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E. T. S. de Ingenieros de Sevilla Diseño de dispositivo autónomo de I.A.E.I. detección de la orientación solar.

Miguel Ángel Zamudio Florido Página 23

4. MEMORIA DESCRIPTIVA

4.1. Introducción.

Existe una gran variedad de seguidores solares en el mercado. La clasificación

de éstos se puede hacer atendiendo a varios factores. Varias posibles clasificaciones

son las que se describen a continuación.

Atendiendo a la capacidad de movimiento, los seguidores pueden clasificar en:

Dispositivos fijos. Son aquellos en los que los paneles solares

permanecen fijos, sin tener en cuenta la orientación solar. Este tipo de

dispositivos no son viables para paneles solares de concentración ya que

no son efectivos.

Dispositivos de un eje. Estos dispositivos solo disponen de un eje de

giro, por lo que no permiten alcanzar todas las posiciones angulares.

Dentro de este tipo de seguidores, existen varios diferentes clasificados

en función de la configuración del eje de giro.

Dispositivos de dos ejes. Éstos disponen de dos ejes de giro que

permiten alcanzar cualquier orientación.

La diferencia principal entre los seguidores descritos anteriormente estriba en

la capacidad de conseguir la orientación adecuada que maximice la creación de energía

eléctrica. Los primeros, evidentemente, están limitados, ya que no tienen capacidad de

movimiento y su orientación es fija. Los seguidores de un solo eje, permiten acercarse

a la orientación óptima, pero no alcanzan, generalmente, una orientación precisa ya

que su capacidad de movimiento está limitada a un solo eje. Finalmente, los

seguidores de dos ejes permiten alcanzar cualquier orientación, por lo que la

generación de energía eléctrica es máxima.



Atendiendo a la unidad de control, los seguidores se pueden clasificar también

en varios tipos:

Pasivos. Estos no tienen una electrónica extensa ni actuadores para

realizar los giros. Por el contrario, se utilizan sistemas pasivos para

orientar a los paneles solares.

Microprocesados. Estos seguidores no necesitan sensores para la

detección de la incidencia solar sino que utilizan algoritmos

matemáticos que calculan la trayectoria solar en función de la ubicación

del dispositivo y la hora y fecha en la que se realiza el cálculo.

Electro-Ópticos. Éstos utilizan algún tipo de sensor para determinar la

posición angular real del sol.

Los seguidores pasivos tienen una precisión muy limitada ya que no utilizan

mecanismos activos de giro y dependen fundamentalmente de la variación de

densidad de algún líquido provocada por incidencias diferentes en función de la

orientación del panel. Los seguidores microprocesados dependen de un correcto

posicionado conseguido habitualmente mediante GPS y de una señal de reloj que

indique la hora correcta. Al no tener sensores, estos sistemas son incapaces de

determinar si existe algún tipo de perturbación externa. Finalmente, los seguidores

electro-ópticos hacen uso de sensores, por lo que pueden determinar si alguna

perturbación está afectándoles.

Normalmente los seguidores solares forman parte de la estructura de los

paneles solares, por lo que el movimiento de ambos es solidario. En el caso abordado

en este proyecto, se diseña un seguidor independiente que obtendrá la orientación

solar y que posteriormente enviará dicha información a uno o varios paneles para su

correcta orientación.



4.2. Principios de funcionamiento.

En función de la clasificación descrita anteriormente, el dispositivo objeto del

proyecto estaría encuadrado, atendiendo a la capacidad de movimiento, en el grupo

de seguidores de dos ejes; y atendiendo a la unidad o tipo de control, estaría incluido

dentro del grupo de seguidores electro-ópticos.

El principio fundamental de funcionamiento del dispositivo es la variación de la

resistencia de varios sensores en función de la intensidad luminosa que reciben. Los

sensores foto-eléctricos son dispositivos que responden ante un cambio en la

intensidad luminosa. Éstos detectan el nivel de luz y producen una señal de salida

función de la cantidad detectada. Los sensores de luz más comunes son las resistencias

dependientes de la luz o LDR (Light dependant resistor). Este tipo de sensor es muy

común debido a su sencillez y bajo coste y consiste básicamente en un dispositivo que

cambia su resistencia cuando cambia la intensidad de la luz. Este componente

electrónico disminuye su resistencia con el aumento de luz incidente, pudiendo llegar a

decenas de ohmios. Por el contrario, cuando se encuentra a oscuras, la resistencia

entre sus dos patillas puede llegar a ser de varios megaohmios.

Una LDR está compuesta de una célula y dos patillas. La célula está formada por

un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio (CdS). Cuando la luz

que incide sobre el dispositivo tiene energía suficiente para superar la banda de

conducción, los electrones quedan libres y conducen electricidad, por lo que la

resistencia total del dispositivo disminuye.

Figura 2. Símbolo de la LDR.

Las células de sulfuro cadmio se basan, por tanto, en la capacidad que tiene el

cadmio de variar su resistencia en función de la cantidad de luz que incide en la célula.

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Light-dependent_resistor_schematic_symbol.svg



Cuanto mayor es la cantidad de luz que incide sobre la superficie de la célula, menor es

la resistencia que presenta ésta al paso de corriente. Este tipo de células son sensibles

a una alta gama de frecuencias entre las que se encuentran las frecuencias infrarrojas,

la luz visible y la ultravioleta. Esta gama implica que los sensores no sólo reaccionarán

ante la luz solar, sino a otro gran número de interferencias. Esto es importante tenerlo

en cuenta a la hora de diseñar el dispositivo para evitar una influencia excesiva de

diferentes perturbaciones a la de la propia luz solar, que es la única que interesa.

La variación del valor de resistencia de este tipo de sensores tiene un cierto

retardo. Por este motivo, estos sensores no son apropiados para usos en los que la

variación lumínica es muy rápida. El tiempo de respuesta de las LDR suele ser del orden

de una décima de segundo, por lo que, para el uso que se pretende dar en este

proyecto, no existirá ningún tipo de problema siempre y cuando el periodo de

muestreo sea superior al tiempo de respuesta de los sensores.

Una tabla de características típica para una LDR puede ser la que se presenta a

continuación:

Figura 3. Tabla de datos técnicos de la LDR.

Las dimensiones de las células pueden ser variadas, pero los modelos

comerciales más comunes son dos, las de 10-12 mm de diámetro y las de 5 mm. Para

el proyecto serán necesarios muchos sensores, por lo que, si se eligen los sensores de

un diámetro superior, el tamaño total del dispositivo puede ser excesivo. Por este

motivo, para este proyecto, el tamaño óptimo de los sensores es 5 mm de diámetro.

Las dimensiones de estos sensores son las siguientes:



Figura 4. Dimensiones de una LDR.

La variación de la intensidad luminosa recibida por una LDR puede estar

provocada por varios motivos. Uno de éstos puede ser una variación en la intensidad

del foco que genera la fuente luminosa. En el caso de la luz solar, esta variación puede

ser provocada por las condiciones climáticas o ambientales. Otro de los motivos que

pueden provocar una variación en la intensidad luminosa que incide sobre un

dispositivo detector es la sombra provocada por un objeto opaco que se interponga

entre la fuente de luz y el dispositivo detector. Este último motivo será el utilizado para

el desarrollo, diseño e implementación del seguidor solar objeto del proyecto.

Una LDR expuesta a una fuente de luz constante sin ningún objeto que se

interponga entre su superficie y la fuente luminosa – en este caso es el sol –

presentará una resistencia mínima, ya que toda su superficie estará recibiendo la

incidencia de los fotones que suministran la energía suficiente para provocar la

circulación de corriente.

Figura 5. Sensor expuesto a la incidencia solar.



Si se coloca un objeto junto al sensor y los rayos solares inciden de forma

perpendicular sobre la superficie del sensor, el objeto en cuestión no genera ninguna

sombra sobre el sensor, por lo que éste seguirá presentando un valor de resistencia

mínimo.

Figura 6. Sensor expuesto a la luz solar con objeto.

Por el contrario, si los rayos solares no inciden de manera perpendicular sobre

la superficie del sensor, sino que lo hacen formando un ángulo cualquiera, este objeto

podría provocar una sombra sobre dicha superficie y, por tanto, la intensidad luminosa

incidente sobre el sensor sería menor, aumentando con ello la resistencia del

dispositivo. Que se produzca una sombra sobre el sensor, dependerá del ángulo de los

rayos solares con respecto al plano generado por la superficie del mismo. Si los rayos

inciden desde el lado opuesto al que se encuentra ubicado el objeto, éste seguirá sin

producir ningún tipo de sombra sobre el sensor. Si, por el contrario, los rayos inciden

desde la misma zona donde está colocado el objeto, éste estará interpuesto entre el

sensor y la fuente luminosa, por lo que proyectará una sombra sobre el sensor.

La forma de la proyección dependerá fundamentalmente de la forma del objeto

que la provoca y de la distorsión que provoque la fuente luminosa. Si la fuente

luminosa es artificial, los rayos que parten de dicho foco, tienden generalmente a

Incidencia solar



abrirse, por lo que la sombra proyectada cambiará de tamaño en función de la

distancia existente entre el foco y el objeto, y entre ambos y el plano de proyección.

Figura 7. Sombra proyectada por un objeto sometido a luz artificial.

El sol es una fuente de luz suficientemente lejana y sus rayos se pueden

considerar paralelos entre sí, por lo que el tamaño y forma de la sombra no dependerá

de la distancia. La forma y tamaño de la sombra solo dependerá de la forma y tamaño

del objeto y del ángulo con el que incidan los rayos con respecto a éste y al plano de

proyección. De este modo, si el objeto utilizado es una placa plana de forma

rectangular colocada junto al sensor, formando un ángulo de 90o con su superficie, la

sombra proyectada por éste crecerá de manera inversamente proporcional al ángulo

formado por los rayos y la superficie del sensor (figura 8), por lo que la cantidad de luz

que incidirá sobre el sensor irá disminuyendo.

Se puede asegurar por tanto, que la resistencia del sensor crece a medida que

los rayos solares se alejan de la normal a la superficie del sensor, obteniéndose de esta

manera una relación directa entre el ángulo de los rayos solares y la resistencia

eléctrica del sensor. Utilizando este procedimiento, se puede convertir una variable

difícil de medir, como es el ángulo con el que inciden los rayos solares sobre una

superficie, en una variable eléctrica fácil de manejar.



Figura 8. Sombra generada por un objeto sobre la superficie del sensor.

Como se ha comentado anteriormente, si los rayos solares inciden desde el

lado opuesto al representado en la figura 8, la superficie colocada junto el sensor

proyectará su sombra hacia el otro lado, por lo que no influirá en la intensidad

luminosa que incide sobre el sensor. Por este motivo, si se quiere que, sea cual sea la

orientación del sol, el sensor detecte el ángulo de incidencia de los rayos solares, es

necesario colocar objetos en cada uno de los laterales del sensor. Así, incidan desde

donde incidan los rayos solares, los objetos proyectarán una sombra sobre el sensor y

la resistencia de éste se verá incrementada.

Figura 9. Sensor rodeado por paneles.

Incidencia solar



Esta solución, sin embargo, presenta otro problema evidente. Es posible,

mediante una tabla de correspondencia, determinar el valor del ángulo en función de

la resistencia del dispositivo, pero no es posible determinar desde dónde están

incidiendo los rayos solares, ya que todas las placas tienen el mismo tamaño y

proyectarán la misma sombra sobre el sensor. La solución a este problema no se

puede abordar mediante el uso de un único sensor, pues sea cual sea la configuración

de las superficies utilizadas para proyectar las sombras, no se puede determinar de

manera exacta desde dónde se produce la incidencia solar. Sería posible, sin embargo,

intentar variar las alturas de los objetos colocados en cada uno de los laterales con el

objeto de determinar la orientación solar (figura 10). No obstante, aún optando por

esta opción, siempre quedan dudas de si realmente el sol incide desde una

determinada orientación o desde la opuesta, pero con un ángulo diferente.

Figura 10. Sensor con paneles de distintas alturas.

Como se puede ver en la figura anterior, las dos incidencias representadas se

producen desde lados opuestos y con ángulos diferentes, pero la sombra sobre el

sensor es del mismo tamaño y, consecuentemente, el valor de resistencia de éste será

también similar. Es necesario, por ello, utilizar más de un sensor para determinar los

dos ángulos de las coordenadas horizontales requeridos para obtener de manera

adecuada la posición del sol. En el caso de dos dimensiones, se podría conseguir

colocando dos sensores, uno a cada lado de la superficie que proyecta la sombra.



Figura 11. Dos sensores con panel central.

De esta manera, suponiendo un escenario en dos dimensiones, cuando la luz

incide desde uno de los lados de la superficie, uno de los sensores continuará

recibiendo incidencia solar sobre la totalidad de la superficie mientras que, el que está

en lado opuesto, recibirá la proyección de la sombra generada por el objeto (figura 11).

Esta sombra será proporcional, como se vio con anterioridad, al ángulo de incidencia

de los rayos solares, por lo que será posible determinar tanto la amplitud del ángulo,

como el cuadrante desde el que incide la luz.

La solución anterior está limitada a dos dimensiones. En el caso real de tres

dimensiones (para seguidores de dos ejes), serán necesarias al menos 4 LDR’s

dispuestas como muestra la figura 12.

Figura 12. Distribución de sensores y paneles para 3D.



Con esta disposición, cuando los rayos inciden desde el lado derecho, los

sensores del lado opuesto presentarán una resistencia mayor que los que se

encuentran en el mismo lado de incidencia. Si los rayos inciden desde la parte superior,

tomando siempre como referencia la figura 12, los sensores inferiores serán los que

presenten una resistencia mayor. Existe otra posibilidad consistente en que los rayos

incidan desde una de las esquinas. En este último caso, el sensor ubicado en dicho

cuadrante recibirá luz en toda su superficie y, por tanto, su valor resistivo será mínimo.

El sensor ubicado en el lado opuesto estará sometido a la proyección de sombras

generadas por ambos paneles (figura 13). Por último, los otros dos sensores también

tendrán sombra en su superficie que dependerá tanto del ángulo que forman los rayos

solares con el plano formado por las superficies de los sensores (altura), como del que

forma la proyección de éstos sobre el eje horizontal (azimut).

Figura 13. Sombras generadas por los paneles.

Con esta disposición y, tomando los valores de resistencia de los cuatro

sensores, es posible determinar tanto la altura solar, como el azimut con una cierta

exactitud (bastante limitada). Es posible encontrar una relación matemática entre la



resistencia de cada sensor y los ángulos de altura y azimut. Esta relación matemática

se puede ver en la memoria de cálculo.

Existen varias razones que hacen a la distribución anterior poco precisa. Uno de

los motivos principales es la diferencia de valor resistivo que presentan los distintos

sensores ante una misma cantidad de luz. Esto es debido a las pequeñas diferencias en

el proceso de fabricación de los sensores, pequeños defectos, diferencias en el

material que recubre la célula o distintas concentraciones de materiales no deseados

en el semiconductor. Estas diferencias hacen que los sensores no tengan una

respuesta exactamente igual entre ellos, presentando distinta resistencia ante

condiciones idénticas. Por este motivo, cuando el ángulo de incidencia es cercano al

deseado (normal a la superficie de los sensores), esta diferencia puede inducir a

errores, alcanzando incluso resultados en los cálculos totalmente opuestos al buscado.

Cuando la desviación es mayor, el error puede mantenerse, reducirse o incluso

incrementarse, por lo que es necesario corregir la diferencia existente entre las

respuestas de los distintos sensores utilizados. A este defecto se le suma la influencia

de las reflexiones de los rayos solares en superficies cercanas a los sensores (incluidos

los mismos objetos que las separan) y el albedo, que pueden influir de manera

diferente en cada sensor.

El primer defecto mencionado requiere de una calibración y compensación de

cada una de las LDR’s. Con este proceso se intenta igualar la respuesta de todos los

sensores ante condiciones idénticas. Para realizar la calibración, se somete a todos los

sensores a la misma incidencia luminosa y se toman los datos de cada una de ellas.

Seguidamente, se varía la intensidad luminosa y se vuelven a tomar los datos. Este

proceso se repite hasta obtener suficientes datos como para representar la respuesta

de cada una de ellas de manera precisa. Una vez obtenidas las curvas de cada una de

las LDR’s, se toma una como referencia y, utilizando la herramienta de cálculo que

ofrece Excel (aproximación lineal), se obtienen parámetros de compensación para cada

una de las demás. Con estos parámetros, cuando se obtenga un valor real de

resistencia, se puede calcular el valor compensado que posteriormente se utilizará

para el cálculo de los ángulos. Realizando esta operación, se minimizan los errores

producidos por la diferencia entre las curvas características de los distintos sensores.



La calibración y obtención de los parámetros de compensación para los sensores

usados en el prototipo del proyecto se pueden apreciar en el anexo 1, donde se explica

más detalladamente todo el proceso y se presentan los resultados finales.

El problema de la influencia de la reflexión de los rayos solares sobre

superficies cercanas es difícil de solventar utilizando la disposición descrita con

anterioridad. Para resolver este problema, y a la vez minimizar el generado por la

influencia del albedo, es necesario “arropar” de una manera más efectiva cada uno de

los sensores. Esto implica colocar objetos o paredes alrededor de cada uno de ellos, de

manera que no estén expuestos directamente a la luz ambiente, es decir, que la

influencia de los rayos solares, luces artificiales, reflejos, albedo y demás

perturbaciones lumínicas se minimicen.

Es evidente que, si las paredes externas son de la misma altura que las que

separan a los sensores unos de otros, el problema vuelve a ser la imposibilidad de

determinar desde dónde están incidiendo los rayos solares. Las paredes externas han

de ser, por tanto, de una altura menor a las internas. Si por el contrario, las paredes

externas fuesen de una altura mayor, provocando al igual que en el caso anterior

sombras diferentes, existe la posibilidad de que, para un determinado ángulo de

incidencia, la pared exterior influya en la luz que recibe el sensor del lado opuesto

perturbando el resultado final obtenido.

Figura 14. Sensores con paneles de distinta altura.



La nueva disposición minimiza el efecto de los reflejos externos, pero aumenta

el efecto de los reflejos en las propias paredes, ya que ahora rodean al sensor. Este

efecto se puede minimizar utilizando materiales de baja reflexión, o en su defecto,

tratar dichas superficies para que reflejen poco la luz. Esta distribución presenta

ciertos inconvenientes que es necesario comentar. Anteriormente, siempre existía al

menos un sensor expuesto al 100% de la incidencia, por lo que la diferencia entre la

resistencia de los sensores sobre los que se proyecta la sombra y los que están

expuestos a la luz crece en función del ángulo de incidencia. Sin embargo, con la nueva

distribución, todos los sensores estarán afectados por sombra cuando los rayos se

alejan de la normal. Por este motivo, para desviaciones elevadas, todos los sensores

estarán a oscuras y la diferencia entre los valores de resistencia se irá recortando. Esto

afecta negativamente al cálculo de los ángulos, limitando el rango donde este

dispositivo es efectivo.

Es importante seleccionar correctamente tanto la altura de los paneles como la

diferencia entre ellos. Una altura elevada de dichas paredes ayudará a evitar la

influencia de perturbaciones externas, pero como contrapartida reducirá el rango

dentro del cual el dispositivo es efectivo. Esto último es debido a que paredes altas

impiden la incidencia directa de la luz para pequeñas desviaciones y provocan un

aumento rápido de la resistencia de los sensores. Si las paredes son bajas, la influencia

de las perturbaciones externas es mayor, pero también el rango de efectividad. La

diferencia entre la altura de las paredes interiores y exteriores es también importante

ya que, a mayor diferencia, mayor será también la diferencia entre la sombra que

proyecta una y otra, y con ello el contraste entre las resistencias que presentan los

sensores. Una diferencia pequeña de estas alturas, además de limitar el rango de

trabajo, agrava el efecto de la diferencia entre la respuesta de los sensores. Es

necesario, por tanto, encontrar una solución de compromiso que permita rechazar la

mayoría de las perturbaciones, a la vez que no limite en exceso el rango de cálculo

efectivo.



Así, el rango efectivo del dispositivo será limitado. Por ello, para ángulos de

incidencia fuera de este rango, es necesario buscar una solución que permita que el

dispositivo diseñado mantenga la autonomía sea cual sea su desviación. La solución

buscada no tiene por qué ser de una precisión elevada, ya que solo es para llevar al

dispositivo dentro del rango efectivo de los otros sensores que tendrán la capacidad de

determinar el ángulo de incidencia de una manera más precisa.

Teniendo en cuenta todas las consideraciones realizadas hasta este punto, se

puede llegar a la conclusión de que los nuevos sensores utilizados para una

aproximación inicial no tienen por qué rechazar de manera absoluta las perturbaciones

lumínicas externas, así que éstos se podrían colocar en cada lateral del dispositivo

anterior. Los nuevos sensores recibirían la sombra del dispositivo completo si los rayos

solares inciden desde el lado opuesto al que están colocados.

El funcionamiento del dispositivo tendría que separarse en dos etapas. Una

primera etapa, donde se realizará una aproximación inicial teniendo en cuenta solo los

nuevos sensores. Posteriormente, y una vez el dispositivo se encuentre dentro del

rango efectivo de los sensores de aproximación final, se tomarían los valores de éstos

para calcular los ángulos necesarios.

Para llevar al dispositivo desde una posición angular inicial cualquiera hasta una

posición dentro del rango de cálculo es necesario disponer de un mecanismo que haga

girar a todo el dispositivo, acercándolo a la orientación deseada. Este mecanismo

deberá estar capacitado para alcanzar cualquier orientación en el espacio, por lo que

dispondrá de dos ejes de giro. Cada eje tendrá un actuador que hará girar al dispositivo

completo sobre dicho eje.

Así el funcionamiento consiste en calcular, mediante los sensores de

aproximación inicial, la dirección y amplitud del giro de cada uno de los ejes, para

llevar al dispositivo dentro del rango de cálculo, acercándolo a la posición final sin

alcanzarla. Posteriormente, utilizando los sensores “finales”, se calculan nuevamente

los ángulos y, utilizando el mecanismo de giro, se moverá el dispositivo a la posición

final. En este momento, todos los sensores, si el cálculo ha sido correcto, estarán

sometidos a la máxima exposición lumínica y su valor resistivo será mínimo.



Debido a que el calibrado y compensación de los sensores no es perfecto y al

efecto de las perturbaciones externas, el cálculo puede no ser correcto. Además, a

pesar de que el dispositivo se encuentre muy desviado, debido a los reflejos y al

albedo, los sensores no presentarán una resistencia muy elevada, por lo que es posible

que la amplitud del giro realizado sea insuficiente y los sensores continúen

presentando discrepancia entre sus valores resistivos. La posición angular alcanzada

estará mas cerca de la deseada, pero aún alejada de ésta. El proceso se podrá repetir

hasta alcanzar un resultado satisfactorio, en el que todos los sensores reciban la misma

cantidad de luz.

Finalmente, motivado por la diferencia de los sensores, el resultado obtenido

será de una precisión y exactitud limitadas. Por esta razón, es necesario encontrar otra

solución que permita obtener la precisión y exactitud requeridas en este proyecto.

Siguiendo el mismo principio de funcionamiento empleado para los sensores de

aproximación inicial y final, se puede asegurar que para obtener una exactitud elevada

es necesario elevar la altura de los objetos que generan las sombras sobre la superficie

de los sensores. De esta manera, con un ángulo de incidencia pequeño medido sobre

la normal a la superficie del sensor, se proyectará sobre éste una sombra más grande y

su resistencia será mayor. Esto quiere decir que, con pequeñas desviaciones del

dispositivo con respecto a la orientación solar, la resistencia de los sensores variará

mucho más que hasta ahora, siendo así más sensibles y pudiendo con ello calcular el

ángulo con una precisión mayor.

Esta solución implica fabricar un dispositivo de unas dimensiones excesivas que

lo harían difícil de manejar y susceptible de sufrir desviaciones provocados por la

incidencia del viento. Otra solución posible es acercar las paredes entre sí, dejando una

distancia entre ellas suficientemente pequeña como para que, ante mínimas

desviaciones, la sombra sobre el sensor cubra el 100% de su superficie. El

inconveniente en este caso es, que al acercar las paredes entre sí, éstas estarían sobre

la superficie del sensor obstaculizando los rayos solares, sea cual sea el ángulo de

incidencia, y provocando que el sensor siempre tenga una resistencia elevada. Esto se

puede solucionar aumentando el número de paredes y reduciendo el espesor de las

mismas. De esta forma, la superficie efectiva que no estará continuamente a oscuras



por situarse bajo la pared – la que es susceptible de ser afectada por la incidencia

directa de los rayos solares – es mayor, pero el efecto de una pequeña desviación con

respecto a la orientación solar es el mismo, ya que la distancia entre cada una de las

paredes seguirá siendo reducida (figura 15).

Figura 15. Sensores con dos y catorce paneles.

Como se ve en la figura anterior, la superficie efectiva del sensor de la izquierda

es mucho mayor y, por tanto, la resistencia resultado de una incidencia perpendicular

es mucho menor que el que se obtendría en el sensor de la derecha.

El efecto de estos paneles es doble. Por un lado, ante una desviación

perpendicular a éstos, la sombra que proyectan sobre el sensor cubrirá el 100% de la

superficie efectiva. Por otro lado, si la desviación es paralela a los paneles, éstos no

proyectarán sombra sobre la superficie efectiva y, por ello, la resistencia,

teóricamente, no se verá incrementada (figura 16).



Figura 16. Resultado de la incidencia perpendicular y paralela.

Como se puede observar en la figura anterior, los paneles internos del sensor

de la derecha proyectan sombra sobre toda la superficie efectiva del sensor; por el

contrario, ante la misma incidencia solar, la superficie efectiva del sensor de la

izquierda no se ve afectada. Este comportamiento se utilizará para el ajuste de ambos

ángulos, empleando un sensor con los paneles longitudinales y el otro con

transversales, como los que aparecen en la figura 16. Cada uno de ellos se utilizará de

manera independiente para el ajuste de uno de los ángulos, haciendo girar en cada

caso el eje correspondiente.

Estos sensores de ajuste presentan un problema similar al de los sensores de

aproximación, pero más acusado. Consiste en que, si la desviación con la orientación

solar es suficientemente elevada, la resistencia de los sensores será máxima y no serán

efectivos. El rango de actuación de estos sensores será mucho menor, y el dispositivo,

como ocurría con los sensores de aproximación final, tendrá que colocarse

previamente dentro de este rango.

Teniendo en cuenta que estos sensores se usarán solo para dar un ajuste final

sobre el cálculo realizado, no es necesario realizar uno nuevo. Simplemente, una vez se

ha posicionado el dispositivo en el rango de actuación de los sensores de ajuste

mediante los actuadores, se irán dando pequeños giros (de décimas de grado) en un

eje hasta que el sensor asociado a dicho eje presente el mínimo valor de resistencia.

Alcanzado este mínimo, se realizará el mismo procedimiento para el otro, hasta que el



sensor asociado a este segundo eje presente el valor mínimo de resistencia. Llegados a

este punto, el dispositivo estará posicionado correctamente y con una precisión de

décimas de grado.

Las mediciones realizadas en cada paso serán relativas a los valores

presentados en el paso anterior, es decir, cuando se realizan los pequeños giros, si la

desviación crece, la resistencia irá incrementándose, por lo que el sentido de los giros

tendrá que ser el opuesto. Si la desviación disminuye, la resistencia irá disminuyendo

progresivamente hasta llegar al mínimo. Éste coincidirá con la correcta alineación del

dispositivo con los rayos solares. Para asegurarse de que el valor es el mínimo, se

tendrá que hacer siempre un giro más. Dicho de otro modo, se realizarán giros

mientras la resistencia continúe bajando; cuando por el contrario la resistencia del

sensor sea mayor que la presentada en el paso anterior, querrá decir que se ha

superado el punto de inflexión y, por tanto, el mínimo estaba en el paso anterior. El

dispositivo deshará el último paso quedando correctamente posicionado. Este

procedimiento se repetirá para los dos ejes.

En resumen, el funcionamiento del dispositivo se divide en tres etapas descritas

a continuación:

Etapa 1: Etapa de aproximación inicial. En ésta, mediante el uso de cuatro

sensores convenientemente distribuidos, se calcula una orientación

aproximada hacia la cual tiene que moverse el dispositivo. Gracias al uso

del mecanismo de giro, el dispositivo se moverá hacia la posición angular

calculada de forma aproximada y, si la orientación está dentro del rango

necesario para la siguiente etapa, ésta comenzará.

Etapa 2: Etapa de aproximación final. Ésta consiste en calcular, de una

manera más exacta, la orientación final del dispositivo. Esta etapa se

llevará a cabo mediante el uso de ocho sensores. Dichos sensores estarán

convenientemente distribuidos por parejas colocadas en cada cuadrante.

El uso de dos sensores por cuadrante está justificado por la falta de

igualdad entre las respuestas de los sensores. A pesar de que éstos se

calibrarán y compensarán posteriormente, el uso de varios de ellos



permite hacer una media entre ellos, compensando las pequeñas

discrepancias existentes.

La etapa comenzará cuando el dispositivo este orientado dentro del rango

efectivo. En este momento, se tomarán los valores de los ocho sensores y

se realizarán los cálculos pertinentes (ver Memoria de cálculo). Una vez

obtenida la orientación, el dispositivo girará hasta alcanzarla. Después del

posicionamiento se realizará una nueva toma de datos para comprobar

que la orientación es la adecuada para la siguiente etapa. En caso

afirmativo, comenzará la tercera etapa. Si por el contrario, la nueva toma

de datos muestra una mala orientación, se repetirá nuevamente la etapa

actual. Se realizarán cuantas iteraciones sean necesarias para alcanzar una

orientación suficientemente adecuada como para comenzar la siguiente

etapa.

Etapa 3: Etapa de ajuste. Para la consecución de esta etapa se utilizarán

dos sensores alojados bajo la estructura de paneles descrita

anteriormente. En esta etapa, el dispositivo irá girando, paso a paso, hasta

obtener la posición angular correcta para uno de los ejes. Posteriormente,

esta etapa se repite para el otro eje. Finalizados estos dos procesos, el

dispositivo estará orientado correctamente.

Una vez que el dispositivo haya alcanzado la posición angular correcta, se

enviará la información necesaria al exterior para que las placas solares se coloquen

adecuadamente.

Es importante tener en cuenta que el dispositivo no realizará las tres etapas

continuamente. Solo empezará desde la etapa 1 cuando la situación de partida sea

muy desfavorable, lo que puede ocurrir después de un periodo de nocturnidad o de

nubosidad. En situación de funcionamiento normal, el dispositivo, una vez orientado,

continuará en la tercera etapa. Cuando la resistencia de uno o ambos sensores de

ajuste supere un determinado valor debido a la progresión de la trayectoria solar, el

dispositivo irá realizando pequeños giros siguiendo dicha trayectoria. Si estando en

esta etapa se produce alguna interferencia, ya sea un periodo de nubosidad o un



objeto que se interponga entre el sol y el dispositivo, se puede optar por varias

opciones. La primera opción, consiste en mantener la posición actual hasta que la

perturbación pase y se pueda obtener una nueva orientación con garantías. La

segunda opción consiste en colocar el dispositivo en una posición inicial que podría ser

totalmente vertical. En ambos casos, cuando el periodo de perturbación haya pasado y

la luz solar incida nuevamente sobre el dispositivo, éste partirá, si es necesario, desde

la etapa 1 para orientarse nuevamente.

4.3. Diseño cabeza de sensores.

Para que el dispositivo funcione siguiendo los principios explicados con

anterioridad es necesario conseguir un diseño compacto que integre todos los

sensores necesarios y cuyo peso sea reducido. Esto permitirá que el mecanismo

utilizado para impulsar ambos ejes sea sencillo y no muy costoso. El funcionamiento

del dispositivo depende de que éste gire adecuadamente en cada etapa para ir

acercándose a la posición final. Todo el dispositivo tendrá que girar solidariamente sin

que nada interfiera, provocando sombras no deseadas sobre los sensores. Los ejes del

dispositivo, por tanto, tendrán que situarse en la parte posterior para que no

interfieran. La placa de sensores, donde se alojarán todos, estará situada entre el eje

horizontal y la estructura fabricada para provocar la sombra.

La placa alojará todos los sensores del dispositivo de forma que compartan el

mismo plano. El dispositivo, por tanto, estará compuesto por la placa donde se alojan

los sensores, por la estructura que integra todos los paneles utilizados para la

proyección de sombras y finalmente por el soporte que integrará los mecanismos de

giro.

La pieza fundamental del dispositivo es la estructura colocada sobre la placa de

sensores. Esta deberá tener unas dimensiones adecuadas para poder alojar todos los

sensores sin que se produzcan interferencia entre ellos y además asegurar la precisión

deseada. El diseño de esta estructura es complejo, pero existen diversidad de

soluciones para llegar a un resultado satisfactorio. La condición fundamental que debe



cumplir es que los orificios por los que penetran los rayos hasta llegar a la superficie de

los sensores tengan la sección y altura necesarias para que cada uno de los sensores

cumpla su función satisfactoriamente. Una opción es partir de una pieza maciza y

mecanizarla hasta darle la forma adecuada. Esto no es fácil, ya que los orificios

deberían ser de sección cuadrada para poder variar la altura de cada lateral. Mecanizar

orificios de sección cuadrada y área reducida con una profundidad relativamente

grande es difícil. Otra opción sería conseguir la estructura mediante fundición, lo que

requiere el uso de un molde y un material relativamente fácil de fundir. Esta opción,

aunque viable, es también compleja ya que el proceso para obtener una pieza

adecuada a partir de un molde no es sencillo. La opción más simple que permite la

obtención de la estructura con las dimensiones adecuadas es la de construirla a partir

de paneles planos mecanizados. Éstos se encajarán formando una especie de puzle 3D

con la forma adecuada. La gran ventaja de este método es la relativa facilidad de

mecanizar piezas planas mediante el uso de fresadoras. Si las formas son complejas se

puede utilizar maquinas de control numérico que permiten programar los

movimientos necesarios de forma precisa para obtener piezas de calidad y con un

acabado superficial excelente.

Una vez conocida la forma de llevar a cabo la construcción del dispositivo, es

necesario conocer de manera exacta las medidas. Con las medidas se podrá

determinar el número de piezas necesarias y la forma de las mismas para construir la

estructura. Dos de las medidas a tener en cuenta son la altura de los paneles y el área

de los orificios (formados por los paneles) a través de los que pasa la luz. Teniendo en

cuenta estas dimensiones se describirá de manera detallada el diseño de las piezas.

Como se desprende de la Memoria de cálculo, para conseguir la precisión

necesaria en los sensores de ajuste, las láminas han de tener una altura de 11.5 cm, si

la separación entre ellas es de 0.2 mm. La altura de las láminas determinará la altura

máxima del dispositivo. Además, para que la diferencia entre la sombra generada por

los paneles altos y los bajos sea suficiente, la altura de estos últimos será la mitad. Esto

determina las dos alturas fundamentales del dispositivo.



Para determinar la separación entre los paneles, hay que tener en cuenta la

dimensión de los sensores. Éstos poseen un diámetro aproximado de 5 mm y su

sección es circular. Por este motivo y, teniendo en cuenta que la sección de los orificios

que formarán los paneles será cuadrada, éstos han de estar a una distancia que impida

que parte de su sección sea no efectiva, como se puede ver en la figura 17.

Figura 17. Área de sección excesiva.

La distancia entre los paneles será, por tanto, de 3 mm formando orificios de

sección cuadrada de 3 mm de lado y eliminando, incluso en las esquinas, las superficies

no efectivas. Los sensores quedarían como el que aparece en la figura 18.

Figura 18. Sección correcta.



Por otro lado, la separación entre cada uno de los sensores tendrá que ser

suficiente para que entre ellos se pueda colocar algo que las separe e impida que la luz

que afecta a uno, afecte al contiguo. Si se utilizan paneles de 4 mm de espesor, la

separación de los sensores será de 2 mm, ya que el panel montará 1 mm en cada

sensor quedando un hueco de 2 mm entre los sensores. Este hueco es suficiente para

interponer algo que separe a los sensores adyacentes.

Una vez se han conseguido las medidas fundamentales, se intentará determinar

la distribución óptima de los sensores. Es esencial obtener un diseño simétrico que

permita que el peso esté equilibrado. Por ello, se parte de una distribución matricial

como la que aparece en la figura 19, en la que los sensores están a una distancia de 2

mm con los adyacentes.

Figura 19. Matriz de sensores.

Partiendo de una matriz como la que aparece en la figura anterior, existen

varias posibilidades para distribuir los sensores de aproximación final. Éstos han de

estar separados en cuatro parejas, cada una de ellas correspondiente a un cuadrante.

Los dos sensores de cada cuadrante tienen que estar sometidos a las mismas

incidencias solares, por lo que los paneles que estén relacionados con cada pareja han

de tener la misma altura. Como se vio en el apartado de Principios de funcionamiento,

los paneles centrales son compartidos por cuatro sensores, y serán de una altura

idéntica a la necesaria para los sensores de ajuste. En este caso el número de sensores



se duplica, por lo que la distribución vista anteriormente cambia ligeramente. Si los

paneles se colocan como se muestra en la figura 20, las posiciones 6, 7, 10 y 11 de la

matriz no cumplirían los requisitos, ya que los cuatro lados del hueco tendrían la

misma altura y no se podrían realizar los cálculos como se explicaba en los apartados

anteriores.

Figura 20. Distribución inicial.

Por el contrario, las posiciones 2, 3, 5, 8, 9, 12, 14 y 15 sí cumplen las

condiciones. Si los rayos solares inciden con un determinado ángulo sobre uno de los

laterales de un dispositivo como el que aparece en la figura 20, los sensores 2, 5, 9 y 14

estarían afectados por la misma proyección de sombra, ya que los paneles que están a

su derecha son de la misma altura. Si los rayos solares inciden desde la esquina inferior

derecha, los sensores 2 y 5 deberían mostrar la misma resistencia (después de ser

compensada), por lo que el comportamiento de los sensores sería el mismo para los

que se encuentran en un mismo cuadrante.



Figura 21. Sensores descartados.

Con la distribución mostrada en la figura anterior, cada cuadrante tendrá dos

sensores con comportamiento similar. Para reducir el efecto de reflejos externos y

otras perturbaciones lumínicas, como ya se comentó en apartados anteriores, sería

necesario “arropar” los sensores con paneles de una altura inferior manteniendo la

funcionalidad actual. La altura de estos nuevos paneles será justo la mitad que los

colocados inicialmente. Las posiciones 1, 4, 13 y 16 podrían reservarse para los

sensores de ajuste inicial, con lo que prácticamente todos los sensores necesarios

quedarían integrados de manera compacta en un mismo dispositivo.

Finalmente habría que buscar una ubicación adecuada para los sensores de

ajuste. Sería conveniente colocarlos en la parte central del dispositivo. Una posible

ubicación podría ser cualquiera de las posiciones descartadas para los sensores de

aproximación. Éstas podrían dividirse a lo largo de toda su longitud por láminas de

espesor reducido para conseguir el efecto explicado en el apartado Principios de

funcionamiento, pero presentan un inconveniente fundamental. Cada sensor de ajuste

se usa para un eje, por lo que giros en el otro eje no deberían afectarle o hacerlo de

manera mínima. Por este motivo, la superficie del prisma formado por las láminas

tiene que ser superior al área efectiva del sensor. Con esto, los sensores, cuando el

dispositivo se encuentre dentro del rango de ajuste, solo se verán afectados por giros

producidos en los ejes correspondientes, como ya se explicó anteriormente.



Las láminas de los sensores de ajuste son de un espesor mucho menor y la

sección del prisma creado con ellos es de 1 cm2. Este prisma se fabricará con láminas

de 0.5 mm de espesor. Éstas tienen que estar completamente planas para evitar que

cualquier imperfección genere interferencias, ya que están separadas entre sí por una

distancia de 0.2 mm, por lo que cualquier defecto en la superficie de una de ellas

puede generar sombras no deseadas sobre el sensor correspondiente provocando

errores en los datos y en la orientación final del dispositivo.

Las láminas necesarias para la fabricación de los prismas de ajuste tendrán una

sección de 10 x 115 mm. Su espesor total será de 0.7 mm, contando los 0.5 mm de

espesor propio más los 0.2 mm de los separadores (necesarios para mantener en toda

su longitud la distancia entre láminas). Así, con 14 láminas se crearía un prisma con

una sección de 10 x 9.8 mm. Teóricamente sería necesario otro separador más para

completar la sección de 10 x 10 mm. Este prisma iría alojado en un hueco de idéntica

sección creado por láminas de aluminio de 4 mm de espesor y justo debajo de cada

prisma se colocarían los sensores de ajuste.

Figura 22. Sensores de ajuste.

Como se puede ver en esta figura, los sensores de ajuste no pueden estar

separados 2 mm entre sí, como ocurre con los demás. La separación necesaria entre

ambos (teniendo en cuanta la distribución elegida) es de 9 mm. Éstos tienen que estar

colocados en el centro de la sección creada por los prismas de láminas metálicas, ya



que de otra forma podrían no obtenerse datos correctos. Con el diseño mostrado en la

figura 22, si el dispositivo está correctamente alineado, y se produce un pequeño giro

en el eje del azimut, el sensor encargado del ajuste de la altura solar no se vería

afectado o, al menos la variación en su resistencia sería muy pequeña en comparación

con la variación presentada en el sensor encargado del ajuste del azimut. De esta

forma, la única sombra generada sobre los sensores (siempre que el dispositivo esté en

el rango de ajuste) será la generada por las láminas metálicas delgadas que solo

incrementarán su proyección sobre el sensor cuando el giro se produzca en el eje

correspondiente (figura 23).

Figura 23. Sombra sobre los sensores de ajuste.

Como se puede ver en la figura anterior, cuando los rayos solares inciden desde

abajo, la zona sombreada del sensor de la izquierda se limita a la suma de las secciones

de las láminas que están sobre él. Por el contrario, la sombra sobre el sensor de la

derecha cubre el 100 % de su superficie, por tanto la resistencia de este último será

mucho mayor que el de la izquierda e indicará cual es el eje que está desfasado. Si el

sol incidiera sobre alguno de los laterales, la situación sería similar pero

intercambiando los sensores.

Para integrar estos dos prismas en la distribución original, será necesario

separar la matriz original e intercalar los prismas. La nueva distribución se puede ver

en la siguiente figura.



Figura 24. Distribución con sensores de ajuste.

Aquí se puede apreciar que entre la mitad de los sensores originales colocados

en la parte superior y los colocados en la parte inferior, se han intercalado los dos

prismas. La funcionalidad de los sensores sigue siendo la misma, puesto que la altura

del panel original y la de los prismas de ajuste es exactamente la misma. Se ha

mantenido la numeración original para facilitar la apreciación de la modificación.

Además, se han colocado los paneles de altura inferior, que aparecen en tonos

marrones, para mejorar el rechazo de las perturbaciones externas. Los sensores

alojados en las posiciones 6, 7, 10 y 11 han sido eliminados y se mantienen los que

están en las esquinas del dispositivo, que serán utilizados, como se comentó

anteriormente, para la etapa de aproximación inicial.

La construcción de este dispositivo, tal como aparece en la figura 24, se realiza

utilizando paneles planos. Para determinar la forma de cada uno de ellos se parte del

diseño de la figura 24. Realizando cortes tanto longitudinales como transversales como

se muestra en la figura 25, se obtienen las formas y dimensiones de los paneles

necesarios.



Figura 25. Cortes en el dispositivo.

Los cortes longitudinales dan como resultado las siguientes piezas que se

muestran a continuación:

Figura 26. Secciones longitudinales.



Y los cortes transversales dan como resultado las siguientes piezas:

Figura 27. Secciones transversales.

Para poder encajar todas estas piezas, volviendo a conformar la estructura

tridimensional, es necesario efectuar cortes en las piezas planas que permitan su

correcto encaje. Estos cortes tienen que permitir que todas las piezas encajen sin que

éstas pierdan su forma. Por este motivo, a unas se les practicarán cortes por la parte

superior, y a las otras por la parte inferior. La longitud de estos cortes será la mitad de

la longitud total de la intersección. Es decir, si dos piezas comparten un volumen de

una altura X, a una de ellas se le practica un corte de X/2 de longitud por la parte

superior y a la otra un corte de X/2 por la parte inferior. De esta manera encajarán a la

perfección.

Teniendo en cuenta que cada pieza tiene intersecciones con varias, todas

presentarán varios cortes de alturas diferentes y de una anchura de 4 mm (que es la

anchura de los paneles). Además de lo comentado, la anchura de las piezas tendrá que

ser mayor de la mostrada en la figura 27, ya que hay que añadirle pestañas que sujeten

a las piezas exteriores.

Los huecos de los sensores de aproximación inicial tendrán ciertas

peculiaridades que se describen a continuación. Estos sensores solo se tendrán en

cuenta cuando la desviación con respecto a la orientación final sea muy elevada.



Lograr que los sensores sean sensibles a altas desviaciones se consigue mediante el

uso de pequeños espejos que impiden que la luz penetre por el orificio, a la vez que

permiten que los rayos que inciden lateralmente en el dispositivo se reflejen e incidan

en los sensores. Para ello, en cada lateral del dispositivo, se practica una ranura de 3

mm de anchura por la que entrarán los rayos y donde se alojará el espejo. Cada sensor

recibirá los rayos que inciden en el lateral correspondiente. El orificio con el espejo

quedará como muestra la figura 28.

Figura 28. Espejo de los sensores de aproximación inicial.

El tamaño de los espejos es muy reducido debido a que el hueco esta limitado

al espacio entre dos láminas (3 mm). La fabricación de esta superficie reflectante no se

realizará, por tanto, con espejo convencional sino que se utilizará una pequeña lámina

de acero inoxidable con la superficie pulida. Ésta se colocará, adherida a un “triangulo”

de material plástico, formando un ángulo de 45º con la superficie del sensor. Este

ángulo permitirá que los rayos laterales se reflejen e incidan directamente sobre la

superficie de los sensores.

Finalmente, las piezas quedarán como las que aparecen en la figura 29, en las

que aparecen todas las modificaciones descritas.



Figura 29. Piezas de la cabeza de sensores.

Como se observa en las figuras anteriores, todas las piezas presentan “aletas

exteriores” que permiten sujetar las piezas perimétricas del puzle 3D, como ya se

había comentado anteriormente. En el apartado Planos del presente documento se

pueden ver con mayor detalle las dimensiones de las piezas y el resultado final del

montaje. Una vista superior aparece en la siguiente figura.



Figura 30. Montaje de la cabeza.

4.4. Diseño de la placa de sensores.

En el apartado anterior se ha diseñado la estructura que provocará las sombras

sobre los sensores. Estas sombras afectarán de forma diferente a los sensores, por lo

que los valores resistivos de éstos serán diferentes, en función del ángulo con el que

inciden los rayos solares. Los sensores han de estar distribuidos en un mismo plano,

justo debajo de la estructura metálica. La distribución final es la que aparece en la

siguiente figura:

Figura 31. Distribución final de los sensores.



Los sensores se colocarán en una placa de circuito eléctrico para realizar las

conexiones eléctricas necesarias. Las células, por tanto, quedarán en la parte superior

de la placa. Si la placa con los sensores se coloca en la parte inferior de la cabeza de los

sensores, aunque la superficie inferior de ésta sea plana, la luz penetrará por los

huecos variando la resistencia de los sensores. La luz solo debe incidir desde los huecos

creados por los paneles de la cabeza, por lo que el ajuste entre la superficie de la

cabeza y la placa de los sensores debe ser perfecto, evitando que la luz se filtre entre

los huecos. Además, es necesario aislar unos sensores de otros para evitar que la luz

que penetra por el hueco correspondiente a un sensor pueda afectar a los sensores

que se encuentran a su alrededor. Las placas de circuitos eléctricos suelen ser de fibra

de vidrio, por lo que permiten el paso de la luz. Esto puede provocar también que si la

luz incide en la parte posterior de la placa del circuito, los sensores al otro lado se vean

afectados.

Para evitar que la luz se filtre por los huecos o a través de la placa del circuito es

necesario colocar placas opacas. Serán necesarias dos placas, una de ellas se encargará

de aislar los sensores entre sí y la otra se encargará de impedir que la luz que se filtra a

través de la placa de circuitería afecte a los sensores. La descripción de ambas se indica

a continuación:

Placa 1. La primera placa será de un espesor suficiente para cubrir la

célula de los sensores, impidiendo que los sensores sobresalgan y estará

perforada para que éstos se alojen en los orificios. De esta manera, la

luz que afecte a un sensor no afectará a los demás. La superficie plana

de la placa de material plástico, permitirá también un ajuste perfecto

con la parte inferior de la cabeza.



Figura 32. Placa de separación de sensores.

Placa 2. La segunda se encargará de aislar la parte inferior de los

sensores. Por tanto, ésta también estará perforada, pero los orificios no

estarán destinados para alojar la cabeza de los sensores sino que

servirán para que las patillas de cada sensor la atraviesen. La placa se

colocara entre los sensores y el circuito, impidiendo que la luz incida en

la parte inferior de los sensores.

Figura 33.Placa de aislamiento entre el circuito y los sensores.

Los sensores, por tanto, estarán soldados a la placa del circuito con la placa 2

interpuesta entre ambos. La placa 1 se colocará sobre la primera de manera que los

sensores se alojen en cada uno de sus orificios. Con esta distribución cuando se

coloquen en la parte inferior de la cabeza, todos ellos estarán sometidos solo y

exclusivamente a la luz que penetre por el hueco superior.



Figura 34. Sensores soldados con la placa de aislamiento.

4.5. Soportes.

Para colocar la placa de los sensores y poder girar de manera solidaria todo el

dispositivo es necesario crear una estructura sobre la que colocar todo el dispositivo,

que permita los movimientos necesarios para llevarlo a la posición angular adecuada.

Esta estructura ha de tener dos ejes de giro y ha de cumplir varias condiciones:

El soporte ha de ser suficientemente resistente para soportar el peso de

toda la estructura sin deformarse.

El soporte no puede provocar sombras sobre el dispositivo en ningún

caso.

La estructura se puede dividir en varias partes encargadas de llevar a cabo

distintas funciones. A continuación se describen cada una de las partes que formarán

la estructura completa.

4.5.1. Estructura de fijación de la cabeza y la placa de sensores.

La estructura tiene que situar a la cabeza de sensores y a la placa que los aloja

en una zona no afectada por sombras indeseadas, por lo que el resto de componentes

tendrán que colocarse detrás de ambos. Si el eje horizontal se ubica en la parte

posterior del dispositivo, todo el peso de la cabeza de sensores, de la placa y de los

propios sensores estaría en el mismo lado y, por tanto, totalmente desequilibrado. El



peso del dispositivo tendrá que equilibrarse mediante el uso de algún tipo de

contrapeso.

El soporte tiene que acoplar la cabeza y la placa de sensores alineando ambas

para que los sensores caigan justo bajo los orificios y no exista posibilidad de

desplazamiento. Además, tiene que permitir el ajuste perfecto entre la superficie de la

placa y la superficie inferior de la cabeza de sensores. A la vez tendrá que soportar el

contrapeso y alojar el eje horizontal.

El contrapeso tiene que equilibrar al dispositivo. Si se utilizan materiales

similares a los usados para la construcción del dispositivo, la distancia medida desde el

eje de giro al dispositivo y desde el eje al contrapeso tiene que ser parecida (si el

volumen del contrapeso es aproximadamente igual al del dispositivo). El resultado

total será de un tamaño elevado y difícil de manejar. Para reducir el volumen y la

distancia del contrapeso al eje se pude utilizar material de mayor densidad como el

plomo, que permite reducir tanto el volumen total del contrapeso, como la distancia

entre éste y el eje. La solución escogida finalmente será colocar dos contrapesos

cilíndricos de plomo insertados en moldes de cobre atornillados a la estructura. El peso

de cada uno de ellos será aproximadamente 300 g, por lo que el total sumará 600 g.

Las dos piezas principales del soporte se construirán utilizando paneles de

aluminio de 3 mm de espesor. La razón por la que se elige este espesor es que permite

encajar las piezas del soporte entre las pestañas de los paneles que forman la cabeza

de sensores. Las piezas del soporte deslizarán, por tanto, entre los paneles y sujetarán

la placa de sensores contra la superficie inferior de la cabeza, además en la parte

posterior se colocarán los contrapesos y el eje quedará ubicado entre los contrapesos

y la cabeza. La composición queda como muestra la siguiente figura:



Figura 35. Soporte con contrapesos.

Las piezas que conforman la estructura soporte mostrada en la figura anterior

se pueden ver en la figura 36. El montaje de las mismas para colocar los contrapesos

anteriormente mostrados (figura 35) y encajar la cabeza de sensores se muestra en la

figura 37. Las placas que sujetan el eje de 8 mm también presionan a la placa de

sensores contra la superficie inferior de la cabeza para evitar la filtración de luz

indeseada.

Figura 36.Piezas del soporte.



Figura 37. Detalle del montaje.

4.5.2. Soporte del eje horizontal.

El eje horizontal que aparece en la figura 35 tendrá que estar soportado por

una estructura que permita girar sin problemas al dispositivo, sin que los contrapesos

golpeen sobre ella ni exista riesgo de rozamiento alguno. Además, la estructura

necesaria no puede provocar sombra sobre ninguno de los sensores en ningún

momento, ya que si esto ocurre puede provocar un mal funcionamiento del

dispositivo.

La estructura estará formada por dos apoyos provistos de rodamientos sobre

los que girará el eje. Estos apoyos, tienen que soportar el peso de todo el conjunto.

Además, tendrán que tener hueco suficiente para montar uno de los mecanismos de

giro, que posteriormente de describirá, y que se usará para impulsar el eje horizontal.

El eje horizontal utilizado es de 8 mm. Esto permite soportar con garantías el

peso de todo el conjunto sin riesgo de deformación. Por ello, los rodamientos



utilizados serán también de 8 mm. El espesor de éstos será de 4 mm para que puedan

ser alojados en el panel sin que sobresalgan. Para evitar que los rodamientos se

desplacen, éstos se alojarán en un orificio de un diámetro superior realizado en el

panel del soporte. Los rodamientos se fijarán con anillas de aluminio (figura 38) que

rellenan el hueco entre la superficie del rodamiento y el alojamiento. Estas anillas

cumplen dos funciones principales: por un lado, sujetan los rodamientos impidiendo

que éstos se muevan y anulando las posibles holguras y vibraciones. Por otro lado, el

“encamisado” conseguido con estas anillas ayuda a extraer los rodamientos en caso

necesario y evita dañar los orificios de alojamiento, ya que en caso de desgaste, éste se

produce en las anillas de encamisado y solo sería necesario sustituir éstas sin

necesidad de sustituir toda la pieza soporte.

Figura 38. Anillas de sujeción de los rodamientos.

Las anillas se atornillarán entre sí y a la pieza soporte mediante tres tornillos

pasantes roscados con tuercas y separados entre sí 120º, alojando entre ellas los

rodamientos. El conjunto se puede ver en la siguiente figura:



Figura 39. Detalle de montaje de las anillas.

El número de anillas necesarias será cuatro, dos por cada rodamiento. El resto

de piezas que completarán los soportes del eje horizontal se pueden ver en la figura

40. En ella se aprecia que existen dos piezas de contorno semejante a las que alojan a

los rodamientos. Éstas se usarán para formar un espacio en el que se puedan montar

los componentes del mecanismo de giro encargado de impulsar al eje horizontal.

Figura 40. Piezas del soporte del eje horizontal.



4.5.3. Plataforma giratoria.

El soporte del eje horizontal y todo el dispositivo estarán montados sobre una

plataforma giratoria impulsada por el eje vertical. En este caso no gira solo el

dispositivo de los sensores, sino que lo hace toda la estructura completa apoyada

sobre la plataforma giratoria. El eje vertical estará en el centro de la plataforma y será

hueco para permitir el paso del cable proveniente de los sensores a su través.

Figura 41. Plataforma giratoria.

El segundo mecanismo de giro se montará también bajo la plataforma giratoria

e impulsará a toda la estructura. La plataforma giratoria se atornillará sobre unas

placas provistas de un rodamiento, como las que aparecen en la figura 42, que

permiten el giro y el paso del eje a su través. Es importante que la holgura de este

rodamiento sea mínima para evitar vibraciones y desplazamientos, ya que éstos

pueden generar errores en la medición.

Figura 42. Rodamiento de la plataforma horizontal.



Los soportes montados sobre la plataforma giratoria quedarán como muestra la

figura 43. En ésta, además, se puede apreciar las poleas del mecanismo de giro del eje

horizontal que se detallará en el siguiente aparatado. Sobre los rodamientos quedará

montado el dispositivo que aparecía en la figura 35.

Figura 43. Soporte sobre plataforma horizontal.

4.6. Mecanismos de giro.

El correcto funcionamiento del dispositivo dependerá de unos buenos

mecanismos que hagan girar a todo el conjunto. De esta manera se pueden realizar las

distintas etapas de aproximación y la de ajuste hasta llegar al resultado deseado.

Ambos mecanismos han de cumplir dos condiciones fundamentales:

El mecanismo de giro ha de ser capaz de orientar al dispositivo hacia

cualquier punto del espacio desde el plano de apoyo del dispositivo

hacia arriba (no tiene sentido que el dispositivo se oriente apuntando al

suelo).

El mínimo giro que el mecanismo pueda dar tiene que ser lo

suficientemente pequeño para obtener la precisión y exactitud deseada.

Si el giro mínimo es muy grande, cuando el dispositivo se encuentre en



la etapa de ajuste, éste pude ser superior al necesario y superar la

orientación correcta, por lo que la orientación finalmente obtenida

podría estar alejada de la deseada.

Uno de los mecanismos de giro se encargará de impulsar al eje vertical y

permitirá al dispositivo alcanzar el azimut solar. El segundo mecanismo impulsa al eje

horizontal y permitirá al dispositivo alcanzar la altura solar. Cada mecanismo estará

impulsado por un actuador capaz de hacer girar el peso total del dispositivo, con giros

suficientemente pequeños para cumplir la segunda condición.

Los actuadores podrían ser motores de corriente continua que al tener un

movimiento continuo son capaces de orientar con la precisión deseada. Los motores

de corriente continua presentan sin embargo algunas desventajas que los hacen poco

atractivos para este proyecto. Uno de los inconvenientes principales consiste en la

dificultad que tendría un motor de corriente continua para llevar y mantener al

dispositivo en una posición concreta. Al ser el movimiento continuo, es difícil alcanzar

una posición angular concreta. Además, este tipo de actuadores no permiten

mantener una posición fija al contrario que ocurre con otro tipo de actuadores. Esto

también genera otro inconveniente añadido, ya que solo con el uso de un motor de

corriente continua no sería posible determinar la posición angular, por lo que sería

necesario el uso de encoders. Los encoders requeridos para la precisión necesaria en

este proyecto serían excesivamente caros, ya que el número de pasos es elevado.

Otra opción a la hora de seleccionar el actuador adecuado es elegir motores

paso a paso. Este tipo de motores, permite realizar giros definidos y mantener la

posición de manera más sencilla en comparación a los motores de corriente continua.

El problema que surge con este tipo de motores es que el movimiento se realiza con

pasos discretos, por lo que la posibilidad de obtener posiciones intermedias es

compleja. Esto implica que el motor necesario para obtener la precisión buscada en el

proyecto debería tener al menos 3600 pasos. Es posible utilizar, sin embargo, un motor

paso a paso de 200 pasos con un ángulo de paso de 1.8° y reducir este ángulo a 0.1°

mediante el uso de una reductora.



Finalmente se opta por el uso e un actuador paso a paso con un ángulo de paso

de 1,8º. Este actuador estará acompañado por una reductora de 18/1 que reducirá el

ángulo de cada paso a 0,1º. El uso de motores paso a paso permitiría conocer, en todo

momento, la posición angular en la que se encuentran siempre que se conozca la

posición de partida. Esto es posible gracias al ángulo constante por cada paso. Por ello,

para conocer la posición de partida de cada motor, se proveerá a los mecanismos de

giro de varios finales de carrera que indiquen la posición inicial. A partir de este punto

se irán contando los pulsos en uno u otro sentido para calcular la posición angular en

la que se encuentran. Las características de los motores, así como las de cada una de

las reductoras necesarias, se describen en los siguientes apartados.

4.6.1. Actuadores utilizados.

Los dos ejes del dispositivo serán impulsados por el mismo tipo de motor. En

este caso, el modelo utilizado será el Minebea Matsushita. Se trata de un motor paso a

paso bipolar de tipo hibrido, cuyas características principales se pueden ver en la

siguiente tabla:

Características Tensión Nominal 24 Vdc

Corriente Nominal 1 A Nº Fases 4

Resistencia de Fase 1’6 Ω Angulo de Paso 1’8º

Par de Retención 380 mNm Par de Detención 11’8 mNm

Tabla 1. Características motor paso a paso.

Como se puede apreciar en la tabla, el par de detención que es el que tiene el

motor sin alimentación no es muy elevado, pero el par de retención, que es el que

tiene cuando el motor está alimentado, es bastante elevado, lo cual permite mantener

al dispositivo en una posición angular fija sin riesgo de desplazamientos indeseados.

Los motores se adaptarán a los huecos disponibles en el dispositivo para su ubicación.



4.6.2. Reductora del eje horizontal.

Cada una de las reductoras utilizadas en los mecanismos de giro presentan

características constructivas que se desarrollarán en este y en el siguiente apartado. La

reductora del eje horizontal tendrá que convertir el giro mínimo que realiza el

actuador (1,8º) en el giro mínimo requerido en el proyecto (0.1º).

Existen algunas posibilidades diferentes para el diseño y fabricación de la

reductora. Debido al poco espacio disponible se descartan reductoras comerciales. Por

este motivo se opta por un diseño específico para el proyecto. La holgura admisible en

este mecanismo es mínima, ya que una holgura elevada reduce en exceso la precisión

final conseguida. Por este motivo, se descartan las ruedas dentadas como

componentes principales de la reductora. Para conseguir esta precisión buscada se

opta por la utilización de poleas dentadas de paso métrico de 2.5 mm. Estas poleas son

de un tamaño y peso reducido y al ser dentadas minimizan las holguras. Para la

conexión de los distintos pasos de la reductora se utilizan correas dentadas, también

de paso métrico de 2.5 mm.

Las poleas necesarias son las siguientes:

o 3 poleas de 10 dientes

o 1 polea de 20 dientes


La transmisión está compuesta por varios pasos. El eje del motor montará una

polea de 10 dientes. El primer eje monta dos poleas de 20 y 10 dientes. La primera se

enlaza mediante una correa dentada a la del motor, la segunda se enlaza a su vez al

segundo eje, que monta otras dos poleas. La que se conecta con el eje 1 es de 30

dientes, la segunda es de 10 dientes y se conecta también con una correa dentada con

el eje horizontal del dispositivo que llevará acoplado una polea de 30 dientes, por lo

que el coeficiente de reducción será: 12; 13; 13, y el factor de reducción total

será de 1:18. Las correas necesarias para conectar los ejes son:

o 1 correa de 48 dientes

o 2 correas de 58 dientes



La reductora montada en el soporte se puede ver en la siguiente figura:

Figura 44. Vistas de la reductora del eje horizontal.

Se han retirado de las imágenes anteriores la placa sobre la que se fija el motor

y se apoyan los ejes de las poleas para poder ver mejor la ubicación y distribución de la

reductora.

4.6.3. Reductora del eje vertical.

Al igual que con la reductora del eje horizontal, se utilizarán poleas de paso

métrico de 2.5 mm y el mismo tipo de correas. En este caso, la relación de la reductora

es exactamente la misma, pero el espacio para su distribución es mucho más amplio.

Este mayor espacio, y el diámetro del eje vertical (20 mm), hacen que las poleas

seleccionadas para obtener la relación de reducción sean diferentes. Las poleas

seleccionadas son las siguientes:






En este caso la reductora está compuesta por un eje intermedio en el que se

montan dos poleas de 10 y 30 dientes. La primera se enlaza con el eje vertical del

dispositivo, en el que se monta la polea de 60 dientes. La segunda se conecta con la

polea de 10 dientes del motor. La relación de reducción será: 13; 16. Finalmente,

como en el caso de la reductora horizontal, la relación es 1:18.

Las correas necesarias para conectar los ejes son las siguientes:



4.7. Lectura de sensores.

El funcionamiento del dispositivo depende los valores obtenidos de los

sensores, por ello, es necesario un circuito que asegure una correcta lectura. El

número de sensores es elevado, por este motivo, se puede utilizar un circuito

multiplexor que seleccione en cada caso el sensor adecuado reduciendo el número de

entradas analógicas necesarias en el sistema de control. El circuito multiplexor permite

leer, uno a uno, el valor de resistencia de los sensores. Los únicos inconvenientes que

presenta esta solución son el tiempo necesario para la lectura que se multiplica por 14

(ya que la lectura es en serie), y la necesidad de salidas digitales provenientes del

sistema de control utilizadas para la selección de la entrada del multiplexor. El circuito

utilizado para la función descrita se puede ver en la figura 45.

El circuito está compuesto por dos multiplexores analógicos de 8 a 1 modelo

74HCT4051. La selección de la entrada se realiza mediante cuatro entradas digitales.

Cada entrada está provista de un diodo zener que limita la tensión de entrada a 5 v. El

bit más significativo habilita uno de los multiplexores, obteniendo con ello un

multiplexor de 16 a 1. Los sensores no estarán en la misma placa que el resto del

circuito, ya que como se ha visto anteriormente, éstos estarán ubicados en la placa de

sensores descrita anteriormente. La conexión de estos sensores se realiza como

muestra el circuito de la figura 45.



Figura 45. Circuito multiplexor.

4.8. Sistema de control

El proyecto requiere de un sistema de control que implemente el

funcionamiento desarrollado en los apartados anteriores. Este sistema se encargará de

llevar a cabo las tres etapas fundamentales de funcionamiento del dispositivo, así

como de llevar al dispositivo a la posición inicial cundo sea necesario y enviar los datos

necesarios al sistema encargado de posicionar los paneles solares. Para ello, el sistema

de control ha de cumplir unas determinadas características que se desarrollan a

continuación:

Este sistema de control ha de ser capaz de capturar y almacenar los

datos de los sensores. Los datos de los sensores se tomarán de forma

secuencial mediante el uso de un multiplexor, por lo que solo será

necesario disponer, en principio, de una entrada analógica por la que se

irán tomando uno a uno los datos de cada uno de los sensores. Será

necesario una segunda entrada analógica que tome la tensión de

referencia para cada medición de los sensores. De esta forma, si se



produce una oscilación en la tensión que alimenta a los sensores, ésta

no afectará a los datos calculados posteriormente.

El sistema de control, ha de ser capaz de almacenar una base de datos y

realizar las transformaciones necesarias sobre los datos obtenidos de

los sensores. De la misma forma, este sistema tendrá que estar

capacitado para realizar los cálculos necesarios para obtener, en función

de los datos externos, los ángulos necesarios para orientar las placas

solares.

El sistema estará provisto de las salidas digitales necesarias para

seleccionar en cada caso el sensor deseado mediante el uso de un

multiplexor externo. Las salidas digitales serán utilizadas para conectar a

las patillas de selección del multiplexor.

El sistema de control tendrá que suministrar la información necesaria al

circuito de control de los motores paso a paso para que éstos orienten

correctamente al dispositivo.

Por último, el sistema de control, una vez obtenido el resultado final,

tendrá que enviar la información al sistema de orientación de los

paneles solares.

Existen diversas opciones para obtener la funcionalidad requerida. Las más

comunes pueden ser:

PC convencional: donde se programe todo el funcionamiento y éste

alimente la circuitería necesaria para realizar todas las funciones

deseadas.

Microcontroladores: este tipo de sistemas de control son muy utilizados

para pequeñas aplicaciones. Existen una gran variedad en el mercado



que proporcionan una gran flexibilidad a la hora de realizar

determinadas aplicaciones. Su programación suele ser relativamente

sencilla, pero es necesario el uso de programadores específicos. Su gran

ventaja estriba en el tamaño reducido su facilidad de programar y

alimentar, pudiendo quedar integrado en el mismo circuito del

dispositivo. Las desventajas fundamentales son su limitada memoria y

su número de entradas y salidas, que lo hacen poco atractivo ante la

perspectiva de futuras modificaciones o ampliaciones. Además, una vez

programado y montado, es necesario desmontar en caso de necesitar

alguna modificación, o requiere de una circuitería externa que permita

su programación aún estando montado.

PLC: los controladores lógicos programables son, sin embargo, una

opción siempre muy atractiva a la hora de realizar aplicaciones de

control. Existen gran cantidad de marcas y modelos que permiten

realizar prácticamente cualquier tipo de aplicación de control. Éstos

tienen una gran cantidad de ventajas, como puede ser una gran

capacidad de ampliación de manera relativamente sencilla. Al permitir

el uso de tarjetas de entrada/salida independientes, se pueden añadir

las que sean necesarias para la realización de la aplicación en cuestión.

Si en un futuro se requieren más, es posible añadir otros módulos de

entrada-salida, los cuales además permiten ser programados con gran

facilidad mediante software específico y generalmente con diversidad

de lenguajes de programación, lo que le da al usuario una enorme

flexibilidad a la hora del diseño de la aplicación deseada. El software

necesario permite configurar el PLC y los distintos módulos que lo

acompañan y se puede instalar en un PC convencional. La programación

es fácilmente modificada, generalmente solo es necesario conectarse a

la CPU del PLC mediante una conexión USB y descargar la nueva versión

del programa sin apenas esfuerzo. Como inconveniente principal está su

elevado tamaño en comparación con los microcontroladores. Éstos

generalmente han de ser montados en un armario donde estará la



fuente de alimentación, la CPU y los distintos módulos de entrada-salida

que variarán en función de las necesidades.

Para el proyecto en cuestión, se ha optado por elegir un PLC como sistema de

control, fundamentalmente por lo comentado anteriormente. Al tratarse de un diseño

nuevo y, por tanto, de ser necesario la realización de una gran variedad de pruebas y

modificaciones, la facilidad que presenta el PLC a la hora de trabajar inclina la balanza

a su favor, quedando en un plano secundario el reducido tamaño del

microcontrolador, que permitiría instalarlo en el mismo circuito del dispositivo.

Además, se deja la puerta abierta a futuras mejoras y modificaciones que requieran del

uso de nuevas entradas y salidas.

El PLC elegido finalmente ha sido el modelo MODICON M340, de la marca

SCHNEIDER. Esta elección está fundamentada principalmente en los siguientes dos

motivos. Cumple con todas las necesidades descritas en el inicio de este apartado y

está disponible en el laboratorio.

4.8.1. Descripción del PLC

4.8.1.1. Bastidor.

Una de las piezas fundamentales para el montaje de un PLC es el bastidor

donde se integrarán todos los demás componentes del sistema de control. Mediante

éste, se conectan las distintas partes que componen el PLC, utilizando conectores DIN

de 40 puntos y consiguiendo una rigidez adicional en el conjunto. Para el PLC

seleccionado, se utilizará el bastidor BMX XPB 0400 con capacidad para cuatro

módulos. Las dimensiones y características constructivas se pueden apreciar en las

siguientes figuras:



Figura 46. Dimensiones del bastidor de 4 slots.

Figura 47. Imagen real del bastidor.

La primera posición está reservada para colocar la fuente de alimentación que

suministrara potencia tanto a la CPU, como a los distintos módulos de entrada/salida

necesarios. Para la fuente de alimentación, por tanto, se utilizarán los dos primeros

conectores del bastidor (ver Figura 48) y, a partir de ésta, estarán distribuidos en

primer lugar la CPU y en los slots siguientes, los distintos módulos de entrada/salida.

Figura 48. Distribución de los slots.



4.8.1.2. Fuente de alimentación.

La fuente que suministra potencia al sistema de control es la BMX CPS 2000.

Ésta suministra una tensión de salida de 24 V estables con una potencia de 20 W.

Figura 49. Fuente de alimentación.

Descripción de los elementos externos de la fuente, que aparecen en la Figura

49:

1.- Panel de visualización, donde se puede ver el estado de la fuente.

2.- Botón de reset.

3.- Conector del relé de alarma.

4.- Conector de alimentación y salida de 24 V.

En la siguiente figura se puede ver un detalle de los conectores frontales de la

fuente de alimentación.

Figura 50. Conectores de la fuente de alimentación.



Las características técnicas de la fuente de alimentación se pueden observar en

la siguiente tabla de datos técnicos:

Tabla 2. Datos de la fuente de alimentación

4.8.1.3. CPU.

La CPU es un componente fundamental, ya que ésta se encarga de realizar

todas las operaciones necesarias y de gestionar las variables y entradas/salidas

disponibles para conseguir la funcionalidad deseada. En este caso se utiliza la BMX P34

2020 como la que se muestra en la figura 51.



Figura 51. CPU.

Descripción de los elementos externos de la CPU, que aparecen en la figura 51:

1. Tornillo de fijación

2. Display de visualización. Con éste se puede ver el estado de los

principales parámetros de la CPU.

Figura 52. Detalle del display de visualización.

3. Conector mini USB utilizado para conectar con el PC de

configuración.

4. Ranura de inserción de la tarjeta de memoria flash utilizada para

guardar la copia de seguridad de la aplicación.

5. Conector RJ45 para la conexión a red Ethernet.

6. Conector RJ45 para la conexión Modbus.



La CPU puede gestionar hasta 1024 E/S digitales y hasta 256 E/S analógicas en

configuración monorack. La capacidad de procesado permite ejecutar un número

máximo de 8100 instrucciones al milisegundo, si éstas son estrictamente booleanas y

un número algo menor (6400), si son mixtas. El resto de características de la CPU

elegida se pueden ver en la siguiente tabla de datos técnicos.

Tabla 3. Datos técnicos de la CPU.



4.8.1.4. Módulos E/S.

Los módulos de entrada/salida se encargarán de comunicar el PLC con el

exterior, tanto para recibir los datos necesarios para las operaciones para las que se

programó, como para enviar las salidas generadas a los dispositivos que componen el

proyecto. En el presente proyecto se utilizarán dos módulos de entrada/salida

montados convenientemente en el bastidor descrito. El primer módulo será de

entradas/salidas digitales compuesto de 8 entradas y 8 salidas todas ellas de 24 V. El

módulo corresponde al modelo BMX DDM 16022. El diagrama de conexionado se

puede ver en la siguiente figura:

Figura 53. Diagrama de conexionado.

Las salidas digitales se utilizarán para el control del multiplexor analógico que

selecciona el sensor adecuado en cada caso. Además, se utilizarán algunas más para el

control de los motores paso a paso. Las entradas, por otra parte, se usarán para las

señales de inicialización del dispositivo y la señal de falta de luz.



Las características del módulo utilizado se pueden ver en la siguiente tabla de

datos técnicos:

Tabla 4. Datos técnicos del módulo de E/S digitales.



El segundo módulo utilizado será el BMX AMI 0410. Éste posee 4 entradas

analógicas configurables, utilizadas para la lectura de las resistencias y demás variables

requeridas en este proyecto. Las entradas podrán ser configuradas en función de las

necesidades. Las características principales de este módulo son las que aparecen en la

siguiente tabla de datos técnicos:

Tabla 5. Datos técnicos del módulo de entradas analógicas.

4.8.2. Configuración del PLC.

El desarrollo de cualquier aplicación implementada en un PLC requiere de la

utilización de un software específico que permite tanto la configuración hardware del

mismo, como el desarrollo, simulación y posterior carga de la programación necesaria

para el correcto funcionamiento de la aplicación. El PLC elegido utiliza para la

configuración el software Unity Pro, que permite realizar de forma flexible e intuitiva

los pasos necesarios para la configuración del PLC. La configuración se realizará en dos

pasos fundamentales que son la configuración hardware y la programación y carga de

la aplicación.



4.8.2.1. Configuración Hardware.

En esta etapa se seleccionan y configuran, mediante el uso de software Unity

Pro, los distintos módulos que se emplearán en el proyecto. La configuración comienza

abriendo un nuevo proyecto para lo cual, una vez abierto el software, se hace clic en la

pestaña fichero y posteriormente sobre nuevo y aparece una tabla que permite

seleccionar la plataforma donde se realizará el proyecto (figura 54)

Figura 54. Plataformas.

En este caso, la plataforma seleccionada, como se puede ver en la figura

anterior, es la BMX P34 2020 con la CPU 340-20 con posibilidad de comunicación via

modbus y ethernet.

Una vez seleccionada la plataforma, se irán escogiendo los distintos

componentes que completan el PLC. El primer componente necesario será el bastidor,

ya que éste limitará el número máximo de módulos que se podrán conectar a la CPU

seleccionada. Para escoger dicho bastidor, haciendo uso del explorador de proyecto,



se despliega el menú configuración y se clicka sobre Bus PLC. Aparece una ventana

donde se puede ver la distribucion de los distintos componentes elegidos. Haciendo

doble click sobre el lateral de la imagen que aparece en dicha ventana (bastidor),

aparecerán las distintas opciones disponibles para el bastidor.

Figura 55. Ventana de configuración del PLC.

En la ventana que aparece se elige el bastidor de 4 slots, que en este caso es

BMX XBP 0400.

Figura 56. Ventana de selección del bastidor.



A partir de este momento, en el explorador de proyecto solo aparecerán las

cuatro posiciones disponibles del bastidor. La primera estará reservada para la CPU, las

otras estarán libres para ir incluyendo los diferentes módulos de entrada/salida.

Figura 57. Posiciones del bastidor.

Para seleccionar los módulos que se conectarán en los distintos Slots libres, es

necesario hacer doble clic sobre la imagen del slot en cuestión. De esta manera,

aparece una ventana con menús desplegables donde se podrán seleccionar los

módulos.

Una vez se ha completado el PLC con los distintos módulos conectados en el

bastidor, se pueden configurar éstos para poder comenzar con la siguiente etapa.

Como se puede apreciar en las siguientes figuras, es posible seleccionar, configurar y

etiquetar las distintas entradas y salidas de los módulos; así como configurar, dentro

de los márgenes de cada módulo, los distintos parámetros de actuación. En este caso,

una de las cosas a tener en cuenta es el tipo de entrada analógica utilizada. Existen

varias posibles configuraciones para las entradas analógicas. Dentro de los posibles

rangos de trabajo de las entradas, se configurarán las entradas para variables en

tensión y con un rango de 0 a 10 V, por lo que, como se muestra en la figura 58, se

elige dicha opción. Es posible configurar las distintas entradas del módulo analógico de



forma diferente según las necesidades. Para este proyecto, todas las entradas

analógicas estarán conectadas y serán entradas en tensión de 0 a 10 V.

Figura 58. Configuración de entradas analógicas.

Navegando por las distintas ventanas de configuración, se podrán seleccionar

todos los parámetros de los módulos que componen el PLC, para que éstos se

comporten de manera adecuada durante la ejecución de la aplicación.



Figura 59. Ejemplo de ventana de configuración.

4.8.2.2. Declaración de variables.

El etiquetado de las variables, ya sean entradas, salidas o variables internas de

tipo analógico o digital, se realiza desde el menú variables e instancias FB que se

encuentra en el explorador de proyectos. Las variables creadas pueden ser de diversos

tipos predefinidos (booleanas, enteras…), en este caso se crean desde el menú

variables elementales. Éstas podrán estar vinculadas, si es necesario, a alguna de las

entradas o salidas disponibles en los diferentes módulos. De esta manera, no será

necesario hacer referencia cada vez a la direccion de dicha entrada o salida, sino que

simplemente se usará el símbolo o etiqueta previamente definido.

Es posible crear, además de los ya existentes, tipos de variables definidos por el

usuario, que después se podrán usar en el proyecto. En caso de crear alguna variable

de un tipo definido por el usuario, se realizará desde el menú variables derivadas.

Todas las variables, ya sean elementales o derivadas, se pueden ver navegando por el



explorador de proyectos. Como ya se ha comentado anteriormente, es posible vincular

las variables a alguna de las entradas o salidas disponibles para lo cual, en el momento

de su creación, es necesario asignarles el tipo correcto que coincida con la entrada o

salida en cuestión y asignarles una dirección correcta que esté libre. También es

posible crear variables internas de cualquier tipo, que no estarán vinculadas a ninguna

entrada/salida y que serán utilizadas para realizar las distintas operaciones necesarias

de la aplicación. En este caso, la forma de definirlas es similar, se le asigna un nombre

(que no exista) y un tipo, pero no es necesario asignarles ninguna dirección.

Las variables precisadas para el proyecto, se podrán ir creando durante la

programación del mismo. Si en alguna de las secciones de programación se hace

referencia a una variable inexistente, el software permite la creación de la misma

desde la propia sección, sin necesidad de ir a la lista de variables para crearla.

4.8.2.3. Programación.

La ejecución de una aplicación en este tipo de PLCs se divide en tareas que a su

vez se dividen en secciones. Estas secciones se ejecutan de manera secuencial en

orden descendente, por lo que es importante ordenar adecuadamente todas las

secciones que componen la aplicación. La ejecución de las distintas secciones se puede

condicionar a alguna variable, evitando la ejecución de determinadas secciones

cuando no sean necesarias. Para crear una nueva sección, navegando por el explorador

de proyecto, se despliega el menú programa y posteriormente se despliega la carpeta

de la tarea deseada y sobre la carpeta secciones haciendo clic con el botón derecho

sobre dicha carpeta, se selecciona nueva sección y aparece una ventana que permite

crear una nueva sección. Para la creación de dicha sección, es necesario asignarle un

nombre que no exista previamente, seleccionar el tipo de programación usado para su

desarrollo y, si se desea, en la pestaña condición, se configura la condición que permita

la ejecución de la sección.



Figura 60. Ventana de configuración de nueva sección.

Como se puede ver en la figura anterior, existen varios tipos de programación

que permiten, en función de las necesidades, programar las funciones de cada una de

las secciones. A continuación se muestra una breve descripción de los lenguajes de

programación fundamentales que se utilizarán posteriormente en la aplicación.

1. LD o lenguaje de contactos. Éste consiste en la programación típica de

contactos en los que mediante la utilización de contactos normalmente

abiertos o cerrados, comparaciones básicas y bloques de funciones se

permite generar la salida adecuada a la bobina deseada.

2. ST o lenguaje estructurado. Éste es parecido a los lenguajes de

programación existentes como C y permite al usuario, mediante el uso

de líneas de código, programar el comportamiento deseado.

3. SFC o programación grafcet. Permite programar de manera secuencial

el comportamiento de la aplicación. Si la aplicación está compuesta de



etapas claramente definidas y diferenciables, se puede configurar

mediante el uso de este tipo de programación que permite al usuario

crear etapas y transiciones, cada una con las funciones necesarias. Las

transiciones se realizarán cuando se cumplan las condiciones impuestas

por el usuario. Para programar tanto el comportamiento de las distintas

etapas, como el de las transiciones se pueden utilizar los mismos

lenguajes usados para las secciones (LD, ST etc.).

4.8.2.4. Programa del PLC

Una vez descritas las nociones básicas necesarias para el manejo del software

Unity Pro, se pasa a describir el programa necesario para el proyecto. Éste estará

compuesto por varias secciones independientes que se ejecutarán en cada ciclo y dos

secciones grafcet que implementarán las distintas etapas de funcionamiento del

dispositivo y la inicialización de éste. Las etapas de funcionamiento independiente

serán cuatro y se describen a continuación.

Sección PULSOS.

Esta sección, que se ejecuta en continuo, se encargará de generar una señal

pulsatoria temporizada con un intervalo de 0.2 segundos. Ésta se utilizará para

temporizar la ejecución de todas las secciones del programa permitiendo,

fundamentalmente, el refresco de los datos externos cuando se realiza la lectura de los

sensores. Esta señal se usará también para generar los pulsos necesarios para el

movimiento de los motores paso a paso. Además de la funcion basica descrita, esta

sección se encarga también de habilitar las salidas de selección del multiplexor que

permitirán en cada caso elegir el sensor adecuado. El nombre de esta sección será

PULSOS y su programación es la que aparece en el esquema 1.



Esquema 1.

Sección EJE-H

La segunda sección independiente se llama EJE-H y se encarga de enviar los

pulsos necesarios al motor que impulsa al eje horizontal. Esta sección estará

temporizada por la señal pulsatoria de la sección anterior y su funcionamiento

consistirá en enviar los pulsos al motor, siempre que la señal de habilitado

(motor1_enb) esté a 1, e irá incrementando o decrementando el valor de la variable

cuenta1. El valor de la variable cuenta1 se enviará posteriormente a los actuadores de

EN

INentrada

ENO

OUT sel

.1

UINT_TO_BYTE

EN

INsel

ENO

BIT4

BIT7

BIT6

BIT1 bit1

BIT3 bit3

BIT5

BIT2 bit2

BIT0 bit0

.2

BYTE_TO_BIT

EN

INTERVALsec

DELSCANS

ENO

Q RELOJ

FBI_8

SAMPLETM

EN

ININICIO

ENO

OUT PROGRAMA

.3

NOT



las placas solares para su correcta orientación. El incremento o decremento de esta

variable se consigue mediante el uso de un contador de doble sentido y dependerá de

otra variable llamada sentido que habilitará la cuenta, hacia arriba o hacia abajo, en

función de su estado. La programación de esta sección, al igual que la anterior, se

realiza en lenguaje de contactos y se puede apreciar en el esquema 2.

Esquema 2.

Como se puede ver, además de las señales mencionadas, existe una

comparación en cada una de las líneas que impedirán que el motor sobrepase los

límites de funcionamiento.

Sección EJE-V

La tercera sección independiente es igual que la anterior. En este caso se

encargará del manejo del motor del eje vertical. La programación es exactamente la

misma, pero sustituyendo la señal de habilitado por motor2_enb y la variable cuenta1

por cuenta2. Se puede ver dicha programación en el esquema 3.

EN

R

LD

CU

CD

PV

ENO

QU

QD

CV cuenta1

FBI_10

CTUD_INT

/

sentido

reloj

reloj

sentidomotor1_...

motor1_...

MOTOR... RELOJ PULSO

cuenta1<1800

COMPARE

cuenta1>-1800

COMPARE

cuenta1<1800 ...

COMPARE



Esquema 3.

Sección LÍMITES

Por último, existe una cuarta sección independiente que se encargará de

indicar cuándo se alcanzan los límites de funcionamiento de ambos motores,

habilitando un flag en caso de llegar a alguno de ellos. Existen dos flags, uno por cada

motor, que se activarán cuando alguno de los mecanismos de giro esté en el límite.

Esta sección no para los motores, puesto que de esta función ya se encargan cada una

de las secciones anteriores. La programación se realiza en lenguaje de contactos y es la

siguiente:

Esquema 4.

Cuando la variable cuenta1 es menor a -1800 o mayor a 1800 el flag

correspondiente, en este caso LIM_EJE_H se pone a 1 indicando que el motor ha

llegado a uno de sus límites. De igual forma, cuando la variable cuenta2 es menor a

-1800 o mayor a 1800, el flag LIM_EJE_V se pone a 1 indicando el límite del segundo

EN

R

LD

CU

CD

PV

ENO

QU

QD

CV cuenta2

FBI_11

CTUD_INT

/

sentido

reloj

reloj

sentidomotor2_...

motor2_...

MOTOR... RELOJ PULSO

cuenta2<1800

COMPARE

cuenta2>-1800

COMPARE

cuenta2<1800 ...

COMPARE

CUENTA1<=-18.

..

COMPARE LIM_EJE...

CUENTA2<=-18.

..

COMPARE LIM_EJE...



motor. Como se puede observar, el rango de funcionamiento de ambos motores es el

mismo (3600), que, teniendo en cuenta que la unidad de medida de las variables

cuenta1 y cuenta2 son décimas de grado, corresponden a 360º.

Sección SECUENCIA

Como se comentó en el apartado Principios de funcionamiento del presente

documento, el funcionamiento del dispositivo se divide en tres etapas fundamentales.

Esta funcionalidad se consigue mediante la programación de un diagrama grafcet

(diagrama 1) que implementará estas etapas. Éstas a su vez tendrán que ser divididas

en pasos. A continuación se describirá el funcionamiento de las distintas etapas que

componen la aplicación, para posteriormente desarrollar el diagrama grafcet necesario

mostrando el código de cada una de las acciones necesarias.

Etapa reposo: en esta etapa, el PLC no realiza ninguna acción y solo

ejecuta una inicialización de las variables internas utilizadas durante la

ejecución de todas las etapas y secciones de la programación. La

condición de transición de esta a las siguientes etapas será temporizada,

es decir, cuando el programa esté un determinado tiempo en esta etapa

pasará automáticamente a la siguiente.

Etapa de lectura: Ésta es la primera etapa de funcionamiento real del

dispositivo, en ella se realizará una lectura de 12 de los 14 sensores del

dispositivo con la idea de identificar en primera instancia cuál es la

magnitud aproximada del desvío del dispositivo con respecto a la

orientación final deseada. Si el resultado de la lectura muestra valores

excesivamente altos de resistencia, el dispositivo estará muy alejado de

dicha orientación y, por tanto, tendrá que realizarse una primera

aproximación (etapa de aproximación inicial). Si por el contrario, el

resultado de la lectura muestra valores de resistencia bajos, indicará

que el dispositivo se encuentra orientado de manera próxima a la

orientación solar y se podrá pasar directamente a una aproximación



más cercana (aproximación final) saltándose la etapa de aproximación

inicial.

Etapa de aproximación inicial: esta etapa pretende alcanzar una

orientación que, aun no siendo muy buena, acerque al dispositivo lo

suficiente a la orientación deseada como para que el número de

iteraciones necesarias en la etapa de aproximación final no sea excesivo

y se minimice el riesgo de resultados erróneos que podrían darse si se

comienza la etapa de aproximación final desde una posición muy

desfavorable. El funcionamiento consistirá fundamentalmente en,

partiendo del dispositivo totalmente vertical, es decir, con los orificios

de los sensores mirando hacia arriba, ir girando el eje vertical, hasta que

el sensor de aproximación inicial muestre un valor de resistencia

mínimo. Para conseguir el resultado deseado, se ejecutarán varios pasos

que se describen a continuación.

Paso 1: en este paso, partiendo del valor inicial obtenido en la etapa de

lectura para el sensor de aproximación inicial, se hace girar al dispositivo

diez grados en un sentido, se toma nuevamente el valor de ese sensor y

se compara con el valor anterior. Si el valor actual es menor, querrá

decir que el sentido de giro es el correcto y el dispositivo se está

acercando a la orientación adecuada. En este caso, se producirá otro

giro de diez grados y se vuelve a comparar el valor actual con el

obtenido en iteración anterior, esto se repetirá hasta que el valor

obtenido sea mayor que el de la iteración anterior. Cuando el valor

actual sea mayor que el anterior, ya sea en la primera iteración o en las

realizadas posteriormente, indicará que el dispositivo ha superado la

posición angular idónea o que el sentido de giro no es el correcto y por

tanto tendrá que volver atrás. En este caso se pasa al siguiente paso.

Paso 2: en ésta se realiza la misma operación que en el caso anterior,

pero en el sentido contrario. De la misma forma, mientras los valores

obtenidos sean menores que los de la iteración anterior, el dispositivo



continuará girando en arcos de diez grados. Cuando el valor obtenido

sea mayor que el de la iteración anterior, y sabiendo que ya en la paso 1

había ocurrido lo mismo pero en sentido contrario, indicará que se ha

superado el valor mínimo posible para este sensor y que, por tanto, éste

se encontraba en el paso anterior. Por este motivo, se realiza un último

giro de diez grados en sentido inverso y se pasa al siguiente paso.

Paso 3: en ésta se realiza un cálculo del giro necesario en el eje

horizontal para llevar al dispositivo a la orientación más cercana posible

a la del sol. Teóricamente, en los dos pasos anteriores, se ha llevado al

dispositivo a un azimut bastante cercano al final. El sensor de

aproximación final dispone de un espejo que impide que los rayos

incidan directamente sobre la superficie del sensor si éstos llegan desde

la parte superior del dispositivo y, a su vez, permite que los rayos que

inciden desde el lateral del dispositivo, una vez reflejados en su

superficie, incidan en la del sensor. Por este motivo, el valor de

resistencia del sensor será menor cuanto mayor sea la desviación en

altura de los rayos solares y mayor cuanto menor sea ésta. Así, si una

vez se ha alcanzado un valor correcto de azimut, el sensor muestra

todavía un valor elevado de resistencia, significará que los rayos inciden

desde una altura elevada y por tanto el dispositivo no tiene una

desviación excesiva con respecto a la orientación solar. Si por el

contrario el sensor presenta un valor pequeño de resistencia, indicará

que los rayos inciden desde una altura menor (incidiendo en el lateral

del dispositivo) y, por tanto, la desviación es grande. Es por esto que si la

resistencia medida en este paso es pequeña, el giro del motor 2 será

grande y al contrario, si la resistencia medida es grande, el motor 2

prácticamente no girará. Teniendo en cuenta que la orientación buscada

en esta etapa es aproximada y, que los errores cometidos se corregirán

en etapas posteriores, se utilizará una ecuación lineal para calcular, en

función de la resistencia, el valor del ángulo. La ecuación es la siguiente:

Altura = -0.032*Valor_sensor + 64



Los parámetros de la ecuación se han calculado mediante pruebas con

el prototipo, por lo que es posible la necesidad de ajustes posteriores.

Una vez realizado el giro del eje horizontal, el dispositivo estará

teóricamente en una posición angular mucho más cercana a la final y,

por tanto, el resultado de una nueva lectura de los sensores tendrá que

ser mucho menor. La salida de este último paso vuelve a llevar a la

secuencia a la etapa de lectura donde se realizará una nueva. Ésta

puede arrojar dos resultados diferentes que llevarán a la secuencia, sin

embargo, a un mismo punto. El primer resultado posible consiste en que

el valor de las resistencias sea suficientemente pequeño para que el

dispositivo pase a la etapa de aproximación final y, por tanto, la

secuencia saltará a esta etapa. Otra posibilidad consiste en que el valor

de las resistencias siga siendo excesivamente alto, indicando que el

dispositivo se encuentra aún muy alejado de la posición final. A pesar de

esto, el dispositivo pasará a la etapa de aproximación final ya que, al no

estar ya en una posición vertical, el orificio lateral del sensor de

aproximación inicial se encontrará orientado hacia el suelo y, por tanto,

el resultado de una nueva aproximación inicial puede ser imprevisible.

Etapa de aproximación final. El objetivo de esta etapa es conseguir una

aproximación mucho más exacta que la anterior dejando al dispositivo

en un rango de más o menos 2 grados en ambos ejes. Para ello, se

utilizan los 8 sensores de aproximación final con los que se calculan los

ángulos de desviación y se hace girar al dispositivo hacia la posición

calculada. Esta operación se repetirá hasta conseguir que el cálculo

obtenido sea menor a 0.2 grados en ambos ejes. A pesar de que el

resultado final de esta etapa pueda ser de una desviación no superior a

0.2 grados, esto puede no ser totalmente correcto, puesto que el

cálculo es simplemente una aproximación. A pesar de esto, se puede

asegurar que el dispositivo estará en una posición angular muy cercana

a la deseada, ya que todos los sensores de aproximación final



presentarán valores mínimos de resistencia y esto solo ocurre cuando el

dispositivo está bien orientado.

El cálculo de los ángulos de desviación se lleva a cabo en varios pasos.

Inicialmente, se determina cual de los cuatro cuadrantes del dispositivo

es el que presenta menor incidencia solar. Esto determinará un ángulo

base de partida. Si se supone una incidencia solar en la que la

proyección de los rayos forma un ángulo de 45º con respecto a la

horizontal (figura 61), el cuadrante que presentará la mayor resistencia

será el tercero. Por el contrario el primer cuadrante presentará menor

resistencia y los cuadrantes 2 y 4 presentarán teóricamente un valor de

resistencia similar comprendido entre el del primero y el del tercero. Si

el ángulo de la proyección disminuye, el tercer cuadrante continuará

presentando el valor máximo y el primero el mínimo, pero los valores de

los cuadrantes 2 y 4 ya no serán similares sino que, por el contrario, el

valor del cuarto será ahora menor que el del segundo. Por ello, en

función de cual sea el cuadrante más iluminado se tomará un ángulo

base, y éste se corregirá en función de los valores de los cuadrantes

adyacentes. El siguiente paso para determinar los dos ángulos de desvío

necesarios es calcular las proyecciones sobre cada eje del vector

calculado anteriormente. Una vez se obtienen los ángulos, se girará el

dispositivo primero en un eje y posteriormente en el otro. Finalmente,

se realizará una nueva lectura de los sensores para comprobar si la

posición angular cumple los requisitos mínimos para la próxima etapa.

Figura 61. Vista esquemática del dispositivo.



Etapa de ajuste. Una vez alcanzada la posición angular resultado de la

etapa anterior, el dispositivo estará suficientemente bien orientado

para pasar a la siguiente etapa. Ésta consiste en ajustar dicha

orientación para obtener la precisión final deseada. La ejecución es

similar a la de aproximación inicial, pero en este caso se utiliza para el

ajuste de cada eje el sensor de ajuste correspondiente. Los pasos

necesarios para llevar a cabo esta etapa son los siguientes:

Paso 1: el ajuste se realizará de manera independiente en cada eje. En el

primer paso, se selecciona el sensor correspondiente a este eje y se

comienzan a dar pequeños saltos de una décima de grado en un

sentido. Si el valor de resistencia del sensor disminuye después de un

salto, indicará que el sentido es el correcto y se continuará en ese

sentido. Si el valor de resistencia del sensor se incrementa, ya sea en el

primer paso o en los posteriores, el sentido será el opuesto y se pasará

al siguiente paso.

Paso 2: al igual que ocurría en la etapa de ajuste inicial, los pasos ahora

se realizarán en sentido contrario hasta que el valor de resistencia

obtenido sea mayor al del paso inicial. En este caso, se realiza un último

paso en sentido inverso y este eje estará ajustado.

Paso 3: el tercer paso realizará la misma función que el paso 1 pero en

este caso, con el segundo eje. De esta manera una vez seleccionado el

sensor correspondiente y habilitado el motor adecuado, se irán

realizando saltos de 0.1º hasta que el valor de resistencia obtenido sea

mayor que en el salto anterior. En este momento se pasa al último paso.

Paso 4: el último paso lleva a cabo la misma función que el paso 2 para

el segundo eje. Una vez finalizada la función del mismo, el dispositivo

estará correctamente orientado y se habilitará un flag que indica tal

estado. La aplicación permanecerá en este estado hasta que el valor de

alguno de los dos sensores de ajuste supere un valor determinado, lo

que indicará que la desviación está creciendo. Existen varias



posibilidades que provocan la salida de esta etapa. La primera es que,

debido a la trayectoria solar, el dispositivo presente una pequeña

desviación, por lo que la aplicación comenzará nuevamente la etapa de

ajuste. La segunda es que, debido a cualquier tipo de perturbación

(nubes, sombras…) el valor de los sensores de ajuste se eleve

demasiado, por lo que la desviación será muy elevada. En este último

caso, la aplicación comenzará el proceso de orientación desde el

principio, tomando una nueva lectura de los sensores.

Las etapas descritas anteriormente se implementan en un diagrama grafcet,

que se desarrollará posteriormente. Las etapas de un diagrama grafcet pueden incluir

varias acciones que se ejecutarán, en función de la configuración elegida, una vez al

inicio de la etapa, durante la estancia en dicha etapa, o a la salida de ésta. A

continuación se describen y se muestran las distintas acciones programadas para cada

etapa, así como algunas de las programadas en las transiciones entre etapas.

Diagrama grafcet:



Diagrama 1.

LECTURA SENSORES

Etapa reposo

REPOSO

TRANS2_2

A_INIC_1

COND3

A_FINAL

COND6

AJUSTE_1

COND7

TRANS2_1

LECTURA

TRANS1

TRANS5

A_INIC_2

COND4

A_INIC_3

COND5

AJUSTE_2

COND8

AJUSTE_3

COND9

AJUSTE_4

COND11COND12



Etapa REPOSO. Ésta solo se encarga de inicializar las distintas variables de la

aplicación, por lo que solo tiene asociada una única acción que se ejecuta durante la

etapa. La acción está desarrollada en lenguaje estructurado y su programación es la

siguiente:

CUENTA1:=0;

CUENTA2:=0;

COND1:=FALSE;

COND2:=FALSE;

COND3:=FALSE;

COND4:=FALSE;

COND5:=FALSE;

COND6:=FALSE;

COND7:=FALSE;

COND8:=FALSE;

COND9:=FALSE;

COND10:=FALSE;

COND11:=FALSE;

COND12:=FALSE;

MOTOR1_ENB:=FALSE;

MOTOR2_ENB:=FALSE;

Etapa LECTURA. La función de esta etapa es la de leer el valor de los distintos

sensores del dispositivo. La etapa tiene asignada tres acciones. La primera se ejecuta

una única vez a la entrada de la etapa, su nombre es ENTRADA2 y su única función es

inicializar la cuenta de selección de sensor. La segunda acción y principal, se ejecuta

durante la etapa. Ésta se encarga de cumplir la función descrita anteriormente,

además, se realiza la compensación de los datos de entrada para poder realizar los

cálculos adecuadamente. Su nombre es ETAPA2, y su código es el siguiente:

IF (RELOJ) THEN

DATOS[0][ENTRADA]:=TENSION;

DATOS[1][ENTRADA]:=REFERENCIA;

ENTRADA:=ENTRADA+1;

IF ENTRADA=14 THEN

FOR I:=0 TO 13 DO



DATOS_INTERMEDIOS[I]:=((3.3*INT_TO_REAL(DATOS[0][I]))/INT_TO_REAL(D

ATOS[1][I]-DATOS[0][I]));

DATOS_FIN[I]:=((DATOS_INTERMEDIOS[I]-

COMPENSACION[1][I])/COMPENSACION[0][I]);

END_FOR;

SUMA:=0.0;

FOR I:=0 TO 3 DO

LUZ_CUADRANTE[I]:=(DATOS_FIN[2*I]+DATOS_FIN[(2*I)+1])/2.0;

CUADRANTE[I][0]:=LUZ_CUADRANTE[I]*COS_REAL(6.283*(45.0+90.0*UINT_T

O_REAL(I))/360.0);

CUADRANTE[I][1]:=LUZ_CUADRANTE[I]*SIN_REAL(6.283*(45.0+90.0*UINT_TO

_REAL(I))/360.0);

END_FOR;

IF

MIN(LUZ_CUADRANTE[0],LUZ_CUADRANTE[1],LUZ_CUADRANTE[2],LUZ_CUADRANTE[3])>4.

5 THEN

COND1:=TRUE;

COND2:=FALSE;

ELSE

COND1:=FALSE;

COND2:=TRUE;

END_IF;

END_IF;

END_IF;

La tercera y última acción asignada a esta etapa se denomina SALIDA2 y sólo se

encarga de resetear las condiciones de transición de esta etapa a las siguientes.

Etapa A_INIC_1. Esta etapa implementa el primer paso de la etapa de

aproximación inicial. Al igual que la etapa anterior, tiene asignadas tres acciones

distribuidas de forma similar. La acción ENTRADA3 selecciona el sensor de

aproximación inicial y le da valor a la variable que se utilizará para comparar con los

valores obtenidos en cada iteración del sensor. Esta última se irá refrescando en cada

iteración. El código es el siguiente:

VALOR:=DATOS[0][10];



ENTRADA:=10;

La acción principal de esta etapa se denomina ETAPA3 e implementa el código

necesario para la realización de las iteraciones en las que el dispositivo realiza giros de

10º y toma lectura del sensor de aproximación inicial.

IF (RELOJ) THEN

IF (ETAPA3_1=FALSE) THEN

ETAPA3_1:=TRUE;

ETAPA3_3:=TRUE;

PASOS_3:=100;

IF (TENSION>VALOR+100 AND ETAPA3_3=TRUE) THEN

COND3:=TRUE;

END_IF;

VALOR:=TENSION;

ELSE

IF (PASOS_3>0) THEN

MOTOR2_ENB:=TRUE;

SENTIDO:=TRUE;

PASOS_3:=PASOS_3-1;

END_IF;

IF PASOS_3<=0 THEN

MOTOR2_ENB:=FALSE;

ETAPA3_1:=FALSE;

END_IF;

END_IF;

END_IF;

Por último, la etapa tiene asignada una acción de salida encargada de resetear

los flags de condiciones utilizados durante la ejecución de la ETAPA3.

Etapa A_INIC_2. Ésta implementa el paso dos de la etapa de aproximación

inicial. Las acciones asociadas en este caso son solo dos. La primera se llama ETAPA4 y

se ejecuta durante la etapa. Su código realiza los giros en sentido opuesto a los que se

realizaban en la etapa anterior hasta que, como ya se comentó, el valor obtenido del

sensor supere al valor de la iteración anterior. El código es el siguiente:



IF (RELOJ) THEN

IF (ETAPA4_1=TRUE) THEN

ETAPA4_1:=FALSE;

ETAPA4_3:=TRUE;

PASOS_3:=100;

IF (TENSION>VALOR+100 AND ETAPA4_3=TRUE) THEN

ETAPA4_2:=TRUE;

END_IF;

VALOR:=TENSION;

ELSE

IF (PASOS_3>0 AND ETAPA4_2=FALSE) THEN

MOTOR2_ENB:=TRUE;

SENTIDO:=FALSE;

PASOS_3:=PASOS_3-1;

END_IF;

IF (PASOS_3>0 AND ETAPA4_2=TRUE) THEN

MOTOR2_ENB:=TRUE;

SENTIDO:=TRUE;

PASOS_3:=PASOS_3-1;

END_IF;

IF (PASOS_3<=0 AND ETAPA4_2=FALSE) THEN

MOTOR2_ENB:=FALSE;

ETAPA4_1:=TRUE;

END_IF;

IF (PASOS_3<=0 AND ETAPA4_2=TRUE) THEN

MOTOR2_ENB:=FALSE;

COND4:=TRUE;

END_IF;

END_IF;

END_IF;

La segunda acción, al igual que en las etapas anteriores se encarga de resetear

los flags de la acción anterior y se denomina SALIDA4.

Etapa A_INIC_3. Ésta corresponde al paso tres de la etapa de aproximación

inicial y tiene tres acciones asociadas. La acción de entrada – ENTRADA5 – se encarga



del cálculo de la altura que posteriormente se usará para el giro del eje horizontal. En

ésta se implementa la ecuación que se vio anteriormente de la siguiente manera:

ALTURA:= -0.032*INT_TO_REAL(VALOR) + 64.0;

Como en el caso de la etapa anterior, la segunda acción se ejecuta durante la

etapa. Su nombre, siguiendo la misma terminología que en los casos anteriores, es

ETAPA5 y lleva a cabo el giro calculado en la acción anterior. Su código es el siguiente:

IF RELOJ THEN

IF ALTURA<0.15 THEN

COND5:=TRUE;

END_IF;

MOTOR1_ENB:=TRUE;

SENTIDO:=FALSE;

ALTURA:=ALTURA-0.1;

END_IF;

La acción de salida se denomina SALIDA5 y se encarga de resetear los flags.

Etapa A_FINAL. Esta etapa corresponde a la etapa de aproximación final por lo

que implementa la función de ésta. Tiene asociadas dos acciones. La primera se

denomina ETAPA6 y se ejecuta durante la etapa. Su código es el siguiente:

SUMA:=0.0;

IF (MOVIMIENTO = FALSE) THEN

(* DETERMINAR EL CUADRANTE MAS SOMBREADO*)

FOR I:=0 TO 3 DO

IF LUZ_CUADRANTE[I]>SUMA THEN

SUMA:=LUZ_CUADRANTE[I];

INDICE:=I;

END_IF;

END_FOR;

(* EL ANGULO BASE SERÁ 45 MAS 90 EN FUNCION DEL CUADRANTE EN EL

QUE ESTE*)

ANGULO:=(45.0+90.0*UINT_TO_REAL(INDICE));

IF INDICE=0 THEN

ANTES:=3;

ELSE



ANTES:=INDICE-1;

END_IF;

IF INDICE=3 THEN

DESPUES:=0;

ELSE

DESPUES:=INDICE+1;

END_IF;

(*BIAS EN FUNCION DE LA LUZ DE LOS CUADRANTES ADYACENTES*)

BIAS1:=45.0*(LUZ_CUADRANTE[INDICE]-

LUZ_CUADRANTE[DESPUES])/((LUZ_CUADRANTE[INDICE]-

LUZ_CUADRANTE[DESPUES])+(LUZ_CUADRANTE[INDICE]-LUZ_CUADRANTE[ANTES]));

BIAS2:=45.0*(LUZ_CUADRANTE[INDICE]-

LUZ_CUADRANTE[ANTES])/((LUZ_CUADRANTE[INDICE]-

LUZ_CUADRANTE[DESPUES])+(LUZ_CUADRANTE[INDICE]-LUZ_CUADRANTE[ANTES]));

(*ANGULO FINAL*)

ANGULO:=ANGULO+BIAS2-BIAS1;

(*PROYECCIONES DEL ANGULO CALCULADO EN LOS EJES DE GIRO*)

XA:=LUZ_CUADRANTE[INDICE]*COS_REAL(6.283*(ANGULO/360.0));

YA:=LUZ_CUADRANTE[INDICE]*SIN_REAL(6.283*(ANGULO/360.0));

(*CORRECION DE LOS ÁNGULOS FINALES*)

ALTURA:=(YA-0.2)*1.3;

AZIMUT:=(XA-0.2)*1.3;

IF (ABS(ALTURA)<=0.2 AND ABS(AZIMUT)<=0.2) THEN

COND6:=TRUE;

END_IF;

END_IF;

(*GIRO MOTOR 1*)

IF (RELOJ AND REAL_TO_INT(ABS(ALTURA*10.0))>1) THEN

MOVIMIENTO:=TRUE;

MOTOR1_ENB:=TRUE;

MOTOR2_ENB:=FALSE;

IF ALTURA>=0.0 THEN

SENTIDO:=FALSE;

ALTURA:=ALTURA-0.1;

ELSE

SENTIDO:=TRUE;

ALTURA:=ALTURA+0.1;

END_IF;



ELSE

(*GIRO MOTOR 2*)

IF (RELOJ AND REAL_TO_INT(ABS(AZIMUT*10.0))>1)THEN

MOVIMIENTO:=TRUE;

MOTOR1_ENB:=FALSE;

MOTOR2_ENB:=TRUE;

IF AZIMUT>=0.0 THEN

SENTIDO:=FALSE;

AZIMUT:=AZIMUT-0.1;

ELSE

SENTIDO:=TRUE;

AZIMUT:=AZIMUT+0.1;

END_IF;

END_IF;

END_IF;

La acción de salida se denomina SALIDA6 y se encarga, como en casos

anteriores, de resetear flags y deshabilitar los motores.

Etapa AJUSTE_1. Ésta corresponde al primer paso de la etapa de ajuste. Tiene

asociadas tres acciones. En la primera, que se ejecuta solo a la entrada, se habilita el

motor correspondiente al eje que se va ajustar y se selecciona el sentido de giro inicial.

La segunda acción – ETAPA7 – se ejecuta durante la etapa y su código es el siguiente:

IF (RELOJ) THEN

IF (TENSION>VALOR+10) THEN

COND7:=TRUE;

END_IF;

VALOR:=TENSION;

END_IF;

Finalmente, la acción de salida – SALIDA7 – resetea el flag de condición de

transición y cambia el sentido de giro.

Etapa AJUSTE_2. Ésta corresponde al paso dos de la etapa de aproximación

inicial. Tiene asociadas dos acciones que se ejecutan durante la etapa (ETAPA8) y a la



salida de ésta (SALIDA8). La de salida se encarga del reseteo del flag de condición y

deshabilitar el motor del eje que se está ajustando. El código de la otra es el siguiente:

IF (RELOJ) THEN

IF SENTIDO THEN

COND8:=TRUE;

END_IF;


SENTIDO:=TRUE;

END_IF;

VALOR:=TENSION;

END_IF;

Etapa AJUSTE_3. Ésta implementa la función del paso tres de ajuste. Aquí se

produce el cambio de eje, por lo que tiene asociadas tres acciones. La primera, que se

ejecuta a la entrada, selecciona el motor correspondiente al eje vertical y fuerza el

sentido de giro inicial. La segunda – ETAPA9 – posee el siguiente código:

IF (RELOJ) THEN


COND9:=TRUE;

END_IF;

VALOR:=TENSION;

END_IF;

La acción de salida – SALIDA9 – resetea el flag de condición y cambia el sentido

de giro.

Etapa AJUSTE_4. Esta última etapa corresponde al paso cuatro de ajuste y se

ejecuta mediante dos acciones. La primera – ETAPA10 – tiene el siguiente código:

IF (RELOJ) THEN

IF SENTIDO THEN

COND10:=TRUE;

END_IF;




SENTIDO:=TRUE;

END_IF;

VALOR:=TENSION;

IF (COND10 AND TENSION<800) THEN

FIN:=TRUE;

MOTOR2_ENB:=FALSE;

END_IF;

IF (COND10 AND TENSION>=800) THEN

COND11:=TRUE;

END_IF;

IF TENSION>3000 THEN

COND12:=TRUE;

END_IF;

END_IF;

Por último, la acción SALIDA10 se encarga de resetear los flags y deshabilitar el

motor 2. A su vez también pone a 0 el flag que indica que el dispositivo está

correctamente orientado.

Sección INICIO

La sección inicio se encarga de inicializar la posición del dispositivo. Para ello se

utiliza una sección programada en Grafcet con tres etapas. La primera etapa es la

etapa de reposo y no realiza ninguna acción. La segunda etapa se encarga de inicializar

el eje vertical, para lo cual, mediante tres acciones, se habilita el motor

correspondiente y se realizan giros hasta que se activa la entrada digital VERTICAL_FIN

proveniente del final de carrera que indica la posición angular inicial del eje vertical.

Las acciones necesarias para esta etapa son EN_2, que habilita el motor y configura el

sentido de giro (esta acción solo se realiza a la entrada de la etapa). Cuando la acción

de entrada habilita al motor del eje vertical, éste comenzará a girar. Cuando la señal

del final de carrera se habilita, se cumplirá la condición de salida de la etapa. A la salida

de esta etapa se ejecuta la tercera acción en la que se deshabilita el motor. La tercera y



última etapa se encarga de inicializar el eje horizontal de la misma forma que en la

etapa anterior.

El diagrama de esta etapa es la siguiente:

Diagrama 2

Las acciones necesarias son las siguientes:

Para la etapa INICIO_2:

o Acción EN_2:

MOTOR2_ENB:=TRUE;

SENTIDO:=FALSE;

o Acción INI_2:

IF VERTICAL_FIN THEN

ICOND2:=TRUE;

END_IF;

EJE VERTICAL

EJE HORIZONTAL

REPOSO

INICIO_1

INICIO_2

INICIO_3

ICOND1

ICOND2

ICOND3



o Acción SAL_2:

MOTOR2_ENB:=FALSE;

ICOND2:=FALSE;

Para la etapa INICIO_3:

o Acción EN_3:

MOTOR1_ENB:=TRUE;

o Acción INI_3:

IF HORIZONTAL_FIN THEN

ICOND3:=TRUE;

END_IF;

o Acción SAL_3:

MOTOR1_ENB:=FALSE;

ICOND3:=FALSE;

Tabla de símbolos

Para la realización del proyecto se utilizan una serie de variables que pueden

ser elementales o derivadas. La tabla de variables elementales es la siguiente:

Variable Tipo Dirección Descripción Valor

AJUSTE1 INT %iw0.2.2 Valor del sensor de ajuste horizontal AJUSTE2 INT %iw0.2.3 Valor del sensor de ajuste vertical altura REAL

Coordenada altura

ángulo REAL

Ángulo de desvío antes UINT

Variable interna

azimut REAL

Coordenada azimut bias1 REAL

Ajuste de ángulo 1

bias2 REAL

Ajuste de ángulo 2 bit0 EBOOL %q0.1.16 Bit de selección 0 bit1 EBOOL %q0.1.17 Bit de selección 1 bit2 EBOOL %q0.1.18 Bit de selección 2 bit3 EBOOL %q0.1.19 Bit de selección 3 COND1 BOOL

Condición de transición 1

COND2 BOOL




COND3 BOOL

Condición de transición 3 COND4 BOOL


COND5 BOOL



COND7 BOOL



COND9 BOOL



COND11 BOOL



cuenta1 INT

Posición angular eje horizontal cuenta2 INT

Posición angular eje vertical

después UINT

Variable interna entrada UINT

ETAPA3_1 BOOL

Flag interno ETAPA3_2 BOOL

Flag interno

ETAPA3_3 BOOL


Flag interno

ETAPA4_1 BOOL


Flag interno

ETAPA4_3 BOOL


Flag interno

ETAPA7_2 BOOL

Flag interno FIN BOOL

Flag de posición correcta

HORIZONTAL_FIN EBOOL %i0.1.1 Final de carrera eje horizontal i UINT

Variable interna

ICOND2 BOOL

Condición de transición ini2 ICOND3 BOOL

Condición de transición ini3

índice UINT

Cuadrante iluminado INICIO EBOOL %i0.1.2 Orden de inicialización LECTURA_FIN BOOL

Flag interno

LIM_EJE_H BOOL

Límite teórico horizontal LIM_EJE_V BOOL

Límite teórico vertical

modulo REAL

variable interna motor1_enb EBOOL %q0.1.20 Habilitado motor 1 motor2_enb EBOOL %q0.1.21 Habilitado motor 2 MOVIMIENTO BOOL

Flag interno

PASOS_3 INT

Flag interno PROGRAMA EBOOL

Habilitado posicionamiento

pulso EBOOL %q0.1.22 Pulsos a motores referencia INT %iw0.2.1 Tensión de referencia reloj EBOOL

Señal de reloj

reset EBOOL

TRUE

sec TIME

Periodo de muestreo t#0.2s

sel BYTE

Byte de selección



sentido EBOOL %q0.1.23 Sentido de giro suma REAL

Variable interna

tensión INT %iw0.2.0 Tensión de los sensores valor INT

Variable interna

VERTICAL_FIN EBOOL %i0.1.0 Final de carrera eje vertical x REAL

Variable interna

xa REAL

Variable interna y REAL

Variable interna

ya REAL

Variable interna Tabla 6. Variables elementales.

La tabla de variables derivadas es la siguiente:

Variable Tipo Indice1 Indice2 Valor

compensación Comp [0] [0] 0,9035203








compensación Comp [0] [8] 1














compensación Comp [1] [8] 0




compensación Comp [1] [12] -0,074271

compensación Comp [1] [13] -0,035918

cuadrante coordenadas



datos Datos_in Datos_fin Datos_proc datos_intermedios Datos_proc luz_cuadrante luces Selección bit Tabla 7. Variables derivadas.

Los tipos de datos de las variables derivadas son los siguientes:

Comp ARRAY[0..1,0..15] OF REAL

coordenadas ARRAY[0..3,0..1] OF REAL

Datos_in ARRAY[0..1,0..15] OF INT

Datos_proc ARRAY[0..15] OF REAL

luces ARRAY[0..3] OF REAL

bit ARRAY[0..3] OF EBOOL Tabla 8. Tipos de variables derivadas.

4- memoria descriptiva.pdf

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