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REVISTA ARISTA DIGITAL___________________________________________

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Núm. 39 – Diciembre 2013

Depósito Legal: NA3220/2010

ISSN: 2172-4202

Revista Arista Digital http://www.afapna.es/web/aristadigital

En este trabajo se va a exponer la realización

práctica del control automático en lazo cerrado

de un motor de corriente continua de 24 V

según el segundo método utilizando un

autómata programable S7200 junto con el

módulo de entradas y salidas analógicas EM-

235.

El control automático del mismo será en lazo

cerrado de tal manera que existirá una

retroalimentación de la señal de salida.

Contenido

Introducción

1. Autómata S7-200

2. Módulo EM-235

3. Descripción del sistema

4. Programación del control PID

5. Prueba y optimización del sistema.

Bibliografía

AUTOR: Gonzalo Olmo Correcher

CENTRO TRABAJO: IES Cinco Villas

ISSN: 2172-4202

2-CONTROL AUTOMÁTICO DE UN

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

INTRODUCCIÓN

El control de motores de corriente continua

suele tratarse de un proceso aparentemente

muy sencillo y a la vez con numerosas

aplicaciones.

Si se pretende un control preciso de la

velocidad del motor se requerirá de un

circuito electrónico especializado que utilizará

el método PWM (Pulse Wide Modulation) en

el cual se regula el tiempo que el motor recibe

tensión constantemente, de tal manera que

en estas condiciones el motor trabaja a

máxima velocidad y potencia.

La regulación de la velocidad se consigue

aplicando pulsos.

Otra forma de controlar la velocidad de un

motor de corriente continua es regulando la

tensión que se aplica al motor, de tal manera

que a mayor tensión, mayor velocidad. El

problema de este segundo método radica en

la pérdida de potencia que se produce

disminuyendo la eficiencia del sistema.

.

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ISSN: 2172-4202


1. AUTÓMATA S7200

Los autómatas programables o controladores lógicos programables se han

extendido rápidamente desde la producción de automoción hasta el resto de

ramas industriales.

Los autómatas o plc´s han cambiado enormemente pasando a ser cada vez

más pequeños, económicos e integrando funciones integradas como el

control PID integrado auto-configurable que utilizaremos en este trabajo para

el control de la velocidad de un motor de corriente continua.

El autómata que emplearemos para dicha regulación será un Siemens S7-

224 dotado de entradas y salidas digitales.

Figura 1: Autómata S7-224 dotado con modulo analógico EM-235

Para la programación del mismo se utiliza el software STEP 7 –Micro/WIN, un

programa que optimiza la utilización de todos los beneficios de la familia de

autómatas S7-200.

FUNCIONES CPU 224

Entradas/Salidas integradas 14DI/10DQ

Módulos de expansión 7

Número dig.In/Out 168

Analog.In/Out/Max -


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Memoria de programa 8/12 KB

Memoria de datos 8 KB

Bool execution time 0.22 µs

Relé de bit

/Contadores/Temporizadores

256/256/256

Contadores de alta velocidad 6 x 30 kHz

Hora de reloj Integrado

Salidas de pulso 2 x 20 KHz

Interfaz COM 1 x RS-485

Potenciómetro analógico 2

Tabla 1: Especificaciones técnicas de la CPU 224

2. MÓDULO EM-235

Este módulo se compone de una salida analógica y cuatro entradas

analógicas configurables en modo bipolar o unipolar. En este trabajo

utilizaremos el modo unipolar (0-10V) para la regulación de la velocidad sin

cambio de sentido de giro.

Para la realización del control PID del motor es necesario el correcto manejo

de las señales analógicas conectadas al módulo EM-235.

Las señales analógicas que se manejarán serán:

Entrada AIW0: A esta entrada se conecta la dinamo taquimétrica

encargada de recoger la información sobre la velocidad del motor.

La señal que recoge es una tensión proporcional a la velocidad

tomando valores de 0-10 V. La constante de la dinamo es 0,01

V/rpm. Se ajustará el módulo de potencia de tal manera que para

una referencia igual a 1 la medición máxima que pueda registrar la

dinamo taquimétrica sean 10 V correspondiendo a 1000 rpm.


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Salida AQWO: Esta salida se conecta al motor de corriente

continua a través de una etapa de potencia. La salida AQW0 se

conecta a la consigna 0-10V de la etapa de potencia y solamente

suministra voltaje a la etapa cuando el control así lo requiere.

Para configurar el modo de funcionamiento unipolar con rango de

tensión 0-10 V habrá que configurar los switches de la parte inferior

del módulo con la siguiente configuración:

0 1 0 0 0 1

3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

Como se ha comentado anteriormente el sistema es en lazo cerrado

existiendo una retroalimentación de la variable de salida que en este caso se

trata de la velocidad del motor.

Figura 2: Diagrama en lazo cerrado.

La referencia se establecerá desde el asistente PID integrado en Step7-

Microwin y sus valores estarán comprendidos entre 0 y 1 correspondiendo los

límites con la mínima y máxima velocidad respectivamente.

El instrumento que detecta la velocidad de salida es una dinamo taquimétrica

de la marca Radio-Energie modelo RE.0122. Sus principales características

técnicas son las siguientes:


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Designación Valor

Límite de velocidad 10000 rpm

Momento de inercia 0.024 Kg.cm2

Par de accionamiento 0.16 N.cm

Máxima f.e.m. admisible 100 V

f.e.m. a 1000 rpm 10 V

Constante de velocidad 0.10 V/rpm

Tabla 2: Especificaciones técnicas de la dinamo RE.0122

El motor a controlar es un motor de corriente continua de la marca Maxon con

las siguientes características técnicas:

Designación Valor

Voltaje 24 V

Potencia 15 W

Máxima velocidad 5860 rpm

Máxima eficiencia 72 %

Constante de velocidad 250 rpm/V

Tabla 3: Especificaciones técnicas del motor Maxon A-max 32





Figura 3: Conjunto motor- dinamo taquimétrica

Figura 4: Módulo de potencia

En la siguiente figura podemos observar las conexiones entre los diferentes

elementos que componen el sistema de control en lazo de cerrado.





Figura 5: Conexionado del sistema de control en lazo cerrado

4. PROGRAMACIÓN DEL CONTROL PID

El programa realizado mediante el asistente incorporado en Step7-Microwin

debe encargarse de leer el valor de la velocidad del motor, procedente de la

dinamo taquimétrica, comparar dicho valor con la referencia (velocidad

deseada) y aplicar un algoritmo de control PID a la resta de los dos valores

anteriores, (error). El resultado del algoritmo de control del error es trasladado

a la salida AQW0.

Una vez elegida la opción “Asistente PID” llegamos a la pantalla donde se

configurarán los parámetros iniciales del controlador:

- Límites de la consigna de referencia: Se elegirán 0-1

correspondientes a la velocidad mínima y máxima del motor.

- Ganancia: Corresponde a la constante proporcional del

controlador.

- Tiempo de acción integral: Corresponde a la constante integral

del regulador. Los valores son inversamente proporcionales al

efecto.





- Tiempo de acción derivada: Corresponde a la constante

diferencial del regulador. Los valores son directamente

proporcionales al efecto.

Figura 6: Configuración de los parámetros del controlador

En la siguiente pantalla se configuran la entrada y salida del sistema en lazo

cerrado estableciendo el escalamiento, (unipolar en este caso), los limites

inferior y superior (0 y 32768), y el tipo de salida (analógica).

Figura 7: Configuración de la entrada y salida analógicas





En las siguientes pantallas se posibilitan la habilitación de alarmas, se

requiere el área de memoria de cálculo (VB0), y se solicitan los nombres para

las rutinas de inicialización e interrupción PID.

Hasta aquí el asistente PID, ya solamente resta programar en un segmento la

subrutina de inicialización.

Figura 8: Llamada a la subrutina de inicialización

Los parámetros requeridos para la programación de la subrutina de

inicialización son:

- Entrada de habilitación EN: Se habilitará con la marca especial

SM0.0.

- Output: Corresponde a la salida analógica AQW0.

- PV_I: entrada analógica AIW0.

- Setpoint: Área de memoria donde se registrarán los valores de la

consigna de referencia.

Para terminar se necesita establecer en una tabla de estado las direcciones

de los parámetros necesarios para definir el sistema de control en lazo

cerrado:

PID0_SP Referencia VD4

PID0_Output Acción de control VD8

PID0_Gain Ganancia VD12

PID0_SampleTime Periodo de muestreo VD16





PID0_I_Time Tiempo integral VD20

PID0_D_Time Tiempo derivativo VD24

Tabla 4: Especificaciones en la tabla de estado

En esta tabla se pueden modificar los parámetros para comprobar el

funcionamiento del sistema y tratar de optimizar el mismo en busca de un

sistema estable bajo control.

5. PRUEBA Y OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA

Para comenzar empezamos estableciendo unos parámetros para los cuales

el sistema a 500 rpm (Ref. = 0.5) no sea estable. Para ello se han

establecido:

GANANCIA 4

TIEMPO DE MUESTREO 0.05

TIEMPO DE ACCIÓN INTEGRAL 9999999

TIEMPO DE ACCION DERIVADA 0

Tabla 5: Parámetros iniciales

En esta primera configuración podemos observar como el controlador carece

de acción integral y derivativa. Solamente se ha tenido en cuenta la acción

proporcional la cual produce una señal proporcional a la desviación de la

salida del proceso respecto al punto de consigna.

La grafica de la velocidad de salida se caracterizará por una disminución del

error en estado estacionario, un aumento de la velocidad de repuesta del

proceso y un aumento de la sobreoscilación y oscilaciones. Estas variaciones

son proporcionales a la ganancia establecida.





Para optimizar el sistema y conseguir una perfecta regulación a 500 rpm se

han realizado diferentes experimentos hasta llegar a los siguientes

resultados:

Tabla 6: Parámetros optimizados

En la configuración final se ha utilizado una acción integral que elimina el

problema del error en estado estacionario frente a perturbaciones de carga

constante así como el error en régimen permanente.

En este caso con la acción derivativa no se mejoraba el amortiguamiento del

sistema oscilatorio por lo que se ha eliminado estableciendo el parámetro Td

en 0. Por lo tanto el controlador a utilizar en este caso sería un PI.

GANANCIA 1

TIEMPO DE MUESTREO 0.05

TIEMPO DE ACCIÓN INTEGRAL 2000

TIEMPO DE ACCION DERIVADA 0





BIBLIOGRAFÍA

Martín, Juan Carlos; García, María Pilar. “Automatismos industriales.”,

Editex, Madrid, 2009.

Alfonseca, Manuel. “Teoría de autómatas y lenguajes formales”,

McGraw Hill, Madrid, 2007.

Mandado Pérez, Enrique; Pérez López, Serafín. “Autómatas

programables: Entorno y aplicaciones”, Paraninfo, lugar, 2004.

INTERNET:http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/autom

atizacion/simatic/Documents/S7200ManualSistema.pdf, 2013.

http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/S7200ManualSistema.pdf

http://www.swe.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/S7200ManualSistema.pdf