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REVISTA ARISTA DIGITAL___________________________________________
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Núm. 39 – Diciembre 2013
Depósito Legal: NA3220/2010
ISSN: 2172-4202
Revista Arista Digital http://www.afapna.es/web/aristadigital
En este trabajo se va a exponer la realización
práctica del control automático en lazo cerrado
de un motor de corriente continua de 24 V
según el segundo método utilizando un
autómata programable S7200 junto con el
módulo de entradas y salidas analógicas EM-
235.
El control automático del mismo será en lazo
cerrado de tal manera que existirá una
retroalimentación de la señal de salida.
Contenido
Introducción
1. Autómata S7-200
2. Módulo EM-235
3. Descripción del sistema
4. Programación del control PID
5. Prueba y optimización del sistema.
Bibliografía
AUTOR: Gonzalo Olmo Correcher
CENTRO TRABAJO: IES Cinco Villas
ISSN: 2172-4202
2-CONTROL AUTOMÁTICO DE UN
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
INTRODUCCIÓN
El control de motores de corriente continua
suele tratarse de un proceso aparentemente
muy sencillo y a la vez con numerosas
aplicaciones.
Si se pretende un control preciso de la
velocidad del motor se requerirá de un
circuito electrónico especializado que utilizará
el método PWM (Pulse Wide Modulation) en
el cual se regula el tiempo que el motor recibe
tensión constantemente, de tal manera que
en estas condiciones el motor trabaja a
máxima velocidad y potencia.
La regulación de la velocidad se consigue
aplicando pulsos.
Otra forma de controlar la velocidad de un
motor de corriente continua es regulando la
tensión que se aplica al motor, de tal manera
que a mayor tensión, mayor velocidad. El
problema de este segundo método radica en
la pérdida de potencia que se produce
disminuyendo la eficiencia del sistema.
.
01/12/2013
Número 39
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1. AUTÓMATA S7200
Los autómatas programables o controladores lógicos programables se han
extendido rápidamente desde la producción de automoción hasta el resto de
ramas industriales.
Los autómatas o plc´s han cambiado enormemente pasando a ser cada vez
más pequeños, económicos e integrando funciones integradas como el
control PID integrado auto-configurable que utilizaremos en este trabajo para
el control de la velocidad de un motor de corriente continua.
El autómata que emplearemos para dicha regulación será un Siemens S7-
224 dotado de entradas y salidas digitales.
Figura 1: Autómata S7-224 dotado con modulo analógico EM-235
Para la programación del mismo se utiliza el software STEP 7 –Micro/WIN, un
programa que optimiza la utilización de todos los beneficios de la familia de
autómatas S7-200.
FUNCIONES CPU 224
Entradas/Salidas integradas 14DI/10DQ
Módulos de expansión 7
Número dig.In/Out 168
Analog.In/Out/Max -
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Memoria de programa 8/12 KB
Memoria de datos 8 KB
Bool execution time 0.22 µs
Relé de bit
/Contadores/Temporizadores
256/256/256
Contadores de alta velocidad 6 x 30 kHz
Hora de reloj Integrado
Salidas de pulso 2 x 20 KHz
Interfaz COM 1 x RS-485
Potenciómetro analógico 2
Tabla 1: Especificaciones técnicas de la CPU 224
2. MÓDULO EM-235
Este módulo se compone de una salida analógica y cuatro entradas
analógicas configurables en modo bipolar o unipolar. En este trabajo
utilizaremos el modo unipolar (0-10V) para la regulación de la velocidad sin
cambio de sentido de giro.
Para la realización del control PID del motor es necesario el correcto manejo
de las señales analógicas conectadas al módulo EM-235.
Las señales analógicas que se manejarán serán:
Entrada AIW0: A esta entrada se conecta la dinamo taquimétrica
encargada de recoger la información sobre la velocidad del motor.
La señal que recoge es una tensión proporcional a la velocidad
tomando valores de 0-10 V. La constante de la dinamo es 0,01
V/rpm. Se ajustará el módulo de potencia de tal manera que para
una referencia igual a 1 la medición máxima que pueda registrar la
dinamo taquimétrica sean 10 V correspondiendo a 1000 rpm.
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Salida AQWO: Esta salida se conecta al motor de corriente
continua a través de una etapa de potencia. La salida AQW0 se
conecta a la consigna 0-10V de la etapa de potencia y solamente
suministra voltaje a la etapa cuando el control así lo requiere.
Para configurar el modo de funcionamiento unipolar con rango de
tensión 0-10 V habrá que configurar los switches de la parte inferior
del módulo con la siguiente configuración:
0 1 0 0 0 1
3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
Como se ha comentado anteriormente el sistema es en lazo cerrado
existiendo una retroalimentación de la variable de salida que en este caso se
trata de la velocidad del motor.
Figura 2: Diagrama en lazo cerrado.
La referencia se establecerá desde el asistente PID integrado en Step7-
Microwin y sus valores estarán comprendidos entre 0 y 1 correspondiendo los
límites con la mínima y máxima velocidad respectivamente.
El instrumento que detecta la velocidad de salida es una dinamo taquimétrica
de la marca Radio-Energie modelo RE.0122. Sus principales características
técnicas son las siguientes:
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Designación Valor
Límite de velocidad 10000 rpm
Momento de inercia 0.024 Kg.cm2
Par de accionamiento 0.16 N.cm
Máxima f.e.m. admisible 100 V
f.e.m. a 1000 rpm 10 V
Constante de velocidad 0.10 V/rpm
Tabla 2: Especificaciones técnicas de la dinamo RE.0122
El motor a controlar es un motor de corriente continua de la marca Maxon con
las siguientes características técnicas:
Designación Valor
Voltaje 24 V
Potencia 15 W
Máxima velocidad 5860 rpm
Máxima eficiencia 72 %
Constante de velocidad 250 rpm/V
Tabla 3: Especificaciones técnicas del motor Maxon A-max 32
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Figura 3: Conjunto motor- dinamo taquimétrica
Figura 4: Módulo de potencia
En la siguiente figura podemos observar las conexiones entre los diferentes
elementos que componen el sistema de control en lazo de cerrado.
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Figura 5: Conexionado del sistema de control en lazo cerrado
4. PROGRAMACIÓN DEL CONTROL PID
El programa realizado mediante el asistente incorporado en Step7-Microwin
debe encargarse de leer el valor de la velocidad del motor, procedente de la
dinamo taquimétrica, comparar dicho valor con la referencia (velocidad
deseada) y aplicar un algoritmo de control PID a la resta de los dos valores
anteriores, (error). El resultado del algoritmo de control del error es trasladado
a la salida AQW0.
Una vez elegida la opción “Asistente PID” llegamos a la pantalla donde se
configurarán los parámetros iniciales del controlador:
- Límites de la consigna de referencia: Se elegirán 0-1
correspondientes a la velocidad mínima y máxima del motor.
- Ganancia: Corresponde a la constante proporcional del
controlador.
- Tiempo de acción integral: Corresponde a la constante integral
del regulador. Los valores son inversamente proporcionales al
efecto.
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- Tiempo de acción derivada: Corresponde a la constante
diferencial del regulador. Los valores son directamente
proporcionales al efecto.
Figura 6: Configuración de los parámetros del controlador
En la siguiente pantalla se configuran la entrada y salida del sistema en lazo
cerrado estableciendo el escalamiento, (unipolar en este caso), los limites
inferior y superior (0 y 32768), y el tipo de salida (analógica).
Figura 7: Configuración de la entrada y salida analógicas
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En las siguientes pantallas se posibilitan la habilitación de alarmas, se
requiere el área de memoria de cálculo (VB0), y se solicitan los nombres para
las rutinas de inicialización e interrupción PID.
Hasta aquí el asistente PID, ya solamente resta programar en un segmento la
subrutina de inicialización.
Figura 8: Llamada a la subrutina de inicialización
Los parámetros requeridos para la programación de la subrutina de
inicialización son:
- Entrada de habilitación EN: Se habilitará con la marca especial
SM0.0.
- Output: Corresponde a la salida analógica AQW0.
- PV_I: entrada analógica AIW0.
- Setpoint: Área de memoria donde se registrarán los valores de la
consigna de referencia.
Para terminar se necesita establecer en una tabla de estado las direcciones
de los parámetros necesarios para definir el sistema de control en lazo
cerrado:
PID0_SP Referencia VD4
PID0_Output Acción de control VD8
PID0_Gain Ganancia VD12
PID0_SampleTime Periodo de muestreo VD16
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PID0_I_Time Tiempo integral VD20
PID0_D_Time Tiempo derivativo VD24
Tabla 4: Especificaciones en la tabla de estado
En esta tabla se pueden modificar los parámetros para comprobar el
funcionamiento del sistema y tratar de optimizar el mismo en busca de un
sistema estable bajo control.
5. PRUEBA Y OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA
Para comenzar empezamos estableciendo unos parámetros para los cuales
el sistema a 500 rpm (Ref. = 0.5) no sea estable. Para ello se han
establecido:
GANANCIA 4
TIEMPO DE MUESTREO 0.05
TIEMPO DE ACCIÓN INTEGRAL 9999999
TIEMPO DE ACCION DERIVADA 0
Tabla 5: Parámetros iniciales
En esta primera configuración podemos observar como el controlador carece
de acción integral y derivativa. Solamente se ha tenido en cuenta la acción
proporcional la cual produce una señal proporcional a la desviación de la
salida del proceso respecto al punto de consigna.
La grafica de la velocidad de salida se caracterizará por una disminución del
error en estado estacionario, un aumento de la velocidad de repuesta del
proceso y un aumento de la sobreoscilación y oscilaciones. Estas variaciones
son proporcionales a la ganancia establecida.
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Para optimizar el sistema y conseguir una perfecta regulación a 500 rpm se
han realizado diferentes experimentos hasta llegar a los siguientes
resultados:
Tabla 6: Parámetros optimizados
En la configuración final se ha utilizado una acción integral que elimina el
problema del error en estado estacionario frente a perturbaciones de carga
constante así como el error en régimen permanente.
En este caso con la acción derivativa no se mejoraba el amortiguamiento del
sistema oscilatorio por lo que se ha eliminado estableciendo el parámetro Td
en 0. Por lo tanto el controlador a utilizar en este caso sería un PI.
GANANCIA 1
TIEMPO DE MUESTREO 0.05
TIEMPO DE ACCIÓN INTEGRAL 2000
TIEMPO DE ACCION DERIVADA 0
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BIBLIOGRAFÍA
Martín, Juan Carlos; García, María Pilar. “Automatismos industriales.”,
Editex, Madrid, 2009.
Alfonseca, Manuel. “Teoría de autómatas y lenguajes formales”,
McGraw Hill, Madrid, 2007.
Mandado Pérez, Enrique; Pérez López, Serafín. “Autómatas
programables: Entorno y aplicaciones”, Paraninfo, lugar, 2004.
INTERNET:http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/autom
atizacion/simatic/Documents/S7200ManualSistema.pdf, 2013.
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