Diseño de Un Plc Con Microcontrolador
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GUÍA PARA LA PRESENTACIÓN DE PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN
INFORMACION GENERAL DEL PROYECTO
Título del
proyecto:
Diseño De Un PLC Con Microcontrolador
Área de
Investigación:
Tecnología y Sociedad
Línea de
Investigación:
Mecatrónica
Sede
ITC:
Santander de Quilichao
Lugar de ejecución del
proyecto:
Santander de Quilichao
Duración del proyecto (en
meses):
6
Valor total del
proyecto:
$ 500.000
Tipo de Proyecto: Investigación Básica ( )
Investigación aplicada ( )
Desarrollo tecnológico ( X )
INFORMACIÓN GRUPO(S) DE INVESTIGACIÓN
Nombre Grupo(s) de
Investigación:
Programas académicos al que
pertenece(n):
Tecnología en Maquinaria
Clasificación
Colciencias:
A1( ) A( ) B( ) C( )
D( )
No clasificado(s) ( )
Nombre del semillero de
investigación que apoya el
proyecto:
INFORMACIÓN SEMILLERO(S) DE INVESTIGACIÓN
Nombre semillero(s) de
investigación:
SICA
Programas académicos al que
pertenece(n):
Maquinaria e Instrumentación Industrial
INFORMACIÓN DE INVESTIGADORES
Nombre del investigador principal y responsable del
proyecto:
Cristian David Mera
Cargo o posición
actual:
Estudiante
Formación
académica:
Tecnólogo en maquinaria e instrumentación industrial
Tipo de vínculo con
ITC:
Docente ( ) Estudiante ( X )
Programa académico al que
pertenece:
Tecnología en Maquinaria e Instrumentación
Industrial (V)
Documento de
Identidad:
1.061.435.286
Dirección: Crucero de gualí
Teléfono / 3206150950
Celular:
E-
mail:
Número total de investigadores en el
proyecto:
2
Nombre de Investigador: Juan Carlos BuitrónEntidad donde labora:Cargo o posición actual:
Estudiante
Formación académica:
Tecnólogo en maquinaria e instrumentación industrial
Tipo de vínculo con ITC:
Docente ( ) Estudiante ( x ) Otro ( )
Programa académico al que pertenece:
Maquinaria instrumentación industrial (V)
Documento de Identidad:
93.080.400.401
Dirección: El guácimo Caloto
Teléfono / Celular:
3146154088
E-mail:
RESUMEN
Un PLC es un controlador programable de procesos secuenciales en tiempo real, que está orientado principalmente a aplicaciones industriales o domóticas, dadas las prestaciones y características eléctricas que poseen. En un nivel similar al de los PLC se encuentran los microcontroladores, que son circuitos integrados que ejecutan instrucciones de forma secuencial, de la misma manera que lo hacen los PLC, de esta forma pueden ser programados también para tareas de control o monitoreo de procesos industriales. Es evidente, que al tratarse de un circuito integrado de bajo costo, las limitaciones eléctricas e interfaces de potencia que tiene los microcontroladores, no son las más adecuadas para ambientes industriales. Es este orden de ideas el presente anteproyecto plantea una propuesta orientada al diseño y construcción de un PLC basado en un microcontrolador PIC, lo que implica el diseño de las interfaces de entrada y los circuitos de potencia para las salidas, la idea es diseñar un Controlador industrial de bajo costo, con características similares a las de un PLC de gama baja-media, aprovechando de esta forma las múltiples ventajas que ofrecen los microcontroladores.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Es evidente que la incursión de los PLC en la industria ha sido por mucho exitosa, esto debido al optimo desempeño en ambientes industriales y a su flexibilidad en cuanto al control y adaptación en diversos tipos de plantas y procesos. Pero de igual el costo de estos equipos de control, es significativamente alto comparado con el costo de un microcontrolador con un número de entradas y salidas mayor y que acondicionado de forma adecuada puede brindar las mismas prestaciones que un PLC.
El prototipo contará al igual de un PLC, con entradas y salidas digitales tipo relé, además de contar con entradas analógicas y por lo menos una salida PWM para el control proporcional de cargas AC.
La continua y necesaria optimización de los procesos industriales prácticamente obliga a las grandes, pequeñas y medianas empresas automatizar los procesos de producción, mejorando de esta forma su calidad y costes de producción. Unos de los grandes inconvenientes para las pequeñas empresas es el costo de los equipos de automatización. Para el caso particular de Unicomfacauca, en vista del gran crecimiento del número de proyectos en el área de automatización gracias a diplomado en automatización, se ve disminuida la disponibilidad de los controladores industriales para las prácticas de laboratorio y proyectos ABP. De esta forma el proyecto se visualiza como una buena alternativa para las pequeñas empresas, hogares en aplicaciones domóticas y desde luego el laboratorio de automatización Industrial de Unicomfacauca.
JUSTIFICACIÓN
Con este proyecto se pretende diseñar un controlador industrial de muy bajo costo, que puede ser programado con software gratuito, brindando de esta forma una alternativa al laboratorio de automatización de Unicomfacauca y por qué no a pequeñas empresas o aplicaciones domóticas que requieran de equipos de automatización de bajo costo. Todo esto sin dejar de mencionar el fortalecimiento del programa en el área de microcontroladores orientados al control de procesos industriales como una alternativa a los PLC.
ESTADO DEL ARTE
La revisión del estado del arte, muestra el resultado de muchas tesis de grado de estudiantes de diversas partes del mundo, que han dado solución a diversos proyectos de automatización con dispositivos de control industrial diseñados con microcontroladores PIC. De igual empresas dedicadas a la venta de soluciones domóticas e industriales con este tipo de controladores.
Base BMF877A-9E7SR-DB15 [1]
Figura 1. Controlador Industrial con PLC de la empresa AEB
Este diseño (ver Figura 1) fue desarrollador por la empresa argentina AEB sistemas como controlador genérico orientado a necesidades domóticas o industriales. Y tiene un costo aproximado de $180.000
Características:
Microprocesador PIC16F877A. 9 entradas digitales 7 salidas a relé, máximo 7A, para CA o CC, conexión NA o NC. Alimentación 12Vcc, 3A. Conector DB15 hembra, de expansión. LED de encendido. Programación en C o Assembler. PIC16F877A
Control utilizando un PLC hecho con un PIC trabajando en aplicación con dsPIC [6]
Se trata de un proyecto de grado desarrollado en Ecuador. En este se diseña como parte del proyecto un PLC basado en microcontroladores, que se encarga de controlar una máquina de llenado de botellas.
Características:
Control PID Salida PWM Pantalla LCD para visualizar datos 7 Entradas digitales Usa un teclado matricial para el set point del PID Salidas Tipo transistor y Relé PIC16F877
Autómata programable de 8 E/S basado en microcontrolador PIC16F84 [4]
Figura 2. Autómata de 8 E/S
Este es un proyecto (Figura 2) realizado en España, en donde se diseña un módulo de control de propósito general, el punto fuerte de entre proyecto es el diseño de Macros para interpretar instrucciones estándar usadas en autómatas y convertirlas en lenguaje ensamblador.
Características:
8 entradas digitales 8 salidas tipo relé PIC16F84 Se usa MPLAB con Macros para programar el PIC
Diseño de un PLC con un microcontrolador para una sistema neumático [5]
Figura 3. PLC con microcontrolador para sistema electroneumático
Este proyecto fue realizado en la universidad de Ibagué, y se usó para controlar un sistema electroneumático con lenguaje ensamblador
Características
4 entradas analógicas 4 salidas tipo relé Se usa MPLAB para programar el PIC PIC16F84A
Después de revisar el estado del arte en materia de estudio, se encuentran múltiples diseños tanto comerciales, como académicos concebidos como controladores secuenciales genéricos y en algunos casos diseñados para controlar procesos específicos. Se puede visualizar que en su mayoría usan Lenguaje C y ensamblador como lenguaje de programación y comúnmente se usan solo entradas digitales y salidas tipo relé, que son las más sencillas de implementar. Para el caso específico de este proyecto se propone también implementar por lo menos una salida PWM y entradas analógicas que permitan realizar controles más eficientes sobre los procesos que los requieran.
OBJETIVOS
Objetivo general
Diseñar un módulo de control industrial basado en un microcontrolador PIC
Objetivos específicos
- Seleccionar el número de puertos de entrada y salida y las características de cada uno
- Seleccionar el software de programación adecuado- Diseñar y simular los circuitos de entradas y salidas- Diseñar el circuito impreso adecuado- Validar el funcionamiento de módulo de control- Documentar los resultados obtenidos
MARCO TEÓRICO
El microcontrolador
Es un circuito integrado que contiene una unidad de procesamiento central o microprocesador, memoria de datos, una para Instrucciones y múltiples periféricos. Su funcionamiento se determina por el programa que se almacena en la memoria de instrucciones, este programa es comúnmente desarrollado en Ensamblador o en compiladores de más alto nivel como C o Basic. Una de las grandes ventajas de los microcontroladores es su reprogramación, lo que los hace una herramienta esencial en el diseño de circuitos electrónicos o de control. En la figura 4 se puede observar un microcontrolador PIC16F877.
Figura 4. Microcontrolador PIC16F877 [3]
Un microcontrolador promedio cuenta típicamente con los siguientes periféricos:
- Conversores análogos – Digitales- Entradas y salidas digitales- Temporizadores- Contadores- Puertos de comunicación USB, serial, Modbus, Can, Ethernet entre otros- PWM
Esto los convierte en elementos idóneos para para el control de procesos secuenciales. Aunque para ello se deban acondicionar las señales de entrada y salida por medio de interfaces de potencia para las salidas o circuitos de acondicionamiento de señal para el caso de los sensores.
Acondicionamiento de señal con AO
Las señales provenientes de sensores regularmente se deben procesar para la correcta operación de los dispositivos de control, estas, dependiendo del tipo
de sensor que las genere pueden necesitar uno o varios procesos de acondicionamiento. Entre los procesos más comunes se encuentran
Amplificación:
La señal producto de un sensor en algunos casos es muy pequeña comprada con el rango de voltajes del controlador o la resolución del mismo, en este caso esta seña debe ser amplificada, un circuito típico para esta función se observa en la Figura 5. Suele ocurrir también el caso contrario, y es cuando una señal tiene un tamaño mayor al máximo valor del rango de entrada de un equipo de control. En este caso, esta señal de ser reducir
Figura 5. Amplificador Inversor
Filtrado:
Sin excepción todas las señales siempre están contaminadas por ruido, comúnmente a una frecuencia diferente a la frecuencia de la señal, para estos casos se deben usar filtros que eliminen las componentes frecuenciales no deseadas de la señal proveniente del sensor, la figura 6 muestra un ejemplo de un filtro analógico pasa bajo de primer orden.
Figura 6. Filtro pasa bajo de orden 1
Conversor de corriente a Voltaje
Este tipo de acondicionamiento se usa normalmente cuando se tiene una señal de corriente proveniente de un sensor y se requiere conectar a una entrada de voltaje de un controlador llámese PLC o microcontrolador que no tenga entradas de corriente. La figura 7 muestra un ejemplo de un conversor básico de corriente a voltaje
Figura 7. Convertidor de corriente a voltaje
Relevos electromecánicos
Es un componente electromecánico que funciona como un switch controlado por una bobina (ver Figura 8) que constituye un electroimán de bajo consumo de corriente y voltaje, este puede accionar uno o varios contactos dependiendo del tipo de relevo. Estos contactos pueden soportar voltajes típicamente hasta de 600v y corrientes de varias decenas de amperios.
Entre sus principales ventajas están:
- Bajo costo
- Circuito de control sencillo
- Manejan grandes corrientes y voltajes entre sus contactos
- Garantiza un aislamiento entre el circuito de control y el de potencia
Sus principales desventajas son:
- Desgaste mecánico
- Producen ruido cuando conmutan sus contactos
- Tamaño relativamente grande
- La frecuencia de conmutación es baja
Figura 8. Relevo electromecánico [8]
Relevos de Estado solido
Llamados así porque no hacen uso de componentes mecánicos para la conmutación, se le suele llamar relé de estado sólido al circuito compuesto por:
- Circuito Aislador: es un circuito que crea un aislamiento entre el circuito de control y el circuito de potencia, regularmente se usan opto acopladores como circuitos de aislamiento. En la figura 9 se aprecian dos tipos de optoacopladores, uno que hace uso de un TRIAC y el otro de un transistor
Figura 9. Optoacopladores
- Circuito de salida: este depende de tipo de carga que se va a instalar, entre los más comunes se encuentran: TRIAC para cargas de corriente alterna y MOSFET o transistor bipolar para cargas de corriente continua
Adicional a estos en algunos casos se usan detectores de cruce por cero cuando se requieren controlar cargas de corriente alterna, estos sirven para sincronizar la señal de control que entra al Relevo con la señal de corriente alterna de la carga.
Circuito PWM (Modulación por Ancho de Pulso)
Un PWM modula el ancho de pulso o ciclo de una señal cuadrada es decir, el tiempo de para el que la señal vale “1” y el tiempo para el que la señal val “0”. Todo esto sin modificar la amplitud ni la frecuencia de la misma.
Este tipo de modulación se usa regularmente para controlar el valor promedio de voltaje de AC o DC que recibe una carga. La señal PWM típicamente se usa para controlar un Relé de estado sólido debido a que usa frecuencias que un relevo electromecánico no es capaz de soportar.
Figura 10. Relación de ciclo útil vs voltaje promedio [2]
En la figura X se muestra un ejemplo en donde se relaciona el promedio de voltaje que suministra a un motor DC vs ancho de pulso. Se ve claramente que la figura 10.a tiene un ancho de punto (Tiempo de la señal en “1”) mayor que la figura 10.b por lo tanto el voltaje de DC es mucho mayor en el primero. Para el caso de un ancho de pulso del 100% es decir en donde todo el tiempo la señal vale “1”, el voltaje promedio de DC que recibe el motor serial igual al voltaje DC de la fuente. Para el caso donde el ciclo útil es de 0% el voltaje promedio de DC que recibe el motor seria de 0. Permitiendo de esta forma el control de velocidad del motor por medio de la señal PWM.
METODOLOGÍA
Objetivo específico 1
- Seleccionar el número de puertos de entrada y salida y las características de cada uno
Actividad 1: se seleccionara el microcontrolador a usar
Actividad 2: se seleccionará el número y el tipo de entradas y salidas para el diseño, para este primer prototipo se tendrá en cuenta las necesidades del laboratorio de automatización de Unicomfacauca.
Objetivo específico 2
- Seleccionar el software de programación adecuado
Actividad 3: revisión y selección del software de programación a usar en el diseño, este debería ser gratuito.
Objetivo específico 3
- Diseñar y simular los circuitos de entradas y salidas
Actividad 4: se realiza el diseño de los circuitos de acondicionamiento de las señales de entrada, analógicas como digitales. De igual forma se realizará el diseño de los circuitos de potencia de salida, estos son: los tipo relé y el PWM.
Actividad 5: haciendo uso de un simulador de circuitos electrónicos se validará el funcionamiento de los circuitos de acondicionamiento de entrada y los circuitos de potencia de salida.
Objetivo específico 4
- Diseñar el circuito impreso adecuado
Actividad 6: luego de validar el funcionamiento en el simulador, se procederá a montar las interfaces de entrada y salida en una protoboard, para validar el funcionamiento real.
Actividad 7: En este punto se diseñará una tarjeta de circuito impreso que será la que finalmente soporte el microcontrolador y la interfaces de entrada y salida
Objetivo específico 5
- Validar el funcionamiento de módulo de control
Actividad 8: con el prototipo ya terminado, se diseñará una estrategia de control sencilla para la banda transportadora del laboratorio de automatización de Unicomfacauca sede Santander.
Objetivo específico 6
- Documentar los resultados obtenidos
Actividad 9: escribir un artículo de corte científico con los resultados del proyecto
CRONOGRAMA
ACTIVDADESMES1 2 3 4 5 6
Actividad 1 XActividad 2 XActividad 3 XActividad 4 X XActividad 5 X XActividad 6 X XActividad 7 X XActividad 8 X XActividad 9 X
PRODUCTO ESPERADO
Al finalizar el proyecto se espera entregar el prototipo de un controlador industrial tipo PLC, diseñado con un microcontrolador PIC, el prototipo contará con:
- Entradas analógica (mínimo una de voltaje o corriente)- Entradas digitales (mínimo 6)- Salidas tipo relé (mínimo 6)- Salidas tipo transistor (mínimo 2)- Una salida tipo PWM
IMPACTOS ESPERADOS
A corto plazo el impacto directo se evidencia en el laboratorio de automatización, ya que se va a nutrir con un nuevo equipo de control de bajo costo con características y prestaciones similares a las un PLC de gama baja – media. Ya que con este se pueden realizar estrategias no solo de control secuencia, sino también de control proporcional, gracias a las entradas analógicas y a las salidas tipo PWN con la que contará el diseño. Por otro lado el prototipo a largo plazo y luego de una exhaustiva validación podría ser ofrecido a pequeñas y medianas empresas como un controlador de procesos industriales de bajo costo.
PRESUPUESTO
Presupuesto global de la propuesta por fuentes de financiación (en miles de $).
RUBROS
FUENTES
TOTALUnicomfacauca
FUENTE 1FUENTE 2
PERSONAL NO FINANCIABLE
EQUIPOS 180 180
SALIDAS DE CAMPO
VIAJES 30 30
MATERIALES Y SUMINISTROS
240 240
MATERIAL BIBLIOGRÁFICO
SOFTWARE
PUBLICACIONES/ EVENTOS/
PATENTES
SERVICIOS TECNICOS
50 50
TOTAL500 500
Descripción de los gastos de personal (en miles de $), incluyendo el personal de la Institución Universitaria tecnológica de Comfacauca
NOMBRE DEL INVESTIGADOR/ AUXILIAR
FORMACIÓN
ACADÉMICA
TIPO DE VINCULACIÓN
FUNCION DENTRO DEL PROYECTO
DEDICACION
RECURSOS TOTAL
ITC Personal externo al ITC
Personal con contrato de tiempo completo
Personal con otro tipo de contratos
Dairo Facundo
Maestría en curso
TC Director 6 X 4320
Andrés Hurtado
Maestría en curso
TC Asesor 2 X 1440
TOTAL 5760
Descripción de los equipos que se planea adquirir (en miles de pesos).EQUIPO JUSTIFICACION RECURSOS TOTAL
ITC Aportes externos
Programador Microcontroladores
Dispositivo que permite la programación de microcontroladores
180 180
TOTAL180
Valoración de salidas de campo (en miles de pesos)ITEM JUSTIFICACIÓN COSTO UNITARIO TOTAL
TOTAL
Descripción y justificación de los viajes (en miles de pesos)LUGAR JUSTIFIC
ACION**PASAJES
($)
ESTADIA
($)
Días RECURSOS TOTAL
ITC Aportes Externos
Cali Viaje para realizar la compra de componentes electrónicos
30
TOTAL30
Materiales e insumos (en miles de pesos)MATERIALES E INSUMOS SUMINISTROS
JUSTIFICACIÓN VALOR
Elementos para la elaboración de la tarjeta
Componentes electrónicos necesarios para el montaje del circuito
110
Microcontroladores Dispositivo de control 40
Cables y conectores Cables y borneras para las entradas y salidas del prototipo
20
Fotocopias e internet Material de investigación 40
Protoboard Elemento básico de diseño
30
TOTAL 240
Material Bibliográfico (en miles de pesos)MATERIAL BIBLIOGRÁFICO
JUSTIFICACIÓN VALOR
TOTAL
Software (en miles de pesos)SOFTWARE JUSTIFICACIÓN VALOR
TOTAL
Publicaciones/eventos/patentes (en miles de pesos)
PUBLICACIONES/ EVENTOS/PATENTES
JUSTIFICACIÓN VALOR
TOTAL
Servicios Técnicos (en miles de pesos)SERVICIOS TÉCNICOS VALOR
Elaboración de la tarjeta
De circuitos impresos
50
TOTAL 50
BIBLIOGRAFIA
[1] AEB, Base Modular 9 entradas digitales / 7 salidas relé, [En línea]. http://www.aebsistemas.com.ar/tienda/product_info.php?products_id=43&osCsid=f4689add6e3d42d7a6cc763c69067eaf
[2] BOLTON, W., Mecatrónica: sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica. 3 ed. México: Alfaomega. 2006. 574p.
[3] ELECTRONICA MAGNABIT. MCIROCONTROLADOR 16F877A [En línea]. http://www.electronicamagnabit.com/tienda/15-microcontrolador-ic16f877-a.html
[4]Juan Manuel Rodríguez. PROYECTO DE AUTOMATA PROGRAMABLE DE 8 E/S BASADO EN EL PROCESADOR PIC 16F84 [En línea]. http://inicia.es/de/juanmarod/main.htm
[5] Monografías. Diseño de un PLC mediante un microcontrolador para un sistema electroneumático [en línea]. http://www.monografias.com/trabajos60/pcl-mediante-microcontrolador/pcl-mediante-icrocontrolador2.shtml#xdiseno
[6] QUISPE, Jorge. ALCIVAR, Richard. Control utilizando un PLC hecho con un PIC trabajando en aplicación con dsPIC. Ecuador. 2009. 98h. Trabajo de grado (Ingeniero en Electricidad). Escuela superior politécnica del litoral. Facultad en ingeniería en electricidad y computación.
[7] REITEC. Relés. [En línea]. http://www.reitec.es/web/descargas/reles.pdf
[8] WIKIPEDIA. Relé. [En línea]. http://es.wikipedia.org/wiki/Rel%C3%A9