Diseño de Un Plc Con Microcontrolador

GUÍA PARA LA PRESENTACIÓN DE PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN

INFORMACION GENERAL DEL PROYECTO

Título del

proyecto:

Diseño De Un PLC Con Microcontrolador

Área de

Investigación:

Tecnología y Sociedad

Línea de

Investigación:

Mecatrónica

Sede

ITC:

Santander de Quilichao

Lugar de ejecución del

proyecto:

Santander de Quilichao

Duración del proyecto (en

meses):

6

Valor total del

proyecto:

$ 500.000

Tipo de Proyecto: Investigación Básica ( )

Investigación aplicada ( )

Desarrollo tecnológico ( X )

INFORMACIÓN GRUPO(S) DE INVESTIGACIÓN

Nombre Grupo(s) de

Investigación:

Programas académicos al que

pertenece(n):

Tecnología en Maquinaria

Clasificación

Colciencias:

A1( ) A( ) B( ) C( )

D( )

No clasificado(s) ( )

Nombre del semillero de

investigación que apoya el

proyecto:

INFORMACIÓN SEMILLERO(S) DE INVESTIGACIÓN

Nombre semillero(s) de

investigación:

SICA

Programas académicos al que

pertenece(n):

Maquinaria e Instrumentación Industrial

INFORMACIÓN DE INVESTIGADORES

Nombre del investigador principal y responsable del

proyecto:

Cristian David Mera

Cargo o posición

actual:

Estudiante

Formación

académica:

Tecnólogo en maquinaria e instrumentación industrial

Tipo de vínculo con

ITC:

Docente ( ) Estudiante ( X )

Programa académico al que

pertenece:

Tecnología en Maquinaria e Instrumentación

Industrial (V)

Documento de

Identidad:

1.061.435.286

Dirección: Crucero de gualí

Teléfono / 3206150950

Celular:

E-

mail:

[email protected]

Número total de investigadores en el

proyecto:

2

Nombre de Investigador: Juan Carlos BuitrónEntidad donde labora:Cargo o posición actual:

Estudiante

Formación académica:

Tecnólogo en maquinaria e instrumentación industrial

Tipo de vínculo con ITC:

Docente ( ) Estudiante ( x ) Otro ( )

Programa académico al que pertenece:

Maquinaria instrumentación industrial (V)

Documento de Identidad:

93.080.400.401

Dirección: El guácimo Caloto

Teléfono / Celular:

3146154088

E-mail:

[email protected]

RESUMEN

Un PLC es un controlador programable de procesos secuenciales en tiempo real, que está orientado principalmente a aplicaciones industriales o domóticas, dadas las prestaciones y características eléctricas que poseen. En un nivel similar al de los PLC se encuentran los microcontroladores, que son circuitos integrados que ejecutan instrucciones de forma secuencial, de la misma manera que lo hacen los PLC, de esta forma pueden ser programados también para tareas de control o monitoreo de procesos industriales. Es evidente, que al tratarse de un circuito integrado de bajo costo, las limitaciones eléctricas e interfaces de potencia que tiene los microcontroladores, no son las más adecuadas para ambientes industriales. Es este orden de ideas el presente anteproyecto plantea una propuesta orientada al diseño y construcción de un PLC basado en un microcontrolador PIC, lo que implica el diseño de las interfaces de entrada y los circuitos de potencia para las salidas, la idea es diseñar un Controlador industrial de bajo costo, con características similares a las de un PLC de gama baja-media, aprovechando de esta forma las múltiples ventajas que ofrecen los microcontroladores.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Es evidente que la incursión de los PLC en la industria ha sido por mucho exitosa, esto debido al optimo desempeño en ambientes industriales y a su flexibilidad en cuanto al control y adaptación en diversos tipos de plantas y procesos. Pero de igual el costo de estos equipos de control, es significativamente alto comparado con el costo de un microcontrolador con un número de entradas y salidas mayor y que acondicionado de forma adecuada puede brindar las mismas prestaciones que un PLC.

El prototipo contará al igual de un PLC, con entradas y salidas digitales tipo relé, además de contar con entradas analógicas y por lo menos una salida PWM para el control proporcional de cargas AC.

La continua y necesaria optimización de los procesos industriales prácticamente obliga a las grandes, pequeñas y medianas empresas automatizar los procesos de producción, mejorando de esta forma su calidad y costes de producción. Unos de los grandes inconvenientes para las pequeñas empresas es el costo de los equipos de automatización. Para el caso particular de Unicomfacauca, en vista del gran crecimiento del número de proyectos en el área de automatización gracias a diplomado en automatización, se ve disminuida la disponibilidad de los controladores industriales para las prácticas de laboratorio y proyectos ABP. De esta forma el proyecto se visualiza como una buena alternativa para las pequeñas empresas, hogares en aplicaciones domóticas y desde luego el laboratorio de automatización Industrial de Unicomfacauca.

JUSTIFICACIÓN

Con este proyecto se pretende diseñar un controlador industrial de muy bajo costo, que puede ser programado con software gratuito, brindando de esta forma una alternativa al laboratorio de automatización de Unicomfacauca y por qué no a pequeñas empresas o aplicaciones domóticas que requieran de equipos de automatización de bajo costo. Todo esto sin dejar de mencionar el fortalecimiento del programa en el área de microcontroladores orientados al control de procesos industriales como una alternativa a los PLC.

ESTADO DEL ARTE

La revisión del estado del arte, muestra el resultado de muchas tesis de grado de estudiantes de diversas partes del mundo, que han dado solución a diversos proyectos de automatización con dispositivos de control industrial diseñados con microcontroladores PIC. De igual empresas dedicadas a la venta de soluciones domóticas e industriales con este tipo de controladores.

Base BMF877A-9E7SR-DB15 [1]

Figura 1. Controlador Industrial con PLC de la empresa AEB

Este diseño (ver Figura 1) fue desarrollador por la empresa argentina AEB sistemas como controlador genérico orientado a necesidades domóticas o industriales. Y tiene un costo aproximado de $180.000

Características:

Microprocesador PIC16F877A. 9 entradas digitales 7 salidas a relé, máximo 7A, para CA o CC, conexión NA o NC. Alimentación 12Vcc, 3A. Conector DB15 hembra, de expansión. LED de encendido. Programación en C o Assembler. PIC16F877A

Control utilizando un PLC hecho con un PIC trabajando en aplicación con dsPIC [6]

Se trata de un proyecto de grado desarrollado en Ecuador. En este se diseña como parte del proyecto un PLC basado en microcontroladores, que se encarga de controlar una máquina de llenado de botellas.

Características:

Control PID Salida PWM Pantalla LCD para visualizar datos 7 Entradas digitales Usa un teclado matricial para el set point del PID Salidas Tipo transistor y Relé PIC16F877

Autómata programable de 8 E/S basado en microcontrolador PIC16F84 [4]

Figura 2. Autómata de 8 E/S

Este es un proyecto (Figura 2) realizado en España, en donde se diseña un módulo de control de propósito general, el punto fuerte de entre proyecto es el diseño de Macros para interpretar instrucciones estándar usadas en autómatas y convertirlas en lenguaje ensamblador.

Características:

8 entradas digitales 8 salidas tipo relé PIC16F84 Se usa MPLAB con Macros para programar el PIC

Diseño de un PLC con un microcontrolador para una sistema neumático [5]

Figura 3. PLC con microcontrolador para sistema electroneumático

Este proyecto fue realizado en la universidad de Ibagué, y se usó para controlar un sistema electroneumático con lenguaje ensamblador

Características

4 entradas analógicas 4 salidas tipo relé Se usa MPLAB para programar el PIC PIC16F84A

Después de revisar el estado del arte en materia de estudio, se encuentran múltiples diseños tanto comerciales, como académicos concebidos como controladores secuenciales genéricos y en algunos casos diseñados para controlar procesos específicos. Se puede visualizar que en su mayoría usan Lenguaje C y ensamblador como lenguaje de programación y comúnmente se usan solo entradas digitales y salidas tipo relé, que son las más sencillas de implementar. Para el caso específico de este proyecto se propone también implementar por lo menos una salida PWM y entradas analógicas que permitan realizar controles más eficientes sobre los procesos que los requieran.

OBJETIVOS

Objetivo general

Diseñar un módulo de control industrial basado en un microcontrolador PIC

Objetivos específicos

- Seleccionar el número de puertos de entrada y salida y las características de cada uno

- Seleccionar el software de programación adecuado- Diseñar y simular los circuitos de entradas y salidas- Diseñar el circuito impreso adecuado- Validar el funcionamiento de módulo de control- Documentar los resultados obtenidos

MARCO TEÓRICO

El microcontrolador

Es un circuito integrado que contiene una unidad de procesamiento central o microprocesador, memoria de datos, una para Instrucciones y múltiples periféricos. Su funcionamiento se determina por el programa que se almacena en la memoria de instrucciones, este programa es comúnmente desarrollado en Ensamblador o en compiladores de más alto nivel como C o Basic. Una de las grandes ventajas de los microcontroladores es su reprogramación, lo que los hace una herramienta esencial en el diseño de circuitos electrónicos o de control. En la figura 4 se puede observar un microcontrolador PIC16F877.

Figura 4. Microcontrolador PIC16F877 [3]

Un microcontrolador promedio cuenta típicamente con los siguientes periféricos:

- Conversores análogos – Digitales- Entradas y salidas digitales- Temporizadores- Contadores- Puertos de comunicación USB, serial, Modbus, Can, Ethernet entre otros- PWM

Esto los convierte en elementos idóneos para para el control de procesos secuenciales. Aunque para ello se deban acondicionar las señales de entrada y salida por medio de interfaces de potencia para las salidas o circuitos de acondicionamiento de señal para el caso de los sensores.

Acondicionamiento de señal con AO

Las señales provenientes de sensores regularmente se deben procesar para la correcta operación de los dispositivos de control, estas, dependiendo del tipo

de sensor que las genere pueden necesitar uno o varios procesos de acondicionamiento. Entre los procesos más comunes se encuentran

Amplificación:

La señal producto de un sensor en algunos casos es muy pequeña comprada con el rango de voltajes del controlador o la resolución del mismo, en este caso esta seña debe ser amplificada, un circuito típico para esta función se observa en la Figura 5. Suele ocurrir también el caso contrario, y es cuando una señal tiene un tamaño mayor al máximo valor del rango de entrada de un equipo de control. En este caso, esta señal de ser reducir

Figura 5. Amplificador Inversor

Filtrado:

Sin excepción todas las señales siempre están contaminadas por ruido, comúnmente a una frecuencia diferente a la frecuencia de la señal, para estos casos se deben usar filtros que eliminen las componentes frecuenciales no deseadas de la señal proveniente del sensor, la figura 6 muestra un ejemplo de un filtro analógico pasa bajo de primer orden.

Figura 6. Filtro pasa bajo de orden 1

Conversor de corriente a Voltaje

Este tipo de acondicionamiento se usa normalmente cuando se tiene una señal de corriente proveniente de un sensor y se requiere conectar a una entrada de voltaje de un controlador llámese PLC o microcontrolador que no tenga entradas de corriente. La figura 7 muestra un ejemplo de un conversor básico de corriente a voltaje

Figura 7. Convertidor de corriente a voltaje

Relevos electromecánicos

Es un componente electromecánico que funciona como un switch controlado por una bobina (ver Figura 8) que constituye un electroimán de bajo consumo de corriente y voltaje, este puede accionar uno o varios contactos dependiendo del tipo de relevo. Estos contactos pueden soportar voltajes típicamente hasta de 600v y corrientes de varias decenas de amperios.

Entre sus principales ventajas están:

- Bajo costo

- Circuito de control sencillo

- Manejan grandes corrientes y voltajes entre sus contactos

- Garantiza un aislamiento entre el circuito de control y el de potencia

Sus principales desventajas son:

- Desgaste mecánico

- Producen ruido cuando conmutan sus contactos

- Tamaño relativamente grande

- La frecuencia de conmutación es baja

Figura 8. Relevo electromecánico [8]

Relevos de Estado solido

Llamados así porque no hacen uso de componentes mecánicos para la conmutación, se le suele llamar relé de estado sólido al circuito compuesto por:

- Circuito Aislador: es un circuito que crea un aislamiento entre el circuito de control y el circuito de potencia, regularmente se usan opto acopladores como circuitos de aislamiento. En la figura 9 se aprecian dos tipos de optoacopladores, uno que hace uso de un TRIAC y el otro de un transistor

Figura 9. Optoacopladores

- Circuito de salida: este depende de tipo de carga que se va a instalar, entre los más comunes se encuentran: TRIAC para cargas de corriente alterna y MOSFET o transistor bipolar para cargas de corriente continua

Adicional a estos en algunos casos se usan detectores de cruce por cero cuando se requieren controlar cargas de corriente alterna, estos sirven para sincronizar la señal de control que entra al Relevo con la señal de corriente alterna de la carga.

Circuito PWM (Modulación por Ancho de Pulso)

Un PWM modula el ancho de pulso o ciclo de una señal cuadrada es decir, el tiempo de para el que la señal vale “1” y el tiempo para el que la señal val “0”. Todo esto sin modificar la amplitud ni la frecuencia de la misma.

Este tipo de modulación se usa regularmente para controlar el valor promedio de voltaje de AC o DC que recibe una carga. La señal PWM típicamente se usa para controlar un Relé de estado sólido debido a que usa frecuencias que un relevo electromecánico no es capaz de soportar.

Figura 10. Relación de ciclo útil vs voltaje promedio [2]

En la figura X se muestra un ejemplo en donde se relaciona el promedio de voltaje que suministra a un motor DC vs ancho de pulso. Se ve claramente que la figura 10.a tiene un ancho de punto (Tiempo de la señal en “1”) mayor que la figura 10.b por lo tanto el voltaje de DC es mucho mayor en el primero. Para el caso de un ancho de pulso del 100% es decir en donde todo el tiempo la señal vale “1”, el voltaje promedio de DC que recibe el motor serial igual al voltaje DC de la fuente. Para el caso donde el ciclo útil es de 0% el voltaje promedio de DC que recibe el motor seria de 0. Permitiendo de esta forma el control de velocidad del motor por medio de la señal PWM.

METODOLOGÍA

Objetivo específico 1

- Seleccionar el número de puertos de entrada y salida y las características de cada uno

Actividad 1: se seleccionara el microcontrolador a usar

Actividad 2: se seleccionará el número y el tipo de entradas y salidas para el diseño, para este primer prototipo se tendrá en cuenta las necesidades del laboratorio de automatización de Unicomfacauca.


- Seleccionar el software de programación adecuado

Actividad 3: revisión y selección del software de programación a usar en el diseño, este debería ser gratuito.


- Diseñar y simular los circuitos de entradas y salidas

Actividad 4: se realiza el diseño de los circuitos de acondicionamiento de las señales de entrada, analógicas como digitales. De igual forma se realizará el diseño de los circuitos de potencia de salida, estos son: los tipo relé y el PWM.

Actividad 5: haciendo uso de un simulador de circuitos electrónicos se validará el funcionamiento de los circuitos de acondicionamiento de entrada y los circuitos de potencia de salida.


- Diseñar el circuito impreso adecuado

Actividad 6: luego de validar el funcionamiento en el simulador, se procederá a montar las interfaces de entrada y salida en una protoboard, para validar el funcionamiento real.

Actividad 7: En este punto se diseñará una tarjeta de circuito impreso que será la que finalmente soporte el microcontrolador y la interfaces de entrada y salida


- Validar el funcionamiento de módulo de control

Actividad 8: con el prototipo ya terminado, se diseñará una estrategia de control sencilla para la banda transportadora del laboratorio de automatización de Unicomfacauca sede Santander.


- Documentar los resultados obtenidos

Actividad 9: escribir un artículo de corte científico con los resultados del proyecto

CRONOGRAMA

ACTIVDADESMES1 2 3 4 5 6

Actividad 1 XActividad 2 XActividad 3 XActividad 4 X XActividad 5 X XActividad 6 X XActividad 7 X XActividad 8 X XActividad 9 X

PRODUCTO ESPERADO

Al finalizar el proyecto se espera entregar el prototipo de un controlador industrial tipo PLC, diseñado con un microcontrolador PIC, el prototipo contará con:

- Entradas analógica (mínimo una de voltaje o corriente)- Entradas digitales (mínimo 6)- Salidas tipo relé (mínimo 6)- Salidas tipo transistor (mínimo 2)- Una salida tipo PWM

IMPACTOS ESPERADOS

A corto plazo el impacto directo se evidencia en el laboratorio de automatización, ya que se va a nutrir con un nuevo equipo de control de bajo costo con características y prestaciones similares a las un PLC de gama baja – media. Ya que con este se pueden realizar estrategias no solo de control secuencia, sino también de control proporcional, gracias a las entradas analógicas y a las salidas tipo PWN con la que contará el diseño. Por otro lado el prototipo a largo plazo y luego de una exhaustiva validación podría ser ofrecido a pequeñas y medianas empresas como un controlador de procesos industriales de bajo costo.

PRESUPUESTO

Presupuesto global de la propuesta por fuentes de financiación (en miles de $).

RUBROS

FUENTES

TOTALUnicomfacauca

FUENTE 1FUENTE 2

PERSONAL NO FINANCIABLE

EQUIPOS 180 180

SALIDAS DE CAMPO

VIAJES 30 30

MATERIALES Y SUMINISTROS

240 240

MATERIAL BIBLIOGRÁFICO

SOFTWARE

PUBLICACIONES/ EVENTOS/

PATENTES

SERVICIOS TECNICOS

50 50

TOTAL500 500

Descripción de los gastos de personal (en miles de $), incluyendo el personal de la Institución Universitaria tecnológica de Comfacauca

NOMBRE DEL INVESTIGADOR/ AUXILIAR

FORMACIÓN

ACADÉMICA

TIPO DE VINCULACIÓN

FUNCION DENTRO DEL PROYECTO

DEDICACION

RECURSOS TOTAL

ITC Personal externo al ITC

Personal con contrato de tiempo completo

Personal con otro tipo de contratos

Dairo Facundo

Maestría en curso

TC Director 6 X 4320

Andrés Hurtado

Maestría en curso

TC Asesor 2 X 1440

TOTAL 5760

Descripción de los equipos que se planea adquirir (en miles de pesos).EQUIPO JUSTIFICACION RECURSOS TOTAL

ITC Aportes externos

Programador Microcontroladores

Dispositivo que permite la programación de microcontroladores

180 180

TOTAL180

Valoración de salidas de campo (en miles de pesos)ITEM JUSTIFICACIÓN COSTO UNITARIO TOTAL

TOTAL

Descripción y justificación de los viajes (en miles de pesos)LUGAR JUSTIFIC

ACION**PASAJES

($)

ESTADIA

($)

Días RECURSOS TOTAL

ITC Aportes Externos

Cali Viaje para realizar la compra de componentes electrónicos

30

TOTAL30

Materiales e insumos (en miles de pesos)MATERIALES E INSUMOS SUMINISTROS

JUSTIFICACIÓN VALOR

Elementos para la elaboración de la tarjeta

Componentes electrónicos necesarios para el montaje del circuito

110

Microcontroladores Dispositivo de control 40

Cables y conectores Cables y borneras para las entradas y salidas del prototipo

20

Fotocopias e internet Material de investigación 40

Protoboard Elemento básico de diseño

30

TOTAL 240

Material Bibliográfico (en miles de pesos)MATERIAL BIBLIOGRÁFICO


TOTAL

Software (en miles de pesos)SOFTWARE JUSTIFICACIÓN VALOR

TOTAL

Publicaciones/eventos/patentes (en miles de pesos)

PUBLICACIONES/ EVENTOS/PATENTES


TOTAL

Servicios Técnicos (en miles de pesos)SERVICIOS TÉCNICOS VALOR

Elaboración de la tarjeta

De circuitos impresos

50

TOTAL 50

BIBLIOGRAFIA

[1] AEB, Base Modular 9 entradas digitales / 7 salidas relé, [En línea]. http://www.aebsistemas.com.ar/tienda/product_info.php?products_id=43&osCsid=f4689add6e3d42d7a6cc763c69067eaf

[2] BOLTON, W., Mecatrónica: sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica. 3 ed. México: Alfaomega. 2006. 574p.

[3] ELECTRONICA MAGNABIT. MCIROCONTROLADOR 16F877A [En línea]. http://www.electronicamagnabit.com/tienda/15-microcontrolador-ic16f877-a.html

[4]Juan Manuel Rodríguez. PROYECTO DE AUTOMATA PROGRAMABLE DE 8 E/S BASADO EN EL PROCESADOR PIC 16F84 [En línea]. http://inicia.es/de/juanmarod/main.htm

[5] Monografías. Diseño de un PLC mediante un microcontrolador para un sistema electroneumático [en línea]. http://www.monografias.com/trabajos60/pcl-mediante-microcontrolador/pcl-mediante-icrocontrolador2.shtml#xdiseno

[6] QUISPE, Jorge. ALCIVAR, Richard. Control utilizando un PLC hecho con un PIC trabajando en aplicación con dsPIC. Ecuador. 2009. 98h. Trabajo de grado (Ingeniero en Electricidad). Escuela superior politécnica del litoral. Facultad en ingeniería en electricidad y computación.

[7] REITEC. Relés. [En línea]. http://www.reitec.es/web/descargas/reles.pdf

[8] WIKIPEDIA. Relé. [En línea]. http://es.wikipedia.org/wiki/Rel%C3%A9

Diseño de Un Plc Con Microcontrolador

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