INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL · solar la mayor parte del día. El colector solar plano está...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN IMPLEMENTACIÓN DE UN CALENTADOR DE AGUA UTILIZANDO UN SEGUIDOR SOLAR TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN PRESENTA: EDUARDO MARIANO GARCÍA ASESORES: M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ M. EN C. JOSÉ DARÍO BETANZOS RAMÍREZ MÉXICO, D.F. 2014
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
IMPLEMENTACIÓN DE UN CALENTADOR DE AGUA
UTILIZANDO UN SEGUIDOR SOLAR
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA:
EDUARDO MARIANO GARCÍA
ASESORES:
M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ
M. EN C. JOSÉ DARÍO BETANZOS RAMÍREZ
MÉXICO, D.F. 2014
i
RESUMEN
En este trabajo se muestra la propuesta de implementación de un calentador de
agua utilizando un seguidor solar.
Uno de los principales usos finales de la energía es el calentamiento de agua. En
el sector residencial se utiliza principalmente para la higiene personal y actividades
relacionadas con la preparación y consumo de alimentos. En la industria, el agua
caliente se emplea en la producción, en el tratamiento y manejo de bebidas y
alimentos, entre otros usos. En el presente trabajo se implementa un calentador
de agua prescindiendo de la quema de combustibles fósiles de manera que es
posible minimizar los impactos al medio ambiente.
En el desarrollo e implementación del trabajo se utilizó una estructura mecánica
que cuenta con dos ejes de movimiento los cuales permiten modificar la posición
del calentador
Se utilizo un seguidor solar, VersaTRAK IPm2m, el cual es un seguidor ciego ya
que no necesita de foto resistencias para determinar la posición del sol; cuenta
con una base de datos previamente definida la cuál contiene los datos de la
trayectoria del sol, y es de fácil configuración, ya que solo es necesario dar de alta
4 parámetros: latitud, longitud, altura con respecto al mar, y la fecha actual, para
determinar la zona donde se encuentra instalado el equipo y por consecuente, la
trayectoria del sol.
En el control se utilizo un PLC FX3U-16MR, el cual está encargado de ejecutar la
secuencia de programación desarrollada para controlar y monitorear los
servomotores. Se describe la configuración de los servomotores, los cuales deben
realizar los movimientos de los dos ejes con los que cuenta la estructura
mecánica.
Finalmente se muestran los resultados experimentales obtenidos, una vez que el
calentador fue puesto en marcha obteniendo una temperatura máxima en el tubo
de cobre de hasta 220°C en vacío.
ii
ÍNDICE GENERAL
CAPITULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
1.1 Introducción………………………………………………………………….……2
1.2 Objetivo General………………………………………………………………….3
1.3 Objetivos Específicos……………………………………………………….…....3
1.4 Justificación…………………………………………………………………….....4
1.5 Antecedentes..……………………………………………………………...…….5
CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO.
2.1 Energías renovables...…………………………………………………………...7
2.1.1 Energía eólica…………………………………………………………………..7
2.1.2 Energía hidráulica…...……………………………………………………........8
2.1.3 Energía solar……………………………………………………………...........8
2.2 Captadores solares………………………………………………………..........9
2.2.1 Captador de placa plana……………………………………………….........9
2.2.2 Captador de tubo de vacío………………………………………………......11
2.3 Seguidores Solares…………………………………………………………......12
2.4 PLC………………………………………………………………………...……..13
2.4.1 Estructura básica de un PLC………………………………...………...……14
2.4.1.1 Fuente de alimentación o suministro de energía……………...………..15
2.4.1.2 Unidad Central de Procesamiento (CPU)………………………………..15
2.4.1.3 Módulos de interfaces de entradas y salidas……………………………15
2.4.1.4 Módulo de memorias……………………………………………...……….16
2.4.1.5 Unidad de Programación……………………………………………….....16
2.4.1.6 Ciclo de operación de un PLC…………………………………………….16
2.4.2 Clasificación de los PLC’s…………………………………………………...18
2.4.2.1 PLC nano…………………………………………………………………....18
2.4.2.2 PLC compacto……………………………………………………………...18
2.4.2.3 PLC modular………………………………………………………………..19
2.5 Sistema Servo…………………………………………………………………...20
iii
2.5.1 Servoamplificadores………………………………………………………….20
2.5.1.1 Control de posición…………………………………………………….......20
2.5.1.2 Control de velocidad………………………………………………………..21
2.5.1.3 Control de par de giro…………………………………………………..….21
2.5.2 Servomotores………………………………………………………...….…....22
2.6 Protocolos de comunicación…………………………………………………...24
2.6.1 PROFIBUS…………………………………………………………………….25
2.6.1.1 PROFIBUS DP………………………………………………………...……25
2.6.1.2 PROFIBUS PA………………………………………………………….....25
2.6.1.3 PROFIBUS FMS……………………………………………………………25
2.6.2 MODBUS………………………………………………………………………26
CAPITULO 3 IMPLEMENTACIÓN.
4.1 Estructura mecánica………………………………………………………...….30
3.1.1 Base de equipo…………………………………………………………...…..30
3.1.2 Bastidor de soporte principal…………………………………………...…...31
3.1.3 Bastidor de espejos…………………………………………………………..32
3.1.4 Bastidor de soporte de tubo de Cu……………………………….…..…….33
3.1.5 Mecanismo de ajuste de inclinación de tubo de Cu……………..………..33
4.2 Selección de equipo…………………………………………………...………..34
3.2.1 PLC FX3U-16MR…………………………………………………..….……...35
3.2.2 Servoamplicador MR-J3-B……………………………………….….………37
3.2.3 Sistema VersaTRAK IPm2m………………………………………......……38
4.3 Diagramas eléctricos…………………………………………………..……..…40
4.4 Descripción del Software……………………………………………..……..….50
3.4.1 GX Developer………………………………………………………..…….….50
3.4.2 Sixnet I/O Tool Kit…………………………………………………...…….….53
3.4.3 Configuración de los Servoamplificadores MR-J3-40B……………….….57
CAPITULO 4 SECUENCIA DE PROGRAMACIÓN.
4.1 Diagrama de bloques del funcionamiento del programa.……………………60
4.2 Programación……………………………………………………………………61
iv
CAPITULO 5 RESULTADOS EXPERIMENTALES Y CONCLUSIONES.
5.1 Resultados Experimentales…………………………………………………….66
5.2 Conclusión……………………………………………………………………….77
Bibliografía……………………………………………………………………………..78
ANEXO 1
Secuencia de Programación………………………………………………………..81
ANEXO 2
Manual de Operación………………………………………………………………..92
ÍNDICE DE FIGURAS
1.1 Esquema básico de un calentador solar………………………………………..2
2.1 Captador placa plana……………………………………………………………10
2.2 Captador tubo de vacío………………………………………………………….12
2.3 Seguidor solar……………………………………………………………………12
2.4 Estructura general de un PLC……………………………………………….....14
2.5 Ciclo de operación de un PLC………………………………………………….17
2.6 Ejemplo de PLC tipo nano………………………………………………………18
2.7 Ejemplo de PLC compacto……………………………………………………...19
2.8 Ejemplo de PLC modular………………………………………………………..20
2.9 Servoamplificador………………………………………………………………..22
2.10 Servomotor……………………………………………………………………..23
2.11 Estructura interna de un encoder…………………………………………….24
3.1 Estructura mecánica (diseño e implementación)……………………………..28
3.2 Conexión general………………………………………………………………...29
3.3 Estructura mecánica……………………………………………………………..30
3.4 Base del equipo………………………………………………………………….31
3.5 Bastidor soporte principal, espejos y tubo de Cu…………………………….32
3.6 Bastidor de espejos y tubo de Cu……………………………………………...33
3.7 Bastidor de soporte de tubo Cu y mecanismo de inclinación……………….34
v
3.8 PLC FX3U-16MR………………………………………………………………...35
3.9 Módulo FX3U-20SSC-H…………………………………………………………36
3.10 Conexión módulos de expansión………………………….………………36
3.11 Servoamplificador MR-J3-B…………………………………………………..37
3.12 Servomotor HF-KP…………………………………………………………….38
3.13 VersaTRAK IPm2m……………………………………………………………39
3.14 Alimentación PLC……………………………………………………………...41
3.15 Alimentación servoamplificadores…………………………………………...43
3.16 Alimentación de la fuente externa……………………………………………44
3.17 Alimentación VersaTRAK IPm2m y FX3U-20SSC-H……………………...45
3.18 Conexión Servoamplificadores y Servomotores……………………………46
3.19 Conexión Contactores………………………………………………………...46
3.20 Conexión entradas PLC………………………………………………………47
3.21 Conexión salidas PLC…………………………………………………………48
3.22 Conexión modulo de salidas………………………………………………….48
3.23 Conexión displays de temperatura y termopares…………………………..49
3.24 Comunicación RS-485………………………………………………………...50
3.25 New Project…………………………………………………………………….51
3.26 Entorno de programación GX Developer……………………………………52
3.27 Barra de botones……………………………………………………………....52
3.28 Enter symbol……………………………………………………………………53
3.29 Ejemplo de programación…………………………………………………….53
3.30 Sixnet I/O Tool Kit……………………………………………………………..54
3.31 Crear un nuevo proyecto……………………………………………………...54
3.32 Agregar a una nueva estación……………………………………………….55
3.33 Configuración general de la estación IPm…………………………………..55
3.34 Entradas configuradas de los ejes azimut y altitude………………………..56
3.35 Estación VersaTRAK configuración final…………………………………….56
3.36 Selección SW1………………………………………………………………….57
4.1 Diagrama de bloques del programa……………………………………………60
4.2 Solicitud de estado eje azimut………………………………………………….61
vi
4.3 Solicitud de estado eje altitude…………………………………………………61
4.4 Activación de Límites…………………………………………………………...61
4.5 Activación de salidas……………………………………………………………62
4.6 Pulsos de entrada eje azimut…………………………………………………..62
4.7 Relación de resoluciones eje azimut………………………………………….63
4.8 Pulsos de entrada eje altitude…………………………………………………63
4.9 Relación de resoluciones eje altitude…………………………………………63
4.10 Pulsos de salida a servomotores…………………………………………......64
4.11 Pulsos de confirmación VersaTRAK…………………………………………64
5.1 Elementos internos del tablero de operación…………………………………66
5.2 Tablero de operación instalado………………………………………………...67
5.3 Calentador de agua en operación (día nublado)……………………………..68
5.4 Gráfica de Temperatura (día nublado)………………………………………...69
5.5 Calentador de agua en operación (cielo despejado)………………………...70
5.6 Gráfica de Temperatura (día despejado)……………………………………...71
5.7 Gráfica de los pulsos del eje azimut (atardecer)……………………………..73
5.8 Gráfica de los pulsos del eje altitude (atardecer)…………………………….73
5.9 Gráfica de los pulsos del eje azimut (trayectoria completa)………………...75
5.10 Gráfica de los pulsos del eje altitude (trayectoria completa)………………76
ÍNDICE DE TABLAS
3.1 Nomenclatura del servoamplificador…………………………………………..43
3.2 Abreviaturas………………………………………………………………………52
3.3 Asignación de número de eje…………………………………………………..58
5.1 Datos de temperatura (día nublado)…………………………………………...69
5.2 Datos de temperatura (día despejado)………………………………………..71
5.3 Datos de los pulsos de ambos ejes (atardecer)……………………………...72
5.4 Datos de los pulsos de ambos ejes (trayectoria completa)…………………75
1
CAPÍTULO 1 Planteamiento del Problema
2
1.1 Introducción.
El calentamiento solar de agua es un proceso que puede ser más económico que
los procedimientos que utilizan la quema de combustibles fósiles, además de que
sus impactos al medio ambiente son prácticamente nulos.
Un calentador solar es un sistema que calienta agua utilizando la energía
proveniente del sol sin necesidad de utilizar algún combustible.
Las partes principales que componen a un calentador solar son: el colector, que es
el componente que se encarga de transferir la energía solar al agua; el
contenedor, que es el lugar donde se almacena el agua caliente; y el sistema de
tuberías por donde circula el agua.
El colector solar plano se instala de tal manera que quede expuesto a la radiación
solar la mayor parte del día. El colector solar plano está formado por aletas
captadoras y tubos por donde circula el agua, los cuales capturan el calor
proveniente de los rayos del sol y lo transfieren al agua que circula en su interior.
En la Fig. 1.1 Se muestra el esquema básico de un calentador solar; se pueden
notar sus partes principales como lo son: el colector solar, la tubería por donde
circula el agua y el tanque de almacenamiento.
Fig. 1.1 Esquema básico de un calentador solar.
3
En este trabajo de investigación se propone la implementación de un calentador
de agua utilizando un seguidor solar. La novedad de este trabajo de investigación
es implementar un sistema automático para la obtención de los datos que
corresponden a la posición actual del sol, sin la necesidad de utilizar colectores
solares o sensores de luz que detecten la luminosidad del sol; el proceso de
calentamiento de agua se realizará a través de espejos direccionados hacia un
tubo de cobre por donde circulará el fluido y para el movimiento de la estructura
mecánica se utilizaron servomotores controlados por un PLC.
Se hace referencia a la estructura y componentes básicos con los que cuenta un
calentador solar y su principio de funcionamiento.
Se describe el desarrollo de la implementación; se analiza el funcionamiento de
todos los componentes utilizados con la descripción de cada uno de ellos y las
partes que componen el sistema completo.
También se realiza la descripción de los ambientes de programación utilizados
para el desarrollo de la secuencia de programación, la configuración de cada uno
de los componentes que intervienen en el control del sistema, así como las redes
utilizadas para la comunicación entre cada uno de los equipos.
1.2 Objetivo General.
Implementar un calentador de agua utilizando un seguidor solar que determina la
posición del sol, un PLC mediante el cual se obtienen las señales de control y dos
servomotores que permiten modificar la posición del calentador.
1.3 Objetivos específicos.
Configurar el seguidor solar para la obtención de datos, permitiendo
determinar la posición del sol.
Desarrollar una secuencia de programación mediante un PLC, el cual
estará encargado de realizar el control del seguidor solar.
Configurar dos servoamplificadores y dos servomotores para controlar la
posición del calentador.
4
Monitorear la temperatura mediante termopares para el registro automático
de los resultados experimentales.
1.4 Justificación.
El calentamiento de agua es un proceso relativamente simple que principalmente
se obtiene con la quema de combustibles fósiles. En el sector residencial se utiliza
principalmente para calentar agua para la higiene personal y actividades
relacionadas con la preparación y consumo de alimentos. En la industria, el agua
caliente se emplea en la producción, en el tratamiento y manejo de bebidas y
alimentos, entre otros usos. [1]
El principal problema que presenta la empresa donde se llevará a cabo la
implementación es el gasto que implica calentar agua empleando calderas, las
cuáles recurren a la quema de combustibles fósiles. Con la implementación del
calentador de agua utilizando un seguidor solar propuesto, se busca omitir el uso
de calderas, y por consecuente, minimizar gastos e impactos al medio ambiente
que estos procedimientos pueden llegar a provocar.
1.5 Antecedentes.
Durante siglos, tanto el hombre como los demás seres vivos han aprovechado la
energía solar, no solo como una opción energética sino como una fuente de vida,
pues sin esa estrella no habría vida en la Tierra. [2]
Por otro lado, uno de los problemas que aqueja a la humanidad es que las
reservas de petróleo y carbón se están agotando rápidamente y la población está
creciendo exponencialmente. Si se requiere satisfacer la demanda energética se
requiere que cada habitante del planeta sea autosuficiente al corto y mediano
plazo. Esta necesidad existe y debe de satisfacerse; es necesario dar solución a
problemas como el pronóstico sobre el agotamiento del petróleo, del agua, que
comenzara a sentirse a mediados del siglo XXI, cuando las reservas de ambos
serán insuficientes para satisfacer la demanda mundial. [3]
5
En las últimas décadas, la energía solar ha cobrado importancia como fuente
energética, puesto que las reservas de combustibles fósiles se están agotando
progresivamente. Esto ha ocasionado que, sean parecidos los precios de un
calentador solar y de uno de gas, lo que no sucedía hace 60 años. Así con
respecto a los costos, los sistemas solares son cada vez más baratos, con la gran
ventaja de que la luz del Sol, aparece todas las mañanas sin cobrar. [4]
La energía solar es una posibilidad energética en nuestro país, con sus
deficiencias tecnológicas, sus desventajas económicas actuales y sus ventajas a
largo plazo, ya que México posee regiones con el promedio de insolación mundial
más alto. El que esta fuente energética sea rentable depende de las
investigaciones que se realicen, de los recursos económicos destinados a su
estudio y del interés que se presente en su desarrollo. [3]
Calentar agua utilizando energía solar es un proceso que utiliza tecnología ya muy
probada en México y en el resto del mundo.
Sin embargo, a pesar de las iniciativas que se han tomado a lo largo de muchos
años y de la actual aplicación de estos sistemas, en México no se ha logrado
aprovechar el potencial de calentamiento de energía solar y esto se debe a un
conjunto de barreras que inhiben su compra e instalación por los posibles
usuarios, entre estas barreras resaltan:
Costo inicial de los equipos;
Desconfianza de los posibles usuarios y/o compradores en la
tecnología;
Existencia muy limitada de técnicos capacitados para instalar y/o
reparar los sistemas.
En la actualidad el calentamiento solar de agua es un proceso que puede ser más
económico que los procedimientos que utilizan quema de combustibles fósiles,
además de que sus impactos al medio ambiente son prácticamente nulos.
6
CAPÍTULO 2 Marco Teórico
7
2.1 Energías renovables.
Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua y son
inagotables a escala humana. Además tienen la ventaja adicional de poder
complementarse entre sí, favoreciendo la integración entre ellas.
Son respetuosas con el medio ambiente, y aunque ocasionen efectos negativos
sobre el entorno, son mucho menores que los impactos ambientales de las
energías convencionales como combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón),
energía nuclear, etc.
Dentro del marco de las energías renovables se pueden destacar las que tienen
un mayor desarrollo tecnológico, y por tanto, mayores posibilidades de competir en
el mercado:
- Energía eólica.
- Energía hidráulica.
- Energía solar.
Con las energías renovables se pueden obtener las dos formas de energía mas
utilizadas: calor y electricidad.
2.1.1 Energía eólica.
El sol provoca en la Tierra las diferencias de presión que dan origen a los vientos.
La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el
Sol, y las irregularidades de la superficie terrestre.
Aunque solo una pequeña parte de la energía solar que llega a la Tierra se
convierte en energía eólica, la cantidad total es enorme.
El dispositivo capaz de realizar la conversión de la fuerza del viento en electricidad
es el aerogenerador o generador eólico, que consiste en un sistema mecánico de
rotación provisto de palas a modo de los antiguos molinos de viento, y de un
8
generador eléctrico con el eje solidario al sistema motriz, de forma que el viento
hace girar las palas y el generador eléctrico.
En la actualidad es una de las energías renovables más competitivas gracias a las
mejoras técnicas.
2.1.2 Energía hidráulica.
La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial asociada a los
saltos de agua y a la diferencia de alturas entre dos puntos del curso de un río.
Las centrales hidroeléctricas transforman en energía eléctrica el movimiento de las
turbinas que se genera al precipitar una masa de agua entre dos puntos a
diferente altura.
Una de las principales ventajas de la energía hidráulica es que no contamina. Pero
en cambio sus infraestructuras son muy caras y depende de los factores
climáticos.
2.1.3 Energía solar.
La energía solar directa es la energía del Sol sin transformar, que calienta e
ilumina.
Necesita sistemas de captación y de almacenamiento, y aprovecha la radiación
del Sol de maneras diferentes:
- Utilización directa: mediante la incorporación de acristalamientos y otros
elementos arquitectónicos con elevada masa y capacidad de absorción de
energía térmica, es la llamada energía solar térmica pasiva.
- Transformación en calor: es la llamada energía solar térmica, que consiste
en el aprovechamiento de la radiación que proviene del Sol para calentar
fluidos que circulan por el interior de captadores solares térmicos. Este
fluido se puede destinar para el agua caliente sanitaria, dar apoyo para
atemperar piscinas, etc.
9
- Transformación en electricidad: es la llamada energía solar fotovoltaica, la
cual permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de
células fotovoltaicas integrantes de módulos solares. Esta electricidad se
puede utilizar de manera directa, se puede almacenar en acumuladores
para su uso posterior, e incluso se puede introducir en la red de distribución
eléctrica.
La energía solar es una de las energías renovables con mayores posibilidades.
En la implementación de un calentador de agua utilizando un seguidor solar, se
emplea la energía solar térmica, ya que los espejos direccionan los rayos solares
hacia el tubo de Cu y calientan el fluido que circula por el mismo.
2.2 Captadores solares.
El captador o panel solar es el componente de la instalación en la que se capta la
radiación solar y se convierte en energía calorífica, al calentarse el fluido que
circula por su interior. Existen dos tipos principales de captadores solares:
- Captador de placa plana.
- Captador de tubo de vacío.
2.2.1 Captador de placa plana.
El captador solar de placa plana está formado por los siguientes componentes:
- Carcasa.
- Cubierta transparente.
- Absorbedor.
- Aislamiento.
- Tuberías.
En la Fig. 2.1 Se describen los componentes básicos con los que cuenta un
captador solar de placa plana.
10
Fig. 2.1 Captador placa plana.
La carcasa tiene dos misiones, proteger y soportar todos los elementos del
captador, y otra estructural para poder adaptarse al edificio o al soporte que
sostenga la instalación.
La cubierta transparente del captador principalmente se utiliza para provocar el
efecto invernadero y reducir las pérdidas térmicas por convección. Los materiales
normalmente usados son el vidrio y el plástico.
El absorbedor recibe la radiación solar, la transforma en calor y la transmite al
fluido portador. Se trata de una placa metálica sobre la que se sueldan o embuten
tubos por donde circula el fluido. Generalmente son de cobre o aluminio.
El aislamiento se encarga de proteger al absorbedor de las perdidas térmicas en
su parte posterior.
Y por último, la tubería con la que cuenta el captador solar, ésta puede ser de dos
tipos:
Formadas por una parrilla de tubos y dos colectores, que constituyen los
conductos de distribución; o bien, formadas por un serpentín. La distancia de
11
separación entre tuberías paralelas suele ser entre 10 y 12 centímetros, y el
material utilizado para la tubería del captador generalmente es tubo de cobre.
2.2.2 Captador de tubo de vacío.
Estos colectores presentan una configuración totalmente distinta a la de los de tipo
plano. En este sistema la superficie de captación está formada por un conjunto de
tubos de vidrio, dentro de los cuales se encuentra el absorbedor, formado por un
tubo metálico dentro del cual se encuentra el fluido de trabajo, que en este caso
no es agua, sino alcohol o similar. Entre el tubo de vacío y el captador hay una
cámara en la que se ha hecho el vacío, que es lo que hace de aislante. Los tubos
están totalmente sellados en los extremos.
El fluido de trabajo al calentarse, pasa al estado de vapor, sube entonces por el
tubo y llega al extremo superior, que está conectado a un condensador que
funciona a modo de intercambiador de calor. Aquí el líquido se condensa y vuelve
al estado líquido. El líquido retorna a la parte baja del tubo por la gravedad,
repitiéndose de nuevo el ciclo de evaporación-condensación.
Estos colectores son capaces de aprovechar la radiación difusa y también
funcionan con tiempo frío. Permiten obtener mayores temperaturas y tienen un
rendimiento muy elevado. Su durabilidad es mayor, pero su costo también es
elevado, por lo que son menos comerciales que los captadores de placa plana.
Hoy en día son los más utilizados en las instalaciones con máquina de absorción
para refrigeración por su alto rendimiento.
En la Fig. 2.2 Se contempla un ejemplo de la instalación de los captadores solares
de tubo de vacío.
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Fig. 2.2 Captador tubo de vacío.
2.3 Seguidores Solares
Un seguidor solar es un sistema con una parte fija y una parte móvil, la cual
dispone de una superficie de captación solar, esta se encuentra lo mas
perpendicular posible con respecto al sol a lo largo del día y dentro de sus rangos
de movimiento. En la Fig. 2.3 Se muestra un ejemplo de un seguidor solar.
Fig. 2.3 Seguidor solar.
Los seguidores solares se pueden clasificar en dos grupos principales: según sus
rangos de movimiento y según su algoritmo de seguimiento.
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Dentro de los seguidores solares según su rango de movimiento se encuentran los
seguidores de un eje, los cuales solo gozan de un grado de libertad en su
movimiento; y los seguidores de dos ejes, los cuales cuentan con dos grados de
libertad, capaces de hacer un seguimiento solar más preciso.
Los seguidores solares según su algoritmo de seguimiento se dividen en dos:
Seguidores por punto luminoso. Este tipo de seguidores poseen un sensor que les
indica cual es el punto del cielo más luminoso y al que deben apuntar. El algoritmo
de este tipo de sensor basa su funcionamiento en la señal entregada por uno o
varios sensores, dependiendo de dicha señal se envía un comando de control a
uno o varios motores para que se posicionen en el punto más adecuado de
luminosidad.
Seguidores con programación astronómica. Se trata de seguidores que mediante
un programa y de acuerdo con las ecuaciones solares conocen en qué punto
debería estar el sol a cada hora y apuntan a dicha posición.
Este tipo de seguidor presenta una total independencia de las condiciones
climáticas ya que su algoritmo no requiere de sensores que indiquen cual es el
punto más luminoso. El seguimiento en este caso depende únicamente de una
serie de ecuaciones que predicen la ubicación del sol en cualquier momento.
Aunque este tipo de seguidor resulta ser de gran precisión, cabe mencionar que la
implementación del algoritmo representa un alto grado de complejidad.
2.4 PLC.
Un PLC es un sistema electrónico programable diseñado para ser usado en un
entorno industrial, que utiliza una memoria programable para el almacenamiento
interno de instrucciones orientadas al usuario, para implantar soluciones
específicas tales como: funciones lógicas, secuencias, temporización, recuentos y
funciones aritméticas, con el fin de controlar mediante entradas y salidas (digitales
y analógicas) diversos tipos de máquinas o procesos.
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2.4.1 Estructura básica de un PLC.
Las partes principales de un PLC son:
- Fuente de alimentación o suministro de energía
- Unidad Central de Procesamiento (CPU)
- Módulos de interfaces de entradas y salidas
- Módulo de memorias
- Unidad de programación
En la Fig. 2.4 Se observa un diagrama de bloques de la estructura general con
la que cuenta un PLC.
Fig. 2.4 Estructura general de un PLC.
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2.4.1.1 Fuente de alimentación o suministro de energía.
La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el
funcionamiento de los distintos circuitos del sistema, así como a los módulos que
se le pueden agregar al PLC. En general, los PLC´s, poseen dos tipos de fuente
de alimentación independiente:
- +5 V.C.D. para la alimentación de todas las tarjetas
- +24 V.C.D. para la configuración de las entradas y salidas
2.4.1.2 Unidad Central de Procesamiento (CPU).
Es la parte inteligente del sistema. Está estructurada en base a un
microprocesador, constituida por una unidad de control, memoria interna del
programador RAM y circuitos auxiliares. Es la encargada de ejecutar el programa
del usuario y de producir las transferencias de datos desde las entradas y hacia
las salidas. Toma las instrucciones una a una de la memoria, las decodifica y las
ejecuta.
2.4.1.3 Módulos de interfaces de entradas y salidas.
La parte de las entradas adapta y codifica de forma comprensible para la CPU las
señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores
Establecen la comunicación con la planta, permiten ingresar la información
proveniente de los sensores, interruptores, etc. y enviar información a motores,
bombas, electroválvulas y accionamientos en general. Para esto, las interfaces
deben adaptar y codificar adecuadamente las señales.
En la industria existen diferentes dispositivos externos, por lo que las entradas y
salidas se pueden clasificar en:
- Entradas digitales.
- Salidas digitales.
- Entradas analógicas.
- Salidas analógicas.
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2.4.1.4 Módulo de memorias.
Es el dispositivo que se encarga de almacenar toda la información que el
Controlador Lógico Programable necesita para ejecutar la tarea de control. Los
controladores hacen uso de distintos tipos de memoria según sea su capacidad de
almacenamiento, su velocidad, volatilidad, etc.
La memoria RAM se utiliza principalmente para el almacenamiento de datos
mientras el PLC está encendido.
La memoria ROM se utiliza para guardar el programa monitor del sistema.
La memoria EEPROM se emplea principalmente para almacenar el programa del
usuario.
2.4.1.5 Unidad de Programación.
Es un dispositivo externo por el cual se carga un programa al PLC, comúnmente
es una computadora la cual se utiliza para escribir y transferir programas al PLC,
así como el monitoreo del mismo y se comunican a través de un protocolo de
comunicación.
2.4.1.6 Ciclo de operación de un PLC.
El ciclo de operación del controlador consiste en una serie de operaciones
realizadas de forma secuencial y repetitiva. En la Fig. 2.5 Se describe la secuencia
que utiliza el PLC al realizar el ciclo de operación.
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Fig. 2.5 Ciclo de operación de un PLC.
1. Escaneo de entradas. Es el tiempo requerido del controlador para escanear
y leer todos los datos de entrada; normalmente lo realiza en milisegundos.
2. Escaneo de programa. Es el tiempo requerido del procesador para ejecutar
las instrucciones del programa. El tiempo de escaneo de programa varía
dependiendo de las instrucciones usadas y cada estado de la instrucción
durante el tiempo de escaneo.
3. Escaneo de salidas. Es el tiempo requerido del controlador para escanear y
escribir todos los datos de salida; normalmente lo realiza en milisegundos.
4. Servicio de comunicaciones. Es la parte del ciclo de operación en el que la
comunicación se lleva a cabo con otros dispositivos, tales como un
ordenador personal o HHP.
5. Servicio de limpieza y gastos generales. Es el tiempo dedicado a la gestión
de memoria y actualización de temporizadores y registros internos.
18
2.4.2 Clasificación de los PLC’s.
Debido a la gran variedad de los PLC, tanto en sus funciones, su capacidad, en su
aspecto físico y otros, es posible clasificarlos teniendo en cuenta sus distintas
características.
2.4.2.1 PLC nano.
Generalmente el PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O integradas) que puede
manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un número inferior a 100.
Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos módulos especiales. En la
Fig. 2.6 Se muestra un ejemplo de un PLC nano.
Fig. 2.6 Ejemplo de PLC tipo nano.
2.4.2.2 PLC compacto.
Este tipo de PLC tiene incorporada la Fuente de Alimentación, CPU y módulos de
I/O en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta
varios cientos (alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los PLC tipo nano y
soportan una gran variedad de módulos especiales tales como:
Entradas y salidas analógicas.
Expansiones de I/O.
Módulos de comunicaciones.
Módulos de contadores de alta velocidad.
19
En la Fig. 2.7 Se observa el PLC compacto, varían en cuanto al diseño y tamaño
estos equipos dependiendo del fabricante.
Fig. 2.7 Ejemplo de PLC compacto.
2.4.2.3 PLC modular.
El PLC modular se caracteriza por su gran estructura configurable, flexibilidad y
capacidad de adaptación; esto permite configurar un sistema en el momento justo
a la medida de cualquier aplicación. Este tipo de PLC se compone de un conjunto
de elementos que integran el controlador final como son:
Rack.
Fuente de alimentación.
CPU.
Módulos de I/O digitales y analógicas.
Módulos de comunicaciones.
El rack es el elemento en donde van montados la fuente de alimentación, CPU y
demás módulos que componen el sistema; en la Fig. 2.8 Se aprecia un ejemplo de
este tipo de PLC.
20
Fig. 2.8 Ejemplo de PLC modular.
En el siguiente apartado se detalla el funcionamiento y características del PLC
utilizado en el desarrollo del calentador de agua.
2.5 Sistema Servo
Un sistema servo es un conjunto de un servoamplificador y un servomotor, los
cuales integran un sistema conocido como “Motion Control”. Tal expresión se
emplea para denominar controles de movimientos de diversos tipos, como puede
ser una tarea sencilla de posicionamiento de un eje individual; pero también puede
tratarse de controles empleados para tareas muy exigentes, como el posiciona
miento de múltiples ejes en grandes plantas.
2.5.1 Servoamplificadores.
Los servoamplificadores son variadores de frecuencia construidos especialmente
para el control de servomotores para la realización de movimientos dinámicos.
Dependiendo de la configuración, estos sistemas pueden trabajar en tres modos
de funcionamiento:
2.5.1.1 Control de posición.
La determinación de la velocidad y de la dirección de giro se lleva a cabo por
medio de un tren de pulsos de un PLC o controlador, y permite un posicionamiento
21
de alta precisión con un encoder montado en el servomotor. El par en este modo
de control es constante; para la protección de la carga conectada contra fuertes
golpes de par de giro debido a la aceleración/frenado, es posible ajustar un valor
límite de par por medio de una entrada analógica o internamente por medio de
parámetro.
2.5.1.2 Control de velocidad.
La regulación de velocidad y la determinación del sentido de giro se realizan
mediante una entrada analógica, o bien mediante la configuración de un
parámetro; se pueden seleccionar diferentes velocidades, dependiendo del
modelo y marca. En función del comando de velocidad, ya sea mediante una
entrada analógica o configurando un parámetro, es posible ajustar los tiempos de
aceleración/desaceleración y el torque, para monitorear la velocidad y sentido de
giro del servomotor se utiliza un encoder montado en el mismo, el cual mantiene
informado al servoamplificador.
2.5.1.3 Control de par de giro.
El control de par de giro se realiza por medio de una entrada analógica, la
velocidad se define mediante señales externas de control o internamente
configurando un parámetro. Para evitar la aceleración a velocidades excesivas en
el funcionamiento sin carga, en aplicaciones que dependen del par de giro,
también existe la posibilidad de limitar la velocidad (determinación externa o
interna).
Además, es posible realizar modos de control combinados, como p. ej. Control
posición/velocidad, control velocidad/par de giro, o control par de giro/posición. En
la Fig. 2.9 Se muestra un ejemplo de servoamplificador.
22
Fig. 2.9 Servoamplificador.
2.5.2 Servomotores.
Son motores diseñados para la ejecución de movimientos altamente dinámicos.
Son extremadamente efectivos en cuanto al par motor o la fuerza; se controlan por
medio de servoamplificadores, mencionados anteriormente, trabajan con una
velocidad variable, optimizada para los procesos correspondientes, y se
posicionan de inmediato con una precisión de µm sin tiempo de adaptación de
marcha. Un encoder (indicador de posición) sobre el eje del motor avisa al
servoamplificador de la posición del motor. Para mantener de forma segura la
posición alcanzada algunos servomotores cuentan un una batería en el encoder
en caso de un corte del suministro de tensión. En la Fig. 2.10 Se observa un
ejemplo de un servomotor.
23
Fig. 2.10 Servomotor.
El enconder con el que cuenta el servomotor consta de un disco transparente con
una serie de marcas opacas colocadas radialmente y a la misma distancia entre
sí, un sistema de iluminación y un elemento foto receptor.
El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco, a medida que el eje gira
se van generando pulsos cada vez que la luz atraviese las marcas, llevando una
cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje.
La resolución del encoder depende del número de marcas que tiene físicamente el
disco, éstas varían dependiendo del modelo y marca del servomotor.
Existen dos tipos de encoder, el incremental que se acaba de mencionar, y el
absoluto; el encoder absoluto es similar, pero el disco se divide en un número de
sectores, codificándose cada uno de ellos con un código binario, con zonas
transparentes y opacas. En la Fig. 2.11 Se describe la estructura interna de un
encoder.
24
Fig. 2.11 Estructura interna de un encoder.
2.6 Protocolos de comunicación
Muchos sistemas están conformados por equipos de diferentes fabricantes; pese a
que puedan estar distanciados entre sí, a menudo se desea que trabajen de forma
coordinada para un resultado satisfactorio del proceso. El objetivo principal es la
comunicación totalmente integrada en el sistema; dicha integración se realiza
mediante los denominados protocolos de comunicación. Un protocolo de
comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio
de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red.
Los buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y
control de variables de proceso, reciben la denominación genérica de buses de
campo. Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que
simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos
industriales utilizados en procesos de producción.
El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los
elementos de campo y el equipo de control. Generalmente son redes digitales,
bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan
dispositivos de campo como PLC’s, transductores, actuadores, sensores y equipos
de supervisión.
25
Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la
integración de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no
existe un bus de campo universal. Los buses de campo con mayor presencia en el
área de control y automatización de procesos son:
2.6.1 PROFIBUS
El protocolo PROFIBUS (Process Field Bus) se divide en tres tipos principales:
2.6.1.1 PROFIBUS DP
PROFIBUS DP (Decentralized Periphery) está optimizado para alta velocidad y
coste reducido. Esta versión de PROFIBUS está especialmente diseñada para
comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidos a nivel de
campo. Puede ser empleado para remplazar transmisiones paralelas de señales
con 24 V.C.D. o 4 – 20 mA. El intercambio de datos es cíclico. El tiempo de ciclo
del bus ha de ser menor que el tiempo de ciclo del programa del controlador
central.
2.6.1.2 PROFIBUS PA
PROFIBUS PA (Process Automation) está especialmente diseñado para
automatización de procesos. Permite que sensores y actuadores puedan ser
conectados a un bus común en áreas de especial seguridad calificadas como Ex.
Básicamente, es la ampliación de Profibus DP compatible en comunicación con
una tecnología que permite aplicaciones para la automatización de procesos en
recintos expuestos al peligro de explosiones (áreas clasificadas Ex).
2.6.1.3 PROFIBUS FMS
Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) es la solución de propósito general
para tareas de comunicación a nivel de control. Los potentes servicios FMS abren
un amplio rango de aplicaciones y proveen gran flexibilidad. También puede ser
empleado para tareas de comunicaciones extensas y complejas. En Profibus FMS
la funcionalidad es más importante que conseguir un sistema con tiempo de
26
reacción pequeño. En la mayor parte de aplicaciones, el intercambio de datos es
fundamentalmente acíclico en base a la demanda del proceso del usuario.
2.6.2 MODBUS
Modbus es un protocolo de transmisión para sistemas de control y supervisión de
procesos (SCADA) con control centralizado, funciona mediante el sistema
maestro/esclavo, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU)
con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisión y control de un
proceso. Este protocolo puede estar configurado en: RS-232, RS-422 o RS-485.
En Modbus los datos pueden intercambiarse en dos modos de transmisión:
MODBUS RTU. Donde se envían 4 caracteres hexadecimales (4 bits cada uno)
para cada mensaje.
MODBUS ASCII. Enviando dos caracteres (2 bytes) para cada mensaje, pudiendo
haber hasta 1 segundo de tiempo de diferencia entre ellos.
27
CAPÍTULO 3 Implementación
28
La implementación del calentador de agua utilizando un seguidor solar, fue
desarrollada e instalada dentro de una empresa, ubicada en el municipio
Naucalpan de Juárez, Ciudad de México. Fue desarrollada a partir del uso y
configuración de los siguientes equipos:
- Sistema VersaTRAK IPm2m.
- PLC FX3U-16MR.
- Dos servoamplificadores MR-J3-40B y dos servomotores HF-KP.
Por otra parte también es necesario conocer de manera general el funcionamiento
de la estructura mecánica con la que cuenta el calentador de agua.
En la Fig. 3.1 Se contemplan los componentes generales que constituyen a la
estructura mecánica. Del lado izquierdo se observa el diseño que se realizo para
su posterior fabricación; y del lado derecho esta la estructura mecánica con su
respectivo tablero de operación, en donde se encuentran los dispositivos que se
utilizaron para llevar a cabo toda la secuencia de programación para la
implementación del calentador de agua.
Figura 3.1 Estructura mecánica (diseño e implementación).
29
En el presente apartado se explican las partes que componen la estructura
mecánica, y su funcionamiento, diagramas eléctricos, diagrama de bloques del
funcionamiento de los componentes; así como la descripción del software utilizado
para realizar la configuración y programación de los controladores.
En la Fig. 3.2 De describe el diagrama de cómo deben ir conectados de forma
general todos los equipos utilizados en la implementación.
Fig. 3.2 Conexión general.
30
3.1 Estructura mecánica
La estructura mecánica consta de las siguientes partes básicas:
Base de equipo
Bastidor soporte principal
Bastidor de espejos
Bastidor de soporte de Cu
Mecanismo de ajuste de inclinación de tubo de Cu
En la Fig. 3.3 Se contemplan las partes básicas que conforman la estructura
mecánica.
Fig. 3.3 Estructura mecánica.
3.1.1 Base de equipo.
La base del equipo consta de una construcción cónica de placa rígida con acceso
lateral para dar mantenimiento y/o revisión de los equipos que aloja.
31
En esta parte del equipo se aloja el accionamiento de giro horizontal del sistema,
que está conformado por dos reductores y un servomotor, todos los equipos están
acoplados directamente a través de bridas de aluminio. En la Fig. 3.4 Se observa
el equipo que se encuentra dentro de la base del equipo.
Fig. 3.4 Base del equipo.
3.1.2 Bastidor de soporte principal.
El bastidor de soporte principal es el elemento que efectuara la inclinación del
sistema, se realiza mediante un husillo accionado por un reductor con servomotor,
además se encarga de sujetar el bastidor de espejos y el bastidor sujetador del
tubo de Cu, por donde circula el agua. En la Fig. 3.5 se muestra el bastidor de
soporte principal, el bastidor de espejos y el bastidor de tubo de Cu.
32
Fig. 3.5 Bastidor soporte principal, espejos y tubo de Cu.
3.1.3 Bastidor de espejos.
El bastidor de espejos es la parte de la estructura mecánica en donde se alojan los
espejos, éstos se encuentran enfocados hacia el tubo de Cu; y tienen la función de
reflejar los rayos del sol hacia el tubo de Cu para así poder realizar el
calentamiento del agua. Este bastidor cuenta con 20 espejos montados en el, en
la Fig. 3.6 Se aprecia el bastidor con los espejos montados.
Bastidor de soporte principal
Bastidor de tubo de Cu
Bastidor de espejos
33
Fig. 3.6 Bastidor de espejos y tubo de Cu.
3.1.4 Bastidor de soporte de tubo de Cu.
El bastidor de soporte de tubo de Cu es donde se encuentra montado el tubo por
donde circula el agua que se desea calentar, tiene montados dos termopares, uno
a la entrada y otro a la salida del fluido; dichos termopares están conectados a dos
displays de temperatura los cuáles nos permiten monitorear la temperatura de
entrada y de salida.
3.1.5 Mecanismo de ajuste de inclinación de tubo de Cu.
Para poder ajustar la distancia entre el bastidor de espejos y el bastidor de soporte
de tubo de Cu, se utiliza un mecanismo de ajuste de inclinación, con dicho
mecanismo podemos acercar y alejar el tubo de Cu para obtener el mejor enfoque
de los espejos y así poder aprovechar mejor la energía solar .En la Fig. 3.7 Se
describe el bastidor soporte de tubo de Cu y el mecanismo de ajuste de
inclinación.
34
Fig. 3.7 Bastidor de soporte de tubo Cu y mecanismo de inclinación.
La estructura mecánica tiene dos ejes de movimiento, azimut y altitude; El bastidor
de soporte principal se mueve horizontalmente sobre el eje azimut, de este a
oeste; el movimiento de este eje se realiza mediante el mecanismo de
accionamiento de giro horizontal, en dicho mecanismo se encuentra acoplado un
servomotor para poder realizar este movimiento. Mientras que el bastidor de
espejos se mueve sobre el eje de altitud, de horizonte a zenit; dicho movimiento se
realiza mediante un servomotor con reductor que acciona al husillo acoplado al
mecanismo de inclinación, el cuál realiza el movimiento del bastidor de espejos.
3.2 Selección de equipo.
Para realizar la implementación del calentador de agua utilizando un seguidor
solar, es necesario tomar en cuenta todos los equipos que se requieren para
realizar dicha implementación; una vez definidos los equipos, se tiene que hacer
una selección en base a las características con las que cuenta el equipo y
seleccionar el que mejor se adapte a las necesidades de la implementación.
En el siguiente apartado se detalla el criterio que se tomó para realizar la selección
de los equipos que conforman el sistema de calentamiento de agua.
Mecanismo de inclinación
Bastidor de soporte de tubo de Cu
35
3.2.1 PLC FX3U-16MR.
La alimentación de este equipo es de 100 a 240 v.c.a, cuenta con 8 entradas y 8
salidas, las entradas son digitales y las salidas son tipo relevador; se le añadieron
dos módulos de expansión, uno de entradas y otro de salidas, ya que para esta
aplicación no es necesario poner un PLC de mayor capacidad de I/O porque el
equipo seleccionado cuenta con la velocidad de procesamiento y funciones
necesarias para el desarrollo del proyecto de investigación. La función de este
equipo es recibir las señales de control de parte del sistema VersaTRAK IPm2m
para así controlar a los servomotores. En la Fig. 3.8 Se muestra el equipo utilizado
para ésta proyecto.
Fig. 3.8 PLC FX3U-16MR.
Tiene incorporado un módulo especial de control de movimiento (FX3U-20SSC-H),
para el control de los servomotores que moverán el calentador; el cuál se
configura mediante programación desde el PLC. En la Fig. 3.9 Se aprecia el
módulo especial para el control de movimiento FX3U-20SSC-H.
36
Fig. 3.9 Módulo FX3U-20SSC-H.
El módulo dedicado para el control de movimiento FX3U-20SSC-H puede manejar
hasta dos ejes de movimiento, los necesarios para este trabajo, su alimentación es
a 24 VCD mediante una fuente externa y se comunica con los servoamplificadores
mediante un protocolo de comunicación SSCNET III, que es mediante Fibra
Óptica, lo cual lo hace muy fiable ya que este protocolo de comunicación es libre
de interferencias electromagnéticas al utilizar un medio óptico.
En la Fig. 3.10 Se contempla la forma en que los módulos de expansión se
conectan al PLC; es posible conectar hasta 8 módulos de expansión.
Fig. 3.10 Conexión módulos de expansión.
37
3.2.2 Servoamplificador MR-J3-B
El servoamplificador MR-J3-B dispone de una interface óptica SSCNET III, la cual
permite la operación y supervisión del servomotor por parte del controlador. El
control de la velocidad de rotación/sentido de giro y el posicionamiento de alta
precisión se ejecutan con comandos desde el controlador.
El servomotor cuenta con un encoder de posición absoluta con una resolución de
262144 pulsos/revolución para garantizar un control muy preciso; además se le
puede añadir una batería al encoder. La batería del encoder hace innecesario
volver a ajustar la posición inicial cuando se enciende nuevamente el sistema, una
vez establecida la dicha posición.
La alimentación de la parte de potencia y control es por separado, ya que en caso
de falla se protege la parte de control; la parte de potencia se alimenta a 220 v.c.a.
mientras que la parte de control se alimenta a 110 v.c.a. Tiene dos puertos de
comunicación SSCNET III, el primero para comunicación con el PLC y el segundo
para comunicar con el siguiente servoamplificador; dispone de un puerto USB para
su configuración. Este servoamplificador cuenta con un puerto de I/O desde donde
se puede controlar y monitorear, y un puerto para el encoder para el monitoreo del
servomotor. En la Fig. 3.11 Se aprecia el servoamplificador MR-J3-B.
Fig. 3.11 Servoamplificador MR-J3-B.
38
El servoamplificador se trabajara en modo control de posición, ya que los ejes de
la estructura mecánica se moverán a una velocidad y par constante, y sólo se
necesita saber exactamente en qué posición se encuentran los servomotores.
Antes de poner en marcha el servoamplificador en este modo de control, se
configura un parámetro, en el cuál se realiza la elección del tipo de modo de
control que se requiera.
El modo control de posición trabaja con dos trenes de pulsos; uno para la
velocidad y otro para el sentido de giro; estos trenes de pulsos son generados por
el PLC mediante el bus de comunicación SSCNET III.
El servomotor utilizado es el HF-KP, consume 0.4 KW, la alimentación es a 220
v.c.a. y tiene un máximo de 6000 revoluciones por minuto. En la Fig. 3.12 Se
observa el servomotor HF-KP; en la parte posterior se encuentra el encoder y en
la parte superior se encuentran las conexiones que van al servoamplificador.
Fig. 3.12 Servomotor HF-KP.
3.2.3 Sistema VersaTRAK IPm2m.
El sistema VersaTRAK IPm2m se utilizó para determinar la posición del sol, el cual
está diseñado para el uso en el control industrial y en sistemas de adquisición de
datos. Se alimenta a 24 V.C.D., cuenta con puerto de comunicación RS-485 y
39
puerto de comunicación ETHERNET, los cuales se utilizan comúnmente para
comunicar este dispositivo en red con otros equipos de campo; y dispone de un
puerto de comunicación RS-232, medio por el cual se comunica con la PC para su
configuración. También cuenta con entradas y salidas, tanto analógicas como
digitales; las entradas y salidas analógicas trabajan con señales de 10 a 30 V.C.D;
mientras que las entradas y salidas digitales trabajan con señales de 24 V.C.D.,
dichas entradas se pueden configurar sink (npn) o source (pnp).
En la Fig. 3.13 Se observa el sistema VersaTRAK IPm2m utilizado; se puede
observar que es de fácil instalación ya que cuenta con un diseño de montaje en
riel.
Fig. 3.13 VersaTRAK IPm2m.
El VersaTRAK IPm2m cuenta con una base de datos, la cual le permite determinar
la posición del sol; antes de poner en operación este equipo, es necesario
configurar latitud, longitud, altitud y la fecha actual; con los parámetros dados de
alta en el equipo, se definen las coordenadas donde se encuentra instalado y la
fecha determina la estación del año, por lo tanto se define la trayectoria del Sol. La
trayectoria del Sol nunca cambia; lo cual hace que el sistema seleccionado
garantice una mayor precisión.
40
El VersaTRAK IPm2m podría mandar los pulsos directamente al
servoamplificador, pero es necesario un PLC para que ponga límites mecánicos
de movimiento y realice la conversión de las resoluciones; ya que el VersaTRAK
cuenta con una resolución de 3600 pulsos/revolución, mientras que el servo
cuenta con 262144 pulsos/revolución.
Por otra parte, cuenta con tres modos de operación: modo manual, modo
automático y modo calibración; la selección del modo de operación se realiza
mediante las entradas del equipo.
Está diseñado para el control de motores de C.D.; si se hubiesen seleccionado
motores de C.D. se tendría que utilizar un VersaTRAK por cada calentador, y por
consecuencia, un mayor trabajo de ingeniería. Ésta implementación se realizó
pensando en replicar el calentador; ya que con el uso de los sistema servo, se
puede tener una red de hasta 16 sistemas servo con la comunicación por medio
de SSCNET III, y solo se necesita usar un sistema VersaTRAK.
3.3 Diagramas eléctricos.
Para la alimentación de todos los componentes, es necesario verificar el consumo
de corriente de cada componente en particular y hacer la sumatoria total, para así
poder seleccionar el interruptor termo magnético adecuado para el correcto
funcionamiento de la instalación eléctrica.
A el interruptor termo magnético va conectado el PLC, el cual tiene un consumo de
corriente de 3.15A; Los dos servoamplificadores, tienen un consumo individual de
corriente de 0.9A; y por último la fuente de alimentación externa consume una
corriente de 2A; por lo tanto la suma de corrientes da un total de 6.95A, motivo por
el cual se eligió un interruptor termo magnético de con capacidad de 10A para no
tener ningún problema en la instalación eléctrica.
El PLC tiene una fuente interna de 0.5A, pero ésta no es suficiente para alimentar
a todas las I/O que se requieren; por lo que se opto por utilizar una fuente externa
de 24 V.C.D. (FX2N-20PSU) que tiene una capacidad de 2A; a la cuál a parte de
41
las I/O, también va conectado el sistema VersaTRAK IPm2m, el módulo dedicado
al control de movimiento FX3U-20SSC-H, los displays y los termopares.
La alimentación del PLC es a 110 v.c.a; en la Fig. 3.14 Se contempla el diagrama
eléctrico de alimentación del PLC.
L1
L2
L3
N
B01
B02
3x10A
2x5A
Fig. 3.14 Alimentación PLC.
La nomenclatura utilizada para definir la dirección de las entradas es X, mientras
que en las salidas es Y; se utiliza el sistema octal para numerarlas, por lo tanto las
entradas van de X0 a X7, después salta de X10 a X17 y así sucesivamente; y con
las salidas es el mismo método, va de Y0 a Y7, Y10 a Y17, etc.
Como ya se había mencionado con anterioridad, la alimentación de los
servoamplificadores está separada; la parte de potencia se alimenta a 220 v.c.a.
mientras que la parte de control se alimenta a 110 v.c.a. Se colocó un contactor a
cada servoamplificador para dar accionamiento a la parte de potencia. En la Fig.
3.15 Se exhibe el diagrama eléctrico de la alimentación a los servoamplificadores
con sus respectivos contactores.
42
L1
L2
L3
N
B01
C01 C02
3x10A
B03 3x10 B03 3x10
Fig. 3.15 Alimentación servoamplificadores.
43
En la Tabla 3.1 se describe la nomenclatura utilizada para las etiquetas en los
servoamplificadores.
Tabla 3.1 Nomenclatura del servoamplificador.
Abreviación Aplicación Descripción
L1, L2, L3 Alimentación del circuito de potencia Suministra una alimentación de 220 v.c.a. a la parte de potencia del servoamplificador
P1, P2 Factor de potencia
Cuando no se utiliza P1 y P2, se realiza un puente entre estas dos terminales (cableado de fábrica) Cuando se utiliza P1 y P2, se desconecta el puente entre P1 y P2 y se conecta la mejora del Factor de Potencia del reactor de DC
P, C, D Opción de Regeneración
Cuando se utiliza un servoamplificador con opción de regeneración integrada, se realiza un puente entre P(+) y D (cableado de fábrica) Cuando se utiliza una opción de regeneración, se desconecta el puente entre P(+) y D; y se conecta la opción de regeneración a P y C
L11, L21 Alimentación del circuito de control Suministra una alimentación de 110 v.c.a. a la parte de control del servoamplificador
U, V, W Alimentación del servomotor
Se conecta el servomotor hacia las terminales U, V y W para su alimentación. No se debe desconectar las terminales mientras se encuentra encendido el servomotor
N Unidad de Frenado Cuando se utiliza una unidad de frenado, conectar en P y N
Tierra Protectiva (PE)
Conectar la terminal de tierra del servomotor hacia la tierra protectiva (PE) de la caja de control para realizar la tierra del sistema
Por otra parte, la alimentación de la fuente es a 110 v.c.a. En la Fig. 3.16 Se
aprecia el diagrama eléctrico de la alimentación de la fuente de alimentación
externa.
44
L1
L2
L3
N
B01
B02
3x10A
2x5A
24V 0V
Fig. 3.16 Alimentación de la fuente externa.
El PLC, los Servoamplificadores y la fuente de 24 V.C.D. son los únicos elementos
del tablero eléctrico que se alimentan con v.c.a.
En la Fig. 3.17 Se observa la alimentación del VersaTRAK IPm2m y del módulo de
control de movimiento FX3U-20SSC-H; dicha alimentación es a 24 V.C.D. la cuál
proviene de la fuente de alimentación de 24 V.C.D. (FX2N-20PSU).
45
24V
0V
Fig. 3.17 Alimentación VersaTRAK IPm2m y FX3U-20SSC-H.
Como ya se ha explicado anteriormente, el Servoamplificador cuenta con dos
puertos de comunicación SSCNET III; en la Fig. 3.18 se observa que en el CN1A
del primer Servoamplificador se conecta la Fibra Óptica que va hacia el modulo de
control de movimiento, y de el puerto CN1B se conecta hacia el puerto CN1A del
segundo Servoamplificador donde termina la comunicación SSCNET III. También
se observa la conexión de cada Servomotor con su correspondiente
Servoamplificador; la parte de potencia del Servomotor se conecta hacia las
terminales U, V y W del, mientras que el encoder se conecta en el puerto CN2 del
Servoamplificador.
46
Fibra Óptica
(Comunicación SSCNET III)
Cable de Potencia
(U, V y W)
Cable de Encoder
13
2
1
3
2
1
3
2
Fig. 3.18 Conexión Servoamplificadores y Servomotores.
En la Fig. 3.19 Se muestra el diagrama de conexión de los contactores, los cuales
se utilizan para la parte de potencia de los Servoamplificadores, éstos están
conectados a las salidas Y0 y Y1 del PLC, las cuáles son a 110 v.c.a.
L1
L2
L3
N
B01
B02
3x10A
2x5A
C01 C02
Fig. 3.19 Conexión Contactores.
47
En la Fig. 3.20 Se encuentra el diagrama de conexión de las entradas del PLC las
cuales están conectadas hacia las salidas digitales del VersaTRAK, éstas salidas
envían los datos de la posición de los dos ejes de movimiento al PLC; la entradas
del PLC X0 y X1 son los pulsos de entrada del eje azimut, que se mueve de este a
oeste; mientras que las entradas X2 y X3 son los pulsos de entrada del eje
altitude, el cual se mueve de horizonte a zenit. Las entradas del PLC se
configuraron Sink, las cuáles conmutan con 0V. Se utilizó la configuración Sink
para las entradas ya que el ruido que puedan emitir otros dispositivos electrónicos
no afectará a éstas.
24V
0V
Fig 3.20 Conexión entradas PLC.
El sistema VersaTRAK tiene imaginariamente 360° de libertad en el eje altitude,
pero el PLC lo delimita de 0° a 65.5°, el cuál es el rango de operación de los ejes
de movimiento de la estructura mecánica; y en el eje azimut solo tiene un grado de
límite, o sea que va de 0° a 359°; se le puso un grado de límite para que la
estructura mecánica no diera la vuelta completa, ya que tiene conectados los
cables de los servomotores hacia el tablero de control, los cuáles limitan su
movimiento. En la Fig. 3.21 Se muestra el diagrama de conexión de las salidas del
PLC, que van conectadas a las entradas digitales del VersaTRAK; éstas salidas
determinan en qué modo de operación trabajara el equipo. Con la salida Y2 se
48
selecciona el modo automático, con la Y3 se selecciona el modo manual, la Y4
modo calibración, y la salida Y5 determina el “Home” (posición inicial) del
VersaTRAK.
24V
0V
Fig. 3.21 Conexión salidas PLC.
Las salidas utilizadas del modulo de expansión FX2N-8EYT-ESS mostradas en la
Fig. 3.22 se utilizan para determinar los límites de los ejes, y los pulsos que el PLC
le envía al VersaTRAK. Las salidas Y11 y Y12 determinan el límite máximo y
mínimo del eje azimut respectivamente; mientras que las salidas Y14 y Y15
determinan el límite máximo y mínimo del eje altitude. La salida Y13 envía los
pulsos de confirmación de la posición del eje azimut, mientras que la salida Y14
del eje altitude.
Fig. 3.22 Conexión modulo de salidas.
49
En la Fig. 3.23 Se aprecia la conexión de los displays, las terminales 11 y 12 son
para la alimentación del mismo, la cuál es a 110 v.c.a.; por otra parte, los
termopares que se utilizaron para monitorear la temperatura del agua están
conectados a las terminales 4 y 5 de los displays de temperatura.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1 6 11
2 7
3
4
5 10 15
14
13
12
8
9
DISPLAY 1
24V
0V
L1
L2
L3
N
B01
DISPLAY 2
Fig. 3.23 Conexión displays de temperatura y termopares.
El primer botón selector, conectado a las entradas X20, X21 y X22, se utiliza para
seleccionar entre los distintos modos de operación (modo calibración, modo
automático y modo manual). El botón pulsador conectado a la entrada X23, se
utiliza para definir un nuevo “Home” cuando se utiliza el modo calibración. El botón
selector conectado a las entradas X14 y X15 se utiliza para joggear el servomotor
sobre el eje azimut; mientras que el botón selector conectado a las entradas X16 y
X17 joggean el servomotor sobre el eje altitude. (Para una descripción más
detallada acerca de la operación del sistema, consultar el Anexo 2 “Manual de
Operación”).
50
En la Fig. 3.24 Se indica el diagrama de conexión de la tarjeta de comunicación
RS-485 que se utilizó para el registro automático de la temperatura, los datos del
registro se almacenan automáticamente en el PLC.
1
2
3
4
6
5
7
8
9
10
11
15
14
13
12
1
2
3
4
6
5
7
8
9
10
11
15
14
13
12RDA
RDB
DATA (+)
DATA (-)DATA (-)
DATA (+)
SDA
SDB
110 Ω110 Ω
Fig. 3.24 Comunicación RS-485.
3.4 Descripción del Software.
El software utilizado para el desarrollo de la programación es el GX Developer,
mientras que para la configuración del sistema VersaTRAK se utilizó el Sixnet I/O
Tool Kit.
3.4.1 GX Developer.
El software GX Developer soporta desde los controles más compactos de la serie
FX, hasta los controles modulares de la serie A y Q. Este software se caracteriza
por su sencilla estructura y por lo fácil que resulta aprender a manejarlo. Por lo
tanto, el GX Developer, es el software indicado para desarrollar la secuencia de
programación del PLC; éste se comunica con el PLC mediante un protocolo de
comunicación RS-422.
Dispone de un simulador offline con la que se pueden comprobar todas las
funciones importantes del programa antes de la puesta en funcionamiento. Se
pueden simular todas las instrucciones y preseleccionar las reacciones de la
aplicación, de manera que resulta posible la realización de una comprobación
perfectamente realista.
A continuación se explica de manera general el uso del software GX Developer.
51
Para crear un nuevo proyecto hay que hacer clic en la opción del menú principal
“New Project”, con lo que se abrirá la ventana que se muestra en la Fig. 3.25.
Fig. 3.25 New Project.
A través de la opción “PLC series” se elige la familia de PLC con la que se va
trabajar, en este caso la familia de PLC con la que se trabajó es FX. Con la opción
“PLC type” se elige el modelo de PLC, el PLC que se utilizó fue el FX3U.
Dentro de “Program Type” se debe de elegir el lenguaje programación con el que
se va trabajar, con lenguaje de contactos (LADDER) o a través de diagrama de
flujo SFC. Para la serie más robusta de PLC Mitsubishi (serie Q), es posible
seleccionar el “Label Setting”, el cual permite trabajar utilizando la programación
por Etiquetas (labels) o con etiquetas y Bloques de función (FB).
La opción “Setup project name” se utiliza para seleccionar el destino donde se
guardará el nuevo proyecto, así como nombrar y darle título a nuestro proyecto.
Una vez creado el nuevo proyecto, aparece el entorno de programación el cuál se
contempla en la Fig. 3.26; se puede observar que tiene fácil acceso a todas las
herramientas necesarias para desarrollar la programación.
52
Fig. 3.26 Entorno de programación GX Developer.
En la Fig. 3.27 Se observa una colección de botones dedicados a la inserción de
contactos y bobinas en la pantalla de edición; la cual se encuentra en la parte
superior de la ventana del entorno de programación.
Fig. 3.27 Barra de botones.
En los botones se puede observar, de forma abreviada, cuál es la tecla o
combinación de teclas que se tienen que pulsar para insertar en la pantalla de
edición un componente de programación. En la Tabla 3.2 Se describe el
significado de las abreviaturas.
Tabla 3.2 Abreviaturas
Abreviatura Tecla
s SHIFT
c CTRL
a ALT
ca CTRL + ALT
53
Cuando se inserta un componente en la ventana de edición, aparece el formulario
“Enter symbol” que se muestra en la Fig. 3.28, desde el cual se escribe el nombre
de la bobina/contacto o la instrucción a insertar.
Fig. 3.28 Enter symbol.
En la Fig. 3.29 Se observa un ejemplo de instrucciones insertadas en el menú de
edición de la programación.
Fig. 3.29 Ejemplo de programación.
De esta manera se puede observar que el software GX Developer es muy flexible,
ya que tiene acceso rápido a las herramientas y es fácil aprender a manejarlo.
3.4.2 Sixnet I/O Tool Kit.
El software Sixnet I/O Tool Kit es una herramienta de configuración, calibración y
mantenimiento para el sistema VersaTRAK. Se utiliza para configurar las
características de las I/O, y para la calibración del sistema; es necesario ingresar 4
parámetros: latitud, longitud, altitud con respecto al mar y la fecha actual. Dichos
parámetros son las coordenadas donde será instalado el sistema VersaTRAK para
determinar la trayectoria del sol.
En la Fig. 3.30 Se contempla el panorama general con el que cuenta el software
Sixnet I/O Tool Kit.
54
Fig. 3.30 Sixnet I/O Tool Kit.
A continuación se explica de manera general como utilizar el software Sixnet I/O
Tool Kit.
Primero se tiene que crear un nuevo projecto, por lo que se selecciona “New
Project” desde el menú principal, y aparecerá la ventana que se muestra en la Fig.
3.31.
Fig. 3.31 Crear nuevo proyecto.
En nuestro caso el equipo utilizado es el VersaTRAK IPm2m, por lo cual se
selecciona la primera opción del menú mostrado en la Fig. 3.31.
Una vez seleccionada la opción “Add a new station to the project”, aparece la
ventana que se muestra en la Fig. 3.32; y se selecciona la opción “IPm Remote
Terminal Unit”.
55
Fig. 3.32 Agregar una nueva estación.
Una vez seleccionada dicha opción, se genera otra ventana, la cual se aprecia en
la Fig. 3.33, en ésta ventana aparecen las opciones de seleccionar el modelo de la
terminal, número de estación, nombre de estación y número de serie del equipo.
Fig. 3.33 Configuración general de la estación IPm.
Dentro de las opciones de la configuración, se tienen que configurar los
parámetros para determinar la posición actual, o posición donde se instalará el
equipo; se ingresan 4 parámetros: latitud, longitud, altura con respecto al mar, y la
fecha; los cuales determinan la trayectoria del Sol.
56
Las entradas y salidas del equipo vienen configuradas de fábrica, y no se puede
cambiar la configuración de éstas, sólo se pueden configurar 4, éstos son los
límites máximos y mínimos de los dos ejes. En la Fig. 3.34 Se resaltan dichas
entradas, X2 representa el límite máximo y X3 el límite mínimo en el eje altitude;
mientras que X5 es el límite máximo y X6 el límite mínimo en el eje azimut.
Fig. 3.34 Entradas configuradas de los ejes azimut y altitude.
En la Fig. 3.35 Se puede apreciar la pantalla general una vez que ya se ha dado
de alta y configurado el equipo para su posterior puesta en marcha.
Fig. 3.35 Estación VersaTRAK configuración final.
57
3.4.3 Configuración de los Servoamplificadores MR-J3-40B.
Para establecer el número de eje de control para servo se utiliza el interruptor
giratorio de ajuste de eje (SW1). Si los mismos números se fijan a los diferentes
ejes de control en un mismo sistema de comunicación, el sistema no funcionara
correctamente. Los ejes de control se pueden ajustar independientemente de la
secuencia en que están conectados en la red SSCNET III.
En red de comunicación SSCNET III es posible conectar hasta 16 ejes. En la Fig.
3.36 Se observa el SW1 para la selección del número de eje.
Fig. 3.36 Selección SW1.
58
La asignación del número de eje es en sistema hexadecimal; en la Tabla 3.3 Se
observa el número de eje que corresponde a la posición del SW1.
Tabla 3.3 Asignación de número de eje.
SW1 Descripción Display
0 Eje No. 1 01
1 Eje No. 2 02
2 Eje No. 3 03
3 Eje No. 4 04
4 Eje No. 5 05
5 Eje No. 6 06
6 Eje No. 7 07
7 Eje No. 8 08
8 Eje No. 9 09
9 Eje No. 10 10
A Eje No. 11 11
B Eje No. 12 12
C Eje No. 13 13
D Eje No. 14 14
E Eje No. 15 15
F Eje No. 16 16
59
CAPÍTULO 4 Secuencia de Programación
60
En el presente apartado, se define el diagrama de bloques de cómo trabaja la
secuencia de programación; y se explican las partes principales de la misma.
4.1 Diagrama de bloques.
Fig. 4.1 Diagrama de bloques del funcionamiento del programa.
61
4.2 Programación.
Cuando inicia el ciclo de scan el PLC, lo primero que hace es preguntar si se
encuentra listo el módulo de control de movimiento, una vez que ha recibido la
confirmación; el PLC activa las salidas Y0 y Y1, que corresponden a los
contactores de los servoamplificadores. En la Fig. 4.2 se muestra la línea de
programación donde solicita el estado del eje “X” (azimut).
Fig. 4.2 Solicitud de estado eje azimut.
En la Fig. 4.3 Se describe la línea de programación donde se solicita el estado del
eje “Y” (altitude).
Fig. 4.3 Solicitud de estado eje altitude.
Una vez activados los dos servomotores, se tienen que definir los límites máximos
y mínimos correspondientes a cada eje. Ya que se han definidos, se puede
distinguir en la Fig. 4.4 la activación de los límites máximos y mínimos de cada eje;
la activación se realiza mediante salidas del PLC y se definen en el VersaTRAK.
Fig. 4.4 Activación de Límites.
62
En la Fig 4.4 Se puede apreciar que la activación de límites es mediante bobinas,
y éstas a su vez activan las salidas; en la Fig. 4.5 se distingue la activación de las
salidas del PLC.
Fig. 4.5 Activación de salidas.
Cuando se han definido los límites máximos y mínimos, se procede a la obtención
de los trenes de pulsos desde el VersaTRAK para mover los dos ejes del
mecanismo; dichos trenes de pulsos corresponden a la posición actual del Sol. En
la Fig. 4.6 Se observa la programación utilizada para la obtención de los pulsos; la
entrada X0 y X1 son los pulsos de entrada para el eje azimut.
Fig. 4.6 Pulsos de entrada eje azimut.
Los pulsos de entrada, provenientes del VersaTRAK, tienen una resolución de
3600 pulsos/revolución; éstos pulsos no se envían directamente a los
servomotores para modificar su posición, ya que los servomotores cuentan con
una resolución de 262144 pulsos/revolución. En la Fig. 4.6 se muestra la
programación para realizar la conversión de la resolución de los pulsos de
entrada.
63
Fig. 4.7 Relación de resoluciones eje azimut.
Una vez realizada la conversión de resoluciones, se envían los pulsos
correspondientes hacia los servomotores por medio del módulo dedicado al control
de movimiento FX3U-20SSC-H.
Se efectúa el mismo procedimiento para la obtención de pulsos y conversión de
resoluciones del eje altitude. En la Fig 4.8 se aprecian los pulsos de entrada,
mientas que en la Fig. 4.9 Se encuentra la parte de la programación que realiza la
conversión de resoluciones del eje altitude.
Fig. 4.8 Pulsos de entrada eje altitude.
Fig. 4.9 Relación de resoluciones eje altitude.
Una vez realizada la conversión de las resoluciones, se envían los pulsos para
realizar el movimiento de los servomotores. En la Fig. 4.10 Se observa el
programa utilizado para enviar los pulsos a los respectivos servomotores.
64
Fig. 4.10 Pulsos de salida a servomotores.
Una vez enviados los pulsos de movimiento a los servomotores, éstos realizan las
revoluciones que corresponden a la cantidad de pulsos recibidos. El PLC lee en
todo momento la posición en que se encuentran los servomotores, cuando éstos
llegan a su posición final el PLC envía pulsos de confirmación al VersaTRAK;
estos pulsos son enviados en función a la resolución con la que cuenta el
VersaTRAK (3600 pulsos/revolución), en la Fig. 4.11 Se puede contemplar la
programación utilizada para enviar los pulsos de confirmación al VersaTRAK.
Fig. 4.11 Pulsos de confirmación VersaTRAK.
Se explica de manera general el funcionamiento de la secuencia de programación;
sólo se tomo en cuenta la redacción y descripción de las partes fundamentales de
dicha programación; si se requiere la programación completa, consultar el Anexo
1 “Secuencia de Programación”.
65
CAPÍTULO 5 Resultados Experimentales y Conclusiones
66
5.1 Resultados Experimentales.
Con la implementación una vez desarrollada, se lograron 4 principales resultados:
- Elaboración del tablero de control, en base a los diagramas previamente
realizados.
- Se llevó a cabo la configuración del sistema VersaTRAK y de los dos
sistemas Servo.
- La secuencia de programación desarrollada, realizo su función
correctamente, al controlar de forma exacta a los servomotores.
- Se registraron los valores de temperatura que alcanzó el interior del tubo de
cobre, monitoreados por los displays. Así como el registro de la posición de
los servomotores.
A partir del planteamiento de los diagramas eléctricos, se llevo a cabo la
elaboración del tablero de control, en el cuál se encuentran todos los equipos
utilizados para realizar la implementación. En la Fig. 5.1 Se contemplan los
elementos montados en el tablero de operación, y en la Fig. 5.2 Se puede
observar dicho tablero instalado listo para su puesta en marcha.
Fig. 5.1 Elementos internos del tablero de operación.
Fuente de Alimentación Contactores
Servoamplificadores
VersaTRAK IPm2m
Interruptores
Termo magnéticos
PLC y Módulos de
Expansión
67
Fig. 5.2 Tablero de operación instalado.
Se logró configurar de forma adecuada el sistema VersaTRAK, para recibir de
parte de éste equipo, las señales de control que corresponden a la posición del
Sol. Una vez obtenidas las señales de control, éstas fueron recibidas por el PLC,
el cuál a partir de las señales de control obtenidas se encargó de enviar los pulsos
de movimiento correspondientes para que los servomotores llegaran a su posición;
a través de la secuencia de programación desarrollada para realizar
satisfactoriamente dicho control.
En la Fig. 5.3 Se observa el calentador solar en operación; a pesar de que el cielo
está nublado, se puede distinguir claramente que el calentador de agua nunca
pierde su referencia con respecto al sol.
Dentro de la caja
se encuentra el
servomotor del eje
altitude
Dentro de la base
del la estructura
mecánica se
encuentra el
servomotor del eje
azimut
Tablero de
Operación
68
Fig. 5.3 Calentador de agua en operación (día nublado).
En la Tabla 5.1 se muestran los datos registrados que corresponden a la
temperatura medida dentro del tubo de cobre, que corresponden al día nublado.
Tabla 5.1 Datos de temperatura (día nublado).
Hora Temperatura del tubo (°C) Temperatura Ambiente (°C)
12:54 p.m. 75.5 26
12:55 p.m. 76.5 26
12:56 p.m. 77.2 26
01:00 p.m. 79.3 27
01:05 p.m. 87.8 27
01:10 p.m. 87.6 27
01:15 p.m. 74.6 26
01:20 p.m. 65.4 25
01:25 p.m. 61 26
01:30 p.m. 66 27
01:35 p.m. 63.8 27
01:40 p.m. 65.4 27
01:45 p.m. 68.2 27
01:50 p.m. 72.5 27
01:55 p.m. 79.8 25
02:00 p.m. 107.8 25
69
02:05 p.m. 112.6 25
02:10 p.m. 114.5 26
02:15 p.m. 122.5 26
02:20 p.m. 115.8 26
02:25 p.m. 92.3 25
02:30 p.m. 75.6 26
En la Fig. 5.4 se observa la gráfica que corresponde a los valores mostrados en la
Tabla 5.1.
Fig. 5.4 Gráfica de Temperatura (día nublado).
En la Fig. 5.5 Se aprecia el calentador de agua, siguiendo la trayectoria del sol con
el cielo despejado. La configuración de los servomotores se realiza únicamente
definiendo el número de estación y conectándolos a la red SSCNET III.
0
20
40
60
80
100
120
140
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Hora del día
Gráfica de Temperatura (Día nublado)
Temperaturadel tubo (°C)
70
Fig. 5.5 Calentador de agua en operación (cielo despejado).
En la Tabla 5.2 Se describen los valores de temperatura, que corresponden a las
mediciones del día despejado.
Tabla 5.2 Datos de temperatura (día despejado).
Hora Temperatura del tubo (°C) Temperatura Ambiente (°C)
11:20 a. m. 104.5 22
11:25 a. m. 125.2 23
11.30 a.m. 132.5 24
11:35 a. m. 134.7 24
11:40 a. m. 141.3 25
11:45 a. m. 143.1 24
11:50 a. m. 147.4 27
12:05 p. m. 140 28
12:10 p. m. 159.7 27
12:15 p. m. 170 27
12:20 p. m. 177 28
12:30 p. m. 191 27
12:35 p. m. 202.7 29
12:40 p. m. 209.6 29
12:45 p. m. 212.3 30
71
12:50 p. m. 215.9 30
12:55 p. m. 216 30
01:00 p. m. 215.3 29
01:05 p. m. 215.4 30
01:10 p. m. 216.8 31
01:15 p. m. 217.4 31
01:20 p. m. 220.3 30
01:25 p. m. 219.1 29
Y por consecuente, en la Fig. 5.6 Se describe la gráfica de los valores de
temperatura medidos, con respecto al paso del tiempo a lo largo del día.
Fig. 5.6 Gráfica de Temperatura (día despejado).
Por último se realizaron lecturas de los pulsos de cada eje durante su trayectoria,
ya que el PLC es capaz de leer en todo momento la posición en la que se
encuentran los servomotores.
Tabla 5.3 Se exhiben los datos registrados acerca de las posiciones de los dos
ejes de movimiento. Son registros de las posiciones que toma el sistema cuando
el sol está a punto de meterse, se puede contemplar que una vez llegada la hora
de la puesta de sol, el sistema realiza su movimiento hasta su estado de reposo.
0
50
100
150
200
250
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Hora del día
Gráfica de Temperatura (Día despejado)
Temperaturadel tubo (°C)
72
Tabla 5.3 Datos de los pulsos de ambos ejes (atardecer).
Hora Posición Eje Azimut
(pulsos) Posición Eje Altitude
(pulsos)
06:50 p. m. 7 6688
06:55 p. m. 7 6688
07:00 p. m. 7 5480
07:05 p. m. 9010 0
07:10 p. m. 9010 0
07:15 p. m. 9010 0
07:20 p. m. 9010 0
07:25 p. m. 9010 0
07:30 p. m. 9010 0
07:35 p. m. 9010 0
07:40 p. m. 9010 0
07:45 p. m. 9010 0
07:50 p. m. 9010 0
07:55 p. m. 9010 0
08:00 p. m. 9010 0
08:05 p. m. 9010 0
08:10 p. m. 9010 0
08:15 p. m. 9010 0
08:20 p. m. 9010 0
08:25 p. m. 9010 0
08:30 p. m. 9010 0
En la Fig. 5.7 Se observa el comportamiento de los pulsos de movimiento de los
servomotores con respecto al tiempo transcurrido a lo largo del día en el eje
azimut, y en la Fig. 5.8 Se contempla el mismo concepto en el eje altitude.
73
Fig. 5.7 Gráfica de los pulsos del eje azimut (atardecer).
Fig. 5.8 Gráfica de los pulsos del eje altitude (atardecer).
Por otro lado, en la tabla 5.4 Se pueden identificar los datos registrados de los
pulsos de movimiento, desde el amanecer hasta la puesta de sol.
0100020003000400050006000700080009000
10000
06
:50
PM
07
:00
PM
07
:10
PM
07
:20
PM
07
:30
PM
07
:40
PM
07
:50
PM
08
:00
PM
08
:10
PM
08
:20
PM
08
:30
PM
Pu
lso
s d
el S
erv
om
oto
r
Hora del día
Posición Eje Azimut (pulsos)
Posición Eje Azimut(pulsos)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
06
:50
PM
07
:00
PM
07
:10
PM
07
:20
PM
07
:30
PM
07
:40
PM
07
:50
PM
08
:00
PM
08
:10
PM
08
:20
PM
08
:30
PM
Pu
lso
s d
el S
erv
om
oto
r
Hora del día
Posición Eje Altitude (pulsos)
Posición Eje Altitude(pulsos)
74
Tabla 5.4 Datos de los pulsos de ambos ejes (trayectoria completa).
Hora Posición Eje Azimut (pulsos) Posición Eje Altitude (pulsos)
07:50 a. m. 9010 0
08:00 a. m. 9010 1844
08:20 a. m. 9762 6168
08:40 a. m. 9983 5678
09:00 a. m. 10222 5228
09:20 a. m. 10483 4779
09:40 a. m. 10781 4308
10:00 a. m. 11102 3878
10:20 a. m. 11522 3438
10:40 a. m. 12022 3027
10:50 a. m. 12323 2827
11:00 a. m. 12661 2637
11:10 a. m. 13024 2457
12:20 p. m. 17542 1606
12:30 p. m. 18321 1596
12:40 p. m. 19183 1617
12:50 p. m. 19903 1670
01:00 p. m. 20742 1753
01:10 p. m. 21401 1874
01:20 p. m. 21991 2009
01:30 p. m. 24122 2898
01:40 p. m. 24402 3102
01:50 p. m. 24662 3306
02:00 p. m. 24922 3510
02:10 p. m. 25122 3729
02:20 p. m. 25142 3750
02:30 p. m. 25142 3750
02:40 p. m. 25144 3765
02:50 p. m. 25164 3779
03:00 p. m. 25243 3880
03:10 p. m. 25443 4109
03:20 p. m. 25582 4328
03:30 p. m. 25763 4558
03:40 p. m. 25902 4787
03:50 p. m. 26043 5006
04:00 p. m. 26181 5220
04:10 p. m. 26303 5480
04:20 p. m. 26402 5689
75
04:30 p. m. 26522 5929
04:40 p. m. 26623 6161
04:50 p. m. 26723 6398
05:00 p. m. 26822 6630
05:10 p. m. 26923 6691
05:20 p. m. 27003 6691
05:30 p. m. 27102 6691
05:40 p. m. 27181 6691
05:50 p. m. 27263 6691
06:00 p. m. 27323 6691
06:10 p. m. 27323 6691
06:20 p. m. 27323 6691
06:30 p. m. 27323 6691
06:40 p. m. 541 6691
06:50 p. m. 541 6691
07:00 p. m. 541 6691
07:10 p. m. 9010 0
En la Fig. 5.9 Se muestra la gráfica de los pulsos de movimiento del eje azimut en
función del tiempo transcurrido, y en la Fig. 5.10 los pulsos de movimiento del eje
altitude. Como se puede apreciar, el sistema parte de una posición inicial o de
reposo, realiza la trayectoria correspondiente de cada eje; y por último regresa a
su posición de reposo.
Fig. 5.9 Gráfica de los pulsos del eje azimut (trayectoria completa).
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Hora del día
Posición Eje Azimut (pulsos)
Posición Eje Azimut(pulsos)
76
Fig. 5.10 Gráfica de los pulsos del eje altitude (trayectoria completa).
El valor máximo de temperatura registrado por los displays, fue de 220.3°C; hasta
el momento sólo se han hecho pruebas te temperatura en vacío, hace falta ver
cómo se comporta la temperatura cuando se hagan pruebas con el fluido, en este
caso agua.
Se detuvieron las pruebas del sistema, porque a pesar de que el sistema funciona
correctamente; se tienen que hacer pequeños ajustes mecánicos, ya que cuando
realiza su movimiento el eje azimut, al detenerse lo hace de manera brusca;
aunque este movimiento no afecta en lo absoluto a la posición de los
servomotores, resulta importante realizar los ajustes necesarios para minimizar
errores.
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PM
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Hora del día
Posición Eje Altitude (pulsos)
Posición Eje Altitude(pulsos)
77
5.2 Conclusión.
Los objetivos generales y específicos planteados al inicio de la implementación se
desarrollaron y concluyeron de forma satisfactoria; ya que la configuración del
seguidor solar (VersaTRAK IPm2m) se configuro adecuadamente para su
posterior integración al proyecto, la secuencia de programación desarrollada para
el PLC trabajo de forma adecuada y los servomotores llevaron a cabo
correctamente su tarea al encargarse de mover la estructura mecánica.
Al implementar este tipo de proyectos dentro de una empresa, es posible darse
cuenta que éste beneficia de manera representativa, ya que en primera instancia
se ayuda a preservar el medio ambiente, el cual se encuentra cada vez más
deteriorado, y por otro lado la ventaja que otorga a la entidad es que la energía
utilizada es totalmente renovable.
Cabe mencionar que el realizar un proyecto de esta magnitud, implica aplicar
diversos conocimientos importantes, tener un criterio más amplio para la toma de
decisiones y a tomar la iniciativa de proponer una solución a un problema real
dentro de una empresa.
78
Bibliografía.
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2/images/queescsp.pdf
[2] Enrique Carmona Luis, Rojas Acevedo Rogelio, Diseño y Construcción de
un colector solar plano, 2007, México IPN
[3] Cornejo Celallos Daniel Fernando, Estudio Térmico inestable de un
calentador solar de placa plana de baja capacidad, 2011, México IPN
[4] Valdez Salas Benjamín, Tecnología de la UAB, 2006, Editorial Porrua,
México
[5] Veritas Formacion Bureau, Mendez Muñiz Javier Maria, Energía solar
térmica (2da Edición), Madrid: Editorial Fundación Confemetal
[6] Sánchez Maza Miguel Angel (2008), Energía solar térmica, México Limusa:
innovación y cualificación
[7] Madrid Antonio, Curso de energía solar: Fotovoltaica, Térmica y
Termoeléctrica (1ª Edición), AMV Ediciones Mundi-prensa
[8] Carletti, E.J. Servos: Características Básicas. 2007 [cited 2007; Available
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[9] http://www.mitsubishi-automation.es/products/compactplc.html
[10] http://www.mitsubishi-automation.es/products/modularplc.html
[11] http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/ApuntePLC.pdf
[12] http://www.isa.cie.uva.es/~maria/sensores.pdf
[13] http://www.setecindca.com/descargas/encoders/encoder-eltra.pdf
[14] http://isa.uniovi.es/docencia/iea/teoria/comunicacionesindustrialesdocument
o.pdf
[15] http://www.uv.es/rosado/courses/sid/Capitulo3_rev0.pdf
[16] http://www.http://www.modicon.com/techpubs/toc7.html
[17] http://www.profibus.com/index.php?id=5013&pxdprofibusfilter_technology[0]
=2&pxdprofibusfilter_technology[1]=3
[18] Mitsubishi Automation 2010 Product Selection Guide 12th Edition 476p.
[19] Sixnet VersaTRAK IPm2m Instalation and Maintenance User’s Manual
79
[20] Mitsubishi Programable Controllers, FX3G/FX3U/FX3GC/FX3UC Series
Programming Manual
[21] Mitsubishi Programable Controllers FX3U-20SSC-H USER’S MANUAL
[22] Mitsubishi Electric MELSERVO - J3 Series MR-J3-B Servo Amplifier
Instruction Manual
80
ANEXO 1
81
Secuencia de Programación.
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
ANEXO 2
Manual de Operación.
92
Identificación y distribución del tablero de operación.
Figura 1. Identificación de los componentes del tablero de operación
Encendido del sistema.
Selector de Operación General: 1. Calibración 2. Manual 3. Automático
Pulsador Home
Selector Azimut
Selector Altitude
Luz de indicación de encendido
93
Se alimenta a 220V 3Ø-1N (3 fases - 1 neutro), se conecta el cable de alimentación y se
accionan los brakers (figura 2) para la correcta alimentación del tablero. La luz de
indicación (figura 1) nos indica que está alimentado y se puede proceder a la operación
del calentador de agua.
Figura 2. Ubicación de los brakers
Modo manual.
Se pone el botón selector en modo manual (figura 1). Dicho modo se utiliza para mover
libremente la estructura mecánica.
En el modo manual se pueden operar los ejes de azimut y altitude, los cuales se utilizan
para joggear la estructura mecánica.
El botón selector de azimut (figura 1) se utiliza para mover de este a oeste y viceversa.
El botón selector de altitude (figura 1) se utiliza para mover de zenit a horizonte y
viceversa.
Modo automático.
94
En el modo automático, la estructura mecánica se mueve de acuerdo a la rutina
programada en el PLC. Cuando está en operación el modo automático; no se puede operar
el modo manual ni el modo calibración.
Para que entre en operación el modo automático los ejes no deben de estar en ningún
límite (este, oeste; zenit, horizonte); si está en algún límite se procede a operar el sistema
en modo manual y se joggea para sacarlo de cualquiera de los 4 límites. Una vez que está
fuera de límites, se posiciona automáticamente hasta sus condiciones iniciales
previamente definidas dentro del programa del PLC (orientado hacia el norte y el eje de
altitude en su límite vertical); realiza su recorrido hasta las condiciones iniciales porque el
PLC no sabe en qué posición se encuentra, una vez que termino su recorrido y llego a los
valores iniciales correspondientes ejecuta la rutina programada en el PLC hasta tomar su
posición con respecto al sol.
Modo Calibración.
El modo manual se emplea para calibrar calentador de agua si es que ha perdido su
referencia con respecto al sol.
Para poder calibrar el sistema, es necesario primero operarlo en modo manual para así
poder joggearlo y mover los ejes; se joggea hasta la posición que se vaya a tomar como
punto de referencia (orientado hacia el norte y el eje altitude en su límite vertical); una
vez que se ha joggeado hacia los valores iniciales para el correcto funcionamiento del
posicionador solar, se cambia de modo manual a modo calibración; y se presiona el botón
Home (figura 1), este botón tiene la función de guardar como condiciones iniciales las
posiciones de los ejes azimut y altitude en donde se encontraba el posicionador al
momento de presionar el botón.
