proyecto automatizacion industrial i
TRANSCRIPT
República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior
Proyecto Nacional de Formación de Ingeniería Eléctrica
Valera Edo Trujillo.
CONSTRUCCIÓN DE MODULO DIDÁCTICO QUE SIMULA LA
AUTOMATIZACIÓN DE LA PREPARACIÓN DE PINTURA,
CONTROLADO POR MICROCONTROLADOR Y GESTIONADO POR
UN PC
Participantes:
TSU: Cañizales Engelbert C.I.: 11.611.394
TSU: Galvis Nuit C.I.: 17.466.052
TSU: García Oscar C.I.: 18.651.863
TSU ESP.: Gómez Ramón C.I.: 5.791.532
TSU.: Matheus Luis C.I.: 5.506.828
TSU ESP.: Maya Luis C.I.: 9.172.040
TSU ESP.: Méndez Alexis C.I.: 9.324.080
Facilitador:
Ing.: Johnadal Montilla
Valera, Febrero del 2011
INTRODUCCIÓN
Los procesos industriales modernos a los fines de obtener un mayor
rendimiento, precisión y mayor calidad en los acabados, tienden a automatizarse,
es decir, incluir técnicas basadas en dispositivos electrónicos programables
controlando componentes mecánicos precisos que ejecutan el trabajo sobre su
producto o productos finales.
El estudio de la automatización de procesos es fundamental para el
ingeniero eléctrico moderno puesto que le permite acercarse a situaciones con las
que puede encontrarse en su realidad laboral.
El presente trabajo consiste en la construcción y presentación de una
maqueta didáctica que simula la preparación de pinturas a pedido y mediante ella
puede estudiarse diversos dispositivos asociados a la automatización de procesos
entre ellos: sensores, micro-interruptores, motores eléctricos, mecanismos, banda
transportadora, agitador, tarjetas electrónicas, transistores y triacs de potencia,
optoacopladores, microcontroladores, computadores personales (PC), así como
red de comunicación y los programas asociados a los dispositivos que lo
requieran.
El trabajo se presenta como requisito para lograr los objetivos propuestos
en la unidad curricular Automatización Industrial I, y una vez finalizada la maqueta,
la misma pasará a formar parte del equipo didáctico del Laboratorio de
Instrumentación de la Universidad Politécnica del Estado Trujillo.
DELIMITACIÓN
El presente trabajo se desarrollará con una delimitación espacial
enmarcada en las instalaciones de la Universidad Politécnica del Estado Trujillo,
específicamente en el laboratorio de electrotecnia II en el lapso comprendido
desde Noviembre del 2010 a Febrero del 2011.
JUSTIFICACION
La ejecución de un proyecto de este tipo implica una serie de beneficios
tanto para las personas involucradas en su construcción (saberes adquiridos)
como por las personas que lo utilizaràn en el proceso de enseñanza aprendizaje
(conocimiento compartido).
La realización de este proyecto responde a varios ámbitos de justificación:
Técnica: puesto que permite el acercamiento del estudiante a las tecnologías
aplicas en la automatización de proceso.
Didácticas: puesto que el modulo terminado puede servir como recurso de
entrenamiento para otros estudiantes del área.
Social: por cuanto el ingeniero preparado en estas técnicas puede brindar un
mejor servicio a la comunidad donde labora facilitando la vida del ciudadano.
OBJETIVO GENERAL
Construir un prototipo de modulo didáctico que simule la automatización de
la preparación de pintura, controlado por microcontrolador y gestionado por una
PC.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Estudiar los dispositivos que integran un modulo didáctico de
automatización.
Diseñar un sistema para la automatización del modulo didáctico de la
preparación de pintura.
Seleccionar los componentes idóneos para la construcción del módulo
didáctico.
Construir el modulo didáctico utilizando las técnicas adecuadas.
Elaborar los programas pertinentes para la ejecución automatizada del
proceso.
Simular la ejecución del modulo mediante un software interactivo que
represente cada etapa del proceso.
Someter a prueba el módulo y realizar las pruebas pertinentes.
MARCO TEÓRICO
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
Automatización Industrial (automatización; del griego antiguo auto: guiado por
uno mismo) es el uso de sistemas o elementos computarizados y
electromecánicos para controlar maquinarias y/o procesos industriales
sustituyendo a operadores humanos.
El alcance va más allá que la simple mecanización de los procesos ya que
ésta provee a operadores humanos mecanismos para asistirlos en los esfuerzos
físicos del trabajo, la automatización reduce ampliamente la necesidad sensorial y
mental del humano. La automatización como una disciplina de la ingeniería es
más amplia que un mero sistema de control, abarca la instrumentación industrial,
que incluye los sensores y transmisores de campo, los sistemas de control y
supervisión, los sistema de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones
de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas
o procesos industriales.
La parte más visible de la automatización actual puede ser la robótica
industrial. Algunas ventajas son repetitividad, control de calidad más estrecho,
mayor eficiencia, integración con sistemas empresariales, incremento de
productividad y reducción de trabajo. Algunas desventajas son requerimientos de
un gran capital, decremento severo en la flexibilidad, y un incremento en la
dependencia del mantenimiento y reparación.
Existen dos tipos distintos: DCS o Sistema de Control Distribuído, y PLC o
Controlador Lógico Programable. El primero era antiguamente orientado a
procesos de tipo análogos, mientras que el segundo se utilizaba en procesos de
tipo discreto (ceros y unos). Actualmente ambos equipos se parecen cada vez
más, y cualquiera de los dos puede ser utilizado en todo tipo de procesos.
Las interfaces Hombre-Máquina (HMI) o interfaces Hombre-Computadora
(CHI), formalmente conocidas como interfaces Hombre-Máquina, son
comúnmente empleadas para comunicarse con los PLCs y otras computadoras,
para labores tales como introducir y monitorear temperaturas o presiones para
controles automáticos o respuesta a mensajes de alarma. El personal de servicio
que monitorea y controla estas interfaces son conocidos como ingenieros de
estación.
Otra forma de automatización que involucra computadoras es la prueba de
automatización, donde las computadoras controlan un equipo de prueba
automático que es programado para simular seres humanos que prueban
manualmente una aplicación. Esto es acompañado por lo general de herramientas
automáticas para generar instrucciones especiales (escritas como programas de
computadora) que direccionan al equipo automático en prueba en la dirección
exacta para terminar las pruebas.
SISTEMAS DE AUTOMATIZACIÓN
En un proceso productivo no siempre se justifica la implementación de
sistemas de automatización, pero existen ciertas señales indicadoras que justifican
y hacen necesario la implementación de estos sistemas, los indicadores
principales son los siguientes:
Requerimientos de un aumento en la producción
Requerimientos de una mejora en la calidad de los productos
Necesidad de bajar los costos de producción
Escasez de energía
Encarecimiento de la materia prima
Necesidad de protección ambiental
Necesidad de brindar seguridad al personal
Desarrollo de nuevas tecnologías
La automatización solo es viable si al evaluar los beneficios económicos y
sociales de las mejoras que se podrían obtener al automatizar, estas son mayores
a los costos de operación y mantenimiento del sistema.
La automatización de un proceso frente al control manual del mismo proceso,
brinda ciertas ventajas y beneficios de orden económico, social, y tecnológico,
pudiéndose resaltar las siguientes:
Se asegura una mejora en la calidad del trabajo del operador y en el
desarrollo del proceso, esta dependerá de la eficiencia del sistema
implementado.
Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se
reduce el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.
Existe una reducción en los tiempos de procesamiento de información.
Flexibilidad para adaptarse a nuevos productos (fabricación flexible y
multifabricación).
Se obtiene un conocimiento más detallado del proceso, mediante la
recopilación de información y datos estadísticos del proceso.
Se obtiene un mejor conocimiento del funcionamiento y performance de los
equipos y máquinas que intervienen en el proceso.
Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.
Factibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y
autodiagnóstico.
Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar
nuevos equipos y sistemas de información.
Disminución de la contaminación y daño ambiental.
Racionalización y uso eficiente de la energía y la materia prima.
Aumento en la seguridad de las instalaciones y la protección a los
trabajadores.
Existen ciertos requisitos de suma importancia que debe cumplirse al
automatizar, de no cumplirse con estos se estaría afectando las ventajas de la
automatización, y por tanto no se podría obtener todos los beneficios que esta
brinda, estos requisitos son los siguientes:
Compatibilidad electromagnética: Debe existir la capacidad para operar en
un ambiente con ruido electromagnético producido por motores y máquina
de revolución. Para solucionar este problema generalmente se hace uso de
pozos a tierra para los instrumentos (menor a 5), estabilizadores ferro-
resonantes para las líneas de energía, en algunos equipos ubicados a
distancias grandes del tablero de alimentación (>40m) se hace uso de
celdas apantalladas.
Expansibilidad y escalabilidad: Es una característica del sistema que le
permite crecer para atender las ampliaciones futuras de la planta, o para
atender las operaciones no tomadas en cuenta al inicio de la
automatización. Se analiza bajo el criterio de análisis costo-beneficio,
típicamente suele dejarse una reserva en capacidad instalada ociosa
alrededor de 10% a 25%.
Manutención: Se refiere a tener disponible por parte del proveedor, un
grupo de personal técnico capacitado dentro del país, que brinde el soporte
técnico adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable.
Además implica que el proveedor cuente con repuestos en caso sean
necesarios.
Sistema abierto: Los sistemas deben cumplir los estándares y
especificaciones internacionales. Esto garantiza la interconectividad y
compatibilidad de los equipos a través de interfaces y protocolos, también
facilita la interoperabilidad de las aplicaciones y el traslado de un lugar a
otro.
Elementos de una Instalación Automatizada
Máquinas: Son los equipos mecánicos que realizan los procesos, traslados,
transformaciones, entre otros, de los productos o materia prima.
Accionadores: Son equipos acoplados a las máquinas, y que permiten
realizar movimientos, calentamiento, ensamblaje, embalaje. Pueden ser:
Accionadores eléctricos: Usan la energía eléctrica, son por ejemplo,
electroválvulas, motores, resistencias, cabezas de soldadura, entre otros.
Accionadores neumáticos: Usan la energía del aire comprimido, son por
ejemplo, cilindros, válvulas, entre otros.
Accionadores hidráulicos: Usan la energía de la presión del agua, se usan
para controlar velocidades lentas pero precisas.
PRE ACCIONADORES: Se usan para comandar y activar los accionadores.
Por ejemplo, contactores, switchs, variadores de velocidad, distribuidores
neumáticos, entre otros.
CAPTADORES: Son los sensores y transmisores, encargados de captar las
señales necesarias para conocer el estados del proceso, y luego enviarlas
a la unidad de control.
INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA : Permite la comunicación entre el
operario y el proceso, puede ser una interfaz gráfica de computadora,
pulsadores, teclados, visualizadores, entre otros.
ELEMENTOS DE MANDO: Son los elementos de cálculo y control que
gobiernan el proceso, se denominan autómata, y conforman la unidad de
control.
Los sistemas automatizados se conforman de dos partes: parte de mando y
parte operativa
PARTE DE MANDO: Es la estación central de control o autómata. Es el
elemento principal del sistema, encargado de la supervisión, manejo,
corrección de errores, comunicación, entre otros.
PARTE OPERATIVA: Es la parte que actúa directamente sobre la máquina,
son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice las
acciones. Son por ejemplo, los motores, cilindros, compresoras, bombas,
relés, entre otros.
SENSORES OPTICOS
Cuando se habla de sensores ópticos se refiere a todos aquellos que son
capaces de detectar diferentes factores a través de un lente óptico. Para que
podamos darnos una idea de lo que se refiere, se debe decir que un buen ejemplo
de sensor óptico es el de los mouse de computadora, los cuales mueven el cursor
según el movimiento que se le indique realizar. No obstante es importante tener en
cuenta que los sensores ópticos también pueden utilizarse para leer y detectar
información.
Figura 1 Sensores Ópticos
Un detalle que resulta muy importante a tener en cuenta es que los
sensores ópticos son de los más sensibles que existen y justamente por este
motivo es que la mayoría de ellos no duran demasiado tiempo, además más allá
de las utilidades que los mismos pueden tener. Se debe decir que es un
dispositivo básico que no tiene demasiada relevancia dentro de todos los tipos de
sensores de los cuales se ha hablado en el sitio.
De hecho se cree que los sensores ópticos más utilizados son aquellos que
detectan billetes y monedas falsos considerando que es el uso más práctico que
se le pude dar. Por otro lado vale la pena destacar el hecho de que en cuanto a
los sistemas de seguridad, los sensores ópticos suelen colocarse para detectar la
cercanía de un intruso a la entrada del hogar, de hecho se puede decir que en
este caso, los sensores óptico cumplen la misma función que los sensores de
proximidad, pero quizás una de las desventajas más grandes que tengan los
mismos es que pueden burlarse con facilidad y por eso un sistema de seguridad
con sensores ópticos no representa ningún tipo de desafío para un intruso. No
obstante, el sensor óptico es un excelente complemento si se quiere utilizarlos con
otros tipos de sistemas de seguridad, pero es prudente recordar que siempre lo
más indicado es buscar asesoría correcta con los expertos en estos sistemas para
que de esta manera se pueda quedar satisfecho con los tipos de sistemas que se
contraten.
En el caso de que se elija colocar sensores ópticos en nuestra vivienda
como un sistema de seguridad, es importante que se tenga en cuenta que lo más
indicado es instalarlos afuera y no adentro ya que la idea de un sistema de
seguridad es evitar que un intruso entre, y precisamente uno de los mayores
errores que cometen las personas es colocar los sensores en el interior de la
vivienda.
Figura 2 Distintos modelos de Sensores Ópticos
Es importante destacar el hecho de que algunos tipos de sensores ópticos
para sistemas de seguridad suelen contar con la ventaja de poseer un mecanismo
de medición de la distancia que es regulable, es decir que si por ejemplo, se
quiere detectar a un intruso cuando éste se encuentra a unos 7 metros de la
puerta de la entrada a la casa, entonces se puede programas al sensor para que
haga este trabajo. No obstante se debe decir que no todos los sensores ópticos
tienen esta cualidad, y es importante que se averigüe bien, ya que muchas veces,
las empresas de seguridad suelen colocar sensores ópticos con esta función, pero
los mismos no la tienen.
Como se dijo al comienzo, los sensores ópticos son muy básicos, y por eso
es que la gente prefiere inclinarse por otro tipo de sensores que realmente les
funcione correctamente en el ámbito que desean, además se debe decir que al ser
tan sensible la lente óptica que los mismos utilizan, su vida útil es
considerablemente corta. Ahora bien se debe decir que muchas empresas que
desarrollan todo tipo de sistemas de seguridad con sensores, intentan encontrarle
una función que se adapte a cualquier sistema de seguridad pero justamente
como se había dicho, la mayoría de las veces es muy difícil poder hacer
evolucionar un sistema tan básico, como en este caso son los sensores ópticos,
no obstante se debe decir que gracias al avance de la tecnología, se puede utilizar
los sensores ópticos para otro tipo de sistemas.
CINTA TRANSPORTADORA
Una cinta transportadora es un sistema de transporte continuo formado
básicamente por una banda continua que se mueve entre dos tambores.
La banda es arrastrada por fricción por uno de los tambores, que a su vez
es accionado por un motor. El otro tambor suele girar libre, sin ningún tipo de
accionamiento, y su función es servir de retorno a la banda. La banda es
soportada por rodillos entre los dos tambores.
Debido al movimiento de la banda el material depositado sobre la banda es
transportado hacia el tambor de accionamiento donde la banda gira y da la vuelta
en sentido contrario. En esta zona el material depositado sobre la banda es vertido
fuera de la misma debido a la acción de la gravedad.
Las cintas transportadoras se usan principalmente para transportar
materiales granulados, agrícolas e industriales, tales como cereales, carbón,
minerales, entre otros, aunque también se pueden usar para transportar personas
en recintos cerrados (por ejemplo, en grandes hospitales y ciudades sanitarias). A
menudo para cargar o descargar buques cargueros o camiones. Para transportar
material por terreno inclinado se usan unas secciones llamadas cintas
elevadoras. Existe una amplia variedad de cintas transportadoras, que difieren en
su modo de funcionamiento, medio y dirección de transporte, incluyendo
transportadores de tornillo, los sistemas de suelo móvil, que usan planchas
oscilantes para mover la carga, y transportadores de rodillos, que usan una serie
de rodillos móviles para transportar cajas o palés.
Las cintas transportadoras se usan como componentes en la distribución y
almacenaje automatizados. Combinados con equipos informatizados de manejo
de palés, permiten una distribución minorista, mayorista y manufacturera más
eficiente, permitiendo ahorrar mano de obra y transportar rápidamente grandes
volúmenes en los procesos, lo que ahorra costes a las empresas que envía o
reciben grandes cantidades, reduciendo además el espacio de almacenaje
necesario.
Esta misma tecnología se usa en dispositivos de transporte de personas
tales como cintas y escaleras mecánicas y en muchas cadenas de montaje
industriales. Las tiendas suelen contar con cintas transportadoras en las cajas
para desplazar los artículos comprados. Las estaciones de esquí también usan
cintas transportadoras para remontar a los esquiadores.
La cinta transportadora más larga del mundo está en el Sáhara Occidental,
tiene 100 km de longitud y va desde las minas de fosfatos de Bu Craa hasta la
costa sur de El Aaiún. La cinta transportadora simple más larga tiene 17 km y se
usa para transportar caliza y pizarra desde Meghalaya (India) hasta Sylhet
(Bangladesh).
AGITACION Y MEZCLA DE LIQUIDOS
El éxito de muchas operaciones industriales depende de la eficaz agitación
y mezcla de fluidos. Aunque con frecuencia tienden a confundirse, agitación y
mezcla no son sinónimos. La agitación se refiere al movimiento inducido de un
material en una forma específica, generalmente con un modelo circulatorio dentro
de algún tipo de contenedor. La mezcla es una distribución al azar de dos o más
fases inicialmente separadas. Un único material homogéneo, tal como un tanque
con agua fría, puede ser agitado pero, en cambio, no puede mezclarse mientras
no se le adicione otro material, tal como una cierta cantidad de agua caliente o
algún sólido pulverulento.
El término mezcla, o mezclado, se aplica a una gran variedad de
operaciones que difieren ampliamente en el grado de homogeneidad del material
«mezclado». Si se considera, en un caso, dos gases que han de mezclarse
totalmente, y un segundo caso en el que arena, grava, cemento y agua que se
voltean en un tambor rotatorio durante un largo período de tiempo. En ambos
casos se dice que el producto final está mezclado. Es evidente que los productos
no son igualmente homogéneos. Las muestras de gases mezclados, aun cuando
las muestras sean muy pequeñas, tienen toda la misma composición. Por otra
parte, pequeñas muestras de hormigón mezclado difieren mucho de la
composición.
AGITACION DE LIQUIDOS
Finalidades de la agitación. Los líquidos se agitan con diversos fines,
dependiendo de los objetivos de la etapa del proceso. Dichos fines comprenden:
1. Suspensión de partículas sólidas.
2. Mezclado de líquidos miscibles, por ejemplo, alcohol metílico y agua.
3. Dispersión de un gas en un líquido en forma de pequeñas burbujas.
4. Dispersión de un segundo líquido, inmiscible con el primero, para formar
una emulsión o suspensión de gotas diminutas.
5. Promoción de la transformación de calor entre el líquido y un serpentín o
encamisado.
Con frecuencia un agitador cubre varias finalidades al mismo tiempo, como
ocurre en el caso de la hidrogenación catalítica de un líquido. En un recipiente de
hidrogenación el hidrógeno gaseoso es dispersado en el líquido en el que están
suspendidas las partículas sólidas del catalizador, retirando simultáneamente el
calor de reacción por medio de un serpentín o camisa de refrigeración.
Equipo de agitación. Los líquidos se agitan con más frecuencia en tanques
o recipientes, generalmente de forma cilíndrica y provistos de un eje vertical. La
parte superior del recipiente puede estar abierta al aire o cerrada. Las
proporciones del tanque varían bastante dependiendo de la naturaleza del
problema de agitación. Sin embargo, en muchas situaciones se utiliza un diseño
estandarizado como el que se muestra en la Figura 3. El fondo del tanque es
redondeado y no plano, con el fin de eliminar los rincones escarpados o regiones
en las que no penetrarían las corrientes de fluido. La altura del líquido es
aproximadamente igual al diámetro del tanque. El rodete va instalado sobre un eje
suspendido, es decir, un eje soportado en la parte superior. El eje está accionado
por un motor, a veces directamente conectado al eje, pero más frecuentemente
acoplado al eje a través de una caja reductora de velocidad. Generalmente lleva
incorporados también accesorios tales como tubuladuras de entrada y salida,
serpentines, encamisados y vainas para termómetros u otros instrumentos de
medida de la temperatura.
El rodete crea un modelo de flujo en el sistema, dando lugar a que el líquido
circule a través del tanque y eventualmente retorne al rodete. Más adelante, en
este capítulo, se tratan con detalle los modelos de flujo en tanques agitados.
Figura 3 Tanque típico de proceso con agitación.
Rodetes. Los agitadores de rodete se dividen en dos clases: los que generan
corrientes paralelas al eje del rodete, y aquellos que generan corrientes en
dirección tangencial o radial. Los primeros reciben el nombre de rodetes de flujo
axial y los segundos rodetes de flujo radial.
Los tres principales tipos de rodetes son hélices, palas y turbinas. Cada uno
de ellos comprende muchas variantes y subtipos que no se considerarán aquí.
Otros rodetes especiales resultan también útiles en situaciones especiales, pero
los tres tipos principales mencionados resuelven tal vez el 95 por 100 de todos los
problemas de agitación de líquidos.
Hélice. Una hélice es un rodete con flujo axial y alta velocidad que se utiliza
para líquidos de baja viscosidad. Las hélices pequeñas giran con la misma
velocidad que el motor, entre 1150 y 1750 rpm; las grandes giran entre 400 y 800
rpm. Las corrientes de flujo que salen del rodete continúan a través del líquido en
una dirección determinada hasta que chocan con el fondo o las paredes del
tanque. La columna, altamente turbulenta, de remolinos de líquido que abandona
el rodete, arrastra al moverse líquido estancado, probablemente en mayor
proporción que lo haría una columna equivalente procedente de una boquilla
estacionaria. Las placas de un rodete cortan o cizallan vigorosamente el líquido
Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los agitadores de hélice
son eficaces en tanques muy grandes.
Una hélice giratoria traza una hélice en el fluido y, si no hubiese
deslizamiento entre el fluido y la hélice, una revolución completa provocaría el
desplazamiento longitudinal del liquido una distancia fija, dependiendo del ángulo
de inclinación de las palas de la hélice. La relación entre esta distancia y el
diámetro de la hélice se conoce como paso de hélice. Una hélice con un paso de
1,0 se dice que tiene paso cuadrado. En la Figura 4a se representa una hélice
típica. Las más frecuentes son las hélices marinas de tres palas con paso
cuadrado; para fines especiales se utilizan hélices de cuatro palas, ruedas
dentadas y otros diseños.
Las hélices raramente superan las 18 pul de diámetro, con independencia
del tamaño del tanque. En tanques profundos pueden instalarse dos o más hélices
sobre el mismo eje, generalmente dirigiendo el líquido en la misma dirección. A
veces, dos hélices operan en direcciones opuestas, o en «push pull», con el fin de
crear una zona de turbulencia especialmente elevada entre ellas.
Palas. Para los problemas más sencillos, un agitador eficaz consta de una pala
plana que gira sobre un eje vertical. Son frecuentes los agitadores de dos y cuatro
palas. A veces las palas están inclinadas, pero lo más frecuente es que sean
verticales. Las palas giran a bajas o moderadas velocidades en el centro del
tanque, impulsando el líquido radial y tangencialmente, sin que haya
prácticamente movimiento vertical excepto que las placas están inclinadas. Las
corrientes que generan se desplazan hacia fuera hasta la pared del tanque y
después hacia arriba o hacia abajo. En tanques profundos se instalan varias palas,
unas sobre otras, en un mismo eje. En algunos diseños las placas se adaptan a la
forma de las paredes del tanque, de forma que rascan la superficie y pasan sobre
ella con una muy pequeña holgura. Una pala de este tipo recibe el nombre de
agitador de áncora. Las áncoras resultan útiles para prevenir que se depositen
sólidos sobre una superficie de transmisión de calor, tal como un tanque
encamisado, pero en cambio son malos mezcladores. Casi siempre operan
conjuntamente con un agitador de alta velocidad que generalmente gira en sentido
contrario.
Figura 4 Rodetes de mezcla: (a) hélice marina de tres palas; (b) turbina abierta de
palas rectas; (c) turbina de disco con palas; (d) turbina abierta de palas curvas.
Los agitadores industriales de palas giran a velocidades comprendidas
entre 20 y 150 rpm. La longitud total de un rodete de palas está típicamente
comprendido entre el 50 y el 80 por 100 del diámetro interior del tanque. La
anchura de la pala es de un sexto a un décimo de su longitud. A velocidades muy
bajas los agitadores de palas generan una agitación muy suave en tanques sin
placas deflectoras, las cuales son necesarias para velocidades más elevadas,
pues de lo contrario el líquido se desplaza en bloque alrededor del tanque con
velocidad alta, pero con poca mezcla.
Turbinas. En la Figura 4 c y d se representan algunos de los numerosos diseños
de turbinas. La mayoría de ellos recuerdan a los agitadores con numerosas palas
cortas, que giran a altas velocidades sobre un eje montado centralmente en el.
tanque. Las placas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o verticales. El rodete
puede ser abierto, semicerrado o cerrado. El diámetro del rodete es menor que el
de las palas, variando entre el 30 y el 50 por 100 del diámetro del tanque. Las
turbinas son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades. En líquidos de baja
viscosidad las turbinas generan fuertes corrientes que persisten en todo el tanque,
destruyendo bolsas de fluido estancado. Cerca del rodete hay una zona de
corrientes rápidas, elevada turbulencia e intensa cizalladura. Las corrientes
principales son radiales y tangenciales. Los componentes tangenciales inducen la
formación de vórtices y remolinos, que deben ser destruidos por placas deflectoras
o por un anillo difusor para que la agitación sea más eficaz.
Modelos de flujo en tanques agitados. El tipo de flujo que se produce en un
tanque agitado, depende del tipo de rodete, de las características del fluido y del
tamaño y proporciones del tanque, placas deflectoras y agitador. La velocidad del
fluido en un punto del tanque tiene tres componentes, y el tipo de flujo global en, el
mismo depende de las variaciones de estas tres componentes de la velocidad de
un punto a otro. La primera componente de velocidad es radial y actúa en
dirección perpendicular al eje del rodete. La segunda es longitudinal y actúa en
dirección paralela al eje. La tercera es tangencial o rotacional, y actúa en dirección
tangencial a la trayectoria circular descrita por el rodete.
Para el caso corriente de un eje vertical, las componentes radial y
tangencial están en un plano horizontal y la componente longitudinal es vertical.
Las componentes radial y longitudinal son útiles por cuanto dan lugar al flujo
necesario para que se produzca la mezcla. Cuando el eje es vertical y está
dispuesto en el centro del tanque, la componente tangencial de velocidad es
generalmente perjudicial para la mezcla.
El flujo tangencial sigue una trayectoria circular alrededor del eje y, según
se representa en la Figura 5, crea un vórtice en la superficie del líquido que,
debido a la circulación en flujo laminar, da lugar a una estratificación permanente
en diferentes niveles de sustancias sin mezclar, sin que exista flujo longitudinal de
un nivel a otro. Si están presentes partículas sólidas, las corrientes circulatorias
tienden a lanzar las partículas contra la pared del tanque, debido a la fuerza
centrífuga, desde donde caen acumulándose en la parte central del fondo del
tanque. Por consiguiente, en vez de mezcla se produce la acción contraria, o sea,
concentración.
Figura 5. Formación de vórtice y tipo de flujo en un tanque agitado. (Según
Lyon~‘~.)
En el flujo circulatorio el líquido fluye según la dirección del movimiento de
las palas del rodete y, por consiguiente, disminuye la velocidad relativa que existe
entre las palas y el líquido, con lo cual se limita la potencia que puede ser
absorbida por el líquido.
En un tanque sin placas deflectoras, el flujo circulatorio es inducido por
todos los tipos de rodete, tanto si el flujo es axial como radial. En efecto, si los
remolinos son intensos, el tipo de flujo dentro del tanque es esencialmente el
mismo, independientemente del diseño del rodete. Para velocidades de giro del
rodete elevadas, la profundidad del vórtice puede ser tan grande que llegue al
rodete mismo, dando lugar a que en el líquido se introduzca el gas que está
encima de él, lo cual normalmente debe evitarse.
Prevención de flujo circulatorio. El flujo circulatorio y los remolinos pueden
evitarse por uno de los tres métodos siguientes. En tanques de pequeño tamaño
se dispone el rodete separado del centro del tanque, según indica la Figura 6. El
eje se mueve así alejado de la línea que pasa por el centro del tanque,
inclinándose después según un plano perpendicular a la dirección del movimiento.
Figura 6. Agitador no centrado. (Según Bisel1 et d.‘.)
En los tanques de mayor tamaño, el agitador puede montarse en la parte
lateral del tanque, con el eje en un plano horizontal, pero formando un cierto
ángulo con el radio, según se indica en la Figura 7.
Figura 7. Rodete con entrada lateral. (Segtia Bissell et aL2.)
En los tanques de gran tamaño, con agitadores verticales, el método más
conveniente de reducir los remolinos es instalar placas deflectoras, que impiden el
flujo rotacional sin afectar al flujo radial y longitudinal. Un método sencillo y eficaz
de destruir los remolinos, se consigue instalando placas verticales perpendiculares
a la pared del tanque.
En la Figura 8 se representan placas deflectoras de este tipo, y el tipo de
flujo a que dan lugar. Excepto en tanques muy grandes, son suficientes cuatro
placas deflectoras, para evitar los remolinos y la formación de vórtice. Para
agitadores de turbina, la anchura de la placa deflectora no es preciso que sea
mayor de la doceava parte del diámetro del tanque; para agitadores de hélice,
basta con un octavo ‘. Cuando el rodete entra al tanque lateralmente, está
inclinado, o desplazado del centro, no son necesarias placas deflectoras.
Una vez que el flujo circulatorio ha cesado, el modelo específico de flujo en
el tanque depende del tipo de rodete. Los agitadores de hélice generalmente
dirigen el líquido hacia el fondo del tanque, donde la corriente se esparce
radialmente en todas las direcciones hacia la pared, asciende a lo largo de la
pared y retorna desde la parte superior hasta el punto de succión del rodete. Este
modelo de flujo se representa en la Figura 8. Se utilizan agitadores de hélice
cuando se desean fuertes corrientes verticales, por ejemplo, cuando han de
mantenerse partículas sólidas en suspensión. No se utilizan ordinariamente
cuando la viscosidad del líquido es superior a aproximadamente 50 P. Con el fin
de obtener un fuerte flujo axial para la suspensión de sólidos también se utilizan
turbinas con una inclinación de las placas de 45”.
Figura
9.6. Modelo
de flujo en
un tanque
con placas
Figura 8 Deflectoras y un agitador de turbina instalado centralmente.
Los agitadores de palas y las turbinas de placas planas producen un buen
flujo radial en el plano del rodete, dividiendo el flujo hacia la pared para formar dos
modelos distintos de circulación, tal como se muestra en la Figura 5. Una parte
fluye hacia abajo a lo largo de la pared y retorna hacia el centro del rodete desde
el fondo, mientras que otra asciende hacia la superficie y retorna al rodete desde
la parte superior. En un tanque sin placas deflectoras hay un fuerte flujo tangencial
así como formación de vórtices para moderadas velocidades de giro del agitador.
Cuando se instalan placas deflectoras, aumenta el flujo vertical y se produce una
mezcla más rápida del líquido.
En un tanque cilíndrico vertical la profundidad del líquido deberá ser igual, o
algo mayor, que el diámetro del tanque. Si se desea una mayor profundidad de
líquido se pueden instalar dos o más rodetes sobre el mismo eje, actuando cada
rodete como un mezclador separado. Para cada rodete se generan dos corrientes
de circulación, tal como se muestra en la Figura 9. El rodete inferior, bien de tipo
turbina o de hélice, se instala a aproximadamente un diámetro del rodete por
encima del fondo del tanque.
Figura 9. Turbinas múltiples en todo el tanque.
Tubos de aspiración. El flujo de retorno a un rodete de cualquier tipo llega al
rodete desde todas las direcciones, ya que no está bajo el control de superficies
sólidas. Por ejemplo, el flujo hacia y desde un rodete es esencialmente similar al
flujo de aire hacia y desde un ventilador que opera en una habitación. En la mayor
parte de las aplicaciones de los mezcladores de rodete esto no constituye una
limitación, pero cuando es preciso controlar la dirección y velocidad de flujo en la
succión del rodete, se utilizan tubos de aspiración como los que se muestran en la
Figura 10.
Estos dispositivos pueden resultar útiles cuando se desea un elevado esfuerzo
constante en el rodete, tal como ocurre en la preparación de ciertas emulsiones, o
cuando es preciso dispersar en el líquido partículas sólidas que tienden a flotar
sobre la superficie del líquido en el tanque. Los tubos de aspiración para rodetes
se montan alrededor de los mismos, mientras que en el caso de turbinas se
montan inmediatamente encima, tal como se muestra en la Figura 10. Los tubos
de aspiración aumentan la fricción del fluido en el sistema Placa deflectora Placa
deflectora y, para una potencia de entrada dada, reducen la velocidad de flujo, de
forma que no se usan si no son absolutamente necesarios.
Figura 10. Tubos de aspiración en un tanque con placas deflectoras: (a) turbina;
(b) hélice. (Según Bissell et al.‘.)
Diseño estándar de turbina. El diseñador de un tanque agitado dispone de un
gran número, que no es habitual, de elecciones sobre el tipo y localización del
agitador, las proporciones del tanque, el número y dimensiones de las placas
deflectoras, entre otros. Cada una de estas decisiones afecta a la velocidad de
circulación del líquido, los modelos de velocidad y el consumo de potencia. Como
punto de partida en el diseño de los problemas ordinarios de agitación,
generalmente se utiliza un agitador de turbina del tipo que se muestra en la Figura
11. Las proporciones típicas son
El número de placas deflectoras es generalmente de 4; el número de palas
del agitador varía entre 4 y 16, pero generalmente es de 6 u 8. Situaciones
especiales pueden, por supuesto, aconsejar proporciones diferentes de las que se
acaban de indicar; por ejemplo, puede resultar ventajoso colocar el agitador más
alto o más bajo en el tanque, o bien puede ser necesario utilizar un tanque más
profundo para alcanzar el resultado apetecido. Con todo, las proporciones
estándar antes relacionadas son ampliamente aceptadas y en ellas se basan
muchas de las correlaciones publicadas sobre el funcionamiento de agitadores.
Figura 11. Medidas de un agitador de turbina. (Según Rushton et d3’.)
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía
eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la
actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen
movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre
un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la
industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de
las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos.
Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues
los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de
igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A
pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas
aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro
motores, entre otros)
Figura 12 Motores DC
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad
de regular la velocidad desde vacío a plena carga.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone
principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y
tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator
además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o
devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de
forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante
dos escobillas.
También se construyen motores de CC con el rotor de imanes permanentes
para aplicaciones especiales.
Principio de funcionamiento
Figura 13 Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con
una sola bobina y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor
desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas; A, B:
conectados respectivamente a las delgas A y B.
Según la Ley de Lorentz
corriente eléctrica se sumerge en un
fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente,
siguiendo la regla de la mano derecha
F: Fuerza en newtons
I: Intensidad que recorre el conductor en
l: Longitud del conductor en metros lineales
Principio de funcionamiento
Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con
una sola bobina y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor
desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas; A, B: Delgas; a, b: Lados de la bobina
s respectivamente a las delgas A y B.
Ley de Lorentz, cuando un conductor por el que pasa una
corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una
fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente,
regla de la mano derecha, con módulo
newtons
Intensidad que recorre el conductor en amperios
Longitud del conductor en metros lineales
Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con
una sola bobina y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor
; a, b: Lados de la bobina
, cuando un conductor por el que pasa una
, el conductor sufre una
fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente,
B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas
El rotor no solo tiene un conductor, sino varios repartidos por la periferia. A
medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado.
Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo
opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.
Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia
del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador de pines.
La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en
bornes del motor.
Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que
con la máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se
comporta como una resistencia pura del circuito.
Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la
zona neutra. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras.
En consecuencia, el número total de escobillas ha de ser igual al número de polos
de la máquina.
En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos.
Sentido de giro
El sentido de giro de un motor de corriente continua depende del sentido
relativo de las corrientes circulantes por los devanados inductor e inducido.
La inversión del sentido de giro del motor de corriente continua se consigue
invirtiendo el sentido del campo magnético o de la corriente del inducido.
Si se permuta la polaridad en ambos bobinados, el eje del motor gira en el
mismo sentido.
Los cambios de polaridad de los bobinados, tanto en el inductor como en el
inducido se realizarán en la caja de bornes de la máquina, y además el ciclo
combinado producido por el rotor produce la fmm (fuerza magnetomotriz).
El sentido de giro lo se puede determinar con la regla de la mano derecha,
la cual nos va a mostrar el sentido de la fuerza. La regla de la mano derecha es de
la siguiente manera: el pulgar nos muestra hacia donde va la corriente, el dedo
índice apunta en la dirección en la cual se dirige el flujo del campo magnético, y el
dedo medio hacia donde va dirigida la fuerza resultante y por lo tanto el sentido de
giro.
Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos
esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma
de utilización.
Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace
girar al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz
de transformarse en energía en el circuito de carga.
En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del
generador a través del colector de delgas, el comportamiento de la máquina ahora
es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía
mecánica.
En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor
principal.
MOTOR MONOFASICO DE INDUCCION
La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente
forma: existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las
que la compañía eléctrica solo suministra un servicio de CA monofásico. Además,
en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con
suministro monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos tales
como maquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire, entre
otros.
La mayoría de los motores monofásicos son motores pequeños de caballaje
fraccionario (menos de 1 hp). Sin embargo, algunos se fabrican en tamaños
normales de caballaje integral: 1.5, 2, 3, 5, 7.5 y 10 hp tanto para 115 V como para
230 V en servicio monofásico y aun para servicio de 440V entre los limites de 7.5 y
10. Los tamaños especiales de caballaje integral van desde algunos cientos hasta
algunos miles de hp en servicios de locomotoras, con motores de serie
monofásico de CA.
Los motores monofásicos de inducción experimentan una grave desventaja.
Puesto que solo hay una fase en el devanado del estator, el campo magnético en
un motor monofásico de inducción no rota. En su lugar, primero pulsa con gran
intensidad, luego con menos intensidad, pero permanece siempre en la misma
dirección. Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator. Un motor
monofásico de inducción no tiene par de arranque. Es por ello que se emplean
diversos métodos para iniciar el giro del rotor, y por lo tanto existe una clasificación
de los motores monofásicos basadas en los métodos particulares de arranque.
Motor de polos sombreados
Son conocidos los motores asincrónicos monofásicos con polo sombreado,
vèase la Figura 14, en los cuales entre los polos próximos se colocan un puente
electromagnético, para de esa forma lograr un entre hierro uniforme entre estator y
rotor con lo que se logra una disminución de la pérdidas provocadas por las
armónicas superiores en el rotor. La ejecución tecnológica de los motores de este
tipo es no factible y acelera considerablemente el gasto de instrumentos en el
estampado de las láminas.
Además con esta construcción, no se logra una altura completamente
uniforme del entre hierro, ya que en la zona en que está colocado el anillo
cortocircuitado ésta aumenta en varias veces.
Figura 14 Corte de un motor de inducción de polos sombreados
Todos los motores descritos anteriormente hacen uso de una bobina
encendida de múltiples vueltas. El motor de polo sombreado se diferencia en que
la bobina de encendido forma parte del circuito en todo instante y adquiere la
forma de dos lazos de cobre que rodean parte de cada polo de arranque. Estas
partes “sombreados” del campo producido por el polo del arranque principal y la
comente inducida en el lazo hacen que el campo generado por esta parte
sombreada atrase el campo principal. La variación en la fase es menor que la ideal
de 90° y el módulo del campo sombreado considerablemente menor que el campo
principal. Debido a esto el momento inicial es muy pequeño, típicamente es sólo la
mitad del momento total.
Figura 15a Diagrama de un motor de inducción de polos sombreados
Figura 15b Su característica resultante momento de torsión- velocidad
Una parte considerable de la energía se pierde en los lazos que están en el
circuito en todo instante y esto da como resultado una baja eficiencia. Una
eficiencia mayor del 20% es muy difícil de encontrar y en los motores pequeños
puede ser tan pequeño como un 2 o 3%. Esto también trae consigo una pobre
regulación de la velocidad.
Bajo la óptica de su uso, e motor de polo sombreado es de uso muy
extendido debido a su simplicidad, su bajo coste y su idoneidad para usos en baja
potencia. La potencia de salida oscila entre 1 y 50 W (0.001 a 0.07 HP) y para
estos valores tan bajos de potencia requerida la eficiencia es raramente un
problema. Sin embargo, debido a sus grandes pérdidas, este tipo de motores
trabajan siempre a altas temperaturas, incluso sin realizar ningún tipo de esfuerzo.
Las grandes máquinas bipolares y cuadripolares utilizan simples arranques
de laminación circular con bloques en cada uno de los polos de los anillos
sombreado (en algunos casos el “anillo” es de hecho rectangular).
Cuando se ensambla en su carcasa no parece muy diferente de su primo el
motor de división de fase. Sin embargo, su reducido tamaño y su construcción
radicalmente diferentes se utilizan para reducir los gastos de producción.
El estator por lo general es de polos salientes, está formado por un paquete
de chapas con zapata polar, alrededor de la zapata se junta los bobinados de
campo. El rotor es de tipo jaula de ardilla. Los escudos son de fierro fundido.
Véase Figura 17.
Figura 16 Construcción general y principio del motor con espiras de sombra
En los motores de polos rasgados la dirección de rotación ésta determinada
por la posición de los anillos rasgados, el rotor siempre gira hacia el lado más en
punta de los polos. La única forma de hacer que un motor de polos rasgados gire
al revés es demostrarlo y volverlo a montar, pero intercambiando esta vez los
extremos del rotor. Esto no es normalmente dificultoso, tan sólo se han de cambiar
de posición un par de clavijas.
PUENTE H
Un Puente H o Puente en H
motor eléctrico DC girar en ambos sentidos,
usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están
disponibles como circuitos integrados
componentes discretos.
Estructura de un puente H (marcado en rojo).
Figura 19 Estructura de un Puente en H
Los 2 estados básicos del circuito.
El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del
circuito. Un puente H se
transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados
(y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en
Puente en H es un circuito electrónico
girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son ampliamente
y como convertidores de potencia. Los puentes H están
circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de
Figura 18 Puente en H
Estructura de un puente H (marcado en rojo).
Figura 19 Estructura de un Puente en H
Los 2 estados básicos del circuito.
El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del
circuito. Un puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante
transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados
(y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en
que permite a un
. Son ampliamente
y como convertidores de potencia. Los puentes H están
, pero también pueden construirse a partir de
El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del
construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante
transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados
(y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en
un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se
invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor.
Con la nomenclatura que estamos usando, los interruptores S1 y S2 nunca
podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque esto cortocircuitaría la fuente de
tensión. Lo mismo sucede con S3 y S4.
Aplicaciones
Como se ha dicho el puente H se usa para invertir el giro de un motor, pero
también puede usarse para frenarlo (de manera brusca), al hacer un corto entre
las bornas del motor, o incluso puede usarse para permitir que el motor frene bajo
su propia inercia, cuando desconectamos el motor de la fuente que lo alimenta. En
el siguiente cuadro se resumen las diferentes acciones.
S1 S2 S3 S4 Resultado
1 0 0 1 El motor gira en avance
0 1 1 0 El motor gira en retroceso
0 0 0 0 El motor se detiene bajo su inercia
0 1 0 1 El motor frena (fast-stop)
(S1-4 referidos a los diagramas)
Montaje
Lo más habitual en este tipo de circuitos es emplear interruptores de estado
sólido (como Transistores), puesto que sus tiempos de vida y frecuencias de
conmutación son mucho más altas. En convertidores de potencia es impensable
usar interruptores mecánicos, dado su bajo número de conmutaciones de vida útil
y las altas frecuencias que se suelen emplear.
Además los interruptores se acompañan de diodos (conectados a ellos en
paralelo) que permitan a las corrientes circular en sentido inverso al previsto cada
vez que se conmute la tensión, puesto que el motor está compuesto por
bobinados que durante breves períodos de tiempo se opondrán a que la corriente
varíe.
Optoacoplador
Un optoacoplador, también llamado optoaislador o aislador acoplado
ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona como un
interruptor excitado mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un
componente optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor o fototriac.
De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y
un fotorreceptor cuya conexión entre ambos es óptica. Estos elementos se
encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del tipo DIP. Se
suelen utilizar para aislar electricamente a dispositivos muy sensibles.
Funcionamiento
Figura 20 El optoacoplador
La figura de la derecha muestra un optoacoplador 4N35 formado por un
LED y un fototransistor. La tensión de la
serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el
Si dicha corriente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el
fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión
de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.
Si la tensión de entrada varía, la cantida
significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada.
De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de
salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas
lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden optoacopladores
especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que
la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada.
La ventaja fundamental de un optoacoplador es el
entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único
contacto entre ambos circu
resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de
aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que
de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.
El optoacoplador combina un LED y un fototransistor.
La figura de la derecha muestra un optoacoplador 4N35 formado por un
LED y un fototransistor. La tensión de la fuente de la izquierda y la
serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el
riente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el
fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión
de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.
Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará, lo que
significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada.
De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de
salida, aunque hay que tener en cuenta que las curvas tensión/luz del LED no son
lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden optoacopladores
especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que
la señal de salida sea casi idéntica a la de entrada.
amental de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico
entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único
contacto entre ambos circuitos es un haz de luz. Esto se traduce en una
resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de
aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que
de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.
combina un LED y un fototransistor.
La figura de la derecha muestra un optoacoplador 4N35 formado por un
a y la resistencia en
serie establecen una corriente en el LED emisor cuando se cierra el interruptor S1.
riente proporciona un nivel de luz adecuado, al incidir sobre el
fototransistor lo saturará, generando una corriente en R2. De este modo la tensión
de salida será igual a cero con S1 cerrado y a V2 con S1 abierto.
d de luz también lo hará, lo que
significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada.
De este modo el dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito de
tensión/luz del LED no son
lineales, por lo que la señal puede distorsionarse. Se venden optoacopladores
especiales para este propósito, diseñados de forma que tengan un rango en el que
aislamiento eléctrico
entre los circuitos de entrada y salida. Mediante el optoacoplador, el único
itos es un haz de luz. Esto se traduce en una
resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden de miles de MΩ. Estos
aislamientos son útiles en aplicaciones de alta tensión en las que los potenciales
Tipos
En general, los diferentes tipos de optoacopladores se distinguen por su
diferente etapa de salida. Entre los principales caben destacar el fototransistor, ya
mencionado, el fototriac y el fototriac de paso por cero. En este último, su etapa de
salida es un triac de cruce por cero, que posee un circuito interno que conmuta al
triac sólo en los cruce por cero de la fuente.
Figura 21 Etapa de salida a fototransistor.
Figura 22 Etapa de salida a fototriac.
EL TRIAC
Es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los
dispositivos de control tiristores.
El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero
conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta. (ver imagen).
Figura 23 El Triac
El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara
por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de
la onda que será positiva y otra negativa.
La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre
y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la
corriente circulará de arriba hacia abajo (pasará por el tiristor que apunta hacia
abajo), de igual manera:
La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac
siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta
manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que
apunta hacia arriba)
Para ambos semiciclos la señal de disparo se obtiene de la misma patilla (la
puerta o compuerta).
Lo interesante es, que se puede controlar el momento de disparo de esta
patilla y asi, controlar el tiempo que cada tiristor estara en conduccion.
Recordar que un tiristor solo conduce cuando a sido disparada (activada) la
compuerta y entre sus terminales hay un voltaje positivo de un valor minimo para
cada tiristor.
Entonces, si se controla el tiempo que cada tiristor esta en conduccion, se
puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la
potencia que consume.
EL TRANSISTOR DE POTENCIA
El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al
de los transistores normales, teniendo como características especiales las altas
tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a
disipar.
Existen tres tipos de transistores de potencia:
bipolar.
unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
IGBT.
Parámetros MOS Bipolar
Impedancia de entrada Alta (1010 ohmios) Media (104 ohmios)
Ganancia en corriente Alta (107) Media (10-100)
Resistencia ON (saturación) Media / alta Baja
Resistencia OFF (corte) Alta Alta
Voltaje aplicable Alto (1000 V) Alto (1200 V)
Máxima temperatura de operación Alta (200ºC) Media (150ºC)
Frecuencia de trabajo Alta (100-500 Khz) Baja (10-80 Khz)
Coste Alto Medio
El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la capacidad
de carga en corriente de los transistores bipolares:
Trabaja con tensión.
Tiempos de conmutación bajos.
Disipación mucho mayor (como los bipolares).
Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento ideal:
Pequeñas fugas.
Alta potencia.
Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta frecuencia
de funcionamiento.
Alta concentración de intensidad por unidad de superficie del
semiconductor.
Que el efecto avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima
elevada).
Que no se produzcan puntos calientes (grandes di/dt ).
Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y
concretamente de los transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a
conducción y viceversa no se hace instantáneamente, sino que siempre hay un
retardo (ton , toff). Las causas fundamentales de estos retardos son las
capacidades asociadas a las uniones colector - base y base - emisor y los tiempos
de difusión y recombinación de los portadores.
Principios básicos de funcionamiento
La diferencia entre un transistor bipolar y un transistor unipolar o FET es el
modo de actuación sobre el terminal de control. En el transistor bipolar hay que
inyectar una corriente de base para regular la corriente de colector, mientras que
en el FET el control se hace mediante la aplicación de una tensión entre puerta y
fuente. Esta diferencia vienen determinada por la estructura interna de ambos
dispositivos, que son substancialmente distintas.
Es una característica común, sin embargo, el hecho de que la potencia que
consume el terminal de control (base o puerta) es siempre más pequeña que la
potencia manejada en los otros dos terminales.
En resumen, destacamos tres cosas fundamentales:
En un transistor bipolar IB controla la magnitud de IC.
En un FET, la tensión VGS controla la corriente ID.
En ambos casos, con una potencia pequeña puede controlarse otra
bastante mayor.
Tiempos de conmutación
Figura 24 Conmutación de un Transistor de Potencia
Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son
despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación,
al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en
esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la
potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas
aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo
hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro.
Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo
de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros
dos.
Figura 25 Tiempos en un Transistor de Potencia
Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante
en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la
señal de salida alcanza el 10% de su valor final.
Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en
evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.
Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre
desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida
baja al 90% de su valor final.
Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en
evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.
Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :
Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre
mayor que el tiempo de encendido (ton).
Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia
máxima a la cual puede conmutar el transistor:
MICROCONTROLADOR.
Un controlador es un dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o varios
procesos. Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a través del
tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. En la actualidad, todos los
elementos del controlador se han podido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de
microcontrolador. Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de
integración que incorpora la mayor parte de los elementos que configura un controlador.
Según SENSER, YERALAN y A, ASHUNTOSH (1995), un microcontrolador es un
ordenador completo fabricado en un solo chip. A finales de 1970, la corporación INTEL
fabricó en un solo chip de circuito integrado de alta escala de integración (LSI) la CPU de
un ordenador utilizando la tecnología MOS. Las I/O y los subsistemas de memoria
contenidas en un microcontrolador especializa a estos dispositivos para poderlos
interconectar con el hardware y las funciones de control de las aplicaciones, de tal manera
que los microcontroladores son poderosos procesadores digitales.
ANGULO (2000), define microcontrolador como un circuito o chip que incluye en su
interior las tres unidades funcionales de un ordenador: CPU, memoria y unidades E/S. es
decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado, donde su
característica principal es su alto nivel es especialización.
El microcontrolador es un computador dedicado. En su memoria solo reside un
programa destinado a gobernar una aplicación determinada; sus líneas de entrada/salida
soporta el conexionado de los sensores y actuadores del dispositivo a controlar y todos
los recursos complementarios disponibles tienen como única finalidad atender sus
requerimientos. Una vez programado y configurado el microcontrolador solamente sirve
para gobernar las tareas asignadas. Aunque los hay de tamaños de un sello de correos, lo
normal es que sea incluso más pequeño, ya que, forman parte del dispositivo que
controlan.
Un microcontrolador difiere de un CPU normal debido a que es más fácil convertirla
en un ordenador en funcionamiento con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea
es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchando a la fuente de energía y de
información que necesite.
Según SENSER, YERALAN y A, ASHUNTOSH (1995), la estructura general del
microcontrolador consta de cuatro partes:
1. Memoria de Programa; contiene las instrucciones de programa que gobierna la
aplicación a la que se destina el microcontrolador. Como siempre se realiza la misma
tarea se trata de una memoria no volátil, que no debe perder la información grabada
cuando se desconecta la alimentación.
Pueden existir diversos tipos de memorias de programa:
ROM (con mascara): la instrucción se graba en la memoria durante su fabricación
y ya no se puede borrar. Son recomendables para grandes series.
OTP: las graba el usuario con ayuda de un grabador y un PC. Solo puede
grabarse una vez y ya no puede borrarse. Interesa para series pequeñas, dado
su bajo precio.
EPROM: mediante un grabador y un programa de comunicación con el PC se
graban los programas y se pueden borrar muchas veces. en la cara superior de la
capsula dispone de una ventana de cristal para facilitar el borrado, que se realiza
sometiendo al chip durante unos minutos a rayos ultravioleta.
EEPROM: se graba y se borra eléctricamente, sin necesidad de rayos ultravioleta.
FLASH: Similares a las EEPROM. Pueden grabarse y borrarse por el usuario con
un programa conectado a un PC.
2. Memoria de Datos; almacena los datos variables y los resultados temporales. Debe
permitir lectura y escritura y según la tecnología de fabricación hay los siguientes tipos
fundamentales.
RAM: memoria de lectura y escritura muy rápida y volátil.
EEPROM: memoria de escritura y lectura lentas por no volátil.
3. Procesador; es el bloque del computador encargado de interpretar y ejecutar las
instrucciones del programa. Consta de dos partes, la unidad de control, que es la que
traduce las instrucciones, y el camino de datos, que las ejecuta.
4. Recursos Auxiliares; este aparato del microcontrolador establece, junto a las
capacidades de las memorias, la potencia y la complejidad de estos dispositivos. Entre los
recursos más conocidos se destacan: puertos de entrada y salida, temporizadores,
comparadores y capturadores de señales, conversor analógico/digital (AD) y
digital/analógico (DA), interrupciones, perro guardián y modo de trabajo en reposo.
Memoria de Programa y Memoria de Datos
Los microcontroladores AT89C52 tienen separados los espacios de direcciones
para memoria de programa y memoria de datos. La memoria de programa solo puede
ser leída y tiene como máximo 64k Bytes. La memoria de programa interna es de 8k. La
señal de autorización de lectura en la memoria de programas externa es PSEN.
Memoria de Programa: en la figura 27, se observa la dirección de la memoria de
programa, según se considere mixta (interna y externa) o completamente externa. En la
parte baja de la memoria de programas se encuentran ciertas posiciones de memoria
especiales para el tratamiento de las rutinas de interrupciones.
Figura 26. Diagrama de Bloques de los Microcontroladores AT89C52.
Fuente http://www.atmel.com (2011)
Figura 27. Memoria de Programas.
Fuente: http://www.atmel.com (2011).
En la figura 28, se asignas las posiciones fijas de la vectorizacion de estas
interrupciones, así la posición de la memoria 0000 corresponde al reset. También se
observa el intérvalo físico entre dos interrupciones, es de 8 bytes, espacio capaz para
albergar una pequeña rutina, pero si este no fuese suficiente se desviaría el contador de
programas (PC) mediante una instrucción de salto (JMP) a una zona amplia de la
memoria del programa capaz de contener dicha rutina.
Figura 28. División de la Memoria de Programas.
Memoria de Datos
Los microcontroladores AT89C52 pueden direccionar hasta 64KB de memoria de
datos externa (la instrucción “movx” se utiliza para acceder a los datos de las memoria
externa). Si utiliza 16 bytes de dirección emplear a MOVX @DPTR, y se utiliza 8 bytes,
MOVX @ RI. La memoria interna se encuentra dividida en tres bloques, 128 bytes bajos,
128 bytes altos y el espacio ocupado, en parte, por los registros de funciones especiales
(SFR). En la memoria de datos interna se puede acceder a un total de 384 bytes incluido
el área de los registros especiales, combinando los bloques de memoria de 128 bytes con
el modo de direccionamiento. Ver figura 29.
Figura 29. Memoria de datos.
Fuente: http://www.atmel.com (2011).
Tipos de Instrucciones
El set de instrucciones del microcontrolador AT89C51 se puede dividir según las
especialidades:
Instrucciones Aritméticas.
Instrucciones Lógicas.
Instrucciones de Transferencia de Datos.
Intrusiones Booleanas.
Instrucciones de Salto.
Tabla 2. Instrucciones Aritméticas
Fuente: http://www.atmel.com (2011).
NEMONICO OPERACIÓN BYTEADD A, Rn Add register to accumulator 1
ADD A, direct Add direct byte to accumulator 2
ADD A, # data Add immediate data to accumulator 2
ADDC A, Rn Add register to accumulator with carry 1
ADDC A, direct Add direct byte to accumulator with carry 2
SUBB A, Rn Subtract register from Acc with borrow 1
SUBB A, direct Subtract direct byte from Acc wiht borrow 2
SUBB A, @Ri Subtract direct RAM from Acc wiht borrow 1
SUBB A , #data Subtract immediate data from Acc with borrow 2
INC A Increment accumulator 1
INC @ Ri Increment direct RAM 1
DEC A Decrement register 1
DEC Rn Decrement register 1
DEC direct Decrement byte direct 2
DEC @ Ri Decrement indirect RAM 1
INC DPTR Increment data pointer 1
MUL AB Multiply A & B 1
DIV AB Divide A by B 1
Tabla 3. Instrucciones Lógicas.
NEMONICO OPERACIÓN BYTEANL A, Rn AND register to accumulator 1
ANL A, direct AND direct byte to accumulator 2
ANL A @Ri AND indirect RAM to accumulator 1
ANL A, #data AND immediate data to accumulator 2
ANL direct, A AND accumulator to direct byte 2
ANL direct,# data AND immediate data to direct byte 3
ORL A, Rn OR register to accumulator 1
ORL A, direct OR direct byte to accumulator 2
ORL A, @Ri OR indirect RAM to accumulator 1
ORL A, #data OR immediate data to accumulator 2
ORL direct, A OR accumulator to direct byte 2
ORL direct, # data OR immediate data to direct byte 3
XRL A, Rn Exclusive-OR register to accumulator 1
XRL A, direct Exclusive-OR direct byte to accumulator 2
XRL A @Ri Exclusive-OR indirect RAM to accumulator 1
XRL A, #data Exclusive-OR immediate data to accumulator 2
CLR A Clear accumulator 1
CPL A Complement accumulator 1
RL A Rotate accumulator left 1
RLC A Rotate accumulator left through the carry 1
RR A Rotate accumulator right 1
RRC A Rotate accumulator right through the carry 1
SWAP A Swap nibbles within the accumulator 1
NOMONICO OPERACIÓN BYTEMOV A, Rn Move register to accumulator 1
MOV A, direct Move direct byte to accumulator 2
MOV A, @Ri Move indirect RAM to accumulator 1
MOV A,# data Move immediate data to accumulator 2
MOV Rn. A Move accumulator to register 1
MOV Rn, direct Move direct byte to register 2
MOV Rn,# data Move immediate data to register 2
MOV direct, A Move accumulator to direct byte 2
MOV direct, Rn Move register to direct byte 2
MOV direct, direct Move direct byte to direct 3
MOV direct, @Ri Move indirect RAM to direct byte 2
MOV direct, # data Move immediate data to direct byte 3
MOV @Ri, A Move accumulator to indirect RAM 1
MOV @Ri, direct Move direct byte to indirect RAM 2
MOV @Ri,# data Move immediate data to indirect 2
MOV DPTR, # DATA 16 Load data pointer with a 16-bit constant 3
MOVC A,@A + DPTR Move code byte relative to DPTR to Acc 1
MOVC A,@A + PC Move code byte relative to PC to to Acc 1
MOVX A, @Ri Move external RAM ( 8 bit addr) to Acc 1
MOVX A, @DPTR Move external RAM (16 bit addr) to Acc 1
MOVX @Ri, A Move Acc to external RAM ( 8- bit addr) 1
MOVX @DPTR, A Move acc to external RAM ( 16- bit addr) 1
PUSH direct Push direct byte into stack 2
POP direct Pop direct byte from stack 2
XCH A, Rn Exchange register with accumulator 1
XCH A, direct Exchange direct byte with accumulator 2
XCH A, @Ri Exchange indirect RAM with accumulator 1
XCHD A, @Ri Exchange low- order digit indirect RAM with Acc 1
Tabla 4. Instrucciones de Transferencia de Datos.
Fuente: http://www.atmel.com (2011).
NEMONICO OPERACIÓN BYTECLR C Clear carry 1CLR bit Clear direct bit 2SETB C Set carry 1SETB bit Set direct bit 2CPL C Complement carry 1CPL bit Complement direct bit 2ANL C, bit AND direct bit to carry 2ANL C,/bit AND complement of direct bit to carry 2ORL C, bit OR direct bit to carry 2ORL C,/bit OR complement of direct bit to carry 2MOV C, bit Move direct bit to carry 2MOV bit, C Move carry to direct bit 2JC rel Jump if carry is set 2JNC rel Jump if carry not set 2JB bit, rel Jump if direct bit is set 3JNB bit, rel Jump if direct bit is not set 3JBC bit, rel Jump if bit is set & clear bit 3
Tabla 5. Instrucciones Booleanas.
Fuente: http://www.atmel.com (2011).
El LabVIEW
Según Trejo R. en (1997): El LabVIEW es un lenguaje de programación de alto nivel, de
tipo gráfico, y enfocado al uso en instrumentación. Pero como lenguaje de programación,
debido a que cuenta con todas las estructuras, puede ser usado para elaborar cualquier
algoritmo que se desee, en cualquier aplicación, como en análisis, telemática, juegos,
manejo de textos, etc. Cada programa realizado en LabVIEW será llamado Instrumento
Virtual (VI), el cual como cualesquier otro ocupa espacio en la memoria del computador.
Uso de la memoria: La memoria usada la utiliza para cuatro bloques
diferentes como son:
- El panel frontal: Donde se ven los datos y se manipulan y controlan.
Tabla 6. Instrucciones de Salto.
Fuente: http://www.atmel.com (2011).
- El diagrama de bloques: En este se aprecia la estructura del programa, su
función y algoritmo, de una forma gráfica en lenguaje G, donde los datos fluyen
a través de líneas.
- El programa compilado: Cuando se escribe en Labview, el algoritmo escrito de
forma gráfica no es ejecutable por el computador, por tanto, Labview lo analiza,
y elabora un código assembler, con base en el código fuente de tipo gráfico.
Esta es una operación automática que ocurre al ejecutar el algoritmo, por tanto
no es importante entender como sucede esto. Lo que sí es algo para apreciar,
es que en este proceso, se encuentran los errores de confección que son
NEMONICO OPERACIÓN BYTEACALL addr 11 Absolute subroutine call 2
LCALL addr 16 Long subroutine call 3
RET Return from subroutine 1
RETI Return from interrupt 1
AJMP addr 11 Absolute jump 2
LJMP addr 16 Long jump 3
SJMP rel Short jump (relative addr) 2
JMP @A + DPTR Jump indirect relative to DPTR 1
JZ rel Jump if accumulator is Zero 2
JNZ rel Jump if accumulator not is Zero 2
CJNE A, direct ,rel Compare direct byte to Acc and jump if not equal 3
CJNE A, # data, rel Compare immediate to Acc and jump if not equal 3
CJNE Rn ,# data, Compare immediate to register and jump if not 3
CJNE @Ri, # data, Compare immediate to indiret and jump if not 3
DJNZ Rn, rel Decrement register and jump if not is Zero 2
DJNZ direct, rel Decrement direct byte and jump if not is Zero 3
Not No operation 1
mostrados en una lista de errores, donde con solo darle doble click al error, se
aprecia en el diagrama de bloques, donde ocurre éste, para su corrección.
- Los datos: Como el algoritmo maneja datos, requiere de un espacio en memoria
para estos, lo que hace tomar en cuenta que el computador usado debe tener la
memoria suficiente para manejarlos. Por ejemplo, cuando se usan grandes
matrices en cálculos se puede requerir de mucho espacio.
A un programa VI terminado se le puede borrar el diagrama de bloques para que
ocupe menos memoria, y no pueda ser editado, y seguirá funcionando. El panel nunca
puede ser borrado.
Instrumentos virtuales: Un programa creado en LabVIEW es llamado
como Instrumento Virtual y consta de tres partes a crear.
- El Panel frontal, donde estarán ubicados todos los indicadores y controles que
el usuario podrá ver cuando el programa este en funcionamiento. Por ejemplo
botones, perillas, gráficas, entre otros. Como se muestra en la Figura 30.
Figura 30 Panel frontal del programa LabVIEW
- El diagrama de bloques muestra el programa en código gráfico G, el cual es el
objetivo de aprendizaje en un nivel básico, en este libro. Se usan en este
diagrama estructuras de programación, y flujo de datos entre las diferentes
entradas y salidas, a través de líneas. En este las subrutinas son mostradas
como iconos de cajas negras, con unas entradas y unas salidas determinadas,
donde en el interior se cumple una función específica. El flujo se aprecia, como
se dibujaría en un bosquejo de sistemas, cuando se habla de teoría de
sistemas, donde cada subsistema se representa como un cuadro con entradas
y salidas.
Todos los indicadores y controles ubicados en el panel frontal están respaldados
por un Terminal de conexión en el diagrama de bloques tal como si se tuviera un tablero
de control de una máquina o un avión, donde por el frente se ven los indicadores y por el
lado posterior se aprecian todos los cables y terminales de conexión. Como se muestra en
la figura 31.
Figura 31. Panel de Control
Fuente: Labview, NI (2011)
- El icono de conexión. Se usa para utilizar el programa creado como subrutina
en otro programa, donde el icono será la caja negra, y las entradas son las
conexiones a los controles del programa subrutina, y las salidas son las
conexiones a los indicadores del mismo subprograma. Al crear el icono, se
conecta a través del alambre de soldadura a los indicadores y controles en la
forma que se desee que se distribuyan las entradas y salidas en la caja negra,
tal como en un circuito integrado algunos pines corresponden a alguna función
en él. La idea es crear un sistema de programación modular, donde cada rutina
creada llame otras rutinas, y estas a su vez otras de menor nivel, en una
cadena jerárquica con cualquier límite deseado.
Para saber el uso de los subvis, la ventana de “help” ofrece la información
pertinente a las entradas y salidas. Esta ventana se puede obtener presionando Ctrl-h o
por medio del menu “Windows”. Actualmente existe una asociación de usuarios de
LabVIEW donde los miembros están creando cajas negras de diferentes funciones, las
cuales pueden ser usadas para utilidades propias. Como se muestra en la figura 32.
Figura 32 Ventana de Ayuda
Fuente: Labview, NI (2011)
Paletas de trabajo: Tanto en el panel frontal como en el diagrama de
bloques, existe una paleta de herramientas, que sirve tanto para editar el VI, o
ejecutarlo según el modo de trabajo que se tenga. Cuando se trabaja en modo de
ejecución de la paleta es la de la figura 33.
Figura 33 Barra de Herramientas de la Paleta.
- Con el botón “Ejecutar” se corre una ves el programa, cuando está
ejecutando, se cambia a rayado como se aprecia en la figura y aparece un
botón de “Stop” con el cual se pede detener el programa. No es recomendado
hacer esto, es preferible crear un algoritmo de paro del programa, con un botón
destinado exclusivamente para esto.
Algunos programas al terminar deben de ejecutar algunas operaciones de cierre,
como puede ser en la programación de tarjetas de adquisición de datos, o en el cierre de
archivos, por tanto si se usa el botón de Stop, este parará el programa totalmente, en el
punto en el que se encontraba y no permitirá que complete sus rutinas de cierre, pudiendo
incurrir en errores y pérdida de la información.
Cuando la flecha aparece rota indica que hay un error en el programa. Al hacer click se
muestra una lista de errores, y al hacer click en cada uno de los errores se apreciará en el
diagrama la ubicación de la falla.
- “Modo” cambia entre modo de edición y modo de ejecución. Así está en modo
de ejecución.
- “Corrido sucesivo” hace que el programa ejecute una ves tras otra hasta que
se le dé un paro con el botón de Stop.
- “Punto de paro” al ser presionado cambia a “!”, así, al ser llamado como
subrutina, abrirá el panel frontal para mostrar como cambia, para encontrar
errores de lógica, o por simple visualización.
- “Modo de corrido” Al ser presionado cambia a una línea por pasos, así el
programa ejecutará paso a paso. cada paso se dará al oprimir el icono de un
solo paso.
- “Highlight” Muestra como fluyen los datos y que datos, a través de las líneas
del diagrama de bloques.”
- “Imprimir Panel” Imprime el panel frontal actual cuando termina de ejecutar el
programa.
- “Grabar Panel” Almacena en un archivo .LOG el estado actual del panel
frontal. En el modo de edición la paleta es la siguiente figura 34.
-
Ejecución
Modo
Operador
Posicionador
Texto
Alambrador
Color
Figura 34 Panel Frontal
-
- “Operador” Sirve para accionar los controles e indicadores.
- “Posicionados” Sirve para cambiar de posición los diferentes elementos en las
diferentes pantallas. También permite cambiar el tamaño de estos.
- “Texto” Permite crear textos y etiquetas, tanto como cambiar los valores de las
escalas de las gráficas.
- “Alambrador” Sirve para conectar los elementos en el diagrama de bloques, y
para conectar los controles e indicadores a los pines del icono del programa.
- “Color” Permite colorear los diferentes elementos.
Menús de trabajos: Haciendo click en los menús superiores se aprecian las
aplicaciones necesarias para trabajar con LabVIEW, como grabar o cargar
programas, como editarlos, tipos de letra etc. Los menús se muestran a
continuación.
File. En este menú se encuentran las herramientas para el manejo de
archivamiento, impresión, y guardado de información de los programas creados en
Labview.
El menú de Functions ofrece todas las posibilidades de funciones que se pueden
utilizar en el diagrama de bloques, donde al hacer click se escoge y ubica dentro del
programa. Como se muestra en la figura 35.
Figura 35 Menú de Funciones
1. Structs & Constants: Contiene las estructuras básicas de programación como son las
secuencias, los casos, los ciclos For-Next y Mientras, las variables de tipo global y
local, y las constantes de todo tipo, como son las numéricas, las alfanuméricas, las
boleanas, y algunos numeros especiales, “e“ por ejemplo.
Cómo crear programas
Panel frontal: Al desarrollar una aplicación o una subrutina primero se debe
tener un claro conocimiento de que valores se van a utilizar, cuales van a ser las
entradas y cuales las salidas, para así definir como se van a entrar y sacar estos
valores.
Por ejemplo si simplemente se desea realizar un programa que tome dos números
y entregue como resultado la suma de estos hasta que se pulse un botón de Stop, al final
diga que terminó, se sabe que debe haber un instrumento de control para la entrada de
cada valor, y un indicador que muestre el resultado.
Crear lo anterior se logra simplemente ubicándose en el panel frontal y sacando
dos controles y un indicador del menu Controls. Esto se hace uno a uno, y se debe ir
nombrando cada elemento en el label, a medida que se van posicionando. Como se
muestra en la figura 36.
Figura 36 Panel Frontal
Se aprecia como en estos instrumentos digitales se diferencian los controles del
indicador porque estos cuentan con unas flechas para manipularlos cuando el programa
está corriendo. También se pueden cambiar escribiendo sobre ellos.
Estos controles se pueden configurar sacando el Pop-menu de cada uno,
señalándolo y oprimiendo el botón derecho del mouse, así si por ejemplo se comete un
error al nombrar el instrumento y no se alcanza a escribir el nombre, en este menú en la
subsección show, label, se puede hacer que reaparezca la marca para así escribir sobre
ella.
Diagrama de bloques: En éste se ve el flujo del programa, y se compone de cinco
tipos de elementos.
- Las terminales de conexión de los indicadores y de los controles del panel frontal. Se
nota que las líneas del dibujo de la conexión de los controles es más gruesa que la de
los indicadores, para diferenciarlos.
- Las constantes.
- Las funciones y cajas negras, donde se procesan las señales.
- Las estructuras de programación.
- Los cables que conducen las diferentes señales, los cuales varían según la señal que
conducen. Como se muestra en la siguiente figura 37.
Figura 37 Panel del Diagrama de Bloque
Fuente: Labview, NI (2011)
Para realizar el diagrama de bloques se buscan las estructuras necesarias en el
menu de Functions, estructuras y constantes, donde se encuentra el ciclo mientras
(While), el cual será explicado luego. Posteriormente se ubican las funciones necesarias
en el menu de Functions, como en este caso el sumador y el negador en el submenú
Arithmetic, y el cuadro de diálogo en el submenú Time & Dialog.
Los terminales aparecen automáticamente en el diagrama de bloques al armar el
panel frontal. Por último se hacen las conexiones con ayuda de la herramienta de
alambrado.
Estructura Terminal delcontrol
Terminal delindicador
Lineas deseñal
FunciónCaja negra
ConstanteAlfanumérica
ANÁLISIS Y RESULTADOS
El desarrollo de este tipo de proyectos, conlleva a un sin número de
aprendizajes basados tanto en el diseño del sistema, las experiencias
constructivas los detalles del montaje, los aciertos e incluso los desaciertos
cometidos durante el montaje; por todo esto a continuación se presenta un breve
análisis de resultados.
Respecto al diseño del sistema se planteó el uso de un mecanismo que
formaba parte de una fotocopiadora a color y que realizaba la función de aportar el
tóner de colores a fin de lograr un fotocopiado de gran calidad. Posee un motor dc
que mediante una correa y embragues eléctricos acciona unos tornillos sin fin
quienes empujan el tóner hacia una tobera; se diseño una tarjeta de transistores
de potencia para activar tanto el motor como los embragues eléctricos, a los
transistores los activa el microcontrolador mediante ceros. El mencionado
mecanismo una vez modificado y adaptado al sistema en desarrollo desempeño
adecuadamente las funciones como aportante del tinte para la coloración de la
pintura a elaborar.
En el mismo orden de ideas para el diseño se considero el uso de una
maqueta de banda transportadora construido mediante rodillos de acero
torneados, chumaceras, una banda flexible unida con grapas y accionado por un
motor de corriente alterna de polos sombreados, asociado a un mecanismo de
reducción de velocidad. Todo ello montado sobre una base metálica, el motor de
polos sombreados es accionado por un triac de 10 amp activado por el
microcontrolador mediante un optoacolador. Este diseño funciono adecuadamente
luego del ajuste necesario, para transportar los envases donde se prepara la
pintura a lo largo del proceso productivo.
Para el diseño del agitador se considero modificar un mecanismo extraído
de un reproductor de cd el cual permite desplazamiento vertical de un pequeño
motor dc acoplado un agitador plástico, se requiere el uso de pulsadores, finales
de carrera para limitar el recorrido, asociado a este hay dos tarjetas electrónicas
una con un puente en H de transistores que permita la inversión del sentido de
desplazamiento del agitador; asi como también una sencilla tarjeta que permita al
microcontrolador activar y desactivar el motor del agitador. Este diseño demostró
funcionar adecuadamente luego de varios ajustes mecánicos.
Se utilizó el criterio de seleccionar sensores infra-rojos de tipo réflex para
evitar que los sensores de tipo mecánico pudieran entorpecer el desplazamiento
de los envases. El uso de sensores réflex en lugar de haz interrumpido por su
practicidad y bajo costo, ya que provienen de reciclaje, aunado al hecho de
entregar respuestas de señales compatibles con el sistema diseñado. Los
dispositivos utilizados como sensores funcionaron correctamente “después de
ajustar su ángulo de visión”, la detección se reporta al usuario mediante led de luz
visible.
El uso del microcontrolador se basó en las amplias capacidades que tiene
este dispositivo para seguir adecuadamente una secuencia de pasos (tareas)
basados en decisiones (sensores y comunicaciones), el dispositivo utilizado es un
ATMEL 89C51 posee cuatro puertos de 8 bits, protocolo de comunicación
implementados para RS232, un voltaje de operación de 5 volt y una lógica inversa
en los puertos (activa con cero), posee una memoria de 4kbyte y una velocidad de
operación de 1Mhz. Una vez programado este dispositivo gestiono
adecuadamente la operación del sistema. En la Figura 38 puede observarse el
montaje del microcontrolador efectuado en el software PROTEUS.
Para la elaboración del programa se utilizo el editor de texto suministrado
en el Proteus, y se compilo mediante el mismo software provisto por el fabricante.
El programa considera varias entradas a partir del pc y de los sensores y actuando
a travez de los optoacopladores ejecuto convenientemente las funciones
asignadas al sistema. Es importante destacar que por ser el programa algo muy
flexible puede ser objeto de modificaciones posteriores a fin de mejorar o corregir
las actividades que lo requieran.
Figura 38 Montaje en el Software Proeus7.6 para la simulación del programa
Fuente: Los Autores (2011)
En la Figura 39 puede apreciarse el esquema de conexiones empleado
para lograr la comunicación entre el microcontrolador y la PC y en la Figura 40 a y
b el diagrama de flujo que permitió la elaboración del programa en lenguaje
assembler. Se utilizó el Software LabVIEW para el diseño de la parte interactiva o
interfaz hombre maquina (HMI), en él, el usuario puede seleccionar el color de
pintura que desee y al activar el sistema por medio de comunicación RS232 el
módulo didáctico mediante su microcontrolador elaborará la pintura seleccionada.
La pantalla del pc muestra la ejecución del proceso en tiempo real. Como puede
apreciarse en la Figura 44.
Figura 39 Etapa de Interfaz RS232 para la comunicación micro-PC
Fuente: Los Autores (2011)
Figura 40a Diagrama de flujo del programa para controlar al Proceso Productivo
Fuente: Los Autores (2011)
Figura 40b Diagrama de flujo del programa (continuación)
Fuente: Los Autores (2011)
Las siguientes tarjetas, simuladas en PROTEUS, permitieron el óptimo
funcionamiento del proceso productivo.
Figura 41 Puente en H de transistores que permita la inversión del sentido de desplazamiento del agitador
Fuente: Los Autores (2011)
Figura 42 Etapa de Optoacoplador a transistor para alimentar a los distintos motores DC
Fuente: Los Autores (2011)
Figura 43 Etapa de potencia a Triac para el accionamiento del motor de 120Vac de polos sombreados
Fuente: Los Autores (2011)
Figara 44 Panel Frontal del Módulo didáctico comunicándose con el microcontrolador vía RS232
Fuente: Los Autores (2011)
CONCLUSIONES
Una vez finalizado el desarrollo de este proyecto, pueden establecerse las
siguientes conclusiones:
Existe toda una teoría relacionada con la automatización de procesos, de la
misma manera que se ha desarrollado una gran cantidad de componentes
que permiten utilizar dichas teorías a los fines de aumentar la eficiencia y
eficacia de los procesos mediante la automatización.
Utilizando las teorías y componentes existentes se ha podido diseñar un
sistema que permita la automatización de un modulo didáctico para la
preparación de pintura.
Para la selección de componentes es necesario aplicar ciertos criterios
relacionados con la forma en que funcionan, el tipo de trabajo que realizan,
la disponibilidad en el mercado, los costos asociados, las técnicas de uso,
entre otras; pero en general fue posible su implementación utilizando tanto
componentes nuevos (tarjetas, circuitos integrados, componentes
electrónicos) como a partir de reciclaje de equipos desincorporados
(sensores, motores, micro mecánica). Se comprobó la pertinencia del uso
de estos componentes.
Para la construcción del modulo se utilizaron técnicas de ensamblaje que
incluyen, perforación, atornillado, remachado, soldadura blanda, cableado,
unión mediante conectores, detección mediante sensores infra-rojos,
activación de transistores de potencia y triacs mediante optoacopladores,
accionamiento de motores dc mediante relés, entre otros. Se verifico la
valides de estas técnicas.
Utilizando una herramienta informática llamada PROTEUS7.7, se pudo
editar, ensamblar y simular el programa que al ser ejecutado por el
microcontrolador ATMEL AT89C51 realizo las actividades previstas en la
automatización de procesos. Es de destacar que se ha usado una pequeña
parte de la capacidad de este componente que ya es antiguo en el mercado
y para algunos es considerado obsoleto.
Una vez realizadas las pruebas se verificó el funcionamiento correcto del
equipo con lo que se ha concretado los objetivos propuestos en el presente
proyecto.
Se ha comprobado en nuestra nación existe la tecnología y el personal
suficientemente capacitado para desarrollar proyectos educativos y equipos
didácticos de simulación de procesos que permitirá mejorar el proceso de
enseñanza-aprendizaje.
LISTA DE REFERENCIAS
Sencer, Yeralan y A, Asuntos (1995). Programming and Interrfacing the 8051 Microcontroler Massachussets, Editorial Addison-Wesley Publishing.
WOLF, Stanley y F.M SMITH, Richard (1992), Guía para Mediciones Electrónicas y Prácticas de Laboratorio. Primera Edición.
Paginas Utilizadas en Internet
http://www.atmel.com (2011). Microcontrolador AT89C52. http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua
http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_H_(electronicabasica)
http://es.wikipedia.org/wiki/Optoacoplador
Teoría de sensores ópticos (documento de investigación)
http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r59508.PDF
ANEXOS
ANEXO A. Microcontrolador AT89C51
Fuente: http://www.atmel.com (2011)
Anexo B. Pines del Microcontrolador AT89C51
Fuente: http://www.atmel.com (2011)
ANEXO C Módulo de comunicación serial MAX232