INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD “CULHUACAN”

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA.

NOMBRE DEL SEMINARIO:

“CONTROL MODERNO APLICADO A MAQUINAS ELECTRICAS

ROTATORIAS Y A SISTEMAS AUTOMATIZADOS”

REG: DES/ESIME-CUL/5122005/09/10

PRESENTAN:

HERNANDEZ ROSAS LUCIANO. SAMPERIO SERAFIN ROBERTO.

NOMBRE DEL TEMA:

“AUTOMATIZACION CON PLC DE UN BRAZO ARTICULADO”

M. EN C. LAZARO EDUARDO CASTILLO BARRERA.

COORDINADOR DEL SEMINARIO.

ING. EDGAR MAYA PEREZ. ASESOR.

M. EN C. GUILLERMO TRINIDAD SÁNCHEZ.

ASESOR.

M EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA. SUBDIDECTOR ACADEMICO.

IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD CULHUACAN

TESINA

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA.

NOMBRE DEL SEMINARIO:

“CONTROL MODERNO APLICADO A MAQUINAS ELECTRICAS ROTATORIAS Y A

SISTEMAS AUTOMATIZADOS”

PRESENTAN:

HERNANDEZ ROSAS LUCIANO.

SAMPERIO SERAFIN ROBERTO.

NOMBRE DEL TEMA:

“AUTOMATIZACION CON PLC DE UN BRAZO ARTICULADO”

REG: DES/ESIME-CUL/5122005/09/10

CAPITULADO

I. INTRODUCCIÓN. II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. III. IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL POR PLC. IV. PRUEBAS Y RESULTADOS. V. CONCLUSIONES.

Fecha: México D.F. a 8 de octubre de 2010

M. EN C. LAZARO EDUARDO CASTILLO BARRERA ING. EDGAR MAYA PEREZ COORDINADOR DEL SEMINARIO ASESOR M. EN C. GUILLERMO TRINIDAD SÁNCHEZ. HECTOR BECERRIL MENDOZA ASESOR SUBDIDECTOR ACADEMICO.

IPN

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

TESINA

1

ÍNDICE. CAPITULO I. INTRODUCCIÓN.

1.1 Objetivo general…………………………………………………………….....2 1.2 Objetivo particular…………………………………………………….……....2 1.3 Marco teórico……………………………………………………….………....3

CAPITULO II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS.

2.1 Tipos de robots…………………………………………………………..…....7 2.2 Clasificación del robot industrial…………………………………..……….....8 2.3 Estructura básica de un PLC…………………………………………………11 2.4 Lenguajes de programación……………………………………………….....12 2.5 PLC SIEMENS S7-200……………………………………………………...14 2.6 Motores eléctricos………………………………………………………..…..17 2.7 Sistemas de control………………………………………………….……….19 2.8 Circuitos de control de motores de CC (puente h)…………………………..20 2.9 Circuito optoacoplador……………………………………………………....22

CAPITULO III. IMPLEMENTACIÓN DEL CONTROL POR PLC.

3.1 Diagramas de conexión a bloques…………………………………………...24 3.2 Desarrollo y aplicación de los circuitos………………………………….….25 3.3 Control de retroalimentación…………………………………………….…..32

CAPITULO IV. PRUEBAS Y RESULTADOS.

4.1 Diagrama de flujo...………………………………………………….………34 4.2 Pruebas de cada grado de libertad...…………………………….…………...37

CAPITULO V. CONCLUSIONES. Conclusiones…………………………………………………………………….……49 Bibliografía……………………………………………………………………….…..49 Apéndice……………………………….……………………………………….…….50 Anexo………………………………………………………………………….……...54

2

CAPITULO I. Introducción. INTRODUCCIÓN. El ser humano en muchas ocasiones se encuentra limitado para realizar tareas, operaciones o procesos en los que se ve comprometida su seguridad o simplemente son trabajos repetitivos y por ende tediosos; por ello la creación de maquinas capases que puedan realizar estas tareas. Durante las décadas pasadas se han desarrollado varios tipos de brazos electromecánicos, la mayoría de estos para realizar tareas especificas en el área de producción industrial. Dado el avance tecnológico en la industria moderna el empleo de sistemas automatizados se ha implementando para obtener una mejor producción, procesos más rápidos, limpios y eficientes. En la siguiente tesina se lleva acabo la automatización de un brazo manipulador de cuatro grados de libertad y un efector, dicho brazo fue desarrollado e implementado específicamente con fines prácticos para el desarrollo de la tesina. La etapa del control es desarrollada en el software de STEP 7 MicroWIN V4, y con la ayuda de un controlador lógico programable de SIEMENS S7-200. Con lo que respecta a la parte del diseño e implementación de las tarjetas electrónicas como es la etapa de potencia, la interfaz y circuitos de protección se usa el programa de PROTEUS V7.6. La desventaja de la automatización es obvia, su alto costo de operación; motivo por el cual se propone este prototipo de brazo manipulador que tiene como fin familiarizar a los usuarios con los sistemas robóticos a fin de generar los conocimientos generales para poder ofrecer una nueva alternativa en robots y sus diferentes aplicaciones. 1.1 OBJETIVO GENERAL.

Automatizar por medio de un controlador lógico programable (PLC) un brazo manipulador (brazo mecánico de cuatro grados de libertad y un efector).

1.2 OBJETIVO PARTICULAR.

Diseñar e implementar las distintas tarjetas de la etapa de potencia e interfaz de opto-

acoplamiento para el control de un brazo articulado.

Construir un brazo manipulador.

3

1.3 MARCO TEÓRICO. La robótica combina diversas disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control. Otras áreas importantes en robótica son el álgebra, los autómatas programables y las máquinas de estados. El término robot se popularizó con el éxito de la obra RUR (Robots Universales Rossum), escrita por Karel Capek en 1920. En la traducción al inglés de dicha obra, la palabra checa robota, que significa trabajos forzados, fue traducida al inglés como robot. No hay un consenso sobre qué máquinas pueden ser consideradas robots, pero sí existe un acuerdo general entre los expertos y el público sobre que los robots tienden a hacer parte o todo lo que sigue: moverse, hacer funcionar un brazo mecánico, sentir y manipular su entorno y mostrar un comportamiento inteligente, especialmente si ése comportamiento imita al de los humanos o a otros animales. Aunque las historias sobre ayudantes y acompañantes artificiales, así como los intentos de crearlos, tienen una larga historia, las máquinas totalmente autónomas no aparecieron hasta el siglo XX. El primer robot programable y dirigido de forma digital, el Unimate, fue instalado en 1961 para levantar piezas calientes de metal de una máquina de tinte y colocarlas. Por lo general, la gente reacciona de forma positiva ante los robots con los que se encuentra. Los robots domésticos para la limpieza y mantenimiento del hogar son cada vez más comunes en los hogares. No obstante, existe una cierta ansiedad sobre el impacto económico de la automatización y la amenaza del armamento robótico, una ansiedad que se ve reflejada en el retrato a menudo perverso y malvado de robots presentes en obras de la cultura popular. Comparados con sus colegas de ficción, los robots reales siguen siendo limitados. 1.3.1 LOS PRIMEROS AUTÓMATAS. En el siglo IV antes de Cristo, el matemático griego Arquitas de Tarento construyó un ave mecánica que funcionaba con vapor y al que llamó "La paloma". También el ingeniero Herón de Alejandría (10-70 d. C.) creó numerosos dispositivos automáticos que los usuarios podían modificar, y describió máquinas accionadas por presión de aire, vapor y agua. Por su parte, el estudioso chino Su Song levantó una torre de reloj en 1088 con figuras mecánicas que daban las campanadas de las horas. Al Jazarií (1136–1206), un inventor musulmán de la dinastía Artuqid, diseñó y construyó una serie de máquinas automatizadas, entre los que había útiles de cocina, autómatas musicales que funcionaban con agua, y en 1206 los primeros robots humanoides programables. Las máquinas tenían el aspecto de cuatro músicos a bordo de un bote en un lago, entreteniendo a los invitados en las fiestas reales. Su mecanismo tenía un tambor programable con clavijas que chocaban con pequeñas palancas que accionaban instrumentos de percusión. Podían cambiarse los ritmos y patrones que tocaba el tamborilero moviendo las clavijas.

4

1.3.2 DESARROLLO MODERNO. El artesano japonés Hisashige Tanaka (1799–1881), conocido como el "Edison japonés", creó una serie de juguetes mecánicos extremadamente complejos, algunos de los cuales servían té, disparaban flechas retiradas de un carcaj e incluso trazaban un kanji (carácter japonés). Por otra parte, desde la generalización del uso de la tecnología en procesos de producción con la Revolución industrial se intentó la construcción de dispositivos automáticos que ayudasen o sustituyesen al hombre. Entre ellos destacaron los Jaquemarts, muñecos de dos o más posiciones que golpean campanas accionados por mecanismos de relojería china y japonesa. Robots equipados con una sola rueda fueron utilizados para llevar a cabo investigaciones sobre conducta, navegación y planeo de ruta. Cuando estuvieron listos para intentar nuevamente con los robots caminantes, comenzaron con pequeños hexápodos y otros tipos de robots de múltiples patas. Estos robots imitaban insectos y artrópodos en funciones y forma. Como se ha hecho notar anteriormente, la tendencia se dirige hacia ese tipo de cuerpos que ofrecen gran flexibilidad y han probado adaptabilidad a cualquier ambiente. Con más de 4 piernas, estos robots son estáticamente estables lo que hace que el trabajar con ellos sea más sencillo. Sólo recientemente se han hecho progresos hacia los robots con locomoción bípeda. En el sentido común de un autómata, el mayor robot en el mundo tendría que ser el Maeslantkering, una barrera para tormentas del Plan Delta en los Países Bajos construida en los años 1990, la cual se cierra automáticamente cuando es necesario. Sin embargo, esta estructura no satisface los requerimientos de movilidad o generalidad. En 2002 Honda y Sony, comenzaron a vender comercialmente robots humanoides como “mascotas”. Los robots con forma de perro o de serpiente se encuentran, sin embargo, en una fase de producción muy amplia, el ejemplo más notorio ha sido Aibo de Sony. 1.3.3 LA ROBÓTICA EN LA ACTUALIDAD. En la actualidad, los robots comerciales e industriales son ampliamente utilizados, y realizan tareas de forma más exacta o más barata que los humanos. También se les utiliza en trabajos demasiado sucios, peligrosos o tediosos para los humanos. Los robots son muy utilizados en plantas de manufactura, montaje y embalaje, en transporte, en exploraciones en la Tierra y en el espacio, cirugía, armamento, investigación en laboratorios y en la producción en masa de bienes industriales o de consumo Otras aplicaciones incluyen la limpieza de residuos tóxicos, minería, búsqueda y rescate de personas y localización de minas terrestres. Existe una gran esperanza, especialmente en Japón, de que el cuidado del hogar para la población de edad avanzada pueda ser desempeñado por robots. Los robots parecen estar abaratándose y reduciendo su tamaño, una tendencia relacionada con la miniaturización de los componentes electrónicos que se utilizan para controlarlos. Además, muchos robots son diseñados en simuladores mucho antes de construirse y de que interactúen

5

con ambientes físicos reales. Un buen ejemplo de esto es el equipo Spiritual Machine, un equipo de 5 robots desarrollado totalmente en un ambiente virtual para jugar al fútbol en la liga mundial de la F.I.R.A. Además de los campos mencionados, hay modelos trabajando en el sector educativo, servicios (por ejemplo, en lugar de recepcionistas humanos o vigilancia) y tareas de búsqueda y rescate. 1.3.4 USOS MÉDICOS. Recientemente, se ha logrado un gran avance en los robots dedicados a la medicina, con dos compañías en particular, Computer Motion e Intuitive Surgical, que han recibido la aprobación regulatoria en América del Norte, Europa y Asia para que sus robots sean utilizados en procedimientos de cirugía invasiva mínima. Desde la compra de Computer Motion (creador del robot Zeus) por Intuitive Surgical, se han desarrollado ya dos modelos de robot daVinci por esta última. En la actualidad, existen más de 800 robots quirúrgicos daVinci en el mundo, con aplicaciones en Urología, Ginecología, Cirugía general, Cirugía Pediátrica, Cirugía Torácica, Cirugía Cardíaca y ORL. También la automatización de laboratorios es un área en crecimiento. Aquí, los robots son utilizados para transportar muestras biológicas o químicas entre instrumentos tales como incubadoras, manejadores de líquidos y lectores. Otros lugares donde los robots están reemplazando a los humanos son la exploración del fondo oceánico y exploración espacial. Para esas tareas se suele recurrir a robots de tipo artrópodo. 1.3.5 MODELOS DE VUELO. En fases iniciales de desarrollo hay robots alados experimentales y otros ejemplos que explotan el biomimetismo. Se espera que los así llamados nanomotores y cables inteligentes simplifiquen drásticamente el poder de locomoción, mientras que la estabilización en vuelo parece haber sido mejorada substancialmente por giroscopios extremadamente pequeños. 1.3.6 MODELOS MILITARES. Un impulsor muy significativo de este tipo de investigaciones es el desarrollo de equipos de espionaje militar. Destacan también el éxito de las bombas inteligentes y UCAVs en los conflictos armados, sin olvidar el empleo de sistemas robóticos para la retirada de minas antipersonales. 1.3.7 ARQUITECTURA DE LOS ROBOTS. Existen diferentes tipos y clases de robots, entre ellos con forma humana, de animales, de plantas o incluso de elementos arquitectónicos pero todos se diferencian por sus capacidades y se clasifican en 4 formas:

1. Androides: robots con forma humana. Imitan el comportamiento de las personas, su utilidad en la actualidad es de solo experimentación. La principal limitante de este modelo es la implementación del equilibrio a la hora del desplazamiento, pues es bípedo.

6

2. Móviles: se desplazan mediante una plataforma rodante (ruedas); estos robots aseguran el transporte de piezas de un punto a otro.

3. Zoomórficos: es un sistema de locomoción imitando a los animales. La aplicación de

estos robots sirve, sobre todo, para el estudio de volcanes y exploración espacial. 4. Poliarticulados: mueven sus extremidades con pocos grados de libertad. Su principal

utilidad es industrial, para desplazar elementos que requieren cuidados 1.3.8 PROYECTOS EN MARCHA. Proyecto Autómata Abierto. El propósito de este proyecto es desarrollar software modular y componentes electrónicos, desde los cuales sea posible ensamblar un robot móvil basado en una computadora personal que pueda ser utilizado en ambientes de casas u oficinas. Todo el código fuente es distribuido bajos los términos de la Licencia Pública General (GNU). Dean Kamen, fundador de FIRST y de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), ha creado una Competencia Robótica multinacional que reúne a profesionales y jóvenes para resolver problemas de diseño de ingeniería de manera competitiva. En 2003, el torneo contó con más de 20.000 estudiantes en más de 800 equipos en 24 competiciones. Los equipos vienen de Canadá, Brasil, Reino Unido y Estados Unidos. A diferencia de las competiciones de los robots de lucha de sumo que se celebran regularmente en algunos lugares o las peleas de ficción de “Battlebots” transmitidas por televisión, estos torneos incluyen la construcción de un robot. 1.3.9 EL IMPACTO DE LOS ROBOTS EN EL PLANO LABORAL. Muchas grandes empresas, como Intel, Sony, General Motors, Dell, han implementado en sus líneas de producción unidades robóticas para desempeñar tareas que por lo general hubiesen desempeñado trabajadores de carne y hueso en épocas anteriores. Esto ha causado una agilización en los procesos realizados, así como un mayor ahorro de recursos, al disponer de máquinas que pueden desempeñar las funciones de cierta cantidad de empleados a un costo relativamente menor y con un grado mayor de eficiencia, mejorando notablemente el rendimiento general y las ganancias de la empresa, así como la calidad de los productos ofrecidos. Pero, por otro lado, ha suscitado y mantenido inquietudes entre diversos grupos por su impacto en la tasa de empleos disponibles, así como su repercusión directa en las personas desplazadas. Dicha controversia ha abarcado el aspecto de la seguridad, llamando la atención de casos como el ocurrido en Jackson, Míchigan, el 21 de julio de 1984 donde un robot aplastó a un trabajador contra una barra de protección en la que aparentemente fue la primera muerte relacionada con un robot en los EE. UU. Debido a esto se ha llamado la atención sobre la ética en el diseño y construcción de los robots, así como la necesidad de contar con lineamientos claros de seguridad que garanticen una correcta interacción entre humanos y máquinas.

7

CAPITULO II. Fundamentos Teóricos 2.1 TIPOS DE ROBOTS. Para poder clasificar los robots lo primero que se debe hacer es definir la terminología. Un robot es una entidad virtual o mecánica artificial. En la práctica, esto es por lo general un sistema electromecánico que, por su apariencia o sus movimientos, ofrece la sensación de tener un propósito propio. La palabra robot puede referirse tanto a mecanismos físicos como a sistemas virtuales de software, aunque suele aludirse a los segundos con el término de bots. Los robots pueden ser de los siguientes tipos:

Móviles. Industriales. Médicos. Poliarticulados. Androides.

2.1.1 MÓVILES. Los robots móviles están provistos de patas, ruedas u orugas que los capacitan para desplazarse de acuerdo a su programación. Elaboran la información que reciben a través de sus propios sistemas de sensores y se emplean en determinado tipo de instalaciones industriales, sobre todo para el transporte de mercancías en cadenas de producción y almacenes. También se utilizan robots de este tipo para la investigación en lugares de difícil acceso o muy distantes, como es el caso de la exploración espacial y de las investigaciones o rescates submarinos. Estos robots aseguran el transporte de piezas de un punto a otro de una cadena de fabricación. Guiados mediante pistas materializadas a través de la radiación electromagnética de circuitos empotrados en el suelo, o a través de bandas detectadas fotoeléctricamente, pueden incluso llegar a sortear obstáculos y están dotados de un nivel relativamente elevado de inteligencia. 2.1.2 INDUSTRIALES. Los robots industriales son artilugios mecánicos y electrónicos destinados a realizar de forma automática determinados procesos de fabricación o manipulación. También reciben el nombre de robots algunos electrodomésticos capaces de realizar varias operaciones distintas de forma simultánea o consecutiva, sin necesidad de intervención humana, como los también llamados procesadores, que trocean los alimentos y los someten a las oportunas operaciones de cocción hasta elaborar un plato completo a partir de la simple introducción de los productos básicos.

8

2.1.3 MÉDICOS. Los robots médicos son, fundamentalmente, prótesis para disminuidos físicos que se adaptan al cuerpo y están dotados de potentes sistemas de mando. Con ellos se logra igualar con precisión los movimientos y funciones de los órganos o extremidades que suplen. 2.1.4 POLIARTICULADOS. Bajo este grupo están los robots de muy diversa forma y configuración cuya característica común es la de ser básicamente sedentarios aunque excepcionalmente pueden ser guiados para efectuar desplazamientos limitados y estar estructurados para mover sus elementos terminales en un determinado espacio de trabajo según uno o más sistemas de coordenadas y con un número limitado de grados de libertad. En este grupo se encuentran los manipuladores y algunos robots industriales, y se emplean cuando es preciso abarcar una zona de trabajo relativamente amplia o alargada, actuar sobre objetos con un plano de simetría vertical o reducir el espacio ocupado en la base. 2.1.5 ANDROIDES. Estos intentan reproducir total o parcialmente la forma y el comportamiento cinemático del ser humano. Actualmente los androides son todavía dispositivos muy poco evolucionados y sin utilidad práctica, y destinados, fundamentalmente, al estudio y experimentación. Uno de los aspectos más complejos de estos robots, y sobre el que se centra la mayoría de los trabajos, es el de la locomoción bípeda. En este caso, el principal problema es controlar dinámica y coordinadamente en el tiempo real el proceso y mantener simultáneamente el equilibrio del robot. 2.2 CLASIFICACIÓN DEL ROBOT INDUSTRIAL. La maquinaria para la automatización rígida dio paso al robot con el desarrollo de controladores rápidos, basados en el microprocesador, así como un empleo de servos en bucle cerrado, que permiten establecer con exactitud la posición real de los elementos del robot y establecer el error con la posición deseada. Esta evolución ha dado origen a una serie de tipos de robots, que se citan a continuación:

Manipuladores Robots de repetición y aprendizaje Robots con control por computador Robots inteligentes Micro-robots

9

2.2.1 MANIPULADORES. Son sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los siguientes modos:

Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador.

De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo preparado previamente.

De secuencia variable: Se pueden alterar algunas características de los ciclos de

trabajo. Existen muchas operaciones básicas que pueden ser realizadas óptimamente mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas.

Figura 2.1 Prototipo desarrollado con fines prácticos para el desarrollo de esta tesis.

10

2.2.2 ROBOTS DE REPETICIÓN Y APRENDIZAJE. Son manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el operario en la fase de enseñanza, se vale de una pistola de programación con diversos pulsadores o teclas, o bien, de joystick, o bien utiliza un maniquí, o a veces, desplaza directamente la mano del robot. Los robots de aprendizaje son los mas conocidos, hoy día, en los ambientes industriales y el tipo de programación que incorporan, recibe el nombre de "gestual". 2.2.3 ROBOTS CON CONTROL POR COMPUTADOR. Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microordenador. En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de la maquina, cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador dispone de un lenguaje específico, compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicación utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programación se le denomina textual y se crea sin la intervención del manipulador. Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informático. 2.2.4 ROBOTS INTELIGENTES. Son similares a los del grupo anterior, pero, además, son capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores por potenciarles y hacerles más efectivos, al mismo tiempo que más asequibles. La visión artificial, el sonido de maquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que más están estudiando para su aplicación en los robots inteligentes. 2.2.5 Micro-robots Con fines educacionales, de entretenimiento o investigación, existen numerosos robots de formación o micro-robots a un precio muy asequible y, cuya estructura y funcionamiento son similares a los de aplicación industrial.

11

2.3 ESTRUCTURA BÁSICA DE UN PLC. Un controlador lógico programable está constituido por un conjunto de tarjetas o circuitos impresos, sobre los cuales están ubicados componentes electrónicos.

El controlador Programable tiene la estructura típica de muchos sistemas programables, como por ejemplo una microcomputadora. La estructura básica del hardware de un consolador Programable propiamente dicho esta constituido por:

Fuente de alimentación. Unidad de procesamiento central (CPU) Módulos de interfases de entradas/salidas (E/S) Modulo de memorias Unidad de programación

Figura 2.2 Estructura básica de un PLC

En algunos casos cuando el trabajo que debe realizar el controlador es más exigente, se incluyen Módulos Inteligentes. 2.3.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN. La función de la fuente de alimentación en un controlador, es suministrar la energía ala CPU y demás tarjetas según la configuración del PLC.

5 V para alimentar a todas las tarjetas. 5.2 V para alimentar al programador. 24 V para los canales de lazo de corriente 20 mA.

2.3.2 UNIDAD DE PROCESAMIENTO CENTRAL. Es la parte más compleja e imprescindible del controlador programable, que en otros términos podría considerarse el cerebro del controlador.

12

La unidad central esta diseñado a base de microprocesadores y memorias; contiene una unidad de control, la memoria interna del programador RAM, temporizadores, contadores, memorias internas tipo relé, imágenes del proceso entradas/salidas, etc. Su misión es leer los estados de las señales de las entradas, ejecutar el programa de control y gobernar las salidas, el procesamiento es permanente y a gran velocidad. 2.3.3 MÓDULOS O INTERFASES DE ENTRADA Y SALIDA. Son los que proporciona el vínculo entre la CPU del controlador y los dispositivos de campo del sistema. A través de ellos se origina el intercambio de información ya sea para la adquisición de datos o la del mando para el control de maquinas del proceso. 2.3.3.1 TIPOS DE MÓDULOS DE ENTRADA Y SALIDA Debido a que existen gran variedad de dispositivos exteriores (captadores actuadotes), encontramos diferentes tipos de módulos de entrada y salidas, cada uno de los cuales sirve para manejar cierto tipo de señal (discreta o análoga) ha determinado valor de tensión o de corriente en DC o AC.

Módulos de entradas discretas Módulos de salidas discretas Módulos de entrada analógica Módulos de salida analógica

2.3.4 MÓDULOS DE MEMORIAS. Son dispositivos destinados a guardar información de manera provisional o permanente Se cuenta con dos tipos de memorias volátiles (RAM) y no volátiles (EPROM y EEPROM) 2.3.5 UNIDAD DE PROGRAMACIÓN. Los terminales de programación, son el medio de comunicación entre el hombre y la máquina; estos aparatos están constituidos por teclados y dispositivos de visualización Existen tres tipos de programadores los manuales (Hand Held) tipo de calculadora, Los de video tipo (PC), y la (computadora). 2.4 LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN.

Diagrama de Escalera Listado de instrucciones (mnemónicos). Lenguajes de alto nivel.

13

2.4.1 DIAGRAMA DE ESCALERA. Un programa en diagrama de escalera o esquema de contactos, la constituyen una serie de ramas de contactos.

Figura 2.3. Ejemplo de diagrama en escalera de STEP 7 Micro/WIN. Una rama esta compuesta de una serie de contactos, conectados en serie o en paralelo que dan origen a una salida que bien puede ser una bobina o una función especial. El flujo de la señal va de izquierda a derecha y de arriba a bajo. A una rama de circuito en esquema de contactos le corresponde una secuencia de instrucciones en forma de mnemónicos. Todas las ramas de circuito se inician con una instrucción LOAD. Una bobina no puede venir conectada directamente de la barra de inicio. En tal caso es necesario interponer un contacto siempre cerrado. A la derecha de una bobina no es posible programar ningún contacto. El número de contactos posibles en serie o en paralelo es prácticamente ilimitado. Es posible colocar en paralelo dos o más bobinas. 2.4.2 LISTADO DE INSTRUCCIONES. Consiste en un conjunto de códigos simbólicos, cada uno de los cuales corresponden a una instrucción. Cada fabricante usa sus propios códigos, y una nomenclatura distinta para nombrar las variables del sistema. El lenguaje de mnemónicos es similar al lenguaje ensamblador de los microprocesadores.

14

Ejemplo: Lista de instrucciones del autómata CQM1H de OMRON.

Dirección Instrucción Parámetro 0000 LD H0501

2.4.3 LENGUAJE DE ALTO NIVEL (GRAFCET) El Grafcet es una representación de análisis gráfico donde se establecen las funciones de un sistema secuencial. Este lenguaje consiste en una secuencia de etapas y transiciones, asociadas respectivamente con acciones y condiciones. Las etapas representan las acciones a realizar y las transiciones las condiciones que deben cumplirse para ir desarrollando acciones. La Etapa - Transición es un conjunto indisociable.

2.5 PLC SIEMENS S7-200 La gama S7-200 comprende diversos sistemas de automatización pequeños (Micro--PLCs) que se pueden utilizar para numerosas tareas. Gracias a su diseño compacto, su bajo costo y su amplio juego de operaciones, los sistemas de automatización S7-200 son idóneos para controlar tareas sencillas. La gran variedad de modelos S7-200 y el software de programación basado en Windows ofrecen la flexibilidad necesaria para solucionar las tareas de automatización. Los campos de aplicación de SIMATIC S7-200 se extienden desde la sustitución de los relés y contactores hasta tareas más complejas de la automatización en el modo independiente, en las redes, y en configuraciones distribuidas. El S7-200 también proporciona un acceso cada vez más a las zonas en que la electrónica especial ha sido desarrollada previamente por razones económicas. Además de la funcionalidad completa de base de los cinco CPUs (221, 222, 224,224XP y 226) diferentes, la tecnología del sistema modular del SIMATIC S7-200 ofrece una amplia gama de módulos de expansión escalable y específica para un rango muy elevado de funciones, de conformidad con los requisitos.

15

Figura 2.4 PLC – S7-200 2.5.1 CPUs S7-200 Siemens ofrece diferentes modelos de CPUs S7-200 que ofrecen una gran variedad de funciones y prestaciones para crear soluciones efectivas de automatización destinadas a numerosas aplicaciones. En la tabla 1 se comparan de forma resumida algunas de las funciones de la CPU.

Tabla 1 Comparativa de CPUs S7 – 200

16

2.5.2 MÓDULOS DE AMPLIACIÓN S7 – 200. La gama S7 - 200 incluye una gran variedad de módulos de ampliación para poder satisfacer aún mejor los requisitos de la aplicación. Estos módulos se pueden utilizar para agregar funciones a la CPU S7 - 200. En la tabla 1-2 figura una lista de los módulos de ampliación disponibles en la actualidad.

Tabla 2 Módulos de Ampliación S7 - 200 2.5.3 STEP 7-Micro/WIN El paquete de programación STEP 7-Micro/WIN constituye un entorno de fácil manejo para desarrollar, editar y observar el programa necesario con objeto de controlar la aplicación. STEP 7-Micro/WIN provee tres editores que permiten desarrollar de forma cómoda y eficiente el programa de control.

17

Figura 2.5 Software STEP 7-Micro/WIN 2.6 MOTORES ELÉCTRICOS. Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica. Debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar. Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables. Un motor eléctrico contiene un número mucho más pequeño de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos. Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de máximo funcionamiento. Su tamaño es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un único motor, como en los automóviles. 2.6.1 MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA. La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético, que se forma entre los dos polos opuestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuerza sobre determinados metales o sobre otros campos magnéticos. Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico.

18

Los dos componentes básicos de todo motor eléctrico son el rotor y el estator. El rotor es una pieza giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente eléctrica. El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con bobinados eléctricos por los que circula la corriente. 2.6.2 MOTOR PASÓ A PASO. El motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos. Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente. El motor de paso de rotor de imán permanente: Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o 90°. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estator El motor de paso de reluctancia variable (VR): Tiene un rotor multipolar de hierro y un estator devanado laminado, y rota cuando los dientes del rotor son atraídos a los dientes del estator electromagnéticamente energizados. La inercia del rotor de un motor de paso de reluctancia variable es pequeña y la respuesta es muy rápida, pero la inercia permitida de la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es cero. Generalmente, el paso angular de este motor de paso de reluctancia variable es de 15° El motor híbrido de paso: Se caracteriza por tener varios dientes en el estator y en el rotor, el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par y se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°. Motores pasó a paso Bipolares: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. El control de estos motores puede ser mediante el uso de un puente en H (H-Bridge), en general es recomendable el uso de circuitos integrados como son los casos del L293. Motores paso a paso unipolares: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. Se puede realizar el conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo Darlington capaces

19

de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B, C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador. 2.7 SISTEMAS DE CONTROL. A medida que el hombre aprende a construir máquinas que no dependen de la fuerza animal o humana, descubre que debe encontrar alguna forma de manejarlas y controlarlas. Las máquinas poderosas, dejadas a su suerte, pueden crear confusión y destrucción. Los sistemas de control se han desarrollado para manejar máquinas o procesos, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Básicamente, existen sistemas de control de lazo abierto y de lazo cerrado. 2.7.1 SISTEMA DE CONTROL DE LAZO ABIERTO. Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador. Un ejemplo es el llenado de un tanque usando una manguera de jardín. Mientras que la llave siga abierta, el agua fluirá. La altura del agua en el tanque no puede hacer que la llave se cierre y por tanto no nos sirve para un proceso que necesite de un control de contenido o concentración. Estos sistemas se caracterizan por:

Ser sencillos y de fácil concepto. Nada asegura su estabilidad ante una perturbación. La salida no se compara con la entrada. La precisión depende de la previa calibración del sistema.

2.7.2 SISTEMA DE CONTROL DE LAZO CERRADO. Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia. El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes circunstancias:

Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre. Una producción a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz

de manejar. Vigilar un proceso es especialmente duro en algunos casos y requiere una atención que

el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste, con los consiguientes riesgos que ello pueda ocasionar al trabajador y al proceso.

20

Sus características son:

Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros. La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema. Su propiedad de retroalimentación. Ser más estable a perturbaciones y variaciones internas.

Un ejemplo de un sistema de control de lazo cerrado sería el termo-tanque de agua que utilizamos para bañarnos. Otro ejemplo sería un regulador de nivel de gran sensibilidad de un depósito. El movimiento de la boya produce más o menos obstrucción en un chorro de aire o gas a baja presión. Esto se traduce en cambios de presión que afectan a la membrana de la válvula de paso, haciendo que se abra más cuanto más cerca se encuentre del nivel máximo. 2.8 CIRCUITOS DE CONTROL DE MOTORES DE CC (PUENTE H). Un puente H es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos. El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del circuito. Un puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (figura 2.6) están cerrados (y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor.

Figura 2.6 Estructura de un puente H. Con la nomenclatura que estamos usando, los interruptores S1 y S2 nunca podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque esto cortocircuitaría la fuente de tensión. Lo mismo sucede con S3 y S4.

21

Figura 2.7 Estados básicos de conducción 2.8.1 DRIVE L293D El L293 es un drive de 4 canales capaz de proporcionar una corriente de salida de hasta 1A por canal. Cada canal es controlado por señales de entrada compatibles TTL y cada pareja de canales dispone de una señal de habilitación que desconecta las salidas de los mismos. Dispone de una patilla para la alimentación de las cargas que se están controlando, de forma que dicha alimentación es independiente de la lógica de control. La Figura 2.8 muestra el encapsulado de 16 pines, la distribución de pines y la descripción de las mismas.

Tabla 3 Características de los pines del L293. Aplicaciones:

Giro de dos motores en un único sentido. Control del giro de un motor en los dos sentidos. Control de un motor pasó a paso.

22

Figura 2.8 Diagrama de las terminales del L293 2.8.2 DRIVE L6203 El L6203 es un controlador del tipo DMOS, dicho circuito puede manejar una corriente pico de hasta 5A y la tensión de alimentación a 48V con RDS (ON) de sólo 0,3 ohmios. Todas sus entradas son compatibles con TTL, CMOS y microcontroladores.

Figura 2.9 Encapsulado multiwatt11 y disposición de los pines. 2.9 CIRCUITO OPTOACOPLADOR. Un optoacoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un interruptor excitado mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente opto-electrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se suelen utilizar para aislar eléctricamente a dispositivos muy sensibles.

23

La figura 2.10 muestra un optoacoplador formado por un LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la resistencia en serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1. Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.

Figura 2.11 Circuito optoacoplador.

Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada. De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas tensión/luz del LED no son lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden optoacopladores especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada. La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios. En general, los diferentes tipos de optoacopladores se distinguen por su diferente etapa de salida. Entre los principales cabe destacar el fototransistor, ya mencionado, el fototriac y el fototriac de paso por cero. En este último, su etapa de salida es un triac de cruce por cero, que posee un circuito interno que conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la fuente.

Figura 2.12 Fototransistor Figura 2.13 Fototriac

24

CAPITULO III. Implementación del control por PLC 3.1 DIAGRAMA DE CONEXIÓN A BLOQUES.

BRAZO ARTICULADO DE 5 GRADOS DE

LIBERTAD

Circuito de potencia

PLC

S7-200, CPU-224

SEÑAL DE CONTROL

CICUITO DE PROTECCION ELECTRICA.

Retroalimentación de posición

Señal de activación

Figura 3.1 Diagrama a bloques En la figura 3.1 se muestra el diagrama a bloques de la conexión para controlar un brazo articulado mediante un PLC el cual se explica a detalle a continuación. En el primer bloque se denomina de control el cual se efectúa por medio de un PLC de la marca SIMENS modelo S7-200 con CPU-224 que es el en cargado de recibir la señal de retroalimentación para que por medio de la programación compare esa señal y mande la orden de activación de los motores para que se pueda mover el brazo articulado a una posición deseada. En el segundo bloque se encuentran los circuitos de protección eléctrica son los que aíslan las salidas digitales del PLC con respecto a la etapa de potencia. El tercer bloque se denomina etapa de potencia la cual es la interfaz entre el PLC y el brazo articulado esta es donde se encuentran los circuitos que proporcionan el voltaje y la corriente para la alimentación de los motores, el giro de izquierda y derecha para ellos de pendiendo de la orden del PLC, voltajes de referencia para los potenciómetros que manda la señal de retroalimentación. El cuarto bloque es la estructura física del brazo la cual se conforma de motores, la transmisión por medio de la cadena, la estructura que conforma el brazo, el antebrazo, la pinza, la base y el cuerpo.

25

3.2 DESARROLLO Y APLICACIÓN DE LOS CIRCUITOS. A continuación se explican los circuitos que conforman la interfase entre el PLC y el brazo articulado. Es muy importante que se cuente con una protección eléctrica para el PLC ya que cualquier pico de corriente podría dañarlo o la demanda de corriente excesiva por parte de los circuitos también podría terminar con la vida útil de este, ya que el PLC manda la señal de control de activación para el giro de izquierda o derecha de los motores lo cual se logra por medio de un puente H y en este circuito es donde se demanda mas corriente. Al instante de que el motor se mueva se generara un fuerza contra electromotriz la cual podría llegar hasta el PLC y dañarlo para evitar esto se implemento el uso de optoacopladores 4N32 el cual está conformado de un diodo emisor de luz a la entrada y en la salida un transistor darlington se utilizo este optoacoplador ya que como en la salida tiene un transistor darlington permite el manejo de una corriente mayor. La entrada del optoacoplador se conecta a la salida del PLC pero como este solo nos entrega un voltaje de 24Vcd y una corriente máxima aproximadamente de 40mAcd y la entrada del optoacoplador es un LED y este se activa con 1.2Vcd y una corriente recomendada de 10mAcd y como máximo una corriente de 20mAcd para esto se tiene que calcular una resistencia de entrada para limitar la corriente, esta podemos calcularla con la siguiente formula.

Rin Donde: Rin = Es la resistencia de entrada que se desea emplear.

Vin = Es el voltaje suministrado menos el voltaje de consumo para la activación del LED. I = Es la corriente que se desea que pase por el LED

La resistencia utilizada se obtuvo de la siguiente forma:

Rin = (24 - 1.2)/20mA Rin = 22.8 / 20mA Rin = 1140

La resistencia ideal que se debe utilizar es de 1140Ω pero ya que no se fabrican se elige la de 1KΩ que es un valor comercial y como la corriente que circula por el resistor no es grande se puede usar a ¼ w.

26

La corriente que se desea tener es de 20mAcd para una mayor excitación a la base del transistor y permita el paso de mayor corriente por este, pero esto ocasiona que la vida útil del LED se acorte. La forma de conectar lo se ve en la figura 3.1:

Figura 3.2 Conexión de un optoacoplador

Una vez que se polariza la base del transistor por medio del LED este deja pasar una corriente y un voltaje lo que activa la entrada del puente H que es el que alimenta al motor y da el sentido del giro, debido al consumo de corriente de los motores implementados se utiliza el circuito L6203 que puede manejar una corriente de 4Acd y un voltaje de salida máximo de 48Vcd. La conexión se muestra en la figura 3.3:

Figura 3.3 Conexión del L6203

27

Como se puede apreciar en el pin de 11 se encuentra un regulador que nos da un voltaje de referencia ya que el circuito como máximo voltaje acepta 7Vcd este regulador estabiliza el voltaje a 5Vcd permanentemente, en la salida cuneta con dos diodos y dos capacitores que son para eliminar el estado transitorio que se presenta de la recirculación de la corriente. Al igual que en el pin 11 los pines 5 y 7 que son la entrada digital para el control del motor estos soportan un voltaje de 7Vcd ya que este voltaje es proporcionado por el optoacoplador que sale del transistor darlington que es alimentado por 24Vcd y este voltaje es demasiado grande ocasionando que si se manda directamente al circuito se dañe se estabiliza con un diodo zener de 5.6Vcd a ½ w la conexión se ve en la figura 3.4:

Figura 3.4 Conexión entre el optoacoplador y el L6203 Este es el diagrama de conexión para controlar los motores de C.D. utilizando el software PROTEUS 7.6 se realiza el impreso el cual se puede ver en la figura 3.5:

Figura 3.5 PCB para tarjeta de control de un motor de 4Amp a 24Vcd

28

Este impreso es de 5x5 cm de una cara y es una tarjeta extraíble para mayor facilidad en remplazarla al dañarse. La tarjeta terminada queda como en la figura 3.6:

Figura 3.6 Boceto de la tarjeta de control para un motor. Como en todo circuito necesita de una fuente de alimentación para que pueda realizar el trabajo deseado se construyo una fuente que proporcione el voltaje y la corriente necesaria para alimentar los motores y los potenciómetros queden la señal de retro alimentación hacia el PLC para ubicar los grados de libertad. Los motores empleados son moto reductores con un consumo mayor a un Amper por este motivo se emplea un transformador de 3Amp. a 12Vca en el secundario debido a la corriente que se maneja y como se necesita un voltaje de 8Vcd para la activación de los motores se emplea un regulador lineal variable el LM338 que soporta una corriente de 5Amp. y puede ser regulado de 1.2Vcd a 32Vcd para ello se necesita realizar los cálculos para poner las resistencias para la regulación los cuales obtenemos empleando la siguiente fórmula:

Donde: Vout = Es el voltaje máximo que se desea obtener en la regulación

Vref = Voltaje de referencia entre la salida y el ajuste

Iadj = Corriente de ajuste que el fabricante recomienda de 50µA

R1 y R2 = resistencias a calcular

29

Con lo anterior se calcula lo siguiente:

20 = 1.25 (1 + 10KΩ/R1) + (50µA*10KΩ) Como se desea un voltaje máximo de regulación de 20Vcd y para controlar el voltaje de ajuste se emplea un potenciómetro de 10KΩ solo se necesita saber la resistencia R1 por lo cual se despeja que dándolo siguiente:

20 = 1.25 + 12500/R1 + 0.5

20 – 0.75 = 12500/R1

19.25 = 12500/R1

R1 = 12500/19.25

R1 = 649

La resistencia que se necesita es de 649Ω pero como no se comercializan resistencias de ese valor se busca el más aproximado el cual es de 680Ω y como se maneja una corriente baja se emplea a ¼ de w. También es necesario el voltaje de referencia para la alimentación de la señal de retroalimentación que nos la dan los potenciómetros para el PLC para ello se emplea un voltaje de 5Vcd debido a que no se necesita de una corriente grande se emplea un regulador fijo el 7805 que es muy comercial y soporta una corriente de salida de 1Amp con una entrada de voltaje máximo de 35V. Una vez teniendo esto en cuenta se desarrolla el diagrama que se ve en la figura 3.7.

Figura 3.7 Diagrama de la fuente de alimentación

30

Como también se cuenta con un motor de corriente directa de bajo consumo de corriente y un motor a paso es necesario desarrollar otro tipo de control para este tipo de motores ya que su corriente es mínima se implementa el uso del L293B que es un puente H que soporta un Amper por canal como cuenta con dos soporta dos amperes. Para el manejo del motor a pasos es necesario el uso de los dos canales y para el de corriente directa solo uno es necesario tener dos circuitos como se muestra en la figura 3.8.

Figura 3.8 Diagrama eléctrico de L293B

Como este circuito en la habilitación soporta un voltaje máximo de 7Vcd se coloca un regular 78L05 que nos da un voltaje de referencia de 5Vcd a 100mA suficientes para la activación de la habilitación para las entradas se emplea el mismo sistema que para los puentes H anteriores. La implementación de estos circuitos es muy sencilla el L293B se alimenta con un voltaje máximo de 32Vcd para el uso de esta aplicación se alimentara de 8Vcd. La construcción de este circuito se desarrolla en el mismo PCB que la fuente de alimentación y también se colocan los zócalos para las tarjetas que contienen los puentes H para los motores mas grandes como se había mencionado estas son de extracción para una mayor comodidad por si se presentara alguna complicación solo será cuestión de extraerla tarjeta dañada y remplazarla por otra. El diagrama de conexión para las tarjetas extraíbles se muestra en la figura 3.9.

31

Figura 3.9 Diagrama de conexión de potenciómetros y tarjetas extraíbles También se implementa en el mismo PCB la alimentación para los potenciómetros y la retroalimentación para el PLC como se muestra en el diagrama anterior los conectores son J14, J15 y J16. Una vez teniendo el diagrama de la fuente de alimentación, el puente H para los motores de baja corriente, la conexión para la tarjeta del puente H para los motores de alta corriente y los potenciómetros para la señal de retroalimentación procedemos a realizar el PCB el tiene una dimensión de 17x14 cm como se aprecia en la figura 3.10.

Figura 3.10 Diseño del PCB para la fuente de alimentación y circuito L293B

32

Y la forma física después de ensamblar la tarjeta es como en la figura 3.11.

Figura 3.11 Boceto de la tarjeta de la fuente y circuitos L293B

3.3 CONTROL DE RETROALIMENTACIÓN. El reconocimiento de la posición de cada grado de libertad seda mediante el uso del control de posición de un servomecanismo de corriente directa (CD). La figura 3.12 muestra el sistema de posición al cual se le implementará el controlador y consta, básicamente, de un motor de corriente directa (CD) de imán permanente, al cual se le ha acoplado en el eje un potenciómetro lineal de 0 a 1 KΩ. El potenciómetro es alimentado con 5 voltios de cd en sus terminales fijos para obtener, de su terminal móvil, una señal que varía de 0 a 5 voltios.

Figura 3.12 acoplamiento del potenciómetro

33

La señal de salida, corresponde a la salida del terminal móvil del potenciómetro. Si éste se alimenta con 5 voltios en sus terminales fijos (a y b), producirá un voltaje en su terminal móvil (c) equivalente a su posición. Podemos decir entonces que cuando produce 0 voltios esta en la posición equivalente a 0 grados. La señal de referencia, corresponde a la posición deseada. Es decir, si queremos que el motor alcance una posición debemos colocar un valor en el PLC. La señal de error, corresponde a la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida. La señal de control, corresponde al voltaje producido por el PLC para disminuir o anular el error. Si la señal de error es positiva indica que la referencia es mayor que la salida real, entonces el PLC coloca un voltaje al motor para que continúe girando hasta minimizar o anular el error. Si por el contrario la señal de error resulta negativa indica que la salida sobrepasó la referencia entonces el controlador debe poner un voltaje para que el motor gire en sentido contrario hasta minimizar o anular el error. Podemos entonces decir que con un controlador proporcional es suficiente para obtener la respuesta deseada en el sistema controlado como en la figura 3.13.

Figura 3.13 Diagrama de bloques del sistema de posición en lazo cerrado

34

CAPITULO IV. Pruebas y resultados. 4.1 DIAGRAMA DE FLUJO.

35

36

37

El diagrama de flujo es la secuencia que realiza el PLC para mover el brazo articulado y se explica a continuación: El primer bloque es a aquel en donde se cargan los valores para cada grado de libertad para cada sección del brazo articulado la cual para cada una de las partes emplean dos constantes previamente definidas para la posición que se desea que se coloque la sección del brazo articulado. En seguida se encuentran varias tomas de decisión las cuales cada una tiene una secuencia diferente de acción para el brazo articulado dada por las variables previamente establecidas estas condiciones se cumplen siempre y cuando el usuario pulse algún botón de entrada del PLC y no es así el PLC solo se queda esperando la activación y no realiza ninguna función. Si se activa una entrada el PLC llama al convertidor analógico digital como el brazo articulado posee tres secciones que mandad una señal analógica al PLC al mismo tiempo. Se emplean los tres primeros convertidores analógicos digitales para leer las señales analógicas y al mismo tiempo poder comparar la señal analógica proveniente del brazo articulado para así comparar las señales contra las constantes previamente establecidas si durante la comparación si la señal resulta ser menor que la constante se activara la salida lógica del PLC para que esa sección del brazo que mando la señal analógica menor se mueva hacia arriba y al contrario si esa señal analógica registrada es mayor que la constante el PLC activara una salida digital diferente para que la sección que presenta la señal alta se mueva hacia abajo, este proceso se hace al mismo tiempo para las tres partes del brazo articulado que mandan una señal analógica. El PLC continuara con su programación una vez que las condiciones se cumplan y la siguiente instrucciones la de mover la pinza la cual moverá al motor a pasos hasta que se cumpla la condición una vez realizado esto se activara las tenaza ya sea para abrirlas o cerrarlas esto depende de los interruptores que tiene la tenaza para saber si se abre o se cierra. 4.2 PRUEBAS DE CADA GRADO DE LIBERTAD. El brazo articulado se divide en seis partes para las cuales son base, cuerpo, brazo, antebrazo, mano y aprehensor para las cuales se realizo un diagrama de escalera para cada una de ella para así poder realizar pruebas de funcionamiento y calibrar los grados de movimiento de cada una de ellas. En la figura 4.1 se puede ver las partes que lo conforman.

38

Figura 4.1 Prototipo desarrollado.

El programa de prueba del antebrazo es el que se muestra en la figura 4.2 el cual es comprendido como sigue. Se declara el uso del convertidor analógico digital como entrada y la conversión en números de ingeniería dando el valor mínimo como 0 y el máximo en 32767 para el movimiento del antebrazo se posiciona en la posición más baja que se desea que llegue y en la posición más alta tomando estos valores como el límite superior y el límite inferior. A partir de estos de estos límites se declara dos valores que siempre estén dentro del rango superior e inferior los cuales nos darán una posición que es en donde el antebrazo se colocara para que esto se logre se utiliza una función de comparación (>=1, <=1) la cual comparara el valor del convertidor analógico digital contra una constante que son los valores en donde queremos que el antebrazo se posicione mientras las condiciones no se cumplan se activara una salida, dependiendo de la condición es la salida que se activara ya sea para subir el antebrazo o bajarlo, cuando se cumplan las dos condiciones las salidas se desactivan y al antebrazo se encontrara en la posición deseada.

39

Figura 4.2Diagrama de escalera para prueba del antebrazo

Figura 4.3 Antebrazo en posición baja

40

En la figura 4.3 se muestra el antebrazo antes de activar la condición en este caso se activara la condición de subida, mientras no se cumpla la condición el PLC mandara un pulso para activar el puente H el cual hará subir el antebrazo este pulso estará presente hasta que el brazo se coloco que en la posición deseada mientras sube el antebrazo el potenciómetro se mueve y varia el voltaje que es el que manda al convertidor analógico digital del PLC para la comparación. Una vez que se cumple la condición el PLC deja de mandar el pulso esto da como resultado que el antebrazo se encuentre en una posición diferente a la que estaba antas como se ve en la figura 4.4

Figura 4.4 Antebrazo en posición alta El diagrama de escalera (figura 4.5) para la prueba del brazo es similar que para el antebrazo solo que al momento de hacer las declaraciones de los limites superior e inferior estos resultan de un valor más bajo que para el antebrazo la razón es porque el brazo requiere de un movimiento muy extenso ya que la mayor parte del trabajo lo realiza el antebrazo haciendo movimientos extensos. También cabe mencionar que el convertidor analógico digital para el censado de esta parte es diferente al del antebrazo esto es para que se pueda leer dos valores analógicos al mismo tiempo.

41

Figura 4.5 diagrama de escalera para prueba del brazo

Figura 4.6 Brazo en posición alta

42

El brazo se encuentra en una posición alta y para la condición se activar el pulso de bajada que lo da el PLC al puente H haciendo mover el brazo que a su vez mueve el potenciómetro que varia su resistencia y este al ser alimentado por un voltaje varia este voltaje de referencia que es mandado al convertidor analógico digital para ser comparado contra la constante declarada y cuando se cumpla la condición el brazo abra cambiado su posición como se ve en la figura 4.7

Figura 4.7 Brazo en posición abajo.

El diagrama de escalera de la base es similar que para el antebrazo y el brazo con la diferencia que los límites superior e inferior son mucho más grandes por la trayectoria de desplazamiento que se tiene que realizar para su posicionamiento. Y el número de convertidor analógico digital es distinto al empleado para el antebrazo y el brazo. Figura 4.8

43

Figura 4.8 Diagrama de escalera para prueba de la base En la figura 4.9 se aprecia el movimiento efectuado al utilizar el programa, para obtener la señal analógica se emplea un potenciómetro (figura 4.10) como en el brazo y esa señal es mandada al convertidor analógico digital para su comparación y posicionamiento final.

Figura 4.9a Rotación de la base

44

Figura 4.9b Rotación de la base

Figura 4.10 Potenciómetro de la base El diagrama de escalera para la mano tiene que controlar un motor a pasos que es el que mueve la mano el diagrama es para un motor bipolar y manda pulsos activando y desactivando las salidas consecutivamente con una duración por pulso de 100ms ya sea que se active en forma ascendente o descendente la activación de las salidas dando asi el movimiento de la mano arriba o abajo. Figura 4.11.

45

46

Figura 4.11 diagrama de escalera para el movimiento de la mano El motor a pasos mueve una banda que es la que trasmite la fuerza para mover la mano. Figura 4.12.

Figura 4.12 sistema de movimiento para la mano

Para el aprehensor el diagrama de escalera es muy sencillo consta de una entrada que activa una salida hasta que un interruptor externo la desactive ya se para serrar o abrir. Figura 4.13

47

Figura 4.13 Diagrama de escalera para el control del efector.

En la figura 4.14 y 4.15 se puede apreciar el efector en posición abierta y en posición cerrada también se ve los interruptores externos que son los que deshabilitan el pulso mandado por el PLC para puente H que controla el motor que da el movimiento.

Figura 4.14Efector cerrado.

48

Figura 4.15 Efector abierto.

49

CAPITULO V.

CONCLUSIONES. Esta tesina representa una pequeña parte de todo lo que la disciplina de control y automatización escapas de alcanzar, proyectos como éste podrían ser utilizados por futuras generaciones principalmente de la carrera de control así como también de electrónica, para el desarrollo de nuevas tecnologías en automatización o bien la participación de la ESIME Culhuacan en concursos nacionales e internacionales. Uno de los paso fue el poder controlar los movimiento de una forma automática. Pensando en esto se diseñó la interfaz externa para conectar el PLC, desarrollando también circuitos de potencia para la activación de los motores. Otro punto del proyecto fue el software de control, este programa al ser desarrollado en STEP 7 MicroWIN V4, resulta muy simple de manejar así como de reprogramar, y podría ser adaptado a cualquier brazo de movimientos semejantes pero dimensiones diferentes; para futuros trabajos se sugeriría realizar el control en plataformas como “LabView” de Nacional Instruments, ya que se adapta para el diseño de aplicaciones como esta. En cuanto a lo que al brazo se refiere, el diseño y la funcionalidad son muy buenos. Otra mejora que podría realizarse es en la pinza, agregando el movimiento de la muñeca que podría girar 360°, o también podrían adaptarle 4 dedos en lugar de 2 para que al tomar objetos tenga menos posibilidades de soltarlos.

Bibliografía: 1. Robots, androids, and animation. John Iovine. (1998) USA. 1era edición. Mc Graw Hill. 2. Understanding robotics. Richard L. Burden (1998) México. 6ta edición. Thomson

Editores. 3. Jun-min Li, Jia-qing MA, and Bai-wu Wan, “An algorithm of optimal control base don

Bilinear model for nonlinear continuous-time dynamic systems”. 2002, Shanghai, P.R. China.

4. Control de brazo robótico cartesiano de tres grados de libertad. (2008) México. ESIME Culhuacan IPN. Aline Aguilar, Aron González, Yanely Saavedra y Ángel Trejo.

50

APÉNDICE A.

Programa del control através de STEP 7 MicroWIN V4.

51

52

53

54

ANEXOS

55

56

57