IMPLEMENTACION DE UN BRAZO ROBOTICO CONTROLADO POR LA

RED INDUSTRIAL ETHERNET

Presentado por : Hector Vela Fontis

1.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Normalmente para controlar un brazo robótico se necesita la programación de pics, mediante esa tecnología permite manejar el brazo robótico pero realiza la instrucciones asignadas y programadas en el pic es decir realiza movimientos secuenciales y repetitivos.

El brazo robótico que es controlado por pic’s limita potencialmente la capacidad de controlar el brazo con movimientos suaves.

El laboratorio de Control de la Escuela de Ingeniería Electrónica posee tecnologías muy favorables para el desarrollo de proyectos, no hay proyectos en exposición para demostrar e explicar las nuevas tecnologías a los demás estudiantes de distintas carreras y/o personas en general.

2.JUSTIFICACION DEL PROYECTO

Incrementará el interés de los demás alumnos de la Escuela de Ingeniería Electrónica a desarrollar proyectos uniendo las tres ramas de especialización que se dictan en nuestra escuela, realizando distintas especialidades de la carrera profesional.

Mostrará las últimas tecnologías para el desarrollo de proyectos electrónicos.

3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL

Implementar un brazo robótico para ser controlado por la red Industrial Ethernet.

3.2. OBJETIVO ESPECIFICO

Demostrar que mediante los sistemas de control se puede controlar y monitorear un brazo robótico de acuerdo a las instrucciones del operador.

Aplicar la tecnología de las tarjetas programables(FPGA) para ser una interfaz de control entre el sistema SCADA con el brazo robótico.

4. MARCO TEORICO

4.1. CONTROL

Dentro de todos los conceptos que se podrían dar a la palabra “Control”, se diría que consiste en medir el valor variable controlada y aplicar la variable manipulada de tal manera que se logre corregir o limitar la variable de salida al valor deseado.

4.1.1. Equipos Básicos del Control Industrial

Interruptores

◦Es un dispositivo eléctrico, electrónico o mecánico cuya finalidad es de conectar o desconectar un aparato o sección de la corriente eléctrica en un circuito, las piezas de los interruptores se encuentran ensambladas sobre una base fija.

 ◦Hay varios tipos de Interruptores dentro de los

cuales se pueden citar:

◦Interruptor manual:

◦Interruptor Magnético:

PulsadoresUn pulsador es un elemento cuya función es el paso o interrupción de corriente, esto siempre y cuando este accionado, al momento de detener la acción este vuelve a su posición inicial. Los pulsadores son aparatos de maniobra pueden ser incluidos dentro de los interruptores.

Los pulsadores se pueden clasificar según:

◦Condiciones mecánicas: Pulsadores rasantes:

Son aquellos que poseen una envoltura para no accionarlos involuntariamente.

Pulsadores salientes:

Son recomendados para uso cuando el operador tiene protecciones en las manos.

Pulsadores de Emergencia:

Son de tipo hongo por lo general de color rojo, se los usa para detener el proceso en caso de emergencia.

Disyuntor◦Los disyuntores son dispositivos cuyas

finalidades son proteger los circuitos contra los cortocircuitos, esto lo realiza dentro de los límites de su poder de corte mediante disparadores magnéticos.

◦Los disyuntores pueden realizar cortes omnipolares lo que quiere decir que puede poner en funcionamiento un solo disparador magnético para esto solo debe abrir simultáneamente todos los polos.

◦ Cuando la corriente de cortocircuito no es muy alta los disyuntores tienen la característica de funcionar a mayor velocidad que los fusibles.

4.1.2.Equipos de Control Avanzado

Controlador Lógico Programable (PLC), Micrologix 1200.◦Marca: Allen Bradley.

◦Estos controladores son lo suficientemente pequeños para caber en espacios reducidos y lo suficientemente poderosos como para dar cabida a una amplia gama de aplicaciones. Tiene la posibilidad de ampliar el número de E/S con módulos rack de E/S.

Características:◦Contiene aislado el puerto combinado

RS-232/RS-485 para la comunicación en serie y en red.

◦Proporciona cuatro entradas con retención o pulso de captura y cuatro entradas de interrupción.

◦Incluye independientemente un contador de alta velocidad de 20 KHz.

◦Ofrece la función final de carrera programable.

◦Incluye dos puertos integrados de ¾ de vuelta, potenciómetros de ajuste con un rango de salida digital de 0…250.

◦Provee un programa de seguridad de los datos.

4.1.3. Software para el Control

RSView32

RSView32 es un sistema integrado, basado en componentes software HMI para el monitoreo y control de maquinas y procesos de automatización.

Utiliza tecnologías abiertas que proporcionan conectividad sin precedentes con otros productos de Rockwell Software, los productos de Microsoft y aplicaciones de terceros.

Proporciona herramientas para maximizar la productividad incluyendo la simulación de ejecución, edición de objetos individuales en un grupo, la animación, la reutilización y sustitución de etiquetas.

RSLogix 500

Este software ha sido elaborado para trabajar con el sistema operativo Microsoft Windows 95 NT. Proporciona el soporte para la programación de los PLC ‘s de Allen Bradley tipo SLC500 y Micrologix.

RSLinx Classic

Es el servidor de comunicación mas ampliamente instalado en la automatización de hoy.

RsLinx Classic proporciona conectividad de planta dispositivo para una amplia variedad de aplicaciones tales como Rockwell software RSLogix 5/500/5000 y RSView32.

RsLinx Classic soporta multiples aplicaciones de software simultáneamente, comunicarse a una variedad de dispositivos en muchas diferentes redes industriales de Rockwell Automation.

RsLinx Classic le permite navegar por la red para dispositivos, al igual que buscar archivos en su computadora.

La lista de los tipos de red incluye Ethernet, ControlNet, DeviceNet y redes heredadas de Rockwell Automation y protocolos.

4.2. COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Se pueden definir las Comunicaciones Industriales como: “Área de la tecnología que estudia la transmisión de información entre circuitos y sistemas electrónicos utilizados para llevar a cabo tareas de control y gestión del ciclo de vida de los productos industriales.

Las comunicaciones industriales deben resolver la problemática de la transferencia de información entre los equipos de control del mismo nivel y entre los correspondientes a los niveles contiguos de la pirámide CIM( Computer Integrated Manufacturing).

En los niveles superiores de la pirámide CIM se trabaja frecuentemente con grandes volúmenes datos, aunque el tiempo de respuesta no es en general critico y se situa entre pocos segundos hasta minutos o incluso horas.

Por el contrario, los sistemas electrónicos de control utilizados en los niveles inferiores de las fases de producción trabajan en tiempo real y debido a ello se les exigen tiempos de transmisión mucho mas rapidos y sobre todo, un comportamiento determinista de las comunicaciones, aunque los volúmenes de informacion a transmitir son, en general, menos elevados.

Equipos de Comunicación

◦Los equipos de comunicación dentro del control industrial, constituyen el puente que enlaza los diferentes dispositivos. Cada uno de los equipos industriales posee sus propios sistemas de comunicación, pero dentro de la industria es muy difícil encontrar plantas certificadas bajo una sola marca de equipos.

 

Interface Ethernet para Micrologix – ENI 

◦Marca: Allen Bradley.

◦Numero catalogo ENI: 1761-NET-ENI.

◦Serie: D.

El dispositivo de interface Ethernet para Micrologix es una de las ideas mas innovadoras de Allen Bradley, ya que el 1761-NET-ENI proporciona conectividad Ethernet/IP para todos los Controladores Micrologix y otros dispositivos DF1 TM full –duplex.

El ENI( Ethernet Network Interface) permite a los usuarios de controladores Micrologix la posibilidad de conectarlos y asi integrarlos a redes Ethernet nuevas o existente, una vez en la red se podrá cargar o descargar programas, comunicarse entre controladores.

Switch Industrial de Allen Bradley:

Posee 8 puertos de Ethernet Industrial, viene integrado con adaptación para el Riel DIN. Está diseñado para resolver las mayores demandas para requerimientos para comunicaciones industriales mientras provee alto rendimiento y mínimo tiempo de espera. Este switch auto negocia la velocidad y el la capacidad de control de flujo de transmisión del puerto de conexión de cobre, y lo configura por si solo automáticamente.

Panel View C600 Plus:◦El PanelView plus provee al operador una vision clara en

el monitoreo de las aplicaciones de control. ◦Conjuntamente con el programa de Rocwell Factory Talk

View Machine Edition el tiempo en creación de interfaces humano maquina son reducidos significativamente.

◦ El panel View C600 Plus cuenta con una pantalla táctil y un puerto usb para conectar un mouse en el caso que se requiera, además posee comunicación Ethernet integrada entre algunas de sus bondades.

4.3. TARJETAS FPGA

Un FPGA es un dispositivo lógico que contiene una matriz de celdas lógicas idénticas, con interconexiones programables (switches programables).

La estructura conceptual de un dispositivo FPGA se muestra en la siguiente figura.

Existen tres fabricantes mayoritarios en la distribución de FPGA’s y software de soporte, estos son Xilinx, Altera y Actel.

Los FPGA’s de Xilinx son uno de los fabricantes más fuertes en el nivel mundial, sus FPGA’s están basados en la tecnología SRAM, son dispositivos reprogramables ( Many-Times Programable, MTP) y programables en sistema ISP.

Sus principales familias son: XC3000, XC4000, XC Virtex y XC Spartan. Dichos dispositivos están compuestos por módulos lógicos CLBs, basados en tablas de búsqueda.

4.3.1. Tarjeta Basys2

La tarjeta Basys2 es una plataforma para el diseño e implementación de circuitos digitales.

La tarjeta esta construida en base a un FPGA Spartan-3E de Xilinx y un controlador USB Atmel AT90USB2.

La tarjeta Basys2 provee el hardware necesario listo para usarse capaz de soportar circuitos que van desde el rango de lo básico hasta el control complejo de procesos.

Una amplia gama de dispositivos de E/S y todas las conexiones del FPGA son incluidas, por lo que incontables diseños pueden ser creados sin la necesidad de componentes adicionales.

Cuatro conectores de expansión estándar permiten a la tarjeta Basys2 crecer utilizando circuitos diseñados por el usuario o PMods.

Los PMods son módulos de E/S analógicos y digitales de bajo costo que ofrecen conversión A/D y D/A, drivers para motor, entradas de sensor y muchas otras características.

Las señales en los conectores de 6 pines están protegidas contra corto circuito, garantizando una larga vida de funcionamiento en cualquier ambiente.

La tarjeta Basys2 trabaja en cualquier versión del compilador Xilinx ISE tools, incluyendo la licencia gratuita WebPack.

4.3.2. Lenguaje VHDL

VHDL es el acrónimo que representa la combinación de VHSIC y HDL, donde VHSIC es el acrónimo de Very High Speed Integrated Circuit y HDL es a su vez el acrónimo de Hardware Description Language.

Es un lenguaje definido por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) (ANSI/IEEE 1076-1993) usado por ingenieros para describir circuitos digitales.

Aunque puede ser usado de forma general para describir cualquier circuito se usa principalmente para programar PLD (Programable Logic Device - Dispositivo Lógico Programable), FPGA (Field Programmable Gate Array), ASIC y similares.

Existen formas para describir un circuito las cuales son:  

◦ Funcional: Describimos la forma en que se comporta el circuito. Esta es la forma que más se parece a los lenguajes de software ya que la descripción es secuencial. Estas sentencias secuenciales se encuentran dentro de los llamados procesos en VHDL. Los procesos son ejecutados en paralelo entre sí, y en paralelo con asignaciones concurrentes de señales y con las instancias a otros componentes.

 ◦ Flujo de datos: describe asignaciones concurrentes (en paralelo) de señales.

 ◦ Estructural: se describe el circuito con instancias de componentes. Estas

instancias forman un diseño de jerarquía superior, al conectar los puertos de estas instancias con las señales internas del circuito, o con puertos del circuito de jerarquía superior.

 ◦ Mixta: combinación de todas o algunas de las anteriores. En VHDL también

existen formas metódicas para el diseño de máquinas de estados, filtros digitales, bancos de pruebas etc.

4.4. Servomotores

Un Servo es un dispositivo pequeño que tiene un eje de rendimiento controlado. Este puede ser llevado a posiciones angulares específicas al enviar una señal codificada. Con tal de que una señal codificada exista en la línea de entrada, el servo mantendrá la posición angular del engranaje. Cuando la señala codificada cambia, la posición angular de los piñones cambia.

En la práctica, se usan servos para posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. Ellos también se usan en radio control, títeres, por supuesto, en robots.

Un servo normal o Standard como el HS-300 de Hitec tiene 42 onzas por pulgada o mejor 3kg por cm. de torque que es bastante fuerte para su tamaño. También potencia proporcional para cargas mecánicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía.

Se puede ver los 3 alambres de conexión externa. Uno es para alimentación Vcc (+5volts), conexión a tierra GND y el alambre blanco es el alambre de control.

El cable de control se usa para comunicar el ángulo. El ángulo está determinado por la duración de un pulso que se aplica al alambre de control.

A esto se le llama PWM Modulación por ancho de pulsos. El servo espera ver un pulso cada 20 milisegundos (.02 segundos).

La longitud del pulso determinará los giros de motor. Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se torne a la posición de 90 grados (llamado la posición neutra).

Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180 grados.

5. METODOLOGIA

Para el desarrollo del proyecto utilizaremos el control la telecomunicaciones y la programación en FPGA como se ya se ha mencionado en forma teórica.

Para el brazo robótico se utilizaran servomotores que harán los movimientos de las extremidades.

Se utilizara las tarjetas FPGA ya que el servomotor trabaja con una señal PWM (Modulación por ancho de pulso), se programa esta tarjeta más precisamente la Basys2 para generar estos pulsos.

El brazo robótico será controlado por los equipos de Control que están en el Laboratorio de Control. Mediante el PLC micrologix 1200.

En cuanto a las telecomunicaciones se utilizara los últimos equipos adquiridos por la Escuela de Ingeniería Electrónica, que son los equipos de comunicación Ethernet (interfaces, switch, panel view), todo esto para la comunicación a larga distancia entre el brazo robótico y el equipo de control.

6. CRONOGRAMA DE TAREAS

CRONOGRAMA DE TAREASTAREAS DIAS INICIO FINAL

Revisión de Bibliografía   2 días 19/07/2013 20/07/2013

Cotización 2 días 22/07/2013 23/07/2013Compra de los implementos para el proyecto 5 días 26/07/2013 30/07/2013

Elaboración del brazo de madera. 10 días 05/08/2013 16/08/2013

Conexión de los servomotores al brazo 3 días 19/08/2013 23/08/2013

Pruebas de los servomotores con el brazo 1 día 26/08/2013 26/08/2013

Presentación de Avance1 1 día 29/08/2013 29/08/2013

Programación de la tarjeta FPGA   7 días 02/09/2013 10/09/2013Unión de la tarjeta FPGA con el brazo robótico 1 día 13/09/2013 13/09/2013

Pruebas de la implementación. 1 día 16/09/2013 16/09/2013

Presentación Avance2 1 día 19/09/2013 19/09/2013Programación del Sistema de Control(PLC) 15 días 23/09/2013 01/10/2013Unión del Sistema de Control, FPGA, brazo robótico 2 días 03/10/2013 04/10/2013

Presentación Avance3 1 día 07/10/2013 07/10/2013

Elaboración del Informe técnico 4 días 10/10/2013 17/10/2013

Presentación del Avance del Informe   1 día 21/10/2013 21/10/2013

Presentación Final Proyecto Electrónico 1 día 24/10/2013 24/10/2013