichas fuentes poseen varios elementos característicos, como son: 

Transformador



Puente de diodos rectificadores



Regulador de voltaje

48


4.3.1 Transformador El transformador que vamos a utilizar debe tener la función de reducir el voltaje de la línea de 120 [Vca] a 12 [Vcda]. Antes de escoger el transformador a utilizar debemos de tomar en cuenta la corriente que se requiere. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos por dos o más bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce. Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente.

4.3.2 Puente de diodos rectificadores La conversión de corriente alterna a corriente directa necesaria para alimentar a los circuitos se lleva a cabo mediante el proceso de rectificación. El circuito rectificador de onda completa se compone de 4 diodos rectificadores conectados en forma de puente. Esta configuración permite utilizar el total de la señal de entrada. En éste circuito, los diodos, D1 y D3 son polarizados en sentido directo en el semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 son polarizados en sentido inverso.

Figura 4.9 Circuito rectificador de onda

49


La salida tiene la forma de una onda rectificada completa. Esta salida es pulsante y para hacerla más lineal o para evitar el rizo se coloca un capacitor en paralelo con la carga.

4.3.3 Reguladores de voltaje Después de rectificar la corriente alterna, se requiere limitar el voltaje de salida, para ello se utilizan reguladores de voltaje. Estos dispositivos se encargan de entregar a la salida un voltaje constante, independientemente de las variaciones que tenga la entrada. Las fuentes que se utilizaron para alimentar los dispositivos, fueron diseñadas con el regulador LM317T, cuya característica es una salida variable entre 1.2 [Vcd] y 28 [Vcd]. La selección de voltaje se realiza con un potenciómetro en la terminal de ajuste del dispositivo. Las fuentes diseñadas con éste tipo de reguladores poseen transistores que permiten incrementar el consumo de corriente.

50

CAPITULO 5. Programación El control del elevador se realiza mediante el editor V3.1 STEP 7 MicroWIN SP2 (figura 5.1), utilizando el diagrama KOP (diagrama escalera o símbolos eléctricos), existen otros 2 tipos de de diagramas eléctricos como los son el AWL (lista de instrucciones) y el FUP (símbolos lógicos).

Figura 5.1 Editor STEP 7 MicroWIN SP2

El editor funciona mÁs que nada como el enlace entre el programa y el PLC, tanto las entradas y salidas se pueden ver en la computadora y determinar que contactos se van cerrando o el tiempo que lleva un timer trabajando, esto facilita mucho el modo de operación, porqué es fácil saber la causa de que exista un error o qué es lo que esta fallando en los contactos físicos (sensores, botones, interruptores, etc.).

51

Capitulo 5. Programación

5.1 Diagrama de Flujo

B2.-Botón 2; MB2.- Marca de Botón 2; B3.-Botón 3; MB3.- Marca de Botón 3; B4.-Botón 4; MB4.- Marca de Botón 4;

BS2.-Botón Sube 2; S2.-Sensor 2 BB2.-Botón Baja 2; S3.-Sensor 3 S1.-Sensor 1; S4.-Sensor 4

52


5.2 Tablas En el programa se usaron distintas funciones y muchos componentes como lo son timers, contadores, memorias del PLC, etc. Estas instrucciones facilitaron el modo de programación y nos ayudaron a controlar con mayor precisión el elevador, y no tener que lidiar con un set de instrucciones muy prolongado.

5.2.1 Temporizadores Los temporizadores (timers) son registros cuyo contenido se incrementa o decrementa en el transcurso del tiempo, en el caso del diagrama tipo KOP existen 3 tipos de temporizadores: 1.

TON: Conteo sin retención y sin memorización, retardo en bajo.

2.

TOF: Conteo sin retención y sin memorización, retardo en alto.

3.

TONR: Conteo sin retención y con memorización, retardo en bajo.

Es importante señalar que todos los timers cuentan hacia arriba, esto porque hay algunos PLCs que tienen timers que cuentan hacia abajo. En el caso de los timers TON y TONR, cuando se esta llevando a cabo el conteo, el nivel del timer es bajo y sin retención, una vez que alcanza el tiempo que se desea este se pone en nivel alto. Podemos ver un ejemplo de timer tipo TON en la figura 5.2 la cual muestra a un timer que se pondrá en nivel alto al momento de llegar a los 5 seg.

53


Figura 5.2 Timer tipo TON

A continuación se muestran las tabla 5.1 y 5.2 con los tipos de timers que se pueden utilizar y la resolución que tienen. Timers TONR. Tabla 5.1 Timers tipo TONR

Resolución en mSeg.

Máximo valor en Seg.

Timers disponibles

1 10 100

32.767 327.67 3276.7

T0, T64 T1 al T4 y del T65 al T68 T5, T31, T69 al T95

Resolución en mSeg.

Máximo valor en Seg.

Timers disponibles

1 10

32.767 327.67

100

3276.7

T32, T96 T33 al T36 y del T97 al T100 T37 al T63 y del T101 al T255

Timers TON y TOF. Tabla 5.2 Timers tipo TON y TOF

A continuación se muestra en la tabla 5.3, los timers que fueron utilizados en nuestro programa, en esta tabla se puede ver en los comentarios para que son utilizados los timers y de que tipo son, en nuestro caso utilizamos puro timer tipo TON.

54


Tabla 5.3 Timers utilizados en el programa del elevador

NOMBRE

DIRECCIÓN

TIMER_MEM TIMER_MEM2 TIMERP TIMER_LUZ TIMER_FREC TIMER2 TIMER3 TIMER4

T33 T34 T32 T35 T96 T97 T98 T99

COMENTARIO TIMER TIMER TIMER TIMER TIMER TIMER TIMER TIMER

TIPO TIPO TIPO TIPO TIPO TIPO TIPO TIPO

TON TON TON TON TON TON TON TON

CON RES DE 10 mSEG PARA DETENERSE EN EL PISO CON RES DE 10 mSEG PARA DETENER EL TIMER ANTERIOR RESOLUCION 1 m PARA CERRAR LA PUERTA CON RES DE 10mSEG PARA LA LUZ DEL ELEVADOR CON RES DE 1mSEG CON RES 10 mSEG PARA LAS SEGUNDAS INSTRUCCIONES CON RES 10mSEG PARA LAS SEGUNDAS INSTRUCCIONES CON RES 10mSEG PARA EL RESET INTERMEDIO

5.2.2 Contadores Un contador es un registro cuyo contenido se incrementa o decrementa al ocurrir un evento o cumplirse una condición. En nuestro caso existen tres tipos de contadores que son:



CTU: Es un contador que incrementa su registro, necesita una condición para poder contar, un valor para el reset del contador y el ultimo dato indica el valor el cual

Cuando sea alcanzado pondrá en alto el nivel del contador, esto se muestra el la figura 5.3.

Figura 5.3. Contador tipo CTU

55




CTD: Este contador decrementa su registro, es necesario indicar el valor inicial en el que se desea que empiece a contar, en el momento en que el conteo es cero, se activan los contactos del contador, como se muestra en la figura 5.4

Figura 5.4. Contador tipo CTD



CTUD: Este contador es capaz tanto de incrementar, como decrementa su registro, es necesario poner la condición de conteo hacia arriba, como la condición para que cuente hacia abajo, también la condición de reset y el valor que activa los contactos del contador, como se muestra en la figura 5.5.

56


Figura 5.5. Contador CTUD

A continuación en la tabla 5.4 se muestra los contadores que fueron utilizados en el programa, en nuestro caso solo se necesito 1 contador tipo CTUD para medir la cantidad de peso en numero de personas que iban ingresando al elevador

NOMBRE CONTADOR

Tabla 5.4 Contador tipo CTUD utilizado en nuestro programa. DIRECCI N COMENTARIO C10

CONTADOR CTUD PARA LAS PERSONAS QUE ENTRAN Y SALEN

57


5.2.3 Marcas Las marcas son simplemente un tipo de bandera (registro), de 1 bit que puede almacenar información importante para el programa. Sus contactos se activan con un set y se ponen en bajos con un reset. La tabla 5.5 muestra las marcas utilizadas en nuestro programa, es importante leer los comentarios para poder comprender bien porque fueron utilizadas, como el hecho de dejar activado un botón con el solo hecho de oprimirlo una vez. Tabla 5.5 Contenido de las marcas en el programa del elevador. NOMBRE DIRECCI N COMENTARIO MS1 MS2 MS3 MS4 MBA1 MBA2 MBA3 MBA4 SUBE BAJA MBS2 MBB2 MBS3 MBB3 ABRE CIERRA

M1.0 M1.1 M1.2 M1.3 M1.4 M1.5 M1.6 M1.7 M4.0 M4.1 M2.0 M2.1 M2.2 M2.3 M4.2 M4.3

MARCA DEL SENSOR 1 MARCA DEL SENSOR 2 MARCA DEL SENSOR 3 MARCA DEL SENSOR 4 MARCA DEL BOTON 1 MARCA DEL BOTON 2 MARCA DEL BOTON 3 MARCA DEL BOTON 4 EL ELEVADOR SUBE EL ELEVADOR BAJA MARCA DE BOTON SUBE DEL SEGUNDO PISO MARCA DE BOTON BAJA DEL SEGUNDO PISO MARCA DE BOTON SUBE DEL TERCER PISO MARCA DE BOTON BAJA DEL TERCER PISO LA PUERTA ABRE LA PUERTA CIERRA

58


5.2.4 Localidades de Memoria Las localidades de memoria fueron utilizadas en nuestro caso simplemente para guardar un número de un byte, y poder atender las segundas opciones que el usuaria requería, claro está que hay ciertas restricciones que ya fueron mencionadas en el capitulo 3, las localidades de memoria utilizadas en nuestro programa se muestran en la tabla 5.6. NOMBRE MEM_PISO MEM_REGISTRO MEM2_REGISTRO MEM2_PISO MEM3_PISO MEM3_REGISTRO MEM_ATIENDE MEM2_ATIENDE MEM3_ATIENDE MEMORIA2

Tabla 5.6 Localidades de memoria utilizadas en el programa. DIRECCIÓN COMENTARIO VB100 VB103 VB104 VB106 VB107 VB108 VB109 VB110 VB111 VB114

MEMORIA PARA LOS PISOS MEMORIA QUE GUARDA LAS INDICACIONES MEMORIA QUE GUARDA LAS INDICACIONES 2 MEMORIA PARA LOS PISOS 2 MEMORIA PARA LOS PISOS 3 MEMORIA QUE GUARDA LAS INDICACIONES 3 MEMORIA QUE GUARDA INDICACIONES INVERSAS MEMORIA QUE GUARDA INDICACIONES INVERSAS 2 MEMORIA QUE GUARDA INDICACIONES INVERSAS 3 MEMORIA PARA ATENDER PISOS 2

5.3 Programa Mostraremos una parte del programa solamente en este impreso de la tesis, esto por la complejidad que tiene el programa completo, puesto que nos ocuparía gran parte del documento, en caso de que se quiera consultar el programa es posible en la dirección de la unidad de ingeniería eléctrica en el programa de comunicaciones y electrónica, cabe mencionar que es posible que para algunas personas sea mas importante algunos segmentos que los que se mencionan aquí en el impreso, pero creemos que lo mencionado aquí es importante para la comprensión del programa del elevador.

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5.3.1 Inicio del programa En este segmento se muestra el inicio del programa como lo es el almacenamiento de las instrucciones de botones como de sensores, cabe destacar que los símbolos ya fueron explicados en la tabla de entradas y salidas en el capitulo de circuitería. Lenguaje KOP

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Lenguaje AWL

NETWORK 1 // LD INICIO LPS A S1 S MS1, 1 LRD A S2 S MS2, 1 LRD A S3 S MS3, 1 LPP A S4 S MS4, 1

//SET DE LOS SENSORES

NETWORK 2 // LD INICIO LPS A B1 S MBA1, 1 LRD A B2 S MBA2, 1 LRD A B3 S MBA3, 1 LPP A B4 S MBA4, 1

//SET DE LOS BOTONES

5.3.2 Almacenamiento en las localidades de Memoria En lo personal creemos que la forma de almacenar en las localidades de memoria es importante mencionarlo en el contenido de este documento, porque es algo muy útil que puede permitir ahorrar mucho espacio en el programa.

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Lenguaje KOP

Lenguaje AWL

NETWORK 7 //COMBINACIONES DEL 1 AL 3 // LD INICIO AB= MEMORIA, 0 AB= MEMORIA2, 0 AB= MEM_PISO, 13 LPS A MBS2 MOVB 1, MEM_REGISTRO LPP A MBB2 MOVB 2, MEM_ATIENDE

5.3.3 Lógica con los pisos intermedios Como ya se señaló en la capítulo de control, hay cierta lógica que se maneja con los pisos intermedios, aquí hay un ejemplo de cómo se pensó algunas de esas combinaciones. Hay que dejar en claro que el timer que aquí aparece solo se utilizó para hacer las pruebas de si el elevador estaba atendiendo esas peticiones, ya en el programa final se controla por medio de la puerta.

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Lenguaje KOP

Lenguaje AWL

NETWORK 13 //SI VA DEL 1 AL 3 Y QUIERE SUBIR EN EL 2 // LD INICIO AB= MEM_REGISTRO, 1 A S2 AW>= TIMER_MEM, +5 AW<= TIMER_MEM, +550 R SUBE, 1

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NETWORK 14 //SI VA DEL 1 AL 4 Y QUIERE SUBIR EN EL 2, EN EL 3 O EN AMBOS // LD INICIO LPS AB= MEM_REGISTRO, 3 A S2 AW>= TIMER_MEM, +1 AW<= TIMER_MEM, +500 R SUBE, 1 LRD LDB= MEM3_REGISTRO, 1 OB= MEM_REGISTRO, 5 ALD A S3 AW>= TIMER_MEM, +1 AW<= TIMER_MEM, +500 R SUBE, 1 LPP AB= MEM3_REGISTRO, 3 A S2 AW>= TIMER_MEM, +1 AW<= TIMER_MEM, +500 R SUBE, 1

5.3.4 Señales a los Motores Por último mostramos el pequeño programa que se hizo para controlar los motores de pasos, es importante señalar que aquí se maneja una salida de frecuencia, la cual al final del trabajo fue reemplazada por una fuente de frecuencia externa, esto porque el programa era muy extenso y hacía que la frecuencia fuera muy baja.

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Lenguaje KOP

Lenguaje AWL

NETWORK 47 //FRECUENCIA PARA EL MOTOR // LD INICIO AN TIMER_FREC TON TIMER_FREC, +22 NETWORK 48 //SE MANDA LA FREC // LD INICIO AW<= TIMER_FREC, +11 = FRECUENCIA

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NETWORK 49 // LD INICIO LPS A SUBE AN BAJA S CW, 1 LPP A BAJA AN SUBE R CW, 1

//EL MOTOR SUBE Y BAJA

NETWORK 50 // LD INICIO LD SUBE O BAJA ALD = ENABLE

//HABILITA EL ENABLE

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Conclusiones El elevador esta diseñado para soportar la mayoría de las demandas que pueden ser requeridas por el usuario, creemos que es muy útil en ciudades grandes en donde la gente vive en departamentos y tienen su elevador propio, diseñado para atender las primeras opciones y dejar fuera las secuencias de “ juegos” que nunca faltan en este tipo de mecanismos. Los sensores fueron de gran ayuda para la localización del elevador y el movimiento de los motores aunque en un principio se tuvo problemas para poder controlarlos; se logró finalmente con ayuda de nuestros asesores controlar sin problema y quedando satisfechos de haber decidido utilizarlos. Para programar con el V3.1 STEP 7 MicroWIN SP2 fue necesario desarrollar primero un algoritmo y un diagrama de flujo, gracias a esto no se complicó tanto la programación, aún teniendo en cuenta que el programa quedó muy extenso y si no se hubiera tenido un objetivo claro seguramente se hubiera complicado la programación y con esto hubiera sido más prolongado el trabajo. Sabemos que se pueden hacer muchas mejoras sobre el elevador, una de las más importantes en nuestro punto de vista sería el modo de implementar un mecanismo de seguridad, el cual respaldé cualquier accidente que pudiera ocurrir en caso de que se desprendiera la banda que sostiene el elevador. Otra mejora que se podría adaptar sería ver cuales son las instrucciones más solicitadas y hacer el respaldo en la memoria para que ahorre tiempo a los usuarios. Si se desea retomar en un futuro esta tesis, hacemos la recomendación de que midan bien el peso que se desea mover, que la estructura sea fabricada de una manera en la que se pueda acceder fácilmente porque puede haber algunas fallas a la hora de montar la

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Conclusiones

circuitería y de no ser fácil el acceso vendrían más complicaciones que podrían cambiar de alguna forma el modo de operación del elevador. Por último nos gustaría señalar que lo que nos presentó más problemas fue el sistema mecánico, el hecho de cómo mover el elevador y la puerta mas rápido, esto es porque quizás no se tiene el conocimiento necesario en estos sistemas, como el manejo de trenes de engranes, o el poder implementar algún sistema hidráulico, componentes que podrían incorporarse en una siguiente etapa, trabajando conjuntamente con un tesista o asesor de Ingeniería Mecánica, o bien que se ofrecieran materias optativas de mecánica y neumática para facilitar la elaboración de este tipo de tesis.

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Apéndice A. Hojas de datos

Apéndice A: Hojas de datos HOJAS DE DATOS DE LOS SIGUIENTES CIRCUITOS. 1.- IRFZ44N 2.- L297 3.- DM74SL47 3.- LM324 4.- LM741 5.- H21B1 5.- LM555

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LM324

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Controlador de Un Elevador Con El PLC S7-200 (7)

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