Control de un Motor Trifásico, mediante el variador de frecuencia

Danfoss FC 300

Por Esteban Jaramillo Bolívar

David Ricardo Henao Juan Camilo Gutiérrez

INTRODUCCIÓN Un convertidor de frecuencia o de igual forma denominado un variador de frecuencia, corresponde a un es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Tal característica y la estabilidad de salida dada por la configuración doble conversión los hace ideales para uso en laboratorios de ensayos o para la alimentación de equipos y máquinas cuya frecuencia de trabajo es distinta a la existente. Un variador de frecuencia entonces, se denota como un caso especial de un variador de velocidad. Los variadores de frecuencia son también conocidos como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers de CA, microdrivers o inversores, y dado que el voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia). Así entonces es posible identificar que un convertidor de frecuencia, básicamente está compuesto por un módulo rectificador que transforma la tensión alterna de entrada en tensión continua. Esta corriente continua es convertida en corriente alterna de la frecuencia y tensión deseada por el módulo inversor mediante la técnica de modulación por ancho de pulso(PWM).

OTRAS ESPECIFICACIONES La forma de onda del voltaje de salida en estricto rigor no corresponde a una sinusoide perfecta, cada vez que éstos entregan una señal de pulso modulada a partir de una frecuencia de conmutación alta. En todo caso con los equipos actuales, donde podemos encontrar frecuencias de conmutación del orden de los 50 KHz, lo scontenidos de armónica son

bastante bajos, por lo que agregando filtros pasivos cumplen las exigencias normativas impuestas por muchos países.

TRATAMIENTO DEL FC Mediante el proyecto asignado, el cual consistió en emplear el variador de frecuencia para determinar el control de un motor trifásico en configuración individual y en configuración de una red Modbus para el control de más de un motor trifásico simultáneamente, se denotará cada uno de los procesos realizados para efectuar el control, desde la configuración de cada uno de ellos, protocolos, sistemas, interfaces, entre otros, hasta el posterior funcionamiento y control de los motores trifásicos. El proyecto desarrollado entonces, cuenta con ciertos ítmes que se abordarán posteriormente de una manera muy detallada y corresponden a los siguientes:

Control del variador de frecuencia mediante el Panel de control local gráfico y numérico o LCP 102.

Configuración de los parámetros de control del variador de frecuencia mediante el MCT 500.

Construcción de los telegramas de control del variador de frecuencia.

Diseño e implementación de una interfaz de Usuario en Labview para el control del motor trifásico en configuración individual y en configuración de conexión a una red Modbus.

Comunicación entre la Interfaz de Usuario en Labview y el variador de frecuencia.

Así entonces, una vez establecidos cada uno de los procesos anteriores, será posible connotar mediante un desarrollo práctico el control del motor trifásico en configuración individual y anclado a una red Modbus el control de la velocidad del motor, a través de su frecuencia de operación y la variación de la misma, el sentido de giro en actividad de operación y el tipo de frenado que se establezca para el mismo, configurable como un

paro de inercia o un freno de CC, teniendo en cuenta los parámetros subyugados a tales características. Adicionalmente si se desea establecer una configuración de lectura de parámetros y escritura de otros que no son configurables mediante la interfaz de usuario de Labview es necesario efectuar cada cambio respectivo a través del Panel de control local gráfico y numérico LCP 102 que se explicará un poco más adelante.

PROTOCOLO RS485

El protocolo RS485 se establece como un estándar de comunicaciones en bus de la capa física del Modelo OSI. Este, se encuentra definido como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, ideal para transmitir a altas velocidades sobre largas distancias (35 Mbps hasta 10 metros y 100 Kbps en 1.200 metros) y así mismo través de canales ruidosos, puesto que reduce los diversos ruidos que tienen aparición en los voltajes producidos en la línea de transmisión. El medio físico de transmisión corresponde a un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo, con una longitud máxima de 1.200 metros operando entre 300 y 19200 bps en comunicación half-duplex (semiduplex). Así, entonces, soporta 32 transmisiones y 32 receptores. Además de ello, la transmisión diferencial permite múltiples drivers dando la posibilidad de una configuración multipunto, y al tratarse de un estándar bastante abierto permite muchas y muy diferentes configuraciones y utilizaciones. El Bus RS485 puede instalarse tanto como sistema de 2 hilos o de 4 hilos conociéndose de manera adicional que la norma RS-485 define solamente las especificaciones eléctricas para receptores y transmisores de diferencia en sistemas de bus digitales. Por su parte, la norma ISO 8482 estandariza además la topología de cableado con una longitud máxima de 500 metros, con lo cual el bus de 2 hilos RS-485 podrá poseer una longitud máxima de hasta 500 metros.

Así entonces, dado que el protocolo de comunicación previsto para el variador de frecuencia corresponde al RS485, y es necesario que los telegramas de control se envíen en dicho estándar para que el Danfoss pueda identificarlos y poder con ellos ejercer el control del motor trifásico, se denotará el tipo de configuración de bus de RS485 que se requiere, la cual corresponde al bus de dos hilos, aplicable para la comunicación de la interfaz de Usuario desarrollada en Labview mediante el conversor USB/RS-485. Bus de 2 hilos RS485

El Bus de 2 hilos RS485 tal y como se denota en la figura 1, se compone del cable propio de Bus con una longitud máxima de 500m. Los participantes se conectan a este cable a través de una línea adaptadora de máximo 5 metros de largo. La ventaja de la técnica de 2 hilos reside esencialmente en la capacidad multimaster, en donde cualquier participante puede cambiar datos en principio con cualquier otro.

El Bus de 2 hilos es básicamente apto sólo semidúplex, es decir, puesto que sólo se encuentra disponible una vía de transmisión, siempre puede enviar datos un solo participante. Así, sólo después de finalizar el envío, pueden responder otros participantes. Por ello, la aplicación más conocida basada en la técnica de 2 hilos corresponde al PROFIBUS.

Figura 1. Esquema del bus de 2 hilos RS485.

Control del variador de frecuencia mediante el Panel de control local gráfico y numérico o LCP 102. De entrada podemos denotar que cada panel de control empleado para el control del variador de frecuencia Danfoss, se encuentra compuesto por 4 partes principales que delimitan tanto la configuración de cada uno de los parámetros disponibles en el variador de frecuencia para el control del motor trifásico, como la visualización de los mismos. Estos se pueden identificar en la siguiente figura como:

Figura 2. Esquema del LCP 102.

1. Corresponde al Display gráfico con todas las líneas de estado y los indicadores visuales.

2. Corresponde a las teclas del menú y a las diferentes luces indicadoras que estableciendo en su conjunto, el cambio de cada uno de los parámetros del variador de frecuencia, así como las funciones del display.

3. Corresponde a las teclas de navegación y a los LED indicadores de sección de control funcionando (On), advertencia (Warm), y alarma (Alam).

4. Corresponde a las teclas de funcionamiento y establecimiento de cada uno de los parámetros y a las luces indicadores del uso de cada una de ellas.

Además de ello, es imprescindible identificar los elementos de visualización en el display, los cuales de una manera breve corresponderán a:

a. Corresponde a una línea de estado en donde se denotarán los mensajes de estado mostrando íconos y diversos gráficos. Así entonces se mostrarán hasta 2 medidas en estados de funcionamientos normales.

b. Corresponde a las líneas 1-2, que denotarán las líneas de datos del respectivo panel de operador donde se visualizará los diversos datos definidos o escogidos por el usuario. Además de ello, al presionarse la tecla [Status] (Estado), podrá añadirse una línea adicional. En estas líneas será posible entonces visualizar hasta 5 medidas con la respectiva unidad independiente del estado, con una excepción al presentarse una advertencia o alarma.

c. Corresponde a una línea de estado, en donde se denotarán ciertos mensajes de estado orientados a texto, así entonces allí se visualizará el estado en el cual se encuentre el variador de frecuencia en el correspondiente modo Estado.

Pasando ahora a una descripción breve entorno a las teclas del LCP, es posible delimitar dos clases de ellas que corresponden a las teclas de control empleadas para ajustar los diferentes parámetros del Danfoss y las

teclas de navegación para efectuar desplazamientos entre las distintas opciones disponibles. Teclas de Control: Compuesta por 4 botones principales: Status: denota el estado tanto del variador de frecuencia (Danfoss), como del motor trifásico controlado. Para ello entonces es posible escoger 3 tipos de lecturas diferentes, mediante la configuración de la pulsación de la tecla [Status] (Estado). Si el usuario se encuentra dentro del modo Quick Menu, Main Menu, o Alarm Log, es posible volver al modo Display mediante la pulsación de esta tecla, y adicional a ello, el usuario podrá también cambiar el modo de lectura de los datos al de doble para obtener dos mediciones simultáneas de un mismo parámetro. Quick Menu: permite la programación y configuración de los parámetros disponibles en tal menú, tales como:

My Personal Menu (Mi menú personal). Quick Set-up(Configuración rápida). Changes Made (Cambios realizados). Loggins (Registros).

Mediante la pulsación tanto del Quick Menu como del Main Menu es posible para el usuario pasar a cualquiera de los dos modos de configuración y establecer los respectivos cambios y lecturas de parámetros. Main Menu: permite programar cada uno de los parámetros disponibles del variador de frecuencia (Danfoss) para el control del motor trifásico. En este menú es posible acceder a cualquier parámetro para realizar, una lectura, selección o configuración de cualquier parámetro presionando dicho botón [Main Menu] durante 3 segundos aproximadamente.

Alarm Log: permite visualizar una lista de alarmas, con las últimas 5 alarmas enumeradas de la A1 hasta la A5. Así entonces, en el display aparecerá un ícono de advertencia o alarma y adicionalmente un texto que denotará la descripción del problema. Por su parte las advertencias generadas permanecen en el display hasta que se da la corrección del fallo, mientras que por su parce el LED indicador de alarmas continúa parpadeando hasta que se presiona la tecla [Reset]. Es importante entonces tener en cuenta que de efectuarse un bloqueo del variador de frecuencia por alarma/disparo se debe desconectar la alimentación de la red para posteriormente corregir el fallo, y luego al conectarla nuevamente se desbloqueará el Danfoss. Además de ello, el usuario deberá tener un cuenta que una vez que se procede a un reinicio manual del variador mediante la tecla [Reset], es debidamente necesario presionar la tecla [Auto on] del LCP para arrancar de nuevo el motor trifásico controlado. Back: permite efectuar un desplazamiento a un nivel anterior en la estructura de navegación, es decir permite devolverme a la acción anteriormente realizada. Cancel: permite anular el último cambio o comando ejecutado con la condición de que no se haya efectuado un cambio en el display. Info: permite brindar información entorno a un comando, un parámetro o alguna función en cualquier ventana desplegada en el display, mostrando detalladamente cada uno de ellos. Teclas de Navegación: Estas teclas corresponden a los botones denominados Hand on, Off, , Auto on, y Reset, y permiten la navegación por los diversos parámetros disponibles mediante las teclas de control. Adicionalmente las flechas de desplazamiento servirán para mover el cursor y desplazarse entre los parámetros y mediante la presión de la tecla [Ok], se seleccionará el

parámetro denotado por el cursor a la vez que se confirma el cambio realizado en la configuración de un parámetro en específico. Así entonces las teclas de navegación se componen de: Hand on: permite realizar varias funciones denotadas como:

Activar el control del variador de frecuencia (Danfoss FC 300) mediante el LCP.

Efectuar la puesta en marcha del motor trifásico controlado mediante su activación al configurar alguno de los parámetros de arranque, por tipo de rampa o configuración de frecuencia o velocidad en RPMs, entre otros.

Podrá entonces establecerse como Activar [1], o Desactivar [0], accediendo al parámetro 0-40 Botón [Hand on], la selección de activar o desactivar se hace mediante los cursores una vez se esté dentro del parámetro 0-40. Adicionalmente al seleccionar la tecla Hand on, estarán activas las siguientes señales de control a saber:

Reinicio. Paro por inercia. Cambio de sentido. Selección de ajuste del bit menos significativo y más significativo. Comando de parada desde la comunicación serie. Parada rápida. Freno de CC.

Off: permite desconectar el motor cuando éste se encuentre conectado. Al igual que la tecla Hand on, podrá entonces establecerse como Activar [1], o Desactivar [0], accediendo al parámetro 0-41 Botón [Off], la selección de activar o desactivar se hace mediante los cursores una vez se esté dentro del parámetro 0-41.

Auto on: permite el control del variador de frecuencia tanto por medio de los terminales de control establecidos, como por los terminales de la comunicación serie propia del Danfoss, y así el variador de frecuencia tendrá activación al detectar una señal de arranque de los terminales de control o del bus serie. Podrá establecerse como Activar [1], o Desactivar [0], accediendo al parámetro 0-42 [Auto activación], la selección de activar o desactivar se hace mediante los cursores una vez se esté dentro del parámetro 0-42. Reset: permite el reinicio del variador de frecuencia una vez se de una alarma, lo que conlleva a la desconexión del motor controlado; y podrá establecerse como Activar [1], o Desactivar [0], accediendo al parámetro 0-43 Botón[Reset], la selección de activar o desactivar se hace mediante los cursores una vez se esté dentro del parámetro 0-43. A continuación se visualizará una tabla en donde se denota un sumario de todos los parámetros del variador de frecuencia, establecidos tanto de control como de estado, y se mostrara como configurar aquellos que permiten el control de la velocidad, el sentido de giro, los diverso tipos de frenados del motor y la configuración para el reconocimiento posterior de los telegramas de control enviados al Danfoss, para su control mediante la interfaz desarrollada en Labview.

Tal agrupación de los parámetros del variador de frecuencia para controlar el motor trifásico, se efectúa para lograr facilidad y eficacia en la selección de los parámetros más adecuados para optimizar el respectivo funcionamiento del variador de frecuencia (Danfoss FC 300), y a su vez cada parámetro se encuentra subdividido en otros parámetros que sirven para configurar de una manera más específica ciertas funciones del variador de frecuencia. Los parámetros se denotan como: 0-xxParámetros de funcionamiento y display. En los cuales se puede configurar:

.Ajustes básicos, manipulación de ajustes. Parámetros de display y de panel de control local para seleccionar

.lecturas, configurar selecciones y copiar funciones.

1-xx Parámetros de carga/motor, que incluye todos los parámetros relacionados con la carga y el motor. 2-xx Parámetros de frenos. En los cuales se puede configurar:

Freno CC. Freno dinámico (freno con resistencia). Freno mecánico. Control de sobretensión.

3-xx Parámetros de referencias y rampas, que incluyen la función DigiPot. 4-xx Límites y advertencias que realiza un ajuste de los parámetros de límites y advertencias. 5-xx Entradas y salidas digitales, que incluye los controles de relé. 6-xx Entradas y salidas analógicas. 7-xx Controles, que realiza un ajuste de los parámetros para los controles de procesos y velocidad.

8-xx Parámetros de comunicaciones y opciones para ajustar el FC RS485 y parámetros para el puerto FC USB. 9-xx Parámetros de Profibus. 10-xx Parámetros de DeviceNet y de CAN Fieldbus. 13-xx Parámetros de control de Lógica inteligente. 14-xx Parámetros de funciones especiales. 15-xx Parámetros con información del convertidor de frecuencia. 16-xx Parámetros de lecturas de datos. 17-xx Parámetros de la opción Encoder. Así entonces, el primer parámetro que corresponde a Funcionamiento y visualización, tendrá asociados parámetros como el 0-01 Idioma, donde se puede seleccionar el idioma en el cual se desea configurar el resto de los parámetros; o el 0-02 Unidad de velocidad de motor, donde es posible seleccionar referenciar la velocidad del motor mediante RPMs o Hz. Por su parte el parámetro Carga y motor, tendrá asociados parámetros como el 1-03 Características de par, donde se selecciona las características de un determinado par, por ejemplo, par constante, donde la salida del eje del motor brindará un par constante a través del control de velocidad variable, o un par variable. También es posible denotar el parámetro 14-01 Frecuencia de conmutación, donde ésta por defecto corresponde a 5 KHz y al cambiarla se minimizará el ruido acústico del motor. Como ellos existen cantidad de parámetros configurables desde el Panel de control local gráfico y numérico, pero en nuestro caso ya que el proyecto consistía en controlar la velocidad, el sentido de giro, la parada, encendido del motor trifásico y posteriormente en configuración de red Modbus alrededor de 2 motores trifásicos, nos centraremos en dar a conocer los pasos de cómo realizar dichos procesos: Idioma

Primeramente, al encender el LCP 102 o Panel de control, se visualizó el estado en el cual se encontraba el Danfoss con respecto a la velocidad otorgada al motor la cual correspondía a 0 RPMs al

tener activada la tecla [Hand on]. Allí, se presiona la tecla [Main Menu], y se observan los parámetros como se muestran a continuación:

Figura 3. Esquema del Main menu.

Luego, al seleccionar la tecla [OK], se accede al parámetro 0-01 Language, el cual está configurado inicialmente en inglés:

Figura 4. Esquema de visualización del parámetro idioma.

Se selecciona con la tecla [OK] nuevamente y se accede a los diversos lenguajes que se encuentran disponibles, se da otra vez un [OK] y mediante el movimiento del cursor superior e inferior, se escoge el idioma Español, al cual posteriormente se da [OK] para finalizar la escogencia.

Figura 5. Esquema de visualización del parámetro Idioma.

Una vez se estableció el idioma, se comienza con la configuración de los parámetros del Danfoss, en nuestro caso, el encendido y apagado de los motores, la velocidad, el sentido de giro, y el tipo de freno. Primeramente, y antes de arrancar el motor trifásico y establecer su control mediante los parámetros disponibles se realiza La AMA, la cual corresponde a un algoritmo de prueba que mide los parámetros eléctricos del motor con el motor parado. Esto significa que la AMA, por sí sola, no suministra ningún par. Ésta resulta útil durante la puesta en servicio de los sistemas en los que se desea optimizarel ajuste del variador de frecuencia al motor aplicado; así

esta función se utiliza, especialmente,cuando los ajustes de fábrica no son adecuados para el motor en cuestión. Inicialmente se realizó la AMA completa pero no se consiguió una terminación completa de la misma, con lo cual se procedió a realizar un AMA reducida, la cual se ejecuta como se indica a continuación: AMA reducida

Se presiona el botón [Main Menu] durante 3 segundos aproximadamente y se selecciona mediante los cursores el parámetro 1-29 Adaptación automática del motor.

Figura 6. Esquema de selección del parámetro 1-29.

Por defecto este parámetro aparece configurado como No, con lo cual se presiona el botón [OK] y con los cursores superior e inferior se selecciona la opción Actuación AMA reducido y se le da de nuevo [OK] y se corre tal proceso. Es importante tener en cuenta que tal parámetro solo se podrá cambiar con el motor apagado.

Figura 7. Esquema de configuración del AMA reducido.

Encendido y apagado

Al inicializar el variador de frecuencia, éste activa la tecla [Auto on] y muestra en el display la velocidad entregada al motor, la cual no corresponde a ningún valor. Así entonces es posible presionar [Hand on] y establecer las RPMs que se quieran para el motor, arrancando el mismo al momento de cambiarle de valor inicial. Todo esto siempre y cuando no esté desactivado el botón [Hand on] mediante el parámetro 0-40. Así entonces:

Figura 8. Esquema del establecimiento de la velocidad en RPMs.

Si se presiona entonces el botón de [Off] se parará el motor a la manera en como esté configurado con freno CC, pardo de inercia, entre otros, y para volverlo a iniciar se requiere que así se haya establecido otro parámetro de velocidad, se presione el botón [Auto on]. Es importante tener en cuenta el hecho que denota que para que el motor pudiera arrancar mediante la configuración de las RPMs establecidas al presionar el botón [Hand on], fue necesario que tuviera preestablecido en el parámetro 5-10 Terminal 18 entrada digital, dentro del grupo de parámetros Entradas digitales, como arranque:

Figura 9. Esquema de la configuración del parámetro 5-10.

Este parámetro puede establecerse además como arranque por pulsos, cambio de sentido, arranque e inversión y otra cantidad de parámetros para que el motor efectúe tal modo de funcionamiento. Se debe recordar que para modificar el parámetro es necesario que el motor se encuentre desconectado.

Velocidad Para establecer la configuración de la velocidad que el Danfoss

enviará al motor trifásico para su adecuado funcionamiento, es posible ya no recurrir a la velocidad en RPMs sino en función de la frecuencia. Para ello se presiona durante 3 segundos la tecla o botón [Main menú], y se mueve con los cursores superior, inferior y laterales, hasta seleccionar el parámetro 1-23 Frecuencia, el cual se encuentra por defecto en 50 Hz, y cuyo máximo valor de velocidad del motor trifásico corresponde a 60 Hz para nuestro país. Es importante entonces tener en cuenta que para cambiar el valor de la frecuencia, se debe tener apagado el motor, de no ser así debe presionarse el botón [Off], y luego dar [OK] en el parámetro Frecuencia y con los cursores mover hacia el valor que se desee. La siguiente figura, la figura 10, corresponde a un esquema de la configuración del parámetro Frecuencia.

Una vez se haya cambiado el parámetro al valor que se desea en frecuencia, se debe presionar [Auto on], para enviar tal parámetro al motor y establecer su funcionamiento en dicha velocidad.

Figura 11. Esquema de parámetro Frecuencia cambiado y aplicado al

motor.

Sentido de giro

Para lograr configurar el variador de frecuencia de modo que permita al motor trifásico tanto en configuración individual, como anclado a una red Modbus cambiar su sentido de giro para aplicaciones en donde se requiera que el transporte que efectúa el motor sea inverso, se presiona el botón [Main Menu] durante 3 segundos aproximadamente y mediante los cursores se selecciona el parámetro 4-10 Dirección velocidad motor:

Figura 12. Esquema de selección de parámetro Dirección velocidad

motor.

Se debe tener en cuenta que el usuario debe suspender cualquier orden enviada al motor a través del Danfoss y apagar éste, para poder realizar cambios en dicho parámetro, así como en todos los demás. Al presionar [OK], se entra al parámetro Dirección de velocidad motor cuya valor inicial se encuentra en Izquierda a derecha, luego se presiona [OK] para cambiarlo a la opción Ambos sentidos mediante los cursores superior e inferior y se le da [OK] nuevamente para realizar el cambio y registrarlo y posteriormente se

presiona [Auto on] para poner en marcha el motor con esta nueva configuración una vez se haya establecido el arranque por variación de frecuencia o RPMs. Figura 13. Esquema de la configuración inicial del parámetro 4-10.

Figura 14. Esquema del parámetro 4-10 configurado para Ambos sentidos. Tipo de freno

Tanto para la Interfaz de usuario desarrollada en Labview como en el LCP 102 y el MCT10, se configuró la parada por inercia, la cual se encontraba preestablecida en el LCP 102, más específicamente al tomar como referencia el parámetro 5-12 Terminal 27 entrada digital, del grupo de parámetros Entradas digitales, el cual estaba configurado como inercia tal y como lo indica la siguiente figura. Además de ello, es posible cambiar tal parámetro por inercia y

reinicio, Freno CC, el cual podrá ser cambiado en el parámetro 2-0* Freno CC, parada, entre otros.

Figura 15. Esquema del parámetro 5-12 preestablecido como Inercia.

Además de los parámetros anteriormente mencionados, los cuales fueron establecidos en la Interfaz de usuario en Labview, es posible configurar otro tipo de parámetros propios del funcionamiento del motor como lo es el denotado por 3-** Referencia/Rampas, y de manera más específica ya que cuenta con varias rampas configurables, unos límites de referencia para el valor mínimo y máximo de RPMs que alcanzará el motor debido a la configuración

de la rampa, un potenciómetro digital, entre otros, es posible escoger el parámetro 3-41 Rampa 1 tiempo aceleración rampa, y cambiar dicho tiempo en el que la rampa sube hasta el máximo valor que el motor alcanzará en RPMS y el parámetro 3-42 Rampa 1 desaceleración rampa, para cambiar el tiempo en el que la rampa decae hasta el mínimo valor de RPMs que el motor tendrá.

Figura 16. Esquema de configuración del parámetro 3-41.

Figura 17. Esquema de configuración del parámetro 3.42. Una vez se haya configurado la rampa, al poner en marcha el motor este tendrá las características de funcionamiento de la rampa si esta se encuentra activa.

Configuración de los parámetros de control del variador de frecuencia mediante el MCT10 Mediante el software de monitoreo del MTC10, es posible configurar los diversos parámetros que posee el variador de frecuencia (Danfoss FC 300), para posteriormente establecer la comunicación y envío de telegramas de

control mediante la Interfaz de usuario desarrollada en Labview para el control de la velocidad, sentido de giro, tipo de frenado, del motor trifásico tanto en configuración individual como conectado a una red Modbus donde se controlarían dos motores trifásicos, tanto de manera individual como de manera conjunta. Así entonces a continuación se muestra la configuración final para el adecuado control del variador de frecuencia y el reconocimiento de los telegramas enviados para controlar los parámetros anteriormente mencionados. Cabe anotar que tal configuración se puede realizar tanto desde el MTC10 como desde el Panel de control gráfico y numérico (LCP 102). Figura 18. Configuración del Danfoss de los parámetros de Carga/motor y

Frenos.

Figura 19. Configuración del Danfoss de los parámetros de Comunicación

y opciones, y lógica inteligente.

Figura 20. Configuración del Danfoss de los parámetros Referencia/Rampas.

Figura 20. Configuración del Danfoss de los parámetros Referencia/Rampas y Límites/Advertencias.

Construcción de los telegramas de control del variador de frecuencia.

Para controlar los parámetros del Danfoss FC 300 establecidos como velocidad y parada por inercia, ya que el sentido de giro se configura desde el MTC10 o desde el LCP 102, es necesario enviar un telegrama de control que indique el parámetro a modificar y el valor por el cual se va a modificar para el respectivo funcionamiento del motor. Así entonces, se debe construir una trama que el variador de frecuencia reconozca y asuma para el control de la velocidad y de la parada por inercia en el caso concerniente. El variador de frecuencia (Danfoss FC 300) posee una comunicación en serie vía interfaz mediante un protocolo denominado maestro-esclavo, en el cual el maestro se encarga de controlar el tráfico de telegramas y espera los telegramas de respuesta de los esclavos antes de enviar algún otro telegrama. Se tiene entonces que el máximo tiempo de respuesta para un esclavo se determina como de 50 ms, y así mismo estos telegramas de respuesta del esclavo se envían al maestro siempre y cuando haya recibido un telegrama sin error. Dentro de esta comunicación existe otro modelo que corresponde al de Difusión o Broadcast, en la cual un maestro puede enviar el mismo telegrama simultáneamente a todos los esclavos conectados al bus, y adicionalmente, los esclavos no envían ningún telegrama de respuesta al maestro comunicando si el telegrama se recibió correctamente o no. Estructura de los telegramas Los telegramas de control que son los que nos interesan para el respectivo proyecto se encuentran conformados una trama de bytes presentados en formado hexadecimal y corresponden a: STX: byte de inicio denotado como 0x02. LGE: byte que indica la longitud del telegrama, el cual se encuentra conformado por el número de bytes de datos, más el byte de dirección ADR y el byte de control BCC.

Así entonces para un telegrama de control corresponderá a: LGE=1 + 4 + 1= 6 bytes, y se denotará como 0x06 ADR: byte que indica la dirección del variador de frecuencia (Danfoss FC 300), para el case del Danfoss que controla al primer motor se establecerá como 0x01 y para el que controla al segundo motor que se conectará mediante una red Modbus, como 0x02. Estas direcciones se configuran además en cada uno de los Danfoss a través del LCP 102 o el MTC10. PCD1: corresponde a 2 bytes que forman junto con le PCD2 el bloque de códigos de procesos y en él se establece el código de control que configurará el parámetro en cuestión, el cual para el proyecto corresponde a la velocidad del motor, al sentido de giro del mismo que se configura desde el LCP 102 o el MTC10, y a la parada por inercia. Así entonces para el control de la velocidad del motor mediante el cambio de la frecuencia de la red, dichos bytes corresponderán a 0x047F, que corresponde en binario a 0000010001111111 , un total de 16 bits configurables que según su estado indicarán cada función configurada en los 16 bits de control para el código de control visualizados en la siguiente tabla y que permiten por tanto la variación de la frecuencia de la red.

Figura 20. Tabla de los bits del código de control del Danfoss FC 300. Para el sentido de giro también se empleará el mismo código de control PCD1 = 0x047F ya que lo que cambia es el valor de referencia establecido en el PCD2 que se verá enseguida, una vez se haya cambiado el parámetro4-10 a Ambos sentidos para el sentido de giro. Por otra parte para la parada del motor, de cada uno de ellos, el código de control a establecer en el PCD1 es 0x0403, el cual en binario corresponde a 000001000000011 y chequeando con cada bit de control del código de control en la figura 20, estos establecen el paro por inercia. PCD2: corresponde a 2 bytes que forman junto con le PCD1 el bloque de códigos de procesos y en él se establece el valor de referencia que configurará el parámetro en cuestión establecido por el código de control.

Para la variación de la velocidad del motor mediante el cambio en la frecuencia de la red, se tiene queel valor de la frecuencia de salida actual del convertidor de frecuencia se transfiere en forma de un código de 16 bits. Así, el valor se transfiere en forma de números enteros 0 - ±32.767 (±200%), donde 16.384 (4000 Hex) corresponde a 100%.

Por ello el valor de referencia de la frecuencia irá hasta 0x4000 que corresponderá a los 60 Hz, y será determinado posteriormente en la Interfaz de usuario desarrollada en Labview para todo el rango desde 0 hasta 60 Hz.

Para el sentido de giro, el valor de referencia se establecerá

ajustándose de manera negativa, es decir si se requiere el 50% de la velocidad, es decir 0x2000, se denotara como -50%, -0x2000, lo cual se hace sacando el complemento a uno de tal valor y luego sumándole a este valor 1 para obtener el complemento a dos y por

tanto el valor de referencia negativa. Este se construirá en el programa desarrollado en Labview.

Para la parada por inercia este valor podrá corresponder a 0x0000.

BCC: byte de control de datos que corresponde al checksum del telegrama de control y se calcula haciendo operaciones XOR desde el byte de inicio hasta el PCD2. A manera de ejemplo se muestra el siguiente telegrama de control para establecer la velocidad del motor trifásico controlado o de ambos en un 50%:

Figura 21. Telegrama de control para variar la velocidad del motor.

Diseño e implementación de una Interfaz de Usuario en Labview para el control del motor trifásico en configuración individual y en configuración de conexión a una red Modbus para el control de más de un motor. Las variables que deseamos controlar de los dos motores AC, con el uso del variador de velocidad Danfoss FC300 son: velocidad, sentido de giro, encender y apagar los motores, cuyo apagado será por parada de inercia; tanto de forma independiente como paralela, es decir, que la interfaz de usuario tenga la opción de controlar cada motor y sus respectivas variables de manera aislada, y que además tenga una opción donde el control de las variables para ambos motores sean iguales.

Al abrir el archivo control.vi, ubicado en la carpeta adjunta se abre la interfaz de usuario que se muestra a continuación.

Precaución: para ejecutar el programa de control.vi y los demás archivos anexos en la carpeta para ejecutar el programa se debe tener instalado el labview v10.0 (32 Bit) o versiones mayores y posteriormente tener instalado el NI-VISA.

En la anterior gráfica se observan 4 pestañas, las 3 primeras corresponden al control del motor 1 correspondiente al Danfoss 1, el motor 2 correspondiente al Danfoss 2 y el control de ambos motores al mismo tiempo que corresponde a la pestaña “Control General”.

La última pestaña corresponde a “Configuración” que contiene la configuración del puerto de salida de datos del Labview, en la pestaña puerto VISA se debe seleccionar el puerto USB por el cuál saldrán los datos y la paridad de los datos, por defecto viene sin paridad, pero se

puede escoger entre “odd” para impar e “even” para par, cuando el computador reconoce la entrada USB por donde saldrán los datos, debe aparecer automáticamente el puerto (en este caso el COM3). La información que sale del computador desde el puerto preestablecido, va conectado a un conversor de USB a 485 mediante un cable de USB (PC)-Mini USB (RS485).

Para iniciar el programa se le da click en la opción “Run Continuously” (encerrado en el Círculo Rojo de la gráfica anterior).

Configuración del puerto de Salida.

Precaución: si no aparece el puerto de comunicaciones por el cual se va a realizar la transmisión de datos debe verificar que los drivers del conversor 485 estén instalados en el computador. Verificar desde el administrador de dispositivos que se encuentra bien conectado el conversor y que además sea el puerto que corresponde al programa de labview.

Descripción detallada del Programa en Labview:

Para observar el diseño del programa se debe abrir el diagrama de bloques de control.vi, presionando CTRL+E en la interfaz de usuario. Se enumeran las funciones de acuerdo al orden en el que normalmente el programa se ejecutaría:

1. Inicialización del puerto VISA:

Se toman 9600 baudios de velocidad de transmisión, el “8”corresponde a la cantidad de bits usados por carácter.

2. While Principal Dentro de esta sentencia se encuentra todo el programa el cual se va a salir solo si se presiona el botón terminar programa, que se encuentra en la pestaña de Configuración de la Interfaz de usuario, si esto se activa se inicializa el fin de la comunicación y se procede a cerrar el puerto VISA. La siguiente gráfica muestra cómo se cierra el puerto si el bit “terminar proceso” pasa de cero a uno:

3. Control de Eventos Éste se encuentra dentro de la estructura While, es decir que solo se ejecutará siempre que se presione el botón “Run Continuously” y se saldrá de éste mismo si se presiona el botón STOP ubicado en la pestaña de configuración de la interfaz de usuario. Cuando el programa está en ejecución se deben emplear banderas que indiquen que cambios está realizando el usuario en la interfaz, para eso se usa “Event Structure” una función que me permite definir los eventos posibles en el programa y tomar medidas de acuerdo al suceso ocurrido, por default se construyó el programa para que entre evento se espera 5000 milisegundos entre eventos por precaución.

Para este caso en específico, si se cambia la frecuencia del motor 1 entonces la bandera “Frec1” pasará de cero a 1.

4. Control de velocidad del Motor y sentido de Giro Ocurre dentro de una Estructura de secuencia “flat sequence” la cual hace de forma secuencial cada proceso dentro de su estructura, con el fin de que el programa esté atento a cada cambio que el usuario realice, por ejemplo si apaga el motor 1 cuando acaba de hacer un cambio de giro en el motor 2. La primera secuencia del programa se encarga de controlar la velocidad del motor y del sentido de giro, la siguiente gráfica muestra el esquema de control del primer motor.

Si la bandera “pg1”, que indica si el motor se encuentra encendido o apagado, se encuentra activa y si además la bandera de cambio de velocidad está encendida “Frec1” (esto ocurre cuando el usuario realiza un cambio de la velocidad de la perilla en la interfaz de usuario), se activa la estructura del Case correspondiente a la velocidad del motor 1. La velocidad del motor viene dada en términos de la frecuencia pues para motores AC la velocidad depende de forma lineal a la frecuencia del motor. El principio de los variadores de velocidad es cambiar la frecuencia de la red para variar la velocidad del motor. El manual del Danfoss FC 300 indica que la máxima velocidad que entrega al motor es cuando en los bytes de PCD2 hay un valor de [4000] hexadecimal que corresponde en decimal a 16384 por tanto para una frecuencia máxima de 60Hz que entrega la red, se puede obtener la relación de conversión como 16384/60 = 273.07; por esto es que se multiplica inicialmente la entrada de velocidad del motor “Control de Frecuencia1” por un factor de 273, luego se realiza una conversión de entero a string, y este valor pasará al cuadro “Trama de Proceso.vi” quien se encarga de conformar la trama que recibe el Danfoss para que éste pueda traducir la información al motor y cambiar la velocidad (la explicación del módulo “Trama de Proceso.vi” se realizará más adelante de una forma más específica).

”Trama de proceso.vi” consta de tres entradas, una salida, el puerto serial y la paridad. La entrada 1 es la dirección preestablecida desde el panel de control del Danfoss; la entrada 2 es el código de control del Danfoss PCD1 (2 bytes) y la 3 es PCD2 (2 bytes) que se encarga de entregarle la velocidad indicada al variador. La salida del módulo entrega los 8 bytes incluyendo el byte de check-sum que componen las tramas de control y de estado del Danfoss, que para nuestro caso no es empleada pues este módulo va directamente conectada al puerto VISA el cual recibe la trama y la manda vía USB al conversor (la salida de éste módulo sirve para más adelante entregarle esta

trama a un módulo de control de un Xbee dado el caso de querer controlar a distancia y de forma inalámbrica las variables de los motores). A continuación se muestra el módulo “Trama de Proceso.vi”:

Retomando el código de labview, vemos que dentro del case de control de velocidad y sentido de giro, la variable local de frec1 se vuelve 0, con el fin de que no vuelva a entrar a menos que se cambie de nuevo la velocidad del motor.

5. Parada del Motor:

La segunda secuencia de la estructura “Flat Sequence” corresponde al caso en que en algún momento se desee parar el motor desde la Interfaz de usuario. La siguiente gráfica corresponde al caso en que el motor 1 se apaga y el motor 2 continua encendido:

Para el caso en que el motor continúe encendido es decir que pg2=true, vemos que el motor toma los valores de “control de frecuencia 2” y los de “Sentido de giro 2” y ejecuta, de la misma forma que en la anterior secuencia, los valores en las funciones que convierten la información en tramas para que el variador las pueda ejecutar de forma norma. Contrario a lo que sucede si el motor se apaga, como ocurre para el motor 1 el cual se le ha dado la orden de que pare y por tanto se ejecuta el código correspondiente a esta orden. La parada de uno o varios motores se establece mediante el código 0x0403 dentro del código de control PCD1 correspondiente a la entrada 2 del módulo ”Trama de proceso.vi” . El código 0x0403 quiere decir que PCD1 lleva consigo en binario el valor

000001000000011, para el Danfoss esto quiere decir que la parada se realizará en por inercia, pues el bit 4 (del menos significativo al más significativo) tiene un valor de cero que corresponde al apagado inmediato de los transistores que controlan la velocidad del motor, dejando que pare el motor por inercia. (Remítase al manual del Danfoss FC300 página 253) el bit número 11 corresponde a la validación de los datos, es el más importante pues este bit, en 1, permite que el Danfoss obedezca las órdenes mandadas desde la Interfaz sin realizar. Los 2 primeros bits en uno indican la manera en que el Danfoss recibe la información por el puerto RS485 a manera de OR lógica, lo que permite que el Danfoss reciba los datos como digitales (de esta manera el Danfoss viene predefinido). El estudio de las tramas del Danfoss corresponden a la sección anterior, por eso se tomó este caso a manera de ejemplo para corroborar que la información enviada al variador sea correcta.

En la anterior gráfica observamos que la parada del motor 1, ocurre si la bandera “parar girar1” vale 1 y si la bandera “pg1”vale 0. La bandera “parar girar1” solo se activa si el estado de “pg1” cambia de 1 a 0 desde la estructura de eventos que a continuación observamos:

Esto es necesario pues en caso de no tener la bandera “para girar1” la función “case” que apaga el motor siempre se ejecutaría, lo cual es

ineficiente pues el Danfoss siempre lee y ejecuta las tramas que se envían desde puerto USB mediante el puerto VISA. De forma equivalente se puede realizar el análisis para los otros casos, en los que se desea activar el segundo motor, o controlar ambos al tiempo, pero no viene al caso pues es idéntico a lo anteriormente planteado, solo hay una diferencia para el caso 3. Esta diferencia se debe tener en cuenta en caso de que se desee controlar ambos motores al tiempo por las mismas variables, es decir, que trabajen en paralelo. Como no se puede enviar una trama con dos direcciones distintas al tiempo se debe mandar cada una por aparte, esto se puede realizar gracias a la función secuencial “Flat Sequence” que manda los mismos datos para ambos motores pero a diferentes tiempos, uno después del otro, aunque los tiempos son tan pequeños entre ellos que para el ojo humano no se podría percatar la diferencia entre ellos. La imagen a continuación muestra el diagrama de bloquen dado el caso en que se desee cambiar la velocidad o sentido de giro de ambos motores al tiempo.

Construcción de la trama de control para el variador Danfoss

La función de entramado “Trama de proceso.vi” en el programa principal funciona de manera transparente al control del variador. Éste se encarga de construir los 8 bytes que componen la trama completa que debe leer el Danfoss para poder controlar los dos motores. Recordemos que estas tramas están compuestas por un byte inicial que corresponde al hexadecimal [02] llamado STX, luego viene la longitud, LGE, de los siguientes bytes el cual corresponde a [06] para nuestro caso. A partir de ese instante se tendrán en cuenta solo los siguientes 6 bytes que lleguen a continuación; luego sigue la dirección del Danfoss al cual se le mandará la trama y cambiar algún parámetro, para nuestro caso solo son dos variadores y por tanto cada uno debe tener una dirección distinta la cual es configurada desde el panel de control con direcciones [01] y [02], luego vienen los bytes de control PCD1 y PCD2 que como ya se había visto llevan el valor de la velocidad del motor o el cambio en el sentido de giro, y el apagado o encendido del motor cada uno de éstos usa 16bits, y finalmente sigue el byte de corrección de errores, Check-sum o BCC. El check sum se realiza con todos los bytes que deben ir al Danfoss desde que se realiza el STX, éste check-sum consiste en realidad en hacer una OR exclusiva entre todos los bytes que se van a enviar, el Danfoss corrobora que los bytes de control de entrada tengan el mismo valor que el BCC y si no son iguales descarta automáticamente la trama enviada. Por esto debe ser muy preciso el cálculo del byte BCC, pues en caso contrario el variador haría caso omiso a las peticiones realizadas desde el computador. El diagrama de bloques de la función de Trama de Proceso comienza dentro de una función secuencial “Flat Sequence” que simplemente se encarga de inicializar el puerto VISA y también de cerrarlo cuando acaba el proceso, a continuación se observa en la imagen la secuencia que se encarga de hacer las conversiones y mandar los datos de forma en que el variador pueda reconocer los tramos.

La parte superior de la imagen corresponde a las variables de entrada que usa el bloque de conversión, estos son PCD1 (2 bytes), PCD2 (2 bytes) y la dirección del Danfoss (1 byte), estos se concatenan en orden de acuerdo a lo que exige el variador. El nuevo vector está conformado por 5 bytes, a los cuales se les añade el byte de longitud justo antes del vector y se le inserta el byte de inicialización STX justo al inicio, quedaría faltando un solo byte correspondiente al check-sum o como lo mencionan en el Danfoss el byte de control de errores BCC, esta función es construida mediante el uso de una función “for loop” la cual se ejecuta dependiendo del tamaño de la trama a enviar, para nuestro caso corresponde a 8. Lo que hace esta función “for loop” es realizar un shift register (flechas rosadas) de un byte a la vez, y tomar el dato que hay en cada byte y realizar su respectiva OR

exclusiva, si el valor i (i=0,1,2…7) es igual a N-1, 8-1=7, quiere decir que ha terminado de realizar la suma de todos los 8-1= 7 bytes, el case activa al ser verdadero por lo que solo queda agregar al vector “sin check sum” el resultado de la operación XOR de los 7 bytes anteriores y componer la trama total que es enviada automáticamente al Puerto de salida mediante el bloque de VISA WRITE.

Comunicación entre la Interfaz de Usuario en Labview y el variador de frecuencia. El variador de frecuencia requiere que los datos enviados para el control de sus parámetros sean mediante el protocolo de comunicación RS485, para ello, desde el computador, el programa desarrollado en Labview para enviar los telegramas de control cuenta con un módulo externo denominado conversor USB a RS-485.

Conversor USB a RS-485 El conversor cumple una función muy importante a la hora de establecer la comunicación entre el computador el cual recibe y manda datos de forma serial, mientras que el variador Danfoss recibe y manda la información en 485. El conversor de USB a RS-485 se muestra a continuación.

Para las comunicaciones industriales el estándar RS-485 es muy importante pues gracias a su método de comunicación, la cual opera en modo diferencial, es decir que no tiene una referencia a tierra, lo hace menos susceptible a las interferencias externas, como las Ondas Electromagnéticas, o los ruidos debido a la temperatura. El medio físico de comunicación del estándar 485 es un par de cobre entrelazado, y permite alcanzar distancias de hasta 1200m para velocidades de 19200 baudios y comunicación half-dúplex. La cual permite operar hasta 31 estaciones esclavo y un maestro, también llamado Profibus. Se debe tener en cuenta que dado las largas distancias y la naturaleza inductiva y capacitiva de los cables es necesario acoplar las entradas y salidas de todas terminales; esto se puede lograr fácilmente agregando una resistencia de 120Ω en cada una de las terminales de salida los dispositivos que realizan la comunicación en 485; pero para distancias menores a 50m no es necesario agregar la resistencia. Conversor USB 2.0 a Mini-USB

Necesario para el montaje, pues el Conversor a RS-485 solo acepta entrada con puerto Mini-USB. Conexión entre el computador y el Danfoss FC 300 mediante el conversor USB/RS-485 El esquema de conexión corresponde al mostrado en la siguiente figura:

El variador de frecuencia Danfoss FC 300 cuenta además con un protocolo de comunicaciones Modbus del tipo RTU, que permite el control de los dos motores de manera simultánea, conjuntamente para que ambos sean controlados a la vez y que se describirá a continuación.

Modbus Es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI, basado en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor, y en la industria es el que goza de mayor disponibilidad para la conexión de dispositivos electrónicosindustriales. Puede usarse para la conexión de un ordenador de supervisión con una unidad remota (RTU) en sistemas de supervisión adquisición de datos (SCADA). Existen entonces dos variantes, con diferentes representaciones numéricas de los datos y detalles del protocolo ligeramente desiguales. Modbus RTU, la cual es una representación binaria compacta de los datos, y Modbus ASCII, la cual es una representación legible del protocolo pero menos eficiente. Ambas implementaciones del protocolo son serie. Por su parte, el formato RTU finaliza la trama con un suma de control de redundancia cíclica (CRC), mientras que el formato ASCII utiliza una suma de control de redundancia longitudinal (LRC). La versión Modbus/TCP es muy semejante al formato RTU, pero estableciendo la transmisión mediante paquetes TCP/IP. Cada dispositivo de la red Modbus posee una dirección única, además Cualquier dispositivo puede enviar órdenes Modbus, aunque lo habitual es permitirlo sólo a un dispositivo maestro. Así cada comando Modbus contiene la dirección del dispositivo destinatario de la orden y por tanto todos los dispositivos reciben la trama pero sólo el destinatario la ejecuta, lo cual sucede con cada uno de los variadores de frecuencia que se encuentran conectados al

mismo bus pero dependiendo de la dirección de cada uno, este reconoce si el telegrama de control enviado es para él o no.