Las máquinas automáticas que se emplean en la industria de la dosificación, de alguna u otra manera, terminan siendo diseñadas con un sistema de levas dada su naturaleza cíclica, y consecuentemente todos sus actuadores terminan siendo accionados dentro de un ciclo de funcionamiento que se corresponde con un giro completo de ese sistema de levas.
Esta es la razón por la que se necesita un sistema de sensado de la posición de estas levas para poder determinar el momento preciso en el que un actuador asociado debe actuarse. La La tecnología de hoy nos ofrece varias formas de encarar este problema pero la idea es que nos centremos en el encoder.
Introducción
El punto está en el cómo hacer para determinar el punto exacto en el cual un actuador debe accionarse y a partir de qué punto debe dejar de funcionar. Puede darse que estos puntos se deban determinar con mucha precisión para el correcto funcionamiento, además puede requerirse que la máquina funcione a diferentes diferentes velocidades de acuerdo a lo que se esté esté dosificando. Hoy vamos a hablar del uso del encoder como una herramienta que nos soluciona, en este caso, los puntos de funcionamiento de estos actuadores. Nos estamos refiriendo al accionamiento de tornillos sinfines, válvulas, sistema sistema de corte, en fin, lo que requiera la máquina para completar su ciclo de funcionamiento diseñado. Te aclaro que hoy vamos a ver su implementación a través de un ejemplo, pero su uso es totalmente general. El encoder
Es un sensor que generan señales digitales en respuesta al movimiento. Están disponibles en dos tipos, uno que responde a la rotación, y el otro al movimiento lineal. Cuando son usados en conjunto con dispositivos mecánicos tales como engranes, ruedas de medición, medición, pueden ser utilizados para medir movimientos lineales, velocidad y posición. Como para que asocies el dispositivo con los fabricantes te dejo estos links para que investigues un poco:
SIEMENS ROCKWELL
Los encoders están disponibles con diferentes tipos de salidas, uno de ellos son los encoders incrementales, que generan pulsos mientras se mueven, se utilizan para medir la velocidad, o la trayectoria de posición. El otro tipo son los encoders absolutos que generan multi-bits digitales, que indican directamente su posición actual. Los encoders pueden ser utilizados en una gran variedad de aplicaciones. Actúan como transductores de retroalimentación para el control de la velocidad en motores, como sensores para medición, de corte y de posición. También como entrada para velocidad y controles de rango. El encoder incremental
Los encoders de incremento proveen un número específico de pulsos equitativamente espaciados por revolución (PPR) o por pulgada o milímetro de movimiento lineal. Se utiliza un solo canal (canal A en la figura de abajo) de salida para aplicaciones donde el sentido de la dirección de movimiento no es importante (unidireccional). Donde se requiere el sentido de dirección, se utiliza la salida d e cuadratura (bidireccional), con dos canales ( A y B en la figura de abajo) de 90 grados eléctricos fuera de la fase; el circuito determina la dirección de movimiento basado en la fase de relación entre ellos.
Cuando se requiere más resolución, es posible para el contador computa r los márgenes de dirección y rastreo de la serie de pulsos de un canal, el cual duplica (x2) el número de pulsos contados para una rotación o milímetro de movimiento. Al contar ambos márgenes de dirección y de rastreo de ambos canales darán una resolución x4. Una salida de un encoder incremental indica movimiento. Para determinar la posición, sus pulsos deben ser acumulados por un contador. Se debe tener presente que la cuenta se pierde durante una interrupción de energía. Por esta razón cada vez que se comienza a contar, el equipo debe ser llevado a una posición de origen o referencia (“home”) para inicializar los contadores de posición. Estos encoders de incremento también producen otra señal conocida como el “índice”, “marcador”, o “canal Z”. Esta señal, producida una vez por revolución de un encoder se utiliza frecuentemente para localizar una posición específica. Como montar un encoder
Estos dispositivos están pensados para girar a velocidades altas pero tienen sus limitaciones. No hay problema de acoplarlo directamente al eje de un motor pero deben seguirse al pie de la letra las consideraciones de montaje indicadas por el fabricante. De todas maneras, en mi caso, yo siempre prefería montarlos a la salida de los reductores con la idea de usarlos a baja velocidad de manera que el desgaste que sufran sea mucho menor. Pero la ubicación del encoder a veces es única, y está dada por la topología de la máquina. De la velocidad de rotación y de la resolución del encoder, me refiero a la cantidad de pulsos por revolución, vamos a tener una idea clara de la velocidad de reacción de la entrada de PLC que va a recibir estos pulsos. Así que si ya tienes comprado el PLC debes investigar primero si va a soportar la frecuencia de la señal de salida del encoder según el lugar en el que lo fijes. Esto va a determinar la forma de montaje, directa o indirecta (a través de una relación de engranajes, por ejemplo). En el caso que se tenga la posibilidad de manejar bajas frecuencias puede darse que la conexión sea directa y no se necesite de la ayude un contador rápido para tomar los datos de cuenta del encoder.
Los filtros de entradas rápidas del PLC
Vamos a hablar de este tema porque se simplifica la programación al no necesitar la implementación de un contador rápido, del que vamos a hablar un poco más abajo, para tratar un señal proveniente de un encoder que gira a baja velocidad y/o tiene poca resolución, dando como resultado frecuencia de señales que si pueden ser manejadas por una señal más de entrada al PLC, siempre y cuando se tenga en cuenta el valor ajustado en tiempo del filtro de esa entrada. En las entradas digitales de un PLC, y para suprimir las perturbaciones acopladas a la señal digital, se ajusta un retardo a las entradas. De esta manera las perturbaciones que se den dentro del tiempo ajustado como filtro de entrada no son consideradas. Así que si se considera que la señal que va a entrar a una determinada entrada digital va a ser relativamente rápida se debe corroborar que su frecuencia de conmutación sea lo suficientemente lenta de manera que no sea ignorada, justamente por la existencia de este filtro.
Por ejemplo, si sé que los pulsos se van a dar cada 5 mseg. para una velocidad de giro y resolución dadas, debo ajustar el tiempo del filtro por debajo de ese valor, por ejemplo a 3.2 mseg o a 1.6 mseg. Sólo es cuestión de corroborar que no se pierden pulsos por revoluci ón. Estos tiempos configurables de filtrado depende de las prestaciones parametrizables de las entradas y de la marca del PLC. Los datos que vimos más arriba se corresponden con S7 1200. Los contadores rápidos
En general todos los PLC tienen esta función pero es conveniente corroborar su existencia si se sabe que se va a tener que utilizar un encoder. Como un ejemplo una CPU 1212C de SIEMENS puede manejar hasta 6 contadores rápidos ( HSC, High speed counter ). Se comienza por su activación y se debe parametrizar convenientemente para su uso. Es necesarios especificar la forma en la que va a contar, si se va a necesitar un reset externo a través de otra entrada digital, y finalmente, se debe indicar la dirección adonde se almacena el dato de la cuenta. Este dato es un Doble Word y se ofrecen direcciones por defecto para su lectura posterior. En SIEMENS cada contador tiene asignada una entrada digital que no se puede modificar. Así para el contador HSC1 la entrada es la %I0.0, al igual que la de reset es la %I0.3, que también está prefijada y no puede modificarse. Pero se cuenta con la flexibilidad adicional de poder elegir el nivel de reset, por “0” o por “”1”.
La foto que están viendo arriba muestra la forma en cómo se implementa un contador rápido dentro del editor ladder del TIA Portal, a través de la función CTRL_HSC (controlar contador rápido). El bloque MOVE transfiere el dato desde %ID1000 a una variable que indique la posición de nuestro sistema de levas, en la máquina dosificadora objeto de esta discusión. Programación
Estando ya completamente seguros que tenemos el número de cuenta podemos disponer de este número dentro de la lógica de cada actuador para su accionamiento dentro del ciclo de funcionamiento de la dosificación del producto. En la foto, el código ladder que están viendo es la lógica de accionamiento de un variador de velocidad que controla un tornillo sinfín en sus modos de funcionamiento manual y automático.
Cuando está en automático este tornillo sinfín solo gira cuando las cuentas del enco der están entre el valor parametrizado en las variables “ Datos.Cuentas.SINFIN1.ON” y “Datos.Cuentas.SINFIN1.OFF”. Ambos datos son ingresados desde un panel táctil y pueden ser modificados según se necesite para ajustar el momento del accionamiento. Para esto se utilizan funciones básicas de comparación presentes en cualquier PLC. En términos de programación, esto es todo, es así de sencillo. La función MOVE que se ve en la foto, abajo y a la izquierda sirve para controlar la velocidad de giro del motor a través de una salida analógica. Conclusiones
La idea era hacer un análisis lo más general posible con respecto al uso de un encoder sobre una máquina en particular. Creo que lo logré pero también aclaro que se puede seguir hablando sobre este tema, por ejemplo, cómo se conectó el encoder a la entrada del PLC. Tenér presente que debes instalarlos según indique el fabricante y sepan que, en este caso, intervienen personas que cuentan con la experiencia suficiente como para instalarlo mecánicamente según se requiere. Se deben respetar las consideraciones de las conexiones eléctricas pertinentes. En este caso estamos hablando de señales digitales, pero de alta frecuencia. Merecen respeto. Has visto que una vez que se tiene la señal dentro del PLC, su uso en la programación de la lógica que se necesite es particularmente sencilla. Sólo hacen falta funciones de comparación.
Conexión al PLC
En este caso particular que les voy a mostrar se conectó un encoder incremental de baja resolución, de sólo 360 PPR. Además, no se necesitaba saber el sentido de giro, por lo que sólo se utilizó un canal, y en este caso el canal A. La idea era tener una idea precisa e la posición durante cada ciclo de la leva. Adicionalmente a lo dicho también hacía falta saber el momento por el cual el encoder pasaba por cero y empezaba a contar de nuevo, indicando que se había concluido un ciclo y comenzaba otro. Así que se utilizó el canal Z. Dada la forma en que se conectó, solidario al eje del motor principal, se sabía de antemano que por la frecuencia elevada de rotación los datos sólo podían ser tomados a través de la implementación de un contador rápido, HSC, controlado por la función CTRL_HSC. Por supuesto, en este caso estoy hablando de una función disponible dentro del editor TIA Portal y en particular para un PLC 1212C de SIEMENS. Para este PLC, el primer contador rápido, el HSC1 tiene asignado por defecto (y no se puede cambiar), a %I0.1 como entrada de encoder y a %I0.3 como señal de paso por cero. De ahí se explica la conexión que están viendo en el esquema de abajo. Estas entradas digitales son integradas.
Así como para el caso de un sensor inductivo dijimos que era un sensor activo porque necesitaba alimentación para poder generar su señal, lo mismo ocurre con el encoder. En el esquema se aprecia la alimentación en 24 Vdc, que se corresponde con los cables rojo (RED) y negro (BLK) del encoder. Cálculo de la frecuencia de la señal del encoder
Primero quiero dejar en claro que ante la necesidad del uso de un encoder va a ser necesario hacer cálculos de frecuencia y/o de conversión a distancia según sea el caso. Por esta razón incluí este tema acá, como para que se vayan dando una idea de cómo se procede. Si bien es cierto que yo ya decidí el uso de un contador rápido puede darse el caso que para montajes donde la señal de salida del encoder tenga una frecuencia baja, pueda optarse por no usar este tipo de contador rápido, sólo para simplificar el código ladder en el editor del PLC. Para poder calcular la frecuencia a la que la señal va a llegar a la entrada digital integrada del PLC, tenemos que tener en cuenta lo siguiente: 1. La resolución del encoder. En nuestro caso de 360PPR. 2. El lugar de montaje, que nos va a definir la velocidad de giro en rpm (revoluciones por minuto) del encoder. Ya comenté más arriba que el encoder quedó montado solidario al eje de un motor. 3. La forma de accionamiento del motor, porque para el caso de accionamiento por variador de velocidad puede darse que el motor gire a velocidades mayores de la nominal. Por lo que deberemos anoticiarnos de la velocidad máxima del motor para este caso en p articular. Con todos estos datos podemos calcular la frecuencia de la señal de entrada presuponiendo que el motor gira como máximo a su frecuencia nominal de 50 Hz y que tenemos un motor de 1500 rpm. Tenemos que contestar la siguiente pregunta. Si hago 1500 revoluciones en un minuto, ¿Cuánto tiempo tarda, en milisegundos, el motor en hacer una sola revolución? (se resuelve por regla de tres simple inversa).
1500 revoluciones – > 1 minuto = 60 segundos 1 revolución – > (1/1500)*60 = 0.040 segundos = 40 milisegundos Para corroborar este resultado basta con multiplicar 40mseg*1500, y el resultado debe ser 60 segundos. Es así. Bueno, pero como dijimos que nuestro encoder tiene una resolución de 360PPR, se debe calcular cada cuánto tiempo ingresa un pulso del encoder a nuestra entrada digital.
Tiempo entre pulsos = Tp = 40mseg/360 PPR = 0.11mseg.
Cada 0.11 milisegundos tenemos una señal del encoder si es que nuestro motor gira a 1500rpm. Para encontrar nuestra solución basta con tomar la inversa de este dato para conocer la frecuencia con la esta señal ingresa a la entrada %I0.1 del PLC.
f entrada = 1/0.11mseg = 9000Hz = 9kH z Finalmente y con este dato necesitamos corroborar dentro de las especificaciones de las entradas digitales del PLC si es que se soporta dicha frecuencia de conmutación o si sólo es necesario achicar el tiempo del filtro de entrada como para que no se pierdan pulsos. En la foto de abajo se aprecia un extracto de los datos técnicos sacados del “Easy Book” del S7 1200. Se pueden ver las características de frecuencia de los contadores rápidos. Sé que puedo contar hasta una velocidad máxima de 100kHz.
Además se especifican los tiempos posibles del filtro de las entradas digitales (también en el Easy Book, Anexo A.4), tal como se indican en la foto de abajo.
El tiempo de filtro más pequeño es de 0.2 milisegundos, que es mayor que nuestro tiempo entre dos señales del encoder, de 0.11 milisegundos. Esto descarta totalmente la posibilidad de no usar un contador rápido para nuestro caso hipotético.
Quiere decir que una entrada normal con el filtro más pequeño va a perder información porque da como válida la lectura después de que pase el tiempo prefijado en el filtro de entrada. En 0.2 milisegundos el encoder envía dos pulsos pero la entrada sólo reconoce uno de ellos, el segundo. Distinto hubiera sido el caso si el encoder se montaba a la salida de un reductor con una relación 1:10, por ejemplo, logrando que a su salida el eje conectado a la leva girara a 150 rpm. Esto daría como resultado que el tiempo entre pulsos sería de 1.1 mseg, 10 veces más que en nuestro caso anterior. Aquí, ajustando un filtro de entrada a 0.4mseg, estoy totalmente seguro que no pierdo ningún pulso del encoder. No hace falta implementar un contador rápido. Esto parámetros se encuentran en la Vista de dispositivos, dentro de la parametrización de las entradas digitales. En la foto de abajo ven que se puede definir un valor de tiempo en grupos de a cuatro entradas digitales por vez sobre las entradas integradas de la CPU 1212C.
Conclusión
La conexión a las entradas del PLC está prefijada si vamos a utilizar un contador rápido. Esto ocurre con cualquier marca de PLC. Si tengo que elegir siempre implemento un contador rápido. Los filtros de entrada están pensados para leer entradas estables, pero puede darse el caso que les toque un PLC sin la posibilidad de implementar un contador rápido y ahora ya saben como pueden solucionarlo. Si van a usar un encoder deben estar dispuestos a hacer un par de cálculos. Al principio puede resultar engorroso pero son cálculos sencillos que deben apren derse. Tienen que amigarse con las especificaciones técnicas de las diferentes partes de un PLC, en ente caso vimos un par de parámetros dentro del Anexo del Easy Book del S7 1200. De la ubicación del encoder se desprende la frecuencia de la señal. No es lo mismo la señal a la salida de un reductor que al eje de un motor.
