los encoders y el plc

8/17/2019 Los Encoders y El PLC

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Los encoders y el PLC

Las máquinas automáticas que se emplean en la industria de la dosificación,de alguna u otra manera, terminan siendo diseñadas con un sistema de levasdada su naturaleza cíclica, y consecuentemente todos sus actuadores terminansiendo accionados dentro de un ciclo de funcionamiento que se correspondecon un giro completo de ese sistema de levas.

Esta es la razón por la que se necesita un sistema de sensado de la posiciónde estas levas para poder determinar el momento preciso en el que unactuador asociado debe actuarse. La tecnología de hoy nos ofrece variasformas de encarar este problema pero la idea es que nos centremos en elencoder.

Introducción

El punto está en el cómo hacer para determinar el punto exacto en el cual unactuador debe accionarse y a partir de qué punto debe dejar de funcionar.Puede darse que estos puntos se deban determinar con mucha precisión parael correcto funcionamiento, además puede requerirse que la máquina funcionea diferentes velocidades de acuerdo a lo que se esté dosificando.

Hoy vamos a hablar del uso del encoder como una herramienta que nossoluciona, en este caso, los puntos de funcionamiento de estos actuadores.Nos estamos refiriendo al accionamiento de tornillos sinfines, válvulas, sistema

de corte, en fin, lo que requiera la máquina para completar su ciclo defuncionamiento diseñado.

Te aclaro que hoy vamos a ver su implementación a través de un ejemplo, perosu uso es totalmente general.

El encoder

Es un sensor que generan señales digitales en respuesta al movimiento. Estándisponibles en dos tipos, uno que responde a la rotación, y el otro almovimiento lineal. Cuando son usados en conjunto con dispositivos mecánicos

tales como engranes, ruedas de medición, pueden ser utilizados para medirmovimientos lineales, velocidad y posición.

Como para que asocies el dispositivo con los fabricantes te dejo estos linkspara que investigues un poco:

SIEMENS ROCKWELL

https://mall.industry.siemens.com/mall/de/WW/Catalog/Product/6FX2001-4DA10https://mall.industry.siemens.com/mall/de/WW/Catalog/Product/6FX2001-4DA10http://ab.rockwellautomation.com/es/Motion-Control/High-Resolution-Incremental-Optical-Encoder#documentationhttp://ab.rockwellautomation.com/es/Motion-Control/High-Resolution-Incremental-Optical-Encoder#documentationhttp://ab.rockwellautomation.com/es/Motion-Control/High-Resolution-Incremental-Optical-Encoder#documentationhttps://mall.industry.siemens.com/mall/de/WW/Catalog/Product/6FX2001-4DA10


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Los encoders están disponibles con diferentes tipos de salidas, uno de ellosson los encoders incrementales , que generan pulsos mientras se mueven, seutilizan para medir la velocidad, o la trayectoria de posición. El otro tipo son losencoders absolutos que generan multi-bits digitales, que indican directamentesu posición actual.

Los encoders pueden ser utilizados en una gran variedad de aplicaciones. Actúan como transductores de retroalimentación para el control de la velocidaden motores, como sensores para medición, de corte y de posición. Tambiéncomo entrada para velocidad y controles de rango.

El encoder incremental

Los encoders de incremento proveen un número específico de pulsosequitativamente espaciados por revolución (PPR) o por pulgada o milímetro demovimiento lineal. Se utiliza un solo canal (canal A en la figura de abajo) desalida 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 de cuadratura(bidireccional), con dos canales ( A y B en la figura de abajo) de 90 gradoseléctricos fuera de la fase; el circuito determina la dirección de movimientobasado en la fase de relación entre ellos.


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Cuando se requiere más resolución, es posible para el contador computar losmárgenes de dirección y rastreo de la serie de pulsos de un canal, el cualduplica (x2) el número de pulsos contados para una rotación o milímetro de

movimiento. Al contar ambos márgenes de dirección y de rastreo de amboscanales darán una resolución x4.

Una salida de un encoder incremental indica movimiento. Para determinar laposición, sus pulsos deben ser acumulados por un contador . Se debetener presente que la cuenta se pierde durante una interrupción de energía. Poresta razón cada vez que se comienza a contar, el equipo debe ser llevado auna posición de origen o referencia (“home”) para inicializar los contadores deposición.

Estos encoders de incremento también producen otra señal conocida como el

“índice”, “marcador”, o “canal Z”. Esta señal, producida una vez por revoluciónde un encoder se utiliza frecuentemente para localizar una posición específica.

Como montar un encoder

Estos dispositivos están pensados para girar a velocidades altas pero tienensus limitaciones. No hay problema de acoplarlo directamente al eje de un motorpero deben seguirse al pie de la letra las consideraciones de montaje indicadaspor el fabricante.

De todas maneras, en mi caso, yo siempre prefería montarlos a la salida de losreductores con la idea de usarlos a baja velocidad de manera que el desgasteque 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 lacantidad de pulsos por revolución, vamos a tener una idea clara de la velocidadde reacción de la entrada de PLC que va a recibir estos pulsos. Así que si yatienes comprado el PLC debes investigar primero si va a soportar la frecuenciade la señal de salida del encoder según el lugar en el que lo fijes. Esto va adeterminar 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 puededarse que la conexión sea directa y no se necesite de la ayude un contadorrápido para tomar los datos de cuenta del encoder.


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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 unpoco más abajo, para tratar un señal proveniente de un encoder que gira abaja velocidad y/o tiene poca resolución, dando como resultado frecuencia deseñales 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 deesa entrada.

En las entradas digitales de un PLC, y para suprimir las perturbacionesacopladas a la señal digital, se ajusta un retardo a las entradas. De estamanera las perturbaciones que se den dentro del tiempo ajustado como filtro deentrada no son consideradas.

Así que si se considera que la señal que va a entrar a una determinada entradadigital va a ser relativamente rápida se debe corroborar que su frecuencia deconmutación 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 velocidadde giro y resolución dadas, debo ajustar el tiempo del filtro por debajo de esevalor, por ejemplo a 3.2 mseg o a 1.6 mseg. Sólo es cuestión decorroborar que no se pierden pu lsos po r revoluc ión .

Estos tiempos configurables de filtrado depende de las prestacionesparametrizables de las entradas y de la marca del PLC. Los datos que vimosmás arriba se corresponden con S7 1200.

Los contadores rápidos

En general todos los PLC tienen esta función pero es conveniente corroborarsu existencia si se sabe que se va a tener que utilizar un encoder. Como unejemplo una CPU 1212C de SIEMENS puede manejar hasta 6 contadoresrápidos (HSC, High speed counter ).

Se comienza por su activación y se debe parametrizar convenientemente parasu uso. Es necesarios especificar la forma en la que va a contar, si se va anecesitar un reset externo a través de otra entrada digital, y finalmente, sedebe indicar la dirección adonde se almacena el dato de la cuenta. Este datoes un Doble Word y se ofrecen direcciones por defecto para su lecturaposterior.

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 quela de reset es la %I0.3, que también está prefijada y no puede modificarse.


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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 uncontador rápido dentro del editor ladder del TIA Portal, a través de la funciónCTRL_HSC (controlar contador rápido). El bloque MOVE transfiere el datodesde %ID1000 a una variable que indique la posición de nuestro sistema delevas, en la máquina dosificadora objeto de esta discusión.

Programación

Estando ya completamente seguros que tenemos el número de cuentapodemos disponer de este número dentro de la lógica de cada actuador parasu accionamiento dentro del ciclo de funcionamiento de la dosificación delproducto.

En la foto, el código ladder que están viendo es la lógica de accionamiento deun variador de velocidad que controla un tornillo sinfín en sus modos defuncionamiento manual y automático.

http://yoingenieria.com/wp-content/uploads/2015/07/FotoEncoder002.png


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Cuando está en automático este tornillo sinfín solo gira cuando las cuentas del

encoder están entre el valor parametrizado en las variables“Datos.C uentas.SINFIN1.ON” y “Datos.Cuentas.SINFIN1.OFF” . Ambos datosson ingresados desde un panel táctil y pueden ser modificados según senecesite para ajustar el momento del accionamiento.

Para esto se utilizan funciones básicas de comparación presentes en cualquierPLC. 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 paracontrolar la velocidad de giro del motor a través de una salida analógica.

Conexión y cálculos

A este punto necesitamos explicitar la forma en la que se conecta un encoder alas entradas de un PLC. Además se necesita saber cómo se debe procederpara determinar la frecuencia de las señales que van a ingresar a dichasentradas de manera tal de poder corroborar la viabilidad de nuestraarquitectura de PLC. Todo un tema, pero no es tan difícil.

Como concepto general estoy buscando que se lleven las herramientas básicascon las que puedan lidiar con su primer encoder sin mayores problemas. Estono quiere decir que no los van a encontrar, ya que su aplicación posiblementedifiera de la que les voy a mostrar aquí, y por lo tanto, surjan otrasconsideraciones a tener en cuenta. Todos los casos son diferentes.

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


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necesitaba saber el sentido de giro, por lo que sólo se utilizó un canal, y eneste caso el canal A. La idea era tener una idea precisa e la posición durantecada ciclo de la leva.

Adicionalmente a lo dicho también hacía falta saber el momento por el cual elencoder pasaba por cero y empezaba a contar de nuevo, indicando que sehabía 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 sabíade antemano que por la frecuencia elevada de rotación los datos sólo podíanser tomados a través de la implementación de un contador rápido, HSC,controlado por la función CTRL_HSC. Por supuesto, en este caso estoyhablando de una función disponible dentro del editor TIA Portal y en particularpara 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 comoseñal de paso por cero. De ahí se explica la conexión que están viendo en elesquema de abajo. Estas entradas digitales son integradas.

Así como para el caso de un sensor inductivo dijimos que era un sensor activoporque necesitaba alimentación para poder generar su señal, lo mismo ocurrecon el encoder. En el esquema se aprecia la alimentación en 24 Vdc, que secorresponde con los cables rojo (RED) y negro (BLK) del encoder.

http://yoingenieria.com/wp-content/uploads/2015/07/encoder203a.png


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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 segúnsea el caso. Por esta razón incluí este tema acá, como para que se vayandando una idea de cómo se procede.

Si bien es cierto que yo ya decidí el uso de un contador rápido puede darse elcaso que para montajes donde la señal de salida del encoder tenga unafrecuencia baja, pueda optarse por no usar este tipo de contador rápido, sólopara simplificar el código ladder en el editor del PLC.

Para poder calcular la frecuencia a la que la señal va a llegar a la entradadigital 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 elencoder quedó montado solidario al eje de un motor.

3. La forma de accionamiento del motor, porque para el caso deaccionamiento por variador de velocidad puede darse que el motor gire avelocidades mayores de la nominal. Por lo que deberemos anoticiarnosde la velocidad máxima del motor para este caso en particular.

Con todos estos datos podemos calcular la frecuencia de la señal de entradapresuponiendo que el motor gira como máximo a su frecuencia nominal de 50Hz y que tenemos un motor de 1500 rpm.

Tenemos que contestar la siguiente pregunta. Si hago 1500 revoluciones en unminuto, ¿Cuánto tiempo tarda, en milisegundos, el motor en hacer una solarevolución? (se resuelve por regla de tres simple inversa).

1500 revoluc iones --> 1 min uto = 60 segundo s

1 revolu ción --> (1/1500)*60 = 0.040 segundo s = 40 milis egundos

Para corroborar este resultado basta con multiplicar 40mseg*1500, y elresultado debe ser 60 segundos. Es así.

Bueno, pero como dijimos que nuestro encoder tiene una resolución de360PPR, se debe calcular cada cuánto tiempo ingresa un pulso del encoder anuestra entrada digital.

Tiempo entre pulso s = Tp = 40ms eg/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


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inversa de este dato para conocer la frecuencia con la esta señal ingresa a laentrada %I0.1 del PLC.

f entrada = 1/0.11mseg = 9000Hz = 9kHz

Finalmente y con este dato necesitamos corroborar dentro de lasespecificaciones de las entradas digitales del PLC si es que se soporta dichafrecuencia de conmutación o si sólo es necesario achicar el tiempo del filtro deentrada como para que no se pierdan pulsos.

En la foto de abajo se aprecia un extracto de los datos técnicos sacadosdel “Easy Book” del S7 1200. Se pueden ver las características de frecuenciade los contadores rápidos. Sé que puedo contar hasta una velocidad máximade 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 quenuestro tiempo entre dos señales del encoder, de 0.11 milisegundos. Estodescarta totalmente la posibilidad de no usar un contador rápido paranuestro 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

http://w5.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/s71200EasyBook0411.pdfhttp://w5.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/s71200EasyBook0411.pdfhttp://w5.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/s71200EasyBook0411.pdfhttp://yoingenieria.com/wp-content/uploads/2015/07/encoder205.pnghttp://yoingenieria.com/wp-content/uploads/2015/07/encoder204.pnghttp://w5.siemens.com/spain/web/es/industry/automatizacion/simatic/Documents/s71200EasyBook0411.pdf


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prefijado en el filtro de entrada. En 0.2 milisegundos el encoder envía dospulsos pero la entrada sólo reconoce uno de ellos, el segundo.

Distinto hubiera sido el caso si el encoder se montaba a la salida deun reductor con una relación 1:10, por ejemplo, logrando que a su salida el ejeconectado a la leva girara a 150 rpm. Esto daría como resultado que el tiempoentre 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 nopierdo ningún pulso del encoder. No hace falta implementar un contador rápido.

Esto parámetros se encuentran en la Vista de dispositivos, dentro de laparametrización de las entradas digitales. En la foto de abajo ven que se puededefinir un valor de tiempo en grupos de a cuatro entradas digitales por vezsobre las entradas integradas de la CPU 1212C.

Conclusiones

La idea era hacer un análisis lo más general posible con respecto al uso de unencoder sobre una máquina en particular. Creo que lo logré pero tambiénaclaro que se puede seguir hablando sobre este tema, por ejemplo, cómo seconectó el encoder a la entrada del PLC.

Tené presente que debés 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 eléctricaspertinentes. En este caso estamos hablando de señales digitales, pero de altafrecuencia. Merecen respeto.

Has visto que una vez que se tiene la señal dentro del PLC, su uso en laprogramación de la lógica que se necesite es particularmente sencilla. Sólohacen falta funciones de comparación.

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 elegirsiempre implemento un contador rápido.

http://yoingenieria.com/wp-content/uploads/2015/07/encoder206.png


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Los filtros de entrada están pensados para leer entradas estables, pero puededarse el caso que les toque un PLC sin la posibilidad de implementar uncontador 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 debenaprenderse.

Tienen que amigarse con las especificaciones técnicas de las diferentes partesde un PLC, en ente caso vimos un par de parámetros dentro del Anexo delEasy Book del S7 1200.

De la ubicación del encoder se desprende la frecuencia de la señal. No es lomismo la señal a la salida de un reductor que al eje de un motor.