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Un Controlador Lógico Programable ó PLC (Programmable Logic Controller, por sus siglas en inglés), se puede definir como un aparato electrónico/digital con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones, permitiendo la implementación de funciones específicas como: lógica, secuencias, temporizado, conteo, aritmética, con el objeto de controlar máquinas y procesos. Éste dispositivo fue inicialmente introducido en 1970 y se ha sido refinando con nuevos componentes electrónicos, tales como microprocesadores de alta velocidad, agregándole funciones especiales para el control de proceso más complejos. Hoy los controladores programables son diseñados usando lo último en diseño de microprocesadores y electrónica lo cual proporciona una mayor confiabilidad en su operación para aplicaciones industriales donde existe peligro debido al medio ambiente, repetibilidad alta, temperaturas altas, ruido eléctrico, suministro de potencia eléctrica no confiable, vibraciones mecánicas, etc.

Los PLC están adaptados para un amplio rango de tareas de automatización. Estos son típicos en procesos industriales de manufactura donde el costo de desarrollo y mantenimiento de un sistema de automatización es relativamente alto contra el costo de la automatización, y donde van a existir cambios durante toda su vida operacional. Los PLC´s contienen todo lo necesario para manejar cargas altas de potencia; se requiere poco diseño eléctrico y el problema de diseño se centra en expresar las operaciones y secuencias en la lógica de escalera (o diagramas de funciones). Las

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aplicaciones de PLC son normalmente hechas a la medida del sistema, por lo cual el costo del PLC es bajo comparado con el costo de la contratación del diseñador para un sistema específico que sólo se va a usar una sola vez. Por otro lado, en caso de productos de alta producción, los sistemas de control a la medida se amortizan por si solos rápidamente debido al ahorro en los componentes, lo cual puede ser una buena elección en vez de una solución "genérica".

Los PLC´s pueden incluir lógica computacional para implementar ciclos analógicos, “proporcionales,

integrales y derivativos”, mejor conocidos como controladores PID; por ejemplo un control PID podría

ser usado para controlar la temperatura en procesos de fabricación. Históricamente, los PLC’s fueron

configurados con sólo unos pocos ciclos de control analógico, para los procesos en donde se requieren cientos ó miles de ciclos se emplean los sistemas de control distribuido DCS (Distributed Control System, por sus siglas en inglés).

A menudo en un proceso puede haber miles de entradas y salidas, tanto analógicas como digitales, por ello los PLC´s con forma de rack cuentan con puertos para módulos con procesadores y módulos de entrada/salida (E/S) separados y opcionales, que pueden llegar a ocupar varios racks. A veces, se usa un puerto serie especial de E/S para que algunos racks puedan estar colocados a una distancia larga del procesador, reduciendo el costo de cables en grandes empresas. Los PLC´s actuales pueden comunicarse mediante diversos tipos de comunicaciones, tales como, RS-485, coaxial, e incluso Ethernet, para el control de las E/S con redes a velocidades de 100 Mbps.

Los PLC usados en grandes sistemas de E/S tienen comunicaciones “par a par” ó “P2P” (peer to

peer, por sus siglas en inglés) entre los procesadores. Esto permite separar partes de un proceso complejo para tener controles individuales mientras se permita a los subsistemas comunicarse mediante links. Estos links son usados a menudo por dispositivos ó interfaces hombre maquina HMI (Human Machine Interface, por sus siglas en inglés), como teclados ó estaciones de trabajo basados en computadoras personales.

El número medio de entradas de un PLC es 3 veces el de salidas, tanto en analógico como en

digital, esto depende de cada fabricante y del modelo del dispositivo. Las entradas “extra” surgen de

la necesidad de tener métodos redundantes para controlar apropiadamente los dispositivos, y de necesitar siempre más controles de entrada para satisfacer la retroalimentación de los dispositivos conectados.

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Los primeros PLC´s fueron diseñados para ser usados por electricistas que podían aprender a

programar los PLC´s en el trabajo. Estos PLC´s eran programados con “lógica de escalera” ("ladder

logic"). Los PLC´s modernos pueden ser programados de muchas formas, desde la lógica de escalera hasta lenguajes de programación tradicionales como el BASIC ó C. Otro método es usar la lógica de estados (State Logic), un lenguaje de programación de alto nivel diseñado para programas PLC basándose en los diagramas de transición de estados.

Recientemente, la norma internacional IEC 61131-3 se está volviendo muy popular. Ésta norma define cinco lenguajes de programación para los sistemas de control programables: diagrama de

bloques “FBD” (Function Block Diagram, por sus siglas en inglés), diagrama de escalera “LD”

(Ladder Diagram, por sus siglas en inglés), texto estructurado “ST” (Structured Text, por sus siglas

en inglés) éste lenguaje es similar al lenguaje de programación Pascal, lista de instrucciones “IL”

(Instruction List, por sus siglas en inglés) y gráfico de funciones secuenciales “SFC” (Sequential

Function Chart, por sus siglas en inglés) ó “graphset”.

Mientras que los conceptos fundamentales de programación para PLC´s son comunes para todos los fabricantes, las diferencias en el direccionamiento de E/S, la organización de la memoria y el conjunto de instrucciones hace que los programas de los PLC´s nunca se puedan usar entre diversos fabricantes. Incluso dentro de la misma línea de productos de un sólo fabricante, diversos modelos pueden no ser directamente compatibles.

Las formas en las que los PLC intercambian datos e información con otros dispositivos son muy variadas. Típicamente un PLC puede tener integrado puertos de comunicaciones seriales que pueden cumplir con distintos estándares de acuerdo al fabricante. Estos puertos pueden ser de los siguientes tipos:

 RS232C

 RS485

 RS422

 Ethernet

Sobre estos tipos de puertos de hardware, las comunicaciones se establecen utilizando algún tipo de protocolo ó lenguaje de comunicaciones. En esencia, un protocolo de comunicaciones define la

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manera como los datos son empaquetados y codificados para su transmisión. Los protocolos más conocidos son:

 Modbus

 CANBus

 Profibus

De acuerdo a su estructura los PLC´s, pueden ser compactos ó modulares como se muestra en la figura 1.23. En el primer caso las interfaces de E/S son limitadas y el PLC no permite expansiones, generalmente son dispositivos de bajo costo. Para el segundo caso, el PLC admite la configuración de hardware que esté disponible para cada línea de productos correspondiente, y puede ser reconfigurado por medio de la incorporación ó eliminación de módulos extraíbles.

Figura 1.23. PLC Compacto y PLC Modular.

1.6 Motores de Inducción

El motor de inducción es una de las máquinas electromecánicas giratorias de corriente alterna más empleadas, cuyas corrientes se generan debido al acoplo magnético entre estator y rotor, estas máquinas se caracterizan por su robustez, seguridad y fácil mantenimiento. Las máquinas de inducción trabajan normalmente con un sistema de alimentación trifásico en el estator, aunque también pueden encontrarse máquinas de una y dos fases.

El motor de inducción recibe éste nombre debido a que al igual que un transformador, opera bajo el principio de inducción electromagnética. Éste tipo de motores nunca llegan a trabajar a su velocidad

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sincrónica, por ello también se les conoce como motores asíncronos. Están basados en el accionamiento de una masa metálica por la acción de un campo magnético. Están formados por dos armaduras con campos giratorios coaxiales: una es fija (estator), y la otra móvil (rotor). De acuerdo con el número de fases del estator, los motores de inducción se clasifican en monofásicos, bifásicos y trifásicos; y por el tipo de rotor se pueden clasificar en rotor jaula de ardilla y de rotor devanado. El devanado del rotor conduce la corriente que se produce por inducción desde el devanado del estator conectado directamente, la parte móvil consiste en conductores de cobre ó aluminio vaciados en un rotor de laminaciones de acero. Se instalan anillos terminales de cortocircuito en ambos

extremos de la “jaula de ardilla” ó bien en uno de los extremos en el caso del rotor devanado. Los motores de inducción de rotor devanado son menos utilizados, debido a su costo ya que requieren de más mantenimiento que los de jaula de ardilla.

1.6.1 Funcionamiento del Motor de Jaula de Ardilla

En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje, que internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio ó de cobre con hendiduras y conectados en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. La base del rotor se construye de un apilado hierro de laminación. Los devanados inductores en el estator inducen al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre éste campo y la rotación del rotor induce un flujo de corriente eléctrica en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor, produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. Éste motor es de gran utilidad cuando se emplean variadores de velocidad.

1.6.2 Control de Velocidad en Motores Trifásicos

Los accionamientos a base de motores eléctricos son los más empleados en la mayoría de las aplicaciones, y dentro de ellos los basados en motores de corriente continua han tenido una total hegemonía en el campo industrial durante décadas. Sin embargo, los motores con menor nivel de exigencias en el mantenimiento son los motores asíncronos de jaula de ardilla, debido a que carecen de colector, tienen una relación peso-potencia mucho menor que los de continua, y por tanto un costo significativamente más bajo. Por estas razones, dada su capacidad de soportar sobrecargas y

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su rendimiento alto, es el motor más atractivo para la industria. Desde hace aproximadamente 20 años, el elevado desarrollo de la electrónica de potencia y los microprocesadores ha permitido generar un control de la velocidad de giro en estos motores, de una forma rápida, robusta y confiable, a partir de dispositivos reguladores de velocidad.

La elección de la instalación de un regulador de velocidad (variador de frecuencia) como método de control en un motor asíncrono supone:

 Reducción del consumo de energía eléctrica.

 Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad de los procesos

productivos.

 Minimizan las pérdidas en las instalaciones.

 Ahorro en mantenimiento (el motor trabaja siempre en las condiciones óptimas de

funcionamiento).

1.6.2.1 Variador Electrónico de Velocidad

El variador de velocidad VSD (Variable Speed Drive, por sus siglas en inglés) es un dispositivo ó conjunto de dispositivos mecánicos, hidráulicos, eléctricos ó electrónicos empleados para controlar la velocidad de giro de maquinaria, especialmente de motores. También es conocido como control de velocidad ajustable ASD (Adjustable Speed Drive, por sus siglas en inglés). Un variador electrónico de velocidad como el que se muestra en la figura 1.24.

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Internamente está formado por circuitos eléctricos y electrónicos que incorporan transistores de potencia como el transistor bipolar de puerta aislada IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, por sus siglas en inglés) ó tiristores, siendo el principio básico de funcionamiento transformar la energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia variable.

Los controladores de frecuencia variable de estado sólido, constan de un rectificador que convierte la corriente alterna de la línea de alimentación a corriente directa y de una segunda sección llamada inversor que convierte la corriente directa en una señal de corriente alterna de frecuencia ajustable que alimenta al motor, de forma general, los componentes básicos de un variador de frecuencia se muestran en la figura 1.25.

Figura 1.25. Componentes de un Variador de Frecuencia.

Ésta variación de frecuencia se consigue mediante dos etapas en serie. Una etapa rectificadora que transforma la corriente alterna en continua, con toda la potencia en el llamado circuito intermedio y otra inversora que transforma la corriente continua en alterna, con una frecuencia y una tensión eléctrica regulables, que dependerán de los valores de consigna. La función del rectificador es convertir la señal de voltaje de alimentación de corriente alterna a corriente directa y controlar la tensión eléctrica al inversor para mantener constante la relación V/Hz, en la figura 1.26 se muestran los métodos básicos más usados.

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Figura 1.26. Métodos Utilizados para Rectificar la Corriente Alterna.

El inversor utiliza dispositivos de potencia (ver figura 1.27) de estado sólido que son controlados por un microprocesador para conmutar la tensión eléctrica del bus de corriente directa y producir una señal de corriente alterna de frecuencia ajustable para alimentar al motor.

Figura 1.27. Rectificador e Inversor de Seis Pasos.

Para variar la frecuencia del motor, se ajusta el tiempo de conducción de los rectificadores

controlados de silicio SCR’s (Silicium Controlled Rectifier, por sus siglas en inglés) para cada uno de los seis pasos, modificando el tiempo del ciclo. La tensión eléctrica de corriente directa se ajusta

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circuitos complejos de conmutación y que incluye la lógica de disparo y componentes adicionales de

potencia para apagarlos que constan de capacitores, inductores y SCR’s adicionales. Ésta

complejidad se reduce cuando se utilizan tiristores de compuerta desactivable GTO’s (Gate Turn Off

thyristor, por sus siglas en inglés) ó IGBT’s como interruptores de potencia.

El inversor de modulación de ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulator, por sus siglas en inglés),

como se muestra en la figura 1.28, consiste de seis IGBT’s que se encienden y apagan en una

secuencia tal que producen una tensión eléctrica en forma de pulsos cuadrados que alimentan al motor. Para variar la frecuencia del motor, el número de pulsos y su ancho se ajustan resultando en un tiempo de ciclo mayor (frecuencia baja) para bajar la velocidad ó tiempo de ciclo menor (frecuencia alta) para subir la velocidad. Para cada frecuencia específica hay un número óptimo de pulsos y anchos que producen la menor distorsión armónica en la corriente que se aproxime a la señal con forma senoidal. El cambio de tensión eléctrica requerido para mantener la relación V/Hz constante conforme varía la frecuencia, se realiza por medio del microprocesador de propósito dedicado que controla el ancho de los pulsos y los demás parámetros para conseguir un adecuado funcionamiento. La distorsión armónica afecta los aislamientos del motor, incrementa su ruido audible y eleva el calentamiento entre un 5% y un 15% dependiendo del diseño del fabricante y velocidad de operación.

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Los variadores de velocidad de tipo flujo vectorial, VFD (Vectorial Flow Drive, por sus siglas en inglés) de corriente alterna han estado limitados a aplicaciones de par normal, mientras que las aplicaciones de par alto y velocidad baja han sido el dominio de los motores de corriente directa. Ésta situación ha cambiado por la introducción de una nueva generación de la tecnología PWM, el variador de flujo vectorial. El método de control de par usado en el VFD de flujo vectorial es similar al usado en los de corriente directa, que incluyen un amplio intervalo de velocidades con una respuesta rápida.

Éste variador tiene la misma sección de potencia que los PWM, pero usa un control de lazo cerrado sofisticado del motor al microprocesador del variador de frecuencia. La posición y velocidad del rotor es monitoreada en tiempo real a través de un codificador digital que determina y controla la velocidad, par y potencia del motor. Al controlar la sección de inversión en respuesta a las condiciones actuales de la carga en tiempo real, se obtiene un control excelente del par, velocidad y potencia, así como una rápida respuesta a los cambios de carga y se consigue proporcionar el 100 % de par a velocidad 0.

La gran mayoría de fabricantes tienen VFD con tecnología enfocada al control de par más que al control de velocidad. El objetivo es controlar el par del motor en lugar de la velocidad y por lo tanto, tienen respuestas más rápidas y precisas a las variaciones del par demandado por la carga. Para

lograr esto, el variador “explora” al motor haciendo un auto-reconocimiento (autotuning), en el que le inyecta corriente eléctrica y tensión eléctrica para determinar su comportamiento, creando un algoritmo interno ó modelo de sus características de funcionamiento para controlarlo de forma más adecuada. El reconocimiento del motor se puede realizar con carga y sin carga y al concluir se guarda en la memoria del VFD un algoritmo de las características de funcionamiento del motor con el que se va a trabajar quedando respaldado incluso cuando se desconecta totalmente. Durante la operación, el modelo recibe la información de la corriente que el motor demanda en sus 3 fases, los valores de tensión eléctrica del bus de corriente directa y el estado de los transistores de potencia IGBT. Con estos datos se calcula el flujo magnético en el estator, el par, la frecuencia y la velocidad de cada ciclo. El modelo estima la resistencia en el estator, obteniendo éste valor mediante la comparación de los datos obtenidos de la identificación inicial y en la subsecuente operación del mismo.

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La diferencia en la operación del inversor comparada con la tecnología PWM radica en que el PWM tiene una frecuencia de conmutación fijada de acuerdo a las necesidades, mientras que en los VFD recientes la frecuencia de conmutación se modifica de acuerdo con las necesidades de par de la carga. Éste tipo de VFD es ideal para aplicaciones de una complejidad mayor, que generalmente se controlan con motores de corriente directa como extrusoras, grúas, elevadores, máquinas de papel, molinos, entre otras.

En todas las aplicaciones de VDF anteriormente descritas, hay que tener en cuenta el calentamiento que pueda llegar a sufrir el motor al disminuir la velocidad del ventilador de enfriamiento acoplado al mismo en la parte posterior. Si el motor va a trabajar en intervalos de velocidad de 0 a 30 Hz durante periodos prolongados, se recomienda instalar ventilación extra a la del motor para asegurar el enfriamiento adecuado.

1.7 Sistemas de Control

Los sistemas de control electrónicos se definen como la interacción de dispositivos eléctricos ó electrónicos que están permanentemente capturando señales de estado del sistema bajo su control y que al detectar una desviación de los parámetros pre-establecidos del funcionamiento normal del sistema, interactúan mediante sensores (instrumentación), actuadores (variadores de velocidad, por mencionar alguno) y/o controladores (PLC´s, por ejemplo) con el fin de llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales óptimas de funcionamiento. Estos sistemas pueden clasificarse según su comportamiento en dos tipos:

Sistemas de Control en Lazo Abierto: Los sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, se denominan sistemas de control de lazo abierto. En otras palabras, en un sistema de control de lazo abierto la salida ni se mide ni se retroalimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo práctico lo constituye una lavadora de ropa doméstica. El remojo, lavado y enjuague en la lavadora se cumplen por tiempos. La máquina no mide la señal de salida, es decir, la limpieza de la ropa.

En cualquier sistema de control de lazo abierto, no se compara la salida con la entrada de referencia. Por tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema