INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD ZACATENCO AUTOMATIZACION DE UN LAZO DE POSICIÓN PARA UN MOTOR DE INDUCCION POR MEDIO DE UN CONTROLADOR PROGRAMABLE DE AUTOMATIZACION (PAC) T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO CONTROL Y AUTOMATIZACION PRESENTA: SALINAS MENDEZ MARCO ALEJANDRO ASESOR: M EN C HUERTA GONZÁLEZ PEDRO Mexico DF 2016 DEDICATORIA En este presente trabajo de tesis, me gustaría agradecer primeramente a Dios por bendecirme durante toda mi trayectoria profesional y por hacer realidad este sueño. A mis Padres con la mayor gratitud por todos sus esfuerzos, desvelos y sacrificios para que yo pudiera terminar mi carrera profesional. Por todo el apoyo y consejos que me dieron es esos momentos de duda. Por haberme dado todo y por enseñarme a luchar por lo que se quiere. Gracias por guiar mi camino y estar siempre junto a mí en los momentos difíciles. Por todo esto y más, este triunfo también es de ustedes. A mis profesores, gracias por ayudarme a hacer posible un logro más; el cual no será el último, pero quizá el más importante. Gracias por la fe que depositaron en mí y el conocimiento que me dieron sin esperar nada a cambio más que el orgullo de hacer de mí un triunfador. Con mucho cariño y respeto: Marco Alejandro Salinas Méndez PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA A continuación se aborda el tema de la automatización industrial, conforme a esto se plantea el diseño de un tablero de entrenamiento que sirve como apoyo a la formación de Ingenieros en Control y Automatización en los Laboratorio Pesados 1 en ESIME Zacatenco. Una vez planteado esto se asentarán los objetivos que debe cumplir el proyecto en curso y se hará referencia a otros proyectos similares para tener en cuenta su funcionamiento y así mejorarlo. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL La automatización es la facultad que poseen algunos procesos físicos para desarrollar las actividades de operación y funcionamiento en forma autónoma, es decir, por cuenta propia. En Sistemas de Producción Industrial, los procesos de producción son operaciones o fases que definen un estado de un producto (o servicio) o consiguen su estado final. Estas operaciones se realizan a través de actividades de producción, siendo éstas las que transforman materia y energía, incluso información, desde un estado (físico, químico y biológico) a otro. En síntesis, la Automatización Industrial se puede entender como la facultad de autonomía o acción de operar por sí solo que poseen los procesos industriales y donde las actividades de producción son realizadas a través de acciones autónomas, y la participación de fuerza física humana es mínima y la de inteligencia artificial, máxima. Hay que recordar que ésta es producto de la inteligencia natural, pero su manifestación en los sistemas de control es mediante la programación en los distintos tipos de procesadores, por lo que es artificial. En general, las cosas y los sistemas se crean y se desarrollan fundamentalmente por la necesidad. En este caso, la Automatización Industrial es causada por las mejoras al producto y a su proceso de fabricación. Asociado al producto (semielaborado o terminado) se tienen parámetros como cantidad, calidad, mercado, métodos de producción, gestión y planificación de la producción, economía de producción y otros. Es aquí donde la Automatización toma cuerpo, sentido y se despliega en toda su expresión. En los últimos años, la Automatización participó en las dos últimas revoluciones industriales de las tres que existen a la fecha. En la primera, las operaciones industriales pasaron a ser más mentales y creativas, con lo que se logró un mejor control de los procesos. En la segunda, la informática y las comunicaciones son componentes de un sistema altamente automatizado, realizando la integración total de un sistema de producción, uniendo la gestión empresarial con las funciones de campo o terreno (actividades de producción). La Automatización Industrial se hace posible mediante los Sistemas de Control, que son organizaciones de equipos e instrumentos (lo físico), que combinados con procedimientos mentales o algorítmicos (lo inteligente) trabajan en torno a propósitos previamente establecidos (lo deseado). Las funciones principales de un Sistema de Control son la observación del proceso y sus variables a automatizar, el acondicionamiento de las variables y parámetros observados, el procesamiento de esta información y su comparación con lo deseado y, posteriormente, la acción de corrección de los elementos terminales para conseguir lo deseado. Los Sistemas de Control se manifiestan desde un sistema muy simple (univariable) hasta altamente complejo (multivariable, multiprocesamiento y/o multitarea). Este grado de complejidad se dará según el tipo de instrumentación a usar, el tipo de procesamiento y los alcances que se desea dar a la automatización. Estos alcances dependerán de situaciones como, por ejemplo, Supervisión y Control de la Producción (integración global del Sistema de Producción), Control de Procesos Industriales (manejo y regulación de variables del sistema), Sistemas de Seguridad en la Producción (alarmas del sistema, protección de personas y dispositivos dentro del proceso productivo), Métodos de Producción (tipo On- Off, secuencias, discontinua, continua, producción por unidad, por lotes o batch, por masa o volumen) y finalmente, el factor económico (la inversión hacia el sistema de control). OBJETIVO GENERAL Implementar el sistema de posición de un motor de inducción por medio de un controlador programable de automatización (PAC) y darle un enfoque didáctico como módulo de entrenamiento, integrando diversos dispositivos con conectividad Ethernet. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Implementar a un tablero de control Controlar la posición y velocidad del motor de inducción. Realizar un control distribuido por medio de la red Ethernet. JUSTIFICACIÓN El hecho de automatizar un módulo de entrenamiento aplicado a la posición de un motor de inducción, se debe a que, en la industria nos vamos a encontrar en numerosas ocasiones el problema de medir ciertas distancias para saber si nuestra herramienta ha llegado a la posición indicada. También nos servirá como seguridad en nuestros sistemas para garantizar la posición de nuestros productos. Existen industrias en donde predomina la precisión y sin duda las medidas tienen que ser exactas, de lo contrario los resultados pueden llegar a ser catastróficos. En muchos lugares, la formación que dan las escuelas hacia los estudiantes, solo es teórica y cuando los egresados se enfrentan con problemas en la industria, tienen dificultades principalmente con la forma de conectar los equipos eléctricos ya que conocen el funcionamiento pero carecen de las habilidades prácticas. Es por eso que el Instituto Politécnico Nacional se encuentra a la vanguardia en la preparación de ingenieros ya que ataca los dos ámbitos tecnológicos, tanto práctico como teórico; uno de los puntos clave de esto es que se cuenta con equipo reciente y de las marcas más conocidas en la industria, tal como Allen Bradley, Festo y Siemens entre otras. Estos equipos están comunicados vía Ethernet por medio de un Switch. Es por esta razón y con el fin de preparar de una mejor manera a los estudiantes de la escuela ESIME Zacatenco. El sistema estará integrado con dispositivos que se enlazan con una red Ethernet/IP. se propone implementar un lazo de posición para un motor de inducción para poder darle un enfoque de módulo didáctico. . (extensiones o puntos de entradas y salidas). un módulo Point I/O 1734–AENT. control neumático. por medio de CompactLogix 1756. un Encoder para el controlar la posición del motor.EI instituto cuenta con equipo didáctico en la preparación en diversas aéreas tecnológicas como son control electromagnético. un variador de frecuencia PowerFlex 525 para controlar la velocidad del motor. entre otros muchos dentro de la carrera de control y automatización. control electro neumático. 2 dentro de una red profibus y se diseñó el control de posición del motor por medio de la implementación de un lazo cerrado utilizando un encoder incremental. CONTROL DE POSICIÓN DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN ASÍNCRONO EN LAZO CERRADO.ANTECEDENTES SOBRE TRABAJOS DESARROLLADOS A continuación se abordan algunos trabajos relacionados con la automatización de lazo de posición. Además se implementó un HMI (Human-Machine Interface) por medio del panel de operación TD200 para facilitar el ajuste de los valores de control al usuario . En este trabajo se implementó un control de posición simple para motor trifásico asíncrono por medio del software Easy Motion V. .CAPÍTULO I ESTADO DEL ARTE En Este capítulo se abordan los temas con mayor relevancia para poder desarrollar y comprender el funcionamiento del proyecto de una manera más sencilla. pero el aspecto más importante es la garantía de ejecución completa del programa principal. Estos controladores son utilizados en ambientes industriales donde la decisión y la acción deben ser tomadas en forma muy rápida. permitiendo la implementación de funciones específicas como ser: lógicas. La ejecución del programa puede ser interrumpida momentáneamente para realizar otras tareas consideradas más prioritarias.1. estructura y características como a continuación se muestran. con el objeto de controlar máquinas y procesos. para responder en tiempo real.1 EL PLC Y SUS COMPONENTES Para comenzar a tocar el tema de los Controladores Lógicos Programables se deben conocer los conceptos básicos.1.1 DEFINICIÓN Según lo define la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de los Estados Unidos. 1. . de conteo y aritméticas. También se puede definir como un equipo electrónico. Programable Logic Controller (Controlador Lógico Programable) es un dispositivo digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones. Los PLC son utilizados donde se requieran tanto controles lógicos como secuenciales o ambos a la vez. el cual realiza la ejecución de un programa de forma cíclica. temporizadas. un PLC. secuenciales. entre otras. o control de instalaciones. Sus reducidas dimensiones. la modificación o alteración de los mismos.2 CAMPOS DE APLICACIÓN El PLC por sus características especiales de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. Por tanto. su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales. la extremada facilidad de su montaje. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo.1. para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización. hace que su eficacia se aprecie principalmente en procesos en que se producen necesidades tales como: 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 .1. control y señalización. principalmente. ello es debido.1. ya que por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos . Tales consideraciones obligan a referirse a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS No todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada. es preciso simplificar las ecuaciones lógicas. debido a que no es necesario dibujar previamente el esquema de contactos. Ventajas Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos.Ejemplos de aplicaciones generales: Maniobra de máquinas Maquinaria industrial de plástico Máquinas transfer Maquinaria de embalajes Maniobra de instalaciones: instalación de aire acondicionado. calefacción Instalaciones de seguridad Señalización y control 1. a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. 2 ESTRUCTURA BÁSICA La estructura básica de un PLC (Figura 2. Además de aumentar la fiabilidad del sistema.1) está compuesta por: La CPU Las interfaces de entradas Las interfaces de salidas . los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías Desventajas Como inconvenientes podríamos hablar. lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido. al eliminar contactos móviles.Mínimo espacio del tablero donde se instala el PLC Menor costo de mano de obra de la instalación Economía de mantenimiento. inclusive en universidades El costo inicial 1. de que hace falta un programador. en primer lugar. Esta capacitación puede ser tomada en distintos cursos. llamado sistema operativo. Este programa no es accesible por el usuario y se encuentra grabado en una memoria que no pierde la información ante la ausencia de alimentación. el procesador necesita un programa escrito por el fabricante.2. en una memoria no volátil . es el responsable de la ejecución del programa desarrollado por el usuario. 1 Estructura básica de un PLC 1.Figura 1. y entre el microprocesador y los bornes de entrada/ salida Ejecutar los programas de autodiagnósticos Para poder realizar todas estas tareas.1 DEFINICIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES Procesador: es el “cerebro” del PLC. es decir. Tareas principales: Ejecutar el programa realizado por el usuario Administración de la comunicación entre el dispositivo de programación y la memoria. Señales de entradas y salidas Variables internas. En las memorias el PLC debe ser capaz de almacenar: Datos del proceso. bytes (grupo de 8 bits). las tablas o registros de entradas/salidas y los registros de variables o bits internos están asociados a distintos tipos de memoria La capacidad de almacenamiento de una memoria suele cuantificarse en bits.Memoria: Los PLC’s tienen que ser capaces de almacenar y retirar información. programa Configuración del autómata Tanto el sistema operativo como el programa de aplicación. Las memorias son miles de cientos de localizaciones donde la información puede ser almacenada. Como debe permanecer inalterado y el usuario no debe tener enlaces a él. para ello cuentan con memorias. se guarda en una memoria como las ROM (Read Only Memory). que son memorias cuyo contenido no se puede alterar inclusive con ausencia de alimentación. . de bit y de palabra Datos alfanuméricos y constantes Datos de control: Instrucciones de usuario. Estas localizaciones están muy bien organizadas. o words (grupo de 16 bits). Un bit es una posición de memoria que puede tomar valor “0” ó “1” Un byte son 8 posiciones de memoria agrupadas Una palabra o word son 16 posiciones de memoria agrupadas El sistema operativo viene grabado por el fabricante. unidades de conteo y relés internos. esta memoria es capaz de guardar información originada en el microprocesador incluyendo: tiempos. ese cambio será registrado inmediatamente en esta memoria. como para almacenar datos durante su ejecución y/o retenerlos luego de haber terminado la aplicación. esta codificación asigna a una única entrada o salida. 2 Relación entre las terminales de entrada o de salida con una localización específica en el registro de E/S Los bornes de conexión de los PLC tienen la misma identificación que la dirección de los registros. Si un cambio ocurre en los dispositivos de entrada o salida. una terminal y consecuentemente un dispositivo de entrada o salida.Tipos de memoria: a) La memoria de datos También llamada tabla de registros (Figura 2. Este tipo de memorias contiene la información sobre el estado presente de los dispositivos de entrada y salida. Como puede verse. bit 01. En resumen.2). Por ejemplo. . Figura 1. los bornes de la entrada 001 están relacionados con el lugar de la memoria de datos que se encuentra en la palabra 00. se utiliza tanto para grabar datos necesarios a los fines de la ejecución del programa. En el caso de usar memorias EEPROM la información no se pierde al quitar la alimentación. Los dispositivos de entrada y salida son aquellos equipos que intercambian (o envían) señales con el PLC. 1. por tal motivo para guardar esta información se utilizan memorias tipo RAM (Random Access Memory) que son muy rápidas. . cambiando o modificando su entorno. ya que este tipo de memoria se borra con la ausencia de alimentación. entre otras. posición.2 ENTRADAS Y SALIDAS Dispositivos de entrada. Los dispositivos de salida (Figura 1. o EEPROM. Cada dispositivo de entrada es utilizado para conocer una condición particular de su entorno. etc. ópticos. En el caso de usar memorias tipo RAM será necesario también el uso de pilas.3) son aquellos que responden a las señales que reciben del PLC. como temperatura. además debe ser fácil de leer. pulsadores.b) Memoria de usuario Es la memoria utilizada para guardar el programa. Entre estos dispositivos podemos encontrar: Sensores inductivos magnéticos. presión. escribir o borrar.2. encoders. RTD’s. La velocidad con que se pueden escribir y leer el estado de las entradas y salidas juega un papel importante en la velocidad de operación del PLC. Por eso es que se usa para su almacenamiento memorias tipo RAM. El programa construido por el usuario debe permanecer estable durante el funcionamiento del equipo. termopares. A estas memorias se la llama memoria del usuario o memoria de programa. Entre los dispositivos típicos de salida se pueden encontrar: Contactores de motor Electroválvulas Indicadores luminosos o simples relés Generalmente los dispositivos de entrada. Figura 1. para que éste las pueda reconocer. En este caso las señales que entran y salen del PLC deben ser acondicionadas a las tensiones y corrientes que maneja el microprocesador. los de salida y el microprocesador trabajan en diferentes niveles de tensión y corriente. . estado lógico 1 ó 0 (Figura 1. 3 Dispositivos de entradas y salidas Las entradas se pueden clasificar en: a) Entradas Digitales También llamadas binarias u “on-off”.4). son las que pueden tomar sólo dos estados: encendido o apagado. Ésta es la tarea de las interfaces o módulos de entrada o salida. Figura 1. La diferencia entre dispositivos con salida PNP o NPN es como la carga (en este caso la carga es la entrada del PLC) está conectada con respecto al neutro o al positivo. sino que cambian en pasos o en incrementos discretos en su rango. 24 ó 48 VCD y otros para tensión de 110 ó 220 VCA. 4 Señal binaria digital Los PLC’s modernos tienen módulos de entrada que permiten conectar dispositivos con salida PNP o NPN en forma indistinta (Figura 1. . La mayoría de las señales digitales utilizan códigos binarios o de dos estados. Cuando por un borne de entrada llega tensión.Los módulos de entradas digitales trabajan con señales de tensión. 5 Entrada de común positivo o negativo estándar Las señales digitales en contraste con las señales analógicas no varían en forma continua. se interpreta como “1” y cuando llega cero tensión se interpreta como “0”. Existen módulos o interfaces de entradas de corriente continua para tensiones de 5. 12. Figura 2.5). Este indicador (casi siempre un LED) se encenderá con la presencia de tensión en la entrada y se apagará en caso contrario Aislamiento: en la mayoría de los PLC las entradas se encuentran aisladas para que. 6 Estructura típica de las entradas del PLC Rectificador: en el caso de una entrada de corriente alterna.6) Figura 1. y lleva la tensión al nivel manejado por el CPU Indicador de estado: en la mayoría de los PLC existe un indicador luminoso por cada entrada.Las entradas discretas. sin perjudicar el resto del PLC . En el caso de una señal de corriente continua. tanto las de la corriente continua como las de la corriente alterna. en caso de sobretensiones externas. el daño causado no afecte más que a esa entrada. detecta los niveles de señal para los cuales conmuta el estado lógico. convierte la señal en continua. impide daños por inversión de polaridad Acondicionamiento de señal: elimina los ruidos eléctricos. están compuestas por una estructura típica que se puede separar en varios bloques (Figura 2. Los módulos de entradas analógicas son los encargados de traducir una señal de tensión o corriente proveniente de un sensor de temperatura. que puede ser de 4-20mA.7) con un convertidor A/D de 8 bits podrá dividir el rango de la señal de entrada en 256 valores. Recorrer este camino le lleva un tiempo que es llamado: tiempo de respuesta de la entrada. Una entrada analógica (Figura 1. 0-5 VCD o 0-10 VCD. velocidad. posición. o cualquier otra magnitud física que se quiera medir en un número para que el PLC la pueda interpretar. . y retorna al estado 0 en un tiempo inferior al tiempo de respuesta de la entrada. es posible que le PLC no llegue a leerla.Circuito lógico de entrada: es el encargado de informar a la CPU el estado de la entrada cuando éste lo interrogue Cuando la señal llega hasta los bornes del PLC tiene que atravesar todos estos bloques. b) Entradas Analógicas Estos módulos o interfaces admiten como señal de entrada valores de tensión o corriente intermedios dentro de un rango. Si una variable de proceso pasa al estado lógico 1. Este número es guardado en una posición de la memoria del PLC. presión. convirtiéndola en un número. En particular es el convertidor analógico digital (A/D) el encargado de realizar esta tarea. Un aspecto a analizar es el tiempo mínimo de permanencia o ausencia de una señal requerida para que el PLC la intérprete como 0 ó 1. aceleración. Existe una gran cantidad de módulos de salida discreta. 7 Señal analógica Los módulos de salida digital permiten al PLC actuar sobre elementos que admitan órdenes de tipo prendido . .off”. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé interno del PLC. todo o nada u “on .8. en el caso de módulos de salidas a relé.Figura 1. todos ellos con la misma estructura que se presenta en la Figura 1.apagado. Por lo cual si esta protección actúa dejarán de funcionar todas las salidas asociadas a ese borne común El tiempo de respuesta de la salida. 8 Estructura típica de las salidas del PLC Circuito lógico de salida: es el receptor de la información enviada por la CPU Aislamiento: cumple la misma función que en las interfaces de entrada Indicador de estado: también tiene la misma función que en la entrada Circuito de conexión: está compuesto por el elemento de salida al campo que maneja la carga conectada por el usuario. Existen cuatro posibilidades para el circuito de conexión de una salida: . Protección: son internas al PLC y pueden ser fusibles en serie con los contactos de salida. se denomina tiempo de respuesta de la salida al tiempo que tarda una señal para pasar por todos los bloques.Figura 1. es éste el que lleva asociada la protección. o algún circuito RC. alguna protección electrónica por sobrecarga. al igual que en las entradas. Recordar que en caso de que más de una salida use un solo borne de referencia. Figura 1. Siendo la corriente estimada en unas 30 veces a la corriente de consumo nominal. Una buena práctica en la instalación es verificar que la corriente máxima que consume la carga esté dentro de las especificaciones de la salida del PLC. que tienen la tendencia a devolver corriente al circuito cuando son conectadas. el PLC aplicará internamente tensión a la bobina del relé. Cuando el programa active una salida. tanto para la conexión como para la desconexión.9. Salida a relé Es una de las más usuales. Los tiempos de conmutación de estos tipos de salidas llegan a los 10 ms. el PLC desactiva la bobina abriendo así los contactos. Esta tensión hará que se cierren los contactos de dicho relé. Algunas cargas son muy problemáticas. Los relés son internos al PLC. Cuando el programa desactiva una salida. por ejemplo las cargas inductivas. Esto genera picos de voltaje que pueden dañar la salida a la que está conectada la carga. Para minimizar estos riesgos se utilizan comúnmente diodos. Suelen soportar hasta 2A de corriente. 9 Contacto de salida a relé .1. Con ellos es posible conectar tanto cargas de corriente alterna como continua. En ese momento una corriente externa pasará a través de esos contactos y así se alimentará la carga. varistores u otros circuitos de protección. El circuito típico es el que se muestra en la Figura 2. Al igual que los transistores. El circuito típico se muestra en la Figura 2. . Internamente en el PLC se realiza una conversión digital analógica (D/A). de baja potencia (hasta 0. Salidas por triac Manejan corrientes alternas. En este tipo de salida el transistor es el encargado de conectar la carga externa cuando el programa lo indique.10. Salidas analógicas Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del autómata se convierta en tensión o corriente. que es un elemento electromecánico. 10 Contacto de salida a transistor 3. por ser semiconductores tienen una vida útil mucho mayor que la del relé.2. 4. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y en un intervalo determinado de tiempo (período muestreo). puesto que el autómata sólo trabaja con señales digitales. Pero tienen tiempos de conmutación que rondan el milisegundo y una vida útil mucho mayor que la de los relés. Figura 1.5 A). Salidas a transistor Sólo son capaces de operar con corriente continua. como pueden ser las válvulas proporcionales.3 ALIMENTACIÓN La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de los distintos circuitos del sistema. en alterna a 48/110/220 VCA o en continua a 12/24/48 VCD. o de 110/220 VCA. etc. En cualquier caso es el propio CPU el que alimenta las interfaces conectadas a través del bus interno. 1. con todo lo que ello supone: herramientas más potentes.Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores que admitan mando analógico.2. Permite programar desde un ordenador personal estándar.4 UNIDAD DE PROGRAMACIÓN El autómata debe disponer de alguna forma de programación. posibilidad de almacenamiento en soporte magnético. La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse.2. monitorización mediante software. impresión. . es la forma más cómoda empleada en la actualidad. los variadores de velocidad. las etapas de los tiristores de los hornos. entre otros. Permitiendo al autómata realizar funciones de regulación y control de procesos continuos. la cual se suele realizar empleando la PC. 1. transferencia de datos. La alimentación al CPU frecuentemente es de 24 VCD. los reguladores de temperatura. el PAC se torna en un emergente. 1. cálculo y desempeño de un computador industrial. Este controlador combina eficientemente la fiabilidad de control de un autómata o PLC junto a la flexibilidad de monitorización. una nueva clase de controladores. Los PAC’s pueden utilizarse en el ámbito investigador y de laboratorios. al diseño de equipos para laboratorios y a la medición de magnitudes análogas. PAC. el nuevo acrónimo. módulos de entradas y salidas. pero es sobre todo en el industrial. Lazos de control robusto Adquisición de datos de precisión . significa Controlador de Automatización Programable y es utilizado para describir una nueva generación de controladores industriales que combinan la funcionalidad PLC y PC.1 DEFINICIÓN Un PAC (Programmable Automation Controller) es una tecnología industrial orientada al control automatizado avanzado. creado por la Corporación de Investigación de Automatización (ARC). El PAC se refiere al conjunto formado por un controlador (una CPU típicamente).3.1.3 NUEVA TECNOLOGÍA EN AUTOMATIZACIÓN: PAC’S Por más de una década se ha tenido el debate acerca de las ventajas y desventajas de utilizar PLC’s (Controladores Lógicos Programables) comparados con el control basado en PC’s. A medida que se incrementan las diferencias entre las PC’s y PLC’s. y uno o múltiples buses de datos que lo interconectan todo. para control de máquinas y procesos. A destacar los siguientes: múltiples lazos cerrados de control independiente. con los PLC’s utilizando el hardware de anaqueles (COTS) y sistemas PC incorporando sistemas operativos en tiempo real. El acrónimo PAC es utilizado por vendedores tradicionales de PLC para describir los sistemas de alto desempeño. 3 CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO Las plataformas PAC’s ofrece procesadores de última generación como los Intel Core 2 Dúo o incluso Core Quad de punto flotante. puede combinar diferentes sistemas de adquisición de datos como frecuencias. control de movimiento y robótica Seguridad controlada Administración de recursos ARP o SAP.3. voltajes. además de otros controles robustos como redes neuronales o lógica difusa. visión artificial. Esto crea un nivel sin precedentes de manipulación y estandarización en términos del tipo de señales que pueden manipularse y procesarse. es la habilidad para procesar y desempeñar medidas complejas. Con esta característica. . analizar y extraer información de estas señales. y proporciona la habilidad para ejecutar cientos de iteraciones y cálculos PID simultáneamente. control de movimiento e incluso. 1. Los PAC’s ofrecen cientos de funciones para procesar. corrientes. adquisición de imágenes. formas de onda. entre otros 1.Análisis matemático y memoria profunda Monitorización remota.3.2 VENTAJAS DE LOS PAC’S EN LA ADQUISICIÓN DE DATOS Una ventaja de los PAC al compararse con los PLC’s. 1.4 DIFERENCIAS Y SIMILITUDES ENTRE EL PLC. un PAC y una PC. a continuación se toca el tema específico de la red Ethernet.4 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL Al hablar de automatización. 1 Comparación entre PLC y PAC Características Soporta shocks eléctricos y vibración Seguridad y estabilidad Rangos de temperatura industriales Trabajo en tiempo real Entradas de fuente de poder redundantes Procesador de punto flotante Memoria no volátil Conectividad a Ethernet vía WEB Capacidad de administración de recursos Capacidad ilimitada de lazos de control PLC SI SI SI SI SI NO NO NO NO NO PAC SI SI SI SI SI SI SI SI SI SI PC Estándar NO NO NO NO SI SI SI SI SI 1. . PAC Y PC En la Tabla 1.3. es muy común tocar el tema de las comunicaciones industriales. ya que a partir de ellas se pueden transmitir datos y realizar acciones de control entre diferentes equipos en una misma red.1 se muestra una comparación con las características más significativas entre un PLC. Tabla 1. Pese a que puedan estar distanciados entre sí. De esta manera. La comunicación digital debe integrar la información provista por los elementos de campo en el sistema de control de procesos. actuadores y equipos de control en una planta de procesamiento. Muchos sistemas están conformados por equipos de diferentes fabricantes y funcionan en diferentes niveles de automatización. sin necesidad de estar a pie de fábrica . Entre estos dispositivos están los autómatas programables.1. la comunicación entre la sala de control y los instrumentos de campo se ha convertido en realidad. entre otras. El objetivo principal es la comunicación totalmente integrado en el sistema. las siguientes: Visualización y supervisión de todo proceso productivo Toma de datos del proceso más rápida o instantánea Mejora del rendimiento general de todo el proceso Posibilidad de intercambio de datos entre sectores del proceso y entre departamentos Programación a distancia.1 LAS COMUNICACIONES Y LA INDUSTRIA La comunicación en las plantas industriales es imprescindible la industria moderna. ordenadores de diseño y gestión sensores. son. a menudo se desea que trabajen de forma coordinada para un resultado satisfactorio del proceso. actuadores. aumentando el rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades. las aplicaciones industriales basadas en comunicación digital se han incrementado haciendo posible la conexión de sensores.4. Esto reporta la máxima flexibilidad y permite integrar sin problemas productos de otros fabricantes a través de las interfaces software estandarizados. En los últimos años. etc. El desarrollo de las redes industriales ha establecido una forma de unir todos estos dispositivos. En la industria coexisten una serie de equipos y dispositivos dedicados al control de una máquina o una parte cerrada de un proceso. Esta integración total se conoce como CIM (computer integrated manufacturing). Las ventajas que se aportan con una red industrial y cuyo costo debe ser estudiado. Se suele emplear una red de tipo LAN. aunque también tienen cabida relé superiores como Ethernet industrial bajo ciertas premisas que aseguren el determinismo la red. controladores PID. A este nivel se sitúan los autómatas de gama alta y los ordenadores dedicados al diseño. en el cual se supervisan las ventas. programación. En este nivel se emplean los buses de campo tradicionales. etc. Figura 1. Nivel de campo y proceso: se encarga de la integración de pequeños automatismos (autómatas compactos. Nivel de control: se encarga de enlazar y dirigir las distintas zonas de trabajo. En el nivel más alto de estas redes se suelen encontrar uno o varios autómatas modulares. stocks.11. Tradicionalmente se define cuatro niveles dentro de una red industrial como se muestra en la Figura 1. e incluso de múltiples factorías. actuando como maestros de la red o maestros flotantes. multiplexores de E/S. etc. los cuales suelen agruparse jerárquicamente para establecer conexiones lo más adecuadas a cada área. Las máquinas aquí conectadas suelen ser estaciones de trabajo que hacen de puente entre el proceso productivo y el área de gestión. etc.) Dentro de sub-redes o “islas”. Se emplean una red de tipo LAN (Local Área Network) o WAN (Wide Área Network).En una red industrial coexistirán dispositivos de todo tipo. 11 Niveles jerárquicos de una red industrial Nivel de gestión: es el más elevado y se encarga de integrar los niveles siguientes en una estructura de fábrica. . control de calidad. 1.3 que difiere ligeramente de la especificación Ethernet. que agilizan el tráfico de la red. Este hecho ha provocado que Ethernet se haya incorporado definitivamente al entorno industrial como un medio de transmisión fiable. Fue desarrollada inicialmente por Xerox Corporation y Digital Equipement Corporation. habrá casos en los que conste que un número mayor o menor de niveles. Ethernet se ha convertido rápidamente en un estándar “de facto” por el gran número de equipos que existen en el mercado y la gran cantidad de software desarrollado para esta red. Sin embargo se han desarrollado especificaciones para que la red Ethernet se pueda implementar sobre otros soportes físicos: par trenzado. no es universal. Es más.4. . etc.2 ETHERNET INDUSTRIAL Ethernet es una especificación para redes de área local que comprende el nivel físico y el nivel de enlace del modelo de referencia ISO/OSI. rápido y prácticamente determinista. aumenta el número de nodos que se pueden conectar a una red local y minimizan tanto la posibilidad de pérdida de mensajes. y ha sido la base para el desarrollo del estándar IEEE 802.Nivel de E/S: es el nivel más próximo al proceso. el original control de acceso al medio CSMA/CD ha sido prácticamente desplazado por las técnicas de conmutación (Ethernet conmutada). encargados de manejar el proceso productivo y tomar las medidas necesarias para la correcta automatización y supervisión. modificándose la señal en banda base mediante el código Manchester. retardo de propagación de estos hasta su destino. Se trata de sustituir los sistemas de cableado tradicionales por buses de campo de prestaciones sencillas y sistemas de periferia descentralizada. Esta estructura sin embargo. fibra óptica. dependiendo del tamaño del proceso y la propia industria. Se implementa originalmente sobre cable coaxial. Aquí están los sensores y actuadores. aumentan el ancho de banda de transmisión disponible. y soportando mayores velocidades de transmisión. Se implementa en principio sobre una topología bus serie con mecanismo CSMA/CD para el control del acceso al medio (MAC). Ethernet/IP ha sido diseñada para satisfacer la gran demanda de aplicaciones de control compatibles con Ethernet.3 DEFINICIÓN Ethernet/IP. el protocolo que permite la transmisión de mensajes de E/S en tiempo real e información/transmisión de mensajes entre dispositivos similares 1.1. no es de extrañar que Ethernet brinde la mayor comunidad de proveedores del mundo. Esta solución estándar para la interconexión de redes admite la transmisión de mensajes implícita (transmisión de mensajes de E/S en tiempo real) y la transmisión de mensajes explícita (intercambio de mensajes). se disfruta de la posibilidad de obtener acceso a datos en el nivel de los dispositivos mediante Internet. estándar del sector para Ethernet Protocolo de control e información (CIP). es una abrebiatura de “Ethernet Industrial Protocol” (Protocolo Industrial Ethernet). es una solución abierta estándar para la interconexión de redes industriales que aprovecha los medios físicos y los chips de comunicaciones Ethernet comerciales. Ethernet/IP es una red abierta que utiliza tecnología comercial ya existente.4.4. Al utilizar la tecnología Ethernet. como: El estándar de vínculo físico y de datos IEEE 802. además.3 El conjunto de protocolos Ethernet TCP/IP (Protocolo de control de transmisión/Protocolo Internet).4 MODELO OSI DE ISO El modelo OSI (Open Systems Interconnection) de ISO (International Stardards Organozation) fue una propuesta para la estandarización de las redes de ordenadores que permite interconectar sistemas abiertos y ofrece al usuario la posibilidad de garantizar la interoperabilidad de los . sino que. Si se tiene en cuenta que la tecnología Ethernet se utiliza desde mediados de los años setenta y su gran aceptación en todo el mundo. no sólo sigue una tendencia tecnológica común actualmente. productos entre sí. Figura 1. El número de capas será suficientemente grande como para que funciones diferentes no estén en la misma capa. Cada etapa deberá realizar una función bien definida 3. no es una arquitectura de red puesto que no especifica el protocolo que debe usarse en cada capa.12) por sí mismo. 12 Niveles del modelo OSI A continuación se describen las funciones de cada una de las 7 capas: . La función que realiza cada etapa deberá seleccionar se toman en cuenta la minimización del flujo de información a través de las interfaces entre capas 4. ajustándose a las funciones de cada una de las capas. estos protocolos fueron implementados por los fabricantes de software de comunicaciones. Posteriormente. 2. Este modelo tiene siete capas. diseñadas con arreglo a los siguientes principios: 1. Una capa se creará en situaciones en las que se requiera un nivel diferente de abstracción. y suficientemente pequeño para que la arquitectura no sea difícil de manejar El modelo OSI (Figura 1. que son necesarias para hacer efectiva la comunicación sobre un medio de transmisión cableado o aéreo Nivel 2: se define el mecanismo de acceso al medio de transmisión y el direccionamiento de las estaciones. frecuencia. tensión. aplicaciones de comunicación a las que el usuario puede acceder directamente o a través de una interfaz de usuario (programa de comunicaciones) Nivel Designación Función 7 Capa de aplicación Funciones de aplicación Características Leer/escribir-recibir/enviar . es decir. modulación. la segmentación en bloques y la confirmación o acuse de recibo correcto de los datos. Los datos se estructura en tramas para su correcta interpretación y se comprueba la transmisión sin errores de los mismos Nivel 3: encargado de conectar y encaminar los datos que se han de viajar a través de varias subredes y controlar los posibles problemas de congestión de la red Nivel 4: garantiza la seguridad en el transporte y la coherencia de los datos transmitidos. Es el encargado de coordinar tareas como el control de flujo. Para realizar estas funciones se establecen conexiones que garantizan que ambos extremos están preparados para el intercambio de datos Nivel 5: se encarga del control de comunicación.Nivel 1: define las condiciones físicas como son los niveles de corriente. Se hace cargo de la sincronización de la misma y del control del uso que hace cada usuario de la red Nivel 6: en él los datos se codifican en un lenguaje común Nivel 7: incluye los servicios usuario. de forma que durante un tiempo definido sólo una estación podrá enviar datos a través del medio de transmisión que se utilice. etc. Dado que la tecnología .Transferencia de archivos 6 Capa de presentación 5 Capa de sesión 4 Capa de transporte 3 Capa de red 2 Capa de enlace Representación de datos sincronizados Sincronización control de Lenguaje común Coordinación de la comunicación Establecimiento/Terminación de comunicación (inicio-fin) conexiones Transmisión asegurada de Confirmaciones infoprmacion Segmentación Encaminamiento hacia subredes Interconexión entre distintas Metodo de enlace Estructuración de losmensajes en tramas subredes Comprobación CRC (errores) Señales que codifican la información 1 Capa fisica Soporte técnico de transmisión Medio de transmisión (cable.4. Proporciona una serie de servicios que puede utilizar cualquier pareja de dispositivos para compartir datos. aéreo) Tabla 1. 2 Características de las capas de información según ISO 1.5 EL MODELO TCP/IP TCP/IP es el protocolo del nivel de transporte y red de Internet y suele estar vinculado con las instalaciones Ethernet y el mundo de los negocios. 1. la topología de estrella le ofrece conexiones fáciles de cablear o de depurar. una red Ethernet/IP utiliza una topología de estrella activa en la que los grupos de dispositivos que están conectados punto a punto con un conmutador.6 TOPOLOGÍA Por lo general. 1. Ethernet/IP utiliza el modelo de red de productor/ consumidor. Para que Ethernet/IP tenga éxito. estará seleccionado también prestaciones de TCP/IP y CIP. Con la introducción de la tecnología de conmutación de Ethernet y la transmisión de datos fulldúplex. El mejor ejemplo de interconexión de redes es Internet: se trata de un conjunto de redes unidas mediante encaminadores o routers. . se han producido de forma masiva y pueden conseguirse fácilmente medios físicos y herramientas de software estandarizadas. Por lo tanto.Ethernet y los conjuntos de protocolos estándar como TCP/IP han sido promocionados para uso público. se ha agregado el protocolo CIP al conjunto TCP/UDP/IP con el fin de proporcionar un nivel de aplicaciones común.4. Puede combinar dispositivos de 10 y 100 Mbps. La ventaja de una topología en estrella radica en la compatibilidad con productos de 10 y 100 Mbps. El UDP/IP (Protocolo de datagrama de usuario) también se utiliza junto con la red Ethernet. y el conmutador Ethernet negociará la velocidad. con lo que puede disfrutar de las ventajas de una tecnología conocida y una gran facilidad de acceso. UDP/IP proporciona un transporte de datos rápido y eficiente. que también utilizan CIP. características necesarias para el intercambio de datos en tiempo real.4. cuando se elija un producto Ethernet/IP. al igual que las redes DeviceNet y ControlNet. Asimismo. o en las que resulta fácil detectar fallos y llevar a cabo tareas de mantenimiento. se eliminan las colisiones de datos y el rendimiento mejora drásticamente en la red Ethernet/IP.7 CAPA DE RED La familia de protocolos TCP/IP fue diseñada para permitir la interconexión entre distintas redes. Host Dirección física A 00-60-52-0B-B7-7D 00-E0-4C-AB-9A-FF R1 A3-BB-05-17-29-D0 B 00-E0-4C-33-79-AF B2-42-52-12-37-BE R2 A3-BB-08-10-DA-DB C D B2-AB-31-07-12-93 00-E0-89-AB-12-92 Dirección IP Red 192. Estas direcciones se corresponden con la capa de acceso al medio y se utilizan para comunicar dos ordenadores que pertenecen a la misma red.1 RED3 200.3. 3 Identificación de diferentes host en una red El concepto de red está relacionado con las direcciones IP que se configuren en cada ordenador.73 200. si tenemos varias redes dentro del mismo cableado solamente los ordenadores que permanezcan a una misma red podrán comunicarse entre sí. que permita el tráfico de paquetes entre sus redes. Un router o encaminador no es más que un ordenador con varias direcciones IP.Cada host (ordenador) tiene una dirección física que viene determinada por su adaptador de red.107.1 10.0.2 RED2 200.7 10.107. Para que los ordenadores de una red puedan comunicarse con los de otra red es necesario que existan routers que interconecten las redes.0.10 192.200 Tabla 1. Observando una dirección IP sabremos si pertenece a nuestra propia red o a una distinta (todas las direcciones IP de la misma red comienzan con los mismos números).10.168. una para cada red. .0. Es decir.168.10.0.0.1 RED1 10.3.3.10.107. no con el cableado. Para identificar globalmente un ordenador dentro de un conjunto de redes TCP/IP se utilizan las direcciones IP (capa de red). Las direcciones IP se clasifican en: Direcciones IP públicas. Las direcciones IP públicas estáticas son las que utilizan los servidores de . las direcciones IP pueden ser: Direcciones IP estáticas (fijas). Cada host conectado a una red tiene una dirección IP asignada. Son visibles únicamente por otros hosts de su propia red o de otras redes privadas interconectadas por routers. A su vez. Para conectarse a Internet es necesario tener una dirección IP pública. Sin embargo. Son visibles en todo Internet.4.1. la cual debe ser distinta a todas las demás direcciones que estén vigentes en ese momento en el conjunto de redes visibles por el host.8 DIRECCIONES IP La dirección IP es el identificador de cada host dentro de una red de redes. Los ordenadores con direcciones IP privadas pueden salir a Internet por medio de un router (o proxy) que tenga una IP pública. Un ordenador con una IP pública es accesible (visible) desde cualquier otro ordenador conectado a Internet. Direcciones IP privadas (reservadas). desde Internet no se puede acceder a ordenadores con direcciones IP privadas. Un host que se conecte a la red con dirección IP estática siempre lo hará con una misma IP. Pero sí se podrían tener dos ordenadores con la misma dirección IP siempre y cuando pertenezcan a redes independientes entre sí (sin ningún camino posible que las comunique). Se utilizan en las empresas para los puestos de trabajo. TCP/IP utiliza un identificador denominado dirección Internet o dirección IP. Direcciones IP dinámicas. Lo anterior se resuelve mediante la definición de las "Clases de Direcciones IP". Estas direcciones hay que contratarlas.00.FF o en binario.00. Un host que se conecte a la red mediante dirección IP dinámica. Se suelen representar de la forma a. c. Tabla 1. 4 IP clase A.11111111.00000000. Los bytes restantes definen los nodos en la red específica tal como se muestra en la Tabla 1. Las direcciones IP están formadas por 4 bytes (32 bits). cuya longitud es de 32 bits (4 bytes). 1. Las direcciones IP públicas dinámicas son las que se utilizan en las conexiones a Internet mediante un módem. Para clarificar lo anterior se tiene que una red con dirección clase A queda precisamente definida con el primer byte de la dirección.FF. B y C . b.4. la clase B con los dos primeros y la C con los tres primeros bytes.00000000 hasta la 11111111.11111111.FF.4. Este identificador viene definido por el protocolo utilizado.Internet con objeto de que estén siempre localizables por los usuarios de Internet. desde la 00000000.00000000. La dirección IP identifica tanto a la red a la que pertenece una computadora como a ella misma dentro de dicha red. Los proveedores de Internet utilizan direcciones IP dinámicas debido a que tienen más clientes que direcciones IP (es muy improbable que todos se conecten a la vez). d donde cada una de estas letras es un número comprendido entre el 0 y el 255.9 CLASES DE DIRECCIÓN IP Para que en una red dos computadoras puedan comunicarse entre sí ellas deben estar identificadas con precisión.11111111. también se pueden representar en forma hexadecimal desde la 00.00 hasta la FF. cada vez lo hará con una dirección IP distinta. 777.0 191.0 C 255.0.0 192.0.0.0.0 128.0.516 255.097.536 65.255.0 Clase A 3 bytes 1 byte 2.0.254.Identificación Número Número de Rango de Máscara de Clase de red de host de redes hosts direcciones subred 1.254.254.0.0 127.142 255 .0.0 B 2 bytes 2 bytes 16.1.1.255.0 223.0 A 1 byte 3 bytes 126 16.255.1.0.215 255. 1 hasta 223. ARPAnet es una de ellas. incluyendo ambos valores. Estas .1. Estas direcciones utilizan únicamente este primer byte para identificar la red. por consiguiente. Lo normal para las grandes organizaciones es que utilicen una o varias redes de "clase B".Son las que en su primer byte tienen un valor comprendido entre 1 y 127. pero hay que tener en cuenta que sólo puede haber 126 redes de este tamaño. Este tipo de direcciones tendría que ser suficiente para la gran mayoría de las organizaciones grandes. con un rango desde 192. lo que permite que se conecten un máximo de 254 ordenadores en cada red. En este caso el identificador de la red se obtiene de los dos primeros bytes de la dirección. Este tipo de direcciones es usado por redes muy extensas. En caso de que el número de ordenadores que se necesita conectar fuese mayor. incluyendo ambos valores. De esta manera queda libre un byte para el host. quedando los otros tres bytes disponibles para cada uno de los hosts que pertenezcan a esta misma red. Esto significa que podrán existir más de dieciséis millones de ordenadores en cada una de las redes de esta clase. evitando de esta forma el uso de una de "clase A". sería posible obtener más de una dirección de "clase B". Clase B Estas direcciones utilizan en su primer byte un valor comprendido entre 128 y 191.1 y 191.254. teniendo que ser un valor entre 128. Los dos últimos bytes de la dirección constituyen el identificador del host permitiendo. Clase C En este caso el valor del primer byte tendrá que estar comprendido entre 192 y 223. un número máximo de 64516 ordenadores en la misma red. aunque son pocas las organizaciones que obtienen una dirección de "clase A". existiendo además algunas grandes redes comerciales. Este tercer tipo de direcciones utiliza los tres primeros bytes para el número de la red. incluyendo ambos.254.254 (no es posible utilizar los valores 0 y 255 por tener un significado especial). direcciones permiten un menor número de host que las anteriores. Tabla 2.0. En la clasificación de direcciones se puede notar que ciertos números no se usan.255 .0.0. el valor 127 en el primer byte se utiliza en algunos sistemas para propósitos especiales.0 E Exclusivamente para fines experimentales 247.255. aunque son las más numerosas pudiendo existir un gran número redes de este tipo (más de dos millones). 5 IP especiales Se reservan todas las direcciones para multidestino (multicast).255. También es importante notar que los valores 0 y 255 en cualquier byte de la dirección no pueden usarse normalmente por tener otros propósitos específicos.5 se muestran dos clases adicionales de direcciones IP. un ordenador transmite un 224.255. es decir.255.0. que tienen un uso específico.0 D mensaje a un grupo especifico de ordenadores de esta clase 240. En la Tabla 2.255 239. 0.255.10 MASCARA DE SUBRED Una máscara de subred es aquella dirección que enmascarando nuestra dirección IP. A esta segunda etapa también se le suele llamar ondulador (Figura 2.4.0 Tabla 1.6 muestra las máscaras de subred correspondientes a la clase A.255.255. siendo el principio básico de funcionamiento transformar la energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia variable.5 REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD EN MOTORES Un regulador electrónico de velocidad está formado por circuitos que incorporan transistores de potencia como el IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) o tiristores. que dependerán de los valores de consigna. La Tabla 1.13). .1. Todo el conjunto del convertidor de frecuencia recibe el nombre de inversor. 6 Mascaras de subred según su clase 1. Esta variación de frecuencia se consigue mediante dos etapas en serie.0.0 B 255.0. con toda la potencia en el llamado circuito intermedio y otra inversora que transforma la corriente continua en alterna. nos indica si otra dirección IP pertenece a nuestra subred o no. B y C. con una frecuencia y una tensión regulables. Clase A Mascara de subred 255. Una etapa rectificadora que transforma la corriente alterna en continua.0 C 255. dada la enorme flexibilidad que ofrecen los reguladores de velocidad. Además de ofrecer procesos de arranque y frenados suaves mediante rampas de aceleración y de frenado. Como debe saberse. el uso de convertidores de frecuencia añade un enorme potencial para el ahorro de energía disminuyendo la velocidad del motor en muchas aplicaciones. La mayoría de las marcas incluyen dentro del propio convertidor protecciones para el motor.Figura 2. etc. 13 Etapas de un variador de frecuencia El modo de trabajo puede se manual o automático. según las necesidades del proceso. tales como protecciones contra sobreintensidad. lo que redunda en un aumento de la vida del motor y las instalaciones. defectos a tierra. permitiendo hallar soluciones para obtener puntos de trabajo óptimos en todo tipo de procesos. PLC. pudiendo ser manejados por ordenador. fallo contra desequilibrios. señales digitales o de forma manual. sobretemperatura. Además aportan los siguientes beneficios: . (velocidades continuas y discretas) x Bucles de velocidad x Puede controlar varios motores x Factor de potencia unitario x Respuesta dinámica comparable con los Drives de DC x Capacidad de bypass ante fallos del variador x Protección integrada del motor x Marcha paso a paso (comando JOG) Con respecto a la velocidad los convertidores suelen permitir dos tipos de control: x Control manual de velocidad. Posibilidad de variación en el sentido de giro x Control automático de velocidad. parada y freno (funciones de arrancador progresivo) x Amplio rango de velocidad. La velocidad puede ser establecida o modificada manualmente (display de operador).x Mejora el proceso de control y por lo tanto la calidad del producto x Se puede programar un arranque suave. Esta solución es la ideal para su instalación en aplicaciones en las que la velocidad demandada varía de forma continua . par y potencia. Utilizando realimentación se puede ajustar la velocidad automáticamente. En los montajes de media onda (Figura 2. tenemos un montaje de onda completa. Los diodos que conducen en cada momento son aquellos en los que la tensión de la fase en la que van conectados supera a la de las otras dos. .1 RECTIFICADORES a) RECTIFICADORES NO CONTROLADOS DE TENSIÓN FIJA El fenómeno de la rectificación se da porque los diodos van conmutando cíclicamente al circuito de CC sobre las fases de CA.2.14) la tensión no es continua pura.5. Es la tensión de esta red la que va forzando el paso a conducción o bloqueo de los diodos. a esta conmutación se le llama forzada. ya que exhibe cierto grado de rizado u oscilación en torno a su valor medio. Si sólo se rectifican las semiondas positivas de la tensión alterna tenemos un montaje de media onda y si se rectifican ambas semiondas. 14 Rectificador trifásico de media onda El rectificador trifásico de onda completa o puente de Graetz. Figura 2. así lograremos que la tensión de salida sea variable y con prestaciones más interesantes debido a esta circunstancia. cambiando los diodos por semiconductores controlables.Figura 2. El puente trifásico de onda completa o de Graetz es el más empleado desde el punto de vista industrial. ya que tiene las siguientes ventajas: .15. Este puente es de los más empleados en las aplicaciones industriales de potencia. tal como se muestra en la Figura 2. 15 Rectificador trifásico de onda completa b) RECTIFICADORES CONTROLADOS DE TENSIÓN VARIABLE Los esquemas son similares a los anteriores. que normalmente son tiristores. está formado por seis diodos y tiene la ventaja del menor rizado. x Carga simétrica para la línea trifásica x Se absorben menos armónicos de intensidad en la línea trifásica . se pone una inductancia en serie con una de sus ramas. y esto puede hacerlo funcionando como fuente de tensión. Según la configuración que se adopte las características del inversor son distintas y condiciona cuestiones tales como: armónicos. es decir al ondulador.2 CIRCUITO INTERMEDIO La etapa central es el denominado circuito intermedio de continua y que puede funcionar como fuente de tensión o intensidad para la etapa final del ondulador.x La tensión continua es de rizado con menor amplitud y por tanto los filtros para alisado son menores x Las prestaciones dinámicas son mayores. gama de potencias. ya que con seis pulsos se puede variar el ángulo de encendido seis veces por periodo 2. etc. Cuando el circuito intermedio funciona como fuente de intensidad para el ondulador. según la disposición que se adopte. su función es mantener constante la intensidad.5. A veces al ondulador se le llama inversor tal como aparece en la figura. accionamiento para un solo motor o varios a la vez. circuito intermedio y ondulador). . y estaríamos hablando de un inversor con circuito intermedio de intensidad. resistencia de frenado. en cuyo caso se colocaría un condensador electrostático entre los terminales (+) y (-) para mantener constante la tensión y daría lugar a un inversor con circuito intermedio de tensión. aunque es más correcto llamar inversor a todo el conjunto (rectificador. La función del circuito intermedio es alimentar la tercera etapa. 2. tal como se muestra en la Figura 2.5. .3 ONDULADOR El ondulador es un conmutador electrónico que comunica alternativamente la tensión o intensidad continua del circuito intermedio sobre las fases del motor de CA conectado a su salida. De los anteriores el que más se está utilizando para motores industriales de BT es el IGBT. La disposición más común es el puente trifásico de Graetz y está formado por semiconductores controlables que pueden ser tiristores. IGBT (transistor bipolar de puerta aislada o MOSFET (transistor de efecto campo de óxido metálico). transistores de potencia. tiristores desconectables por puerta (GTO). Figura 2.16. 16 Circuito general del ondulador En función de la mayor o menor perfección del sistema de conmutación lograremos que las ondas de tensión a la salida hagan que las corrientes absorbidas se acerquen más o menos al sistema trifásico senoidal. siendo su campo predominante el de las pequeñas y medianas potencias.Hay distintas formas de regular la tensión de salida del inversor como son: x Variar el valor de la tensión en el circuito intermedio x Variar el ancho de la zona de conducción de cada semionda de salida x Variar la tensión de salida en función de la proporción entre los tiempos de conexión y desconexión de los semiconductores de potencia mediante la técnica de regulación PWM (iniciales de Modulación del Ancho de Pulso. este método tiene la ventaja de generar una onda de tensión de salida que mejora notablemente la onda de intensidad absorbida por el motor. Con ello se logra la grandísima ventaja de emplear motores normalizados de fabricación en serie sin la necesidad de fabricar motores específicos para poder ser regulados por convertidores 2. Un inversor se elige en función de parámetros tales como: x Accionar a un solo motor o varios x Banda necesaria de regulación y su precisión x Consecuencias sobre la red eléctrica del convertidor adoptado x ¿Tiene sentido económico prever un retorno de energía? (Frenado regenerativo) x Velocidad de respuesta para adaptarse a los cambios de consigna .4 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO ALIMENTADO POR CONVERTIDORES DE FRECUENCIA Los inversores con circuito intermedio de tensión son los más usados en aplicaciones prácticas.5. Además de regular la salida. en inglés). lo cual hace que el motor funcione de forma semejante a si estuviera alimentado por tensiones senoidales de la red. . Cuando el motor está regulado con flujo constante e igual al nominal presenta unas curvas características como se muestra en la Figura 2. Sin embargo esto es sólo aproximado. Figura 2. 17 Curvas de par-velocidad de un motor asíncrono alimentado a flujo constante Una forma de lograr que el flujo sea constante de manera aproximada.Para aprovechar al máximo el motor hay que controlarlo de modo que el flujo se aproxime lo más posible al nominal para el cual ha sido diseñado. y a medida que las frecuencias van bajando los flujos disminuyen también por lo que el par para bajas frecuencias disminuye de forma importante.18. tal como se muestra en la Figura 2. es hacer que la tensión y la frecuencia varíen de forma proporcional.17. Cuando la regulación necesaria para modificar la velocidad supera la frecuencia nominal (50 Hz). (Control vectorial) . el flujo ha de disminuir. ya que la tensión no debe ser elevada para no sobrepasar las posibilidades dieléctricas del bobinado del motor. En este caso las curvas de par para frecuencias elevadas decrecen. por lo que habrá que verificar que los menores pares disponibles cumplen los requisitos de la máquina accionada a alta velocidad.Figura 2. (Control V/f) Regulación mediante la descomposición vectorial de la intensidad del estator sobre unos ejes orientados con el flujo magnético. En general en aquellos inversores con circuito intermedio de tensión. para el control del par electromagnético del accionamiento se emplean los siguientes métodos: x x Regular la tensión del estator en función de la frecuencia. 18 Curvas de par-velocidad en régimen permanente para un motor asíncrono alimentado con tensión y frecuencia variable Para lograr el funcionamiento con flujo constante es preciso que a bajas frecuencias la tensión sea más elevada que lo que dicta la ley sencilla de la proporcionalidad. además la característica de la curva de par depende también de la frecuencia del rotor y de su temperatura.19). una de las parametrizaciones más importante es la selección o ajuste de la curva V/f (Figura 2. .2. Para seleccionar la curva adecuada se debe tener en cuenta las características de tensión y frecuencia del motor y la velocidad máxima a la que puede girar el rotor. Este tipo de control es más fácil de llevar a la práctica en un convertidor y se suele emplear cuando los requisitos de regulación son de baja velocidad. por lo que el dispositivo de control del convertidor ha de incluir las correspondientes correcciones. En los convertidores con este tipo de control. La proporcionalidad V/f desaparece en las bajas frecuencias. Cuando V/f es constante el motor funciona de forma aproximada con flujo constante en los regímenes permanentes. Con este método la tensión de alimentación evoluciona proporcionalmente a la frecuencia. Algunos convertidores traen varias curvas ya ajustadas en su programación.5 CONTROL V/f.5. .Figura 2. 19 Curva característica V/f Una vez recabada la información necesaria para comprender de una mejor manera la forma que opera el equipo que se desea usar. lo siguiente es hacer una selección del equipo planeado y hacer los diagramas necesarios según su funcionamiento.