Unidades de control Fundamentos y Caracter铆sticasUnidad de los3:Sistemas de Gesti贸n Electr贸nica Empleados en Maquinaria Pesada
Gildemeister
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Unidad 3: Unidades de control
Unidad 3 Unidades de Control
Material III: aplicaciones, controles y manipulaci贸n segura
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Unidad 3: Unidades de control
Índice Temático
Tema
3:
Aplicaciones,
controles,
y
manipulación
segura………………………………….……………….…………………..4
ECU Flashing …….………………………………….…6 Unidades modernas …………….…………….……7 Tipos de unidad de control………. …………….…8 Protocolos de comunicación ..…………………13 Protocolos
de
diagnóstico
……………..…………………………………………....14 Protocolo CAN……………………………..….….…16 Principales
características
de
CAN
…………………………………..……………………….17 Protocolo
de
comunicaciones
CAN
……………………………………..………………….19
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Unidad 3: Unidades de control
Tema 3: aplicaciones, controles y manipulación segura
Una categoría especial de unidades de control de motor son aquellas que son programables. Estas unidades no tienen un comportamiento prefijado, y pueden ser reprogramadas por el usuario. Las
ECUs
programables
son
requeridas
en
situaciones
en
las
que
las
modificaciones después de la venta son importantes para el comportamiento final del motor. Entre estas situaciones se incluyen
la
instalación
cambio
o del
turbocompresor, intercooler, tubo de escape
o cambio
a otro tipo de combustible. Como
consecuencia
de
estos cambios, la antigua ECU puede que no provea de un control apropiado con la nueva configuración. En estas situaciones, una ECU programable es la solución. Éstas pueden ser programadas/mapeadas conectadas a un computador portátil mediante un cable USB, mientras el motor está en marcha. La unidad de control de motor programable debe controlar la cantidad de combustible a inyectar en cada cilindro. Esta cantidad varía dependiendo en las RPM del motor y en la posición del pedal de aceleración (o la presión del colector de aire). Material Unidad 3 | 4
Unidad 3: Unidades de control El controlador del motor puede ajustar esto mediante una hoja de cálculo dada por el portátil en la que se representan todas las intersecciones entre valores específicos de las RPM y de las distintas posiciones del pedal de aceleración. Con esta hoja de cálculo se puede determinar la cantidad de combustible que es necesario inyectar. Modificando estos valores mientras se monitoriza el escape utilizando un sensor de oxígeno (o sonda lambda) se observa si el motor funciona de una forma más eficiente o no, de esta forma encuentra la cantidad óptima de combustible a inyectar en el motor para cada combinación de RPM y posición del acelerador. Este proceso es frecuentemente llevado a cabo por un dinamómetro, dándole al manejador del combustible un entorno controlado en el que trabajar. Otros parámetros que son usualmente mapeados son: Ignición: Define cuando la bujía debe disparar la chispa en el cilindro. Límite de revoluciones: Define el máximo número de RPM que el motor puede alcanzar. Más allá de este límite se corta la entrada de combustible. Correcta temperatura del agua: Permite la adicción de combustible extra cuando el motor está frio (estrangulador). Alimentación de combustible temporal: Le dice a la ECU que es necesario un mayor aporte de combustible cuando el acelerador es presionado. Modificador de baja presión en el combustible: Le dice a la ECU que aumente el tiempo en el que actúa la bujía para compensar una pérdida en la presión del combustible.
Sensor de oxígeno (sensor lambda): Permite que la ECU posea datos permanentes del escape y así modifique la entrada de combustible para conseguir una combustión ideal.
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ECU Flashing
Muchos automóviles recientes (fabricados en 1996 o posteriores) usan Ecus OBDII, que son capaces de cambiar su programación a través de un puerto OBD. Entusiastas del motor con autos modernos aprovechan las ventajas de esta tecnología modificando sus motores. En lugar de utilizar un nuevo sistema de control de motor, uno puede utilizar el software apropiado para ajustar la antigua ECU. Haciendo esto, es posible mantener todas las funciones y el cableado mientras se utilizan ciertos programas de modificación de parámetros.
Esto no debe ser confundido con el chip tuning, en el que el propietario tiene una ECU ROM físicamente remplazada por una distinta - este caso no requiere
modificación
de
hardware
(normalmente),
aunque
un
equipamiento especial si es necesario.
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Unidad 3: Unidades de control
Unidades modernas
ECUs modernas utilizan un microprocesador que puede procesar las entradas de los sensores del motor en tiempo real. Una unidad de control electrónico contiene el hardware y el software (firmware).
El hardware consiste en un conjunto de componentes electrónicos que van sobre una placa PCB. El principal componente de este circuito en tabla es un chip microcontrolador. El software está almacenado en el microcontrolador o en otros chips de la PCB, generalmente en memorias EPROM o en memorias Flash, es por ello que la CPU puede ser reprogramada actualizando el software de estas o cambiando los circuitos integrados.
Las memorias EPROM se programan mediante un dispositivo electrónico que proporciona voltajes superiores a los normalmente utilizados en los circuitos electrónicos.
Una vez programada, una EPROM se puede borrar solamente mediante exposición a una fuerte luz ultravioleta. Esto es debido a que los fotones de la luz excitan a los electrones de las celdas provocando que se descarguen.
Las EPROM se reconocen fácilmente por una ventana
transparente
en
la
parte
alta
del
encapsulado, a través de la cual se puede ver el chip de silicio
y que admite la luz ultravioleta
durante el borrado.
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Unidad 3: Unidades de control Las EEPROM es un tipo de memoria ROM que puede ser programada, borrada y reprogramada eléctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante un aparato que emite rayos ultravioleta. Son memorias no volátiles.
La memoria flash —derivada de la memoria EEPROM — permite la lectura y escritura de múltiples posiciones de memoria en la misma operación. Gracias a ello,
la
tecnología flash,
siempre
mediante
impulsos
eléctricos,
permite
velocidades de funcionamiento muy superiores frente a la tecnología EEPROM primigenia, que sólo permitía actuar sobre una única celda de memoria en cada operación de programación. Se trata de la tecnología empleada en los dispositivos denominados pendrive. Las unidades de control de motor modernas a veces incluyen control de velocidad.
Tipos de unidad de control A continuación revisaremos las siguientes:
PLC Un controlador lógico programable, más conocido por sus siglas en inglés PLC (Programmable Logic Controller), es una computadora utilizada en la ingeniería automática o automatización industrial, para automatizar procesos electromecánicos, tales como el control de la maquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas. Los PLCs son utilizados en muchas industrias y máquinas.
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Unidad 3: Unidades de control A diferencia de las computadoras de propósito general, el PLC está diseñado para múltiples señales de entrada y de salida, rangos de temperatura ampliados, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto.
Los programas para el control de funcionamiento de la máquina se suelen almacenar en baterías copia de seguridad o en memorias no volátiles. Un PLC es un ejemplo de un sistema de tiempo real duro donde los resultados de salida deben ser producidos en respuesta a las condiciones de entrada dentro de un tiempo limitado, que de lo contrario no producirá el resultado deseado.
Relé Lógico Programable (PLR) En los últimos años, unos productos pequeños llamados PLRs (relés lógicos programables), y también por otros nombres similares, se han vuelto más comunes y aceptados.
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Unidad 3: Unidades de control Estos son muy similares a los PLC, y se utilizan en la industria ligera, donde sólo unos pocos puntos de E/S (entrada/salida; es decir, unas pocas señales que llegan desde el mundo real y algunas que salen) están involucrados, y el bajo costo es deseado. Estos pequeños dispositivos se hacen típicamente en un tamaño físico y forma común por varios fabricantes, y con la marca de los fabricantes más grandes de PLCs para completar su gama baja de producto final. La mayoría de ellos tienen entre 8 y 12 entradas digitales, 4 y 8 salidas discretas, y hasta 2 entradas analógicas. El tamaño es por lo general alrededor de 10 cm de ancho y 7,5 cm de alto y 7,5 cm de profundidad. La mayoría de estos dispositivos incluyen una pantalla LCD de tamaño pequeño para la visualización simplificada lógica de escalera (sólo una porción muy pequeña del programa está visible en un momento dado) y el estado de los puntos de E/S. Normalmente estas pantallas están acompañados por una botonera basculante de cuatro posiciones más cuatro pulsadores más separados, y se usan para navegar y editar la lógica. La mayoría tienen un pequeño conector para la conexión a través de RS-232 o RS-485 a un ordenador personal para que los programadores pueden utilizar simples aplicaciones de Windows para la programación en lugar de verse obligados a utilizar la pantalla LCD y el conjunto de pequeños pulsadores para este fin. RS232 o RS-485 (Recommended Standard 232, es una interfaz que designa una norma para el intercambio de una serie de datos binarios entre un DTE (equipo terminal de datos) y un DCE (equipo de comunicación de datos).
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Unidad 3: Unidades de control
Conector RS-232 (DB-9 hembra).
En particular, existen ocasiones en que interesa conectar otro tipo de equipamientos, como pueden ser computadores. Evidentemente, en el caso de interconexión entre los mismos, se requerirá la conexión de un DTE (Data Terminal Equipment) con otro DTE. Para ello se utiliza una conexión entre los dos DTE sin usar módem, por ello se llama: null módem ó módem nulo. El RS-232 consiste en un conector tipo DB - 25 (de 25 pines), aunque es normal encontrar la versión de 9 pines DE - 9 (o popularmente también denominados DB, más barato e incluso más extendido para cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC).
A diferencia de los PLCs regulares que son generalmente modulares y ampliables en gran medida, los PLRs son por lo general no modulares o expansibles, pero su precio puede ser dos órdenes de magnitud, (un orden de magnitud de un número es el número de ceros antes o después de la coma decimal, así un rango de ocho ordenes de magnitud implica cien millones) menos de un PLC y todavía ofrecen un diseño robusto y de ejecución determinista de la lógica.
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Ventajas Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que, gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos, pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los casos, los controladores lógicos programables, o PLC’s, presentan ciertas desventajas como es la necesidad de contar con técnicos cualificados y adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento.
Otros Usos Hoy en día, los PLC no sólo controlan la lógica de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que también pueden realizar operaciones
aritméticas,
manejar
señales
analógicas para
realizar
estrategias de control, tales como controladores PID.
¿Qué es un controlador PID? (Traducido del inglés es: Proporcional integral derivativo)
Un PID es un mecanismo de control por realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso.
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Unidad 3: Unidades de control Diagrama en bloques de un control PID
Protocolo de Comunicación En la comunicación por un semáforo el protocolo de comunicaciones puede definir los distintos signos, la duración mínima de cada posición o el color asignado a cada uno de ellos. En informática y telecomunicación, un protocolo de comunicaciones es:
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Unidad 3: Unidades de control Se trata de las reglas o el estándar que define la sintaxis, semántica y sincronización de la comunicación, así como posibles métodos de recuperación de errores. Los protocolos pueden ser implementados por hardware, software, o una combinación de ambos. En el caso de las computadoras, un protocolo de comunicación, también llamado en este caso protocolo de red, define la forma en la que los distintos mensajes o tramas de bit circulan en una red de computadoras.
Protocolos de Diagnóstico
En una ECU, cuando alguno de estos sensores o actuadores falla la unidad de control (en algunos casos) advierte esta falla mediante una señal de luz en el tablero de instrumentos, en otros casos ni siquiera advierte de la falla del sensor (no emite ningún tipo de señal) ya que, utiliza la memoria de datos almacenados para reemplazar el funcionamiento del sensor y así omitir la señal errónea del mismo.
Todas las ECU cuentan con un sistema de diagnóstico para que el fabricante y/o concesionario oficial mediante la herramienta indicada pueda realizar un diagnóstico de sensores y/o actuadores y disponer de una lista de detalles de fallas y/o mal funcionamiento de alguno.
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Unidad 3: Unidades de control
Existen varios métodos de diagnóstico:
Diagnóstico por intermitencia o auto diagnóstico
Mediante un puente en el conector de diagnóstico los fallos de la ECU se reflejan en el panel de instrumentos emitiendo un haz de luz intermitente (luz mil, check Engine, inyector o mariposa).
Diagnóstico por scanner
Mediante el hardware necesario con un PC y el software adecuado podemos medir el funcionamiento de los sensores y actuadores, buscar errores vigentes y/o antiguos, etc.
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Unidad 3: Unidades de control Hay ECU`s que soportan ambos métodos de diagnóstico pero en su mayoría, el método por intermitencia, no lo soportan. Para entender el método por intermitencia tenemos que saber que las computadoras manejan sistemas de datos binarios (01100110, 1001000110, etc.) está claro que la única forma de que una computadora responda es mediante estos datos, lo cuales nosotros podemos identificar como: 1 = +12v y 0 = 0v.
El método de diagnóstico por scanner es un poco más complejo ya que en principio hay que establecer una comunicación PC/ECU y luego hablar el mismo idioma que la ECU para poder preguntarle, que nos responda y entender que es lo que nos responde
Protocolo CAN CAN
del
inglés
Controller
Area
Network
es
un
protocolo
de
comunicaciones desarrollado por la firma alemana Robert Bosch, basado en una topología BUS para la transmisión de mensajes en entornos distribuidos. La topología se interesa por conceptos como proximidad, número de agujeros, el tipo de consistencia (o textura) que presenta un objeto, comparar objetos y clasificar,
entre
otros
múltiples
atributos
donde
destacan
conectividad,
compacidad, metricidad o metrizabilidad.
Además ofrece una solución a la gestión de la comunicación entre múltiples CPUs (unidades centrales de proceso).
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Unidad 3: Unidades de control El protocolo de comunicaciones CAN proporciona los siguientes beneficios:
Principales caracterĂsticas de CAN CAN se basa en el modelo productor/consumidor, el cual es un concepto, o paradigma de comunicaciones de datos, que describe una relaciĂłn entre un productor y uno o mĂĄs consumidores.
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Unidad 3: Unidades de control Cada mensaje tiene un identificador único dentro de la red, con el cual los nodos
deciden aceptar o no dicho mensaje. Dentro de sus principales
características se encuentran: Prioridad de mensajes. Garantía de tiempos de latencia. Flexibilidad en la configuración. Recepción por multidifusión o multicast con sincronización de tiempos. Sistema robusto en cuanto a consistencia de datos. Sistema multimaestro. Detección y señalización de errores. Retransmisión automática de tramas erróneas Distinción entre errores temporales y fallas permanentes de los nodos de la red, y desconexión autónoma de nodos defectuosos.
CAN fue desarrollado, inicialmente para aplicaciones en los automóviles y por lo tanto la plataforma del protocolo es resultado de las necesidades existentes en el área automotriz. La
Organización
Internacional
para
la
Estandarización
(ISO, International
Organization for Standarization) define dos tipos de redes CAN: una red de alta velocidad (hasta 1 Mbit/s), bajo el estándar ISO 11898-2, destinada para controlar el motor e interconectar las unidades de control electrónico (ECU); y una red de baja velocidad tolerante a fallos (menor o igual a 125 kbit/s), bajo el estándar ISO 11519-2/ISO 11898-3, dedicada a la comunicación de los dispositivos electrónicos internos (comúnmente confort) de un automóvil como son control de puertas, techo corredizo, luces y asientos.
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Unidad 3: Unidades de control
Protocolo de Comunicaciones CAN
El establecimiento de una red CAN para interconectar los dispositivos electr贸nicos internos de un veh铆culo tiene la finalidad de sustituir o eliminar el cableado. Las ECU, sensores, sistemas antideslizantes, etc., se conectan mediante una red CAN a velocidades de transferencia de datos de hasta 1 Mbps. De acuerdo al modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection, Modelo de interconexi贸n de sistemas abiertos), la arquitectura de protocolos CAN incluye tres capas:
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Unidad 3: Unidades de control Además de una capa especial para gestión y control del nodo llamada capa de supervisor. Capa física: Define los aspectos del medio físico para la transmisión de datos entre nodos de una red CAN, los más importantes son niveles de señal, representación, sincronización y tiempos en los que los bits se transfieren al bus. La especificación del protocolo CAN no define una capa física, sin embargo, los estándares ISO 11898 establecen las características que deben cumplir las aplicaciones para la transferencia en alta y baja velocidad. Capa de enlace de datos: Define las tareas independientes del método de acceso al medio, además debido a que una red CAN brinda soporte para procesamiento en tiempo real a todos los sistemas que la integran, el intercambio de mensajes que demanda dicho procesamiento requiere de un sistema de transmisión a frecuencias altas y retrasos mínimos. En redes multimaestro, la técnica de acceso al medio es muy importante ya que todo nodo activo tiene los derechos para controlar la red y acaparar los recursos. Por lo tanto la capa de enlace de datos define el método de acceso al medio así como los tipos de tramas para el envío de mensajes.
Cuando un nodo necesita enviar información a través de una red CAN, puede ocurrir que varios nodos intenten transmitir simultáneamente. CAN resuelve lo anterior al asignar prioridades mediante el identificador de cada mensaje, donde dicha asignación se realiza durante el diseño del sistema
en
forma
de
números
binarios
y
no
puede
modificarse
dinámicamente. El identificador con el menor número binario es el que tiene mayor prioridad.
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Unidad 3: Unidades de control De acuerdo con este método, los nodos en la red que necesitan transmitir información deben esperar a que el bus esté libre (detección de portadora); cuando se cumple esta condición, dichos nodos transmiten un bit de inicio (acceso múltiple). Cada nodo lee el bus bit a bit durante la transmisión de la trama y comparan el valor transmitido con el valor recibido; mientras los valores sean idénticos, el nodo continúa con la transmisión; si se detecta una diferencia en los valores de los bits, se lleva a cabo el mecanismo de arbitraje. CAN establece dos formatos de tramas de datos (data frame) que difieren en la longitud del campo del identificador, las tramas estándares (standard frame) con un identificador de 11 bits definidas en la especificación CAN 2.0A, y las tramas extendidas (extended frame) con un identificador de 29 bits definidas en la especificación CAN 2.0B. Para la transmisión y control de mensajes CAN, se definen cuatro tipos de tramas de datos:
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Unidad 3: Unidades de control Las tramas remotas también se establecen en ambos formatos, estándar y extendido, y tanto las tramas de datos como las remotas se separan de tramas precedentes mediante espacios entre tramas (interframe space).
En cuanto a la detección y manejo de errores, un controlador CAN cuenta con la capacidad de detectar y manejar los errores que surjan en una red. Todo error detectado por un nodo, se notifica inmediatamente al resto de los nodos.
Capa de supervisor: La sustitución del cableado convencional por un sistema de bus serie presenta el problema de que un nodo defectuoso puede bloquear el funcionamiento del sistema completo. Cada nodo activo transmite una bandera de error cuando detecta algún tipo de error y puede ocasionar que un nodo defectuoso pueda acaparar el medio físico. Para eliminar este riesgo el protocolo CAN define un mecanismo autónomo para detectar y desconectar un nodo defectuoso del bus, dicho mecanismo se conoce como aislamiento de fallos.
Capa de aplicación: Existen diferentes estándares que definen la capa de aplicación; algunos son muy específicos y están relacionados con sus campos de aplicación. Entre las capas de aplicación más utilizadas cabe mencionar CAL, CANopen, DeviceNet, SDS (Smart Distributed System), OSEK, CANKingdom.
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