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50 EJERCICIOS PRÁCTICOS DE AUTOMATIZACIÓN
50 EJERCICIOS PRÁCTICOS DE AUTOMATIZACIÓN Miguel López Ramírez
50 ejercicios prácticos de automatización Primera edición, 2017 © 2017 Miguel López Ramírez © 2017 MARCOMBO, S.A. www.marcombo.com Diseño de la cubierta: NDENU DISSENY GRÀFIC
«Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra». ISBN: 978-84-267-2432-8 D.L.: B-3266-2017 Impreso en Printed in Spain
Dedicatoria: A mi mujer María José y a mis hijos María José y Miguel.
ÍNDICE Capítulo 1. Diagramas de flujo ................................................................................................1 1.1 Diseño de diagramas de flujo .............................................................................................. 2 1.2 Saltos ................................................................................................................................... 3 1.3 Subrutinas ........................................................................................................................... 6 1.4 Interrupciones ..................................................................................................................... 7
Capítulo 2. Adquisición de datos ............................................................................................ 9 2.1 Entradas ............................................................................................................................ 10 2.2 Salidas ............................................................................................................................... 12 2.3 Microprocesadores y microcontroladores ........................................................................ 14 2.4 Sistemas de numeración ................................................................................................... 15 2.5 Presentación de datos....................................................................................................... 16
Capítulo 3. Contadores y registros...................................................................................... 19 3.1 Subrutina DELAY................................................................................................................ 20
Capítulo 4. Conversión de datos .......................................................................................... 29 4.1 Acondicionamiento ........................................................................................................... 34 4.2 Escalado ............................................................................................................................ 35
Capítulo 5. Bases de tiempo .................................................................................................. 37 5.1 Medidas e instrumentación .............................................................................................. 38
Capítulo 6. Posicionamiento ................................................................................................. 53 6.1 Encoder.............................................................................................................................. 53 6.2 Posicionamiento 3D .......................................................................................................... 55
Capítulo 7. Elementos motrices ........................................................................................... 63 7.1 Motor paso a paso ............................................................................................................ 63 7.2 Servomotores .................................................................................................................... 72
Capítulo 8. Registro de datos ................................................................................................ 79 8.1 Direccionamiento indirecto .............................................................................................. 79 8.2 Distribución de datos ........................................................................................................ 79 8.3 Recogida de datos ............................................................................................................. 80
Capítulo 9. Robótica ................................................................................................................. 85 9.1 Grabar dos posiciones ....................................................................................................... 86 9.2 Grabar trayectoria ............................................................................................................. 88 9.3 Replicar trayectoria ........................................................................................................... 90
Capítulo 10. Regulación .......................................................................................................... 97 10.1 Variadores de frecuencia .................................................................................................. 97 10.2 Sistemas en lazo cerrado................................................................................................ 102 10.3 Controladores PID .......................................................................................................... 104
INTRODUCCIÓN Existen métodos más o menos estandarizados para la resolución de procesos industriales de tipo secuencial, en ellos el proceso va pasando por distintas etapas hasta la finalización del mismo. Estos métodos ya no resultan tan eficientes cuando tratamos de procesar variables más complejas: analógicas procedentes de los sensores, variables cuyos valores son dependientes del tiempo, resolver complejas ecuaciones matemáticas, realizar estructuras de control complejas, etc. Los numerosos lenguajes de programación existentes, para los múltiples dispositivos programables disponibles en el mercado, exigen al programador, dependiendo del elemento a programar, no solo conocer el software adecuado sino, en muchos casos, también conocer el hardware del procesador. La gran variedad de dispositivos programables, tanto autómatas programables (PLC) como microcontroladores, obligan al técnico a ser un todoterreno que domine un amplio espectro de lenguajes de programación, ensambladores varios, lenguajes de alto nivel, programación orientada a objetos, entornos visuales, LADDER, GRAFCET, etc., además de conocer la nomenclatura específica correspondiente a los múltiples fabricantes de PLC’s. Una forma de no perderse en este maremágnum de lenguajes es tratar de resolver la estructura de todos los procesos a automatizar utilizando la misma técnica, este diagrama del proceso será universal y válido para cualquier máquina programada. Si el técnico es capaz de desarrollar correctamente el diagrama de flujo del proceso, con los algoritmos adecuados, el problema queda reducido a traducirlo a las particularidades de cada lenguaje de programación. El objeto de este libro no es profundizar en aspectos teóricos donde ya existe una amplia bibliografía, aunque en él se repasen algunas nociones básicas, fundamentalmente pretende ser una guía práctica para la automatización de procesos, con diferentes grados de dificultad, utilizando los diagramas de flujo como método universal y extrapolar los resultados al dispositivo programable específico. Esta técnica la usaremos para todos los ejercicios propuestos con la intención de que el lector se vaya familiarizando con este método como solución a estos problemas; con la práctica aprenderemos a estructurar los procesos de manera racional para obtener el resultado adecuado. La idea de estos ejercicios no es llegar hasta el último detalle para su resolución, sino realizar un planteamiento inicial, un análisis del conjunto y una propuesta de diagrama de flujo para resolverlos. Comenzaremos con las bases del diagrama de flujo, recordaremos algunas funciones disponibles en todos los procesadores y en la mayoría de PLC’s que soportan instrucciones avanzadas y continuaremos con la resolución de ejercicios y problemas. Por último, quiero expresar mi agradecimiento a mi hermano Vicente Luis por su apoyo y ayuda, a Omron Electronic por el uso de su herramienta CX Programmer para la elaboración de los diagramas de contactos y a la Fundación Escuelas Profesionales de la Sagrada Familia por permitirme trabajar durante tantos años como docente.
CAPÍTULO 1. DIAGRAMA DE FLUJO
Es la representación gráfica de un proceso. Está compuesto por distintos símbolos que están interconectados por unas líneas con flechas que indican la dirección del flujo del proceso. Estos símbolos incluyen una breve descripción de la actividad que se realiza en ellos. Con el diagrama obtenemos una descripción visual del proceso en su conjunto, muestra una relación secuencial de las acciones implicadas en el proceso y cómo están relacionadas con las demás. Puede haber bucles repetitivos o abandono temporal del diagrama principal para ejecutar subrutinas o interrupciones, que a su vez también tienen su propio diagrama para volver, posteriormente, al diagrama principal. La simbología más utilizada para la representación de estos diagramas es: SÍMBOLO
FUNCIÓN TERMINAL: Indica el principio o final de un proceso.
DECISIÓN: Es una bifurcación en el proceso que depende de la respuesta SÍ o NO a una pregunta.
ACTIVIDAD: Representa una operación o acción a realizar.
LÍNEA DE FLUJO: Informa del sentido del flujo del proceso.
1
50 ejercicios prácticos de automatización Ejemplo:
Figura 1.1
En lo sucesivo, en las líneas de flujo descendentes, no se representa la fecha.
1.1 DISEÑO DEL DIAGRAMA DE FLUJO Para la elaboración del diagrama de flujo, el diseñador debe tener una perspectiva de todo el conjunto del proceso a automatizar. Deberá conocer con exactitud los parámetros a procesar, los intervalos numéricos entre los que se mueven las variables, la precisión de los cálculos, el número de entradas y salidas del sistema, la naturaleza de las mismas, el tipo de codificación de las variables numéricas a procesar, etc. En definitiva, tener una visión general y de todos los detalles del proceso. Los pasos a seguir son: -
2
Análisis del proceso a automatizar. Visión global del conjunto. Se puede representar todo el proceso o partes del mismo. Establecer el nivel de detalle del proceso. Se pueden definir las actividades a grandes rasgos o entrar en detalles precisos, pero nunca se debe incluir código de un determinado software en el diagrama, ya que se pretende que sea universal y válido para cualquier máquina programada.
50 ejercicios prácticos de automatización
-
Identificar las etapas del proceso. Se establecerá una secuencia correlativa de acciones a realizar, situándolas en el orden en que se ejecutarán. Elaborar el diagrama de flujo. Se utilizarán los símbolos representados con anterioridad conectándolos con líneas de flujo. Inspección, evaluación y depuración del diagrama. Antes de extrapolar el diagrama de flujo a un lenguaje de programación concreto, se deberá hacer un análisis pormenorizado de todos los elementos que intervienen en el mismo, la secuenciación de actividades realizadas y la corrección de algún parámetro si se considera erróneo.
Figura 1.2
1.2 SALTOS Una de las particularidades que presenta un diagrama de flujo es que permite abandonar la secuencia normal del programa y producir un salto a otra parte del programa donde continúa con su ejecución. Los saltos nos pueden llevar a cualquier otro punto del diagrama y pueden ser de dos tipos: condicionales e incondicionales.
1.2.1 Saltos condicionales Para que se produzcan es necesario que se cumpla una determinada condición; por ejemplo, se puede preguntar si el resultado de una operación es 0, o distinto de 0, o mayor que…, o menor
3
50 ejercicios prácticos de automatización que…, o es negativo…, etc. Si se cumple la condición se produce el salto, sino se cumple el proceso continúa con la ejecución de la instrucción que hay debajo de la pregunta. Estos saltos se representan con un rombo.
Figura 1.3
En un autómata programable (PLC) los saltos condicionales se pueden implementar con comparaciones. El resultado de una comparación es mayor, menor o igual. La pregunta podría referirse a si el resultado de una operación es igual a un valor determinado, si la respuesta es SÍ el contacto = se cierra, si la respuesta es NO (distinto) cualquiera de los contactos mayor (>) o menor (<) se cierra.
Figura 1.4
Las comparaciones suelen llevar asociado un relé (R), que las distingue de otras que se pueden producir en el mismo diagrama.
1.2.2 Saltos incondicionales Su ejecución no depende de ninguna condición, por lo tanto, no se pregunta por nada y lleva obligatoriamente el proceso al lugar que establezca el programador. En muchos sistemas programados se suele colocar un salto incondicional al final del programa para lanzarlo de nuevo al inicio y así se ejecute él mismo de manera continua. 4
50 ejercicios prรกcticos de automatizaciรณn
Figura 1.5
Figura 1.6
5
50 ejercicios prácticos de automatización
Ejercicio 47: Diseñar un sistema de control en lazo cerrado con PLC que tenga un controlador proporcional e integrativo para mantener constante la velocidad de giro de un motor (500 r.p.m.) conectado a un variador. Los datos son los mismos que los del ejercicio anterior. Los valores de Kp y Ki los introduce el operario a través de un teclado (no se entra en detalles). BT = 10-2 s. = =
∙
+ 2
+ =
∙
∙ + ∙ +
∙
+
∙
= (
+ ∙
+
+
+ 2
∙ 10
+
) ∙ 0,005 +
∑ : Estará compuesto por tantos términos (sumas) como muestras se realicen. PC = Punto de consigna. SR = Señal realimentada. Kp = Constante proporcional. Ki = Constante integrativa. e = Ve = Tensión de error. ACT = Valor de la señal de error en la muestra actual (Ve2). ANT = Valor de la señal de error en la muestra anterior (Ve1). NI = Nueva integral (valor de la integral en el intervalo actual). INT = Sumatorio de integrales = Total integrales anteriores + Nueva integral. Vout = Tensión de salida del controlador. Vo = Tensión de salida del controlador cuando e = 0. Vo = PC. BT = 10-2 s.
Figura 10.16
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50 ejercicios prácticos de automatización
10.3.4 Controlador derivativo: La salida del controlador es proporcional a la velocidad a la que cambia el error respecto al tiempo. =
∙
+
= = Constante derivativa; e = Tensión de Vout = Tensión de salida del controlador; error; Vo = Tensión de salida del controlador cuando e = 0; = Tiempo derivativo (s). La acción correctora se realiza mediante la derivada de la señal error, esto permite al control derivativo proporcionar una señal de salida con grandes cambios condicionados por la pendiente de la señal de error, consiguiendo así una anticipación a la evolución del error. El tiempo adecuado de acción derivativa es el que retorna la variable controlada al punto de consigna con las mínimas oscilaciones. La pendiente de la señal de error en el intervalo [t1, t2] será aproximadamente igual a: =
∆ ∆
=
− −
Cuanto más pequeño sea ∆ = − , más nos aproximaremos al concepto de derivada: = lim ∆ →
∆ ∆
Figura 10.17
Si se muestrea la señal de error Ve en intervalos de tiempos constantes, con una base de tiempo BT = t2 - t1, y se aplica la ecuación anterior para el cálculo de la pendiente de la señal de error, se estará calculando la derivada del error en el intervalo [t1, t2]. Cuanto más pequeña sea la base de tiempos BT, mayor será la precisión del cálculo. =
∆ ∆
+
− −
=
+
=
−
+
Un controlador digital que no disponga de la función derivada, la puede implementar con esta ecuación, muestreando la señal de error en un intervalo y calculando la pendiente.
10.3.5 Controlador PD: Un controlador derivativo genera una señal de salida distinta a la que se necesita para corregir el error, sin embargo, si se une a un controlador proporcional, la acción derivativa se puede anticipar a la evolución de la señal de error, generando una respuesta rápida en la salida del controlador. =
∙ +
∙
+
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50 ejercicios prácticos de automatización
Ejercicio 48: Diseñar un sistema de control en lazo cerrado con PLC que tenga un controlador proporcional y derivativo para mantener constante la velocidad de giro de un motor (500 r.p.m.), conectado a un variador. Los datos son los mismos que los del ejercicio anterior. Los valores de Kp y Kd los introduce el operario a través de un teclado (no entramos en detalles). BT = 10-2 s. = =
∆ ∆
+
=
− −
∙ +
∙
+
=
= 100 ∙
(
+ − −
+
=
− 10
+
)+
PC = Punto de consigna. SR = Señal realimentada. Kp = Constante proporcional. Ki = Constante integrativa. E = Ve = Tensión de error. ACT = Valor de la señal de error en la muestra actual (Ve2). ANT = Valor de la señal de error en la muestra anterior (Ve1). Vout = Tensión de salida del controlador. Vo = Tensión de salida del controlador cuando e = 0. Vo = PC. BT = 10-2 s.
Figura 10.18
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50 ejercicios prácticos de automatización
10.3.6 Controlador PID: La respuesta del controlador PID es la suma de las tres acciones a la vez; si el sistema está correctamente sintonizado, tenderá a estabilizarse en el menor tiempo posible después de producirse el desequilibrio. =
∙ +
∙
+
∙
∙
+
La sintonización (ajuste de parámetros de control) puede ser empírica. Uno de los métodos más utilizados para la sintonización de controladores PID es el de Ziegler y Nichols.
Ejercicio 49: Diseñar un sistema de control en lazo cerrado con PLC que tenga un controlador proporcional, derivativo e integral para mantener constante la velocidad de giro de un motor (500 r.p.m.), conectado a un variador. Los datos son los mismos que los del ejercicio anterior. Los valores de Kp, Kd y Ki, los introduce el operario a través de un teclado (no se entra en detalles). BT = 10-2 s.
Registros: PC = Punto de consigna. SR = Señal realimentada. Kp = Constante proporcional. Ki = Constante integrativa. Kd = Constante derivativa. e = Ve = Tensión de error. ACT = Valor de la señal de error en la muestra actual (Ve2). ANT = Valor de la señal de error en la muestra anterior (Ve1). NI = Nueva integral (integral en el intervalo actual). INT = Sumatorio de integrales = Total integrales anteriores + Nueva integral. DEV = Cálculo controlador derivativo. PRO = Cálculo controlador proporcional. Vout = Tensión de salida del controlador. Vo = Tensión de salida del controlador cuando e = 0. Vo = PC. BT = 10-2 s.
Figura 10.19
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50 ejercicios prácticos de automatización
Ejercicio 50: Diseñar un sistema de control de velocidad de un vehículo de manera que esta permanezca estable una vez fijada la consigna. Mediante el pulsador control de velocidad CV se fija la consigna y al pisar el pedal de freno F o un pulsador de cancelación C, el sistema se debe desconectar.
CV = Pulsador control de velocidad. F = Freno. C = Pulsador de cancelación. Registros: PC = Punto de consigna. SR = Señal realimentada procedente del cuentakilómetros (indica velocidad actual). Kp = Constante proporcional. Ki = Constante integrativa. Kd = Constante derivativa. VEL = Velocidad procedente del cuentakilómetros. e = Ve = Tensión de error. ACT = Valor de la señal de error en la muestra actual (Ve2). ANT = Valor de la señal de error en la muestra anterior (Ve1). NI = Nueva integral (integral en el intervalo actual). INT = Sumatorio de integrales = Total integrales anteriores + Nueva integral. DEV = Cálculo controlador derivativo. PRO = Cálculo controlador proporcional. Vout = Tensión de salida del controlador. Vo = Tensión de salida del controlador cuando e = 0. Vo = PC. BT = 10-2 s.
Figura 10.20
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