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Sistema HMI-PLC-ADF- Motor CA para control de velocidad

HMI-PLC-ADF-CA Motor system to speed control

José Carlos Quezada-Quezada
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Mexico
Ernesto Flores-García
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Mexico
Maribel González-Cadena
Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, Mexico
Jorge Bautista-López
Universidad Autónoma del Estado de México, Mexico

Sistema HMI-PLC-ADF- Motor CA para control de velocidad

Ingeniería, investigación y tecnología, vol. XIX, núm. 4, e040, 2018

Facultad de Ingeniería, UNAM

Recepción: 27 Septiembre 2017

Recibido del documento revisado: 13 Noviembre 2017

Aprobación: 23 Enero 2018

Resumen: El presente artículo propone el control de velocidad para motores de CA mediante un sistema conformado por Interfaces Humano Máquina (HMI) - Controlador Lógico Programable (PLC) - Variador de Frecuencia (AFD) para tres modos de control; velocidades preestablecidas, lazo abierto y lazo cerrado, los cuales son utilizados en diversos procesos industriales. Se muestran las interfaces de usuario gráfico diseñadas y los algoritmos de control desarrollados, así como las reglas lógicas de control, monitoreo y animación para cada uno de los modos de control. La eficiencia del sistema de velocidad se logra al separar la lógica de programación de seguridad y de control crítico en el PLC y la lógica de control, monitoreo y animación en la HMI. Para el modo de control de lazo cerrado solo se muestra el diseño, la sintonización del controlador Proporcional + Integral + Derivativo quedaría en función de la aplicación. La propuesta es con base en los estándares internacionales IEC-61131-3 para el desarrollo de los algoritmos de control en lenguaje de programación Diagrama Escalera (LD) y por ANSI - ISA 101.01 para el diseño de interfaces hombre máquina, lo que garantiza su funcionalidad en aplicaciones reales industriales. Resalta la importancia de generar sistemas HMI - PLC - ADF - Motor CA para aplicaciones en máquinas o procesos de producción fundamentadas en los estándares internacionales y la reducción de lógica de control en los PLC optimizando su utilización en el control, mientras todas las demás reglas de control, monitoreo y animación se ejecutan en una computadora con mayor velocidad y capacidad de procesamiento.

Descriptores: Variador de frecuencia, controlador lógico programable, interfaz humano máquina, algoritmo en diagrama escalera, control supervisorio y adquisición de datos.

Abstract: The present article proposes speed control for AC motors by means of a system conformed by Human Machine Interfaces (HMI) - Programmable Logic Controller (PLC) - Variable Frequency Drive (AFD) for three control modes; pre-set speeds, open loop and closed loop, which are used in various industrial processes. The graphical user interfaces designed and developed control algorithms are shown, as well as the logic control, monitoring and animation rules for each one of the control modes. The efficiency of the speed system is achieved by separating logic of safety programming and critical control in PLC and logic of control, monitoring and animation in HMI. For closed loop control mode only the design is shown, tuning of the Proportional + Integral + Derivative controller would depend on the application. Proposal is based on the IEC-61131-3 international standards for development of control algorithms in Ladder Diagram (LD) programming language and by ANSI - ISA 101.01 for design of man machine interfaces, which guarantees its functionality in real industrial applications. It highlights importance of generating HMI - PLC - ADF - CA Motor systems for applications in machines or production processes based on international standards and the reduction of control logic in PLCs optimizing their use in control, while all the other rules of Control, monitoring and animation are executed on a computer with greater speed and processing capacity.

Keywords: Variable frequency drive, programmable logic controller, human machine interfaz, ladder diagram algorithm, supervisory control and data acquisition.

Introducción

La unidad variador de frecuencia-motor CA reduce los costos de operación en máquinas y procesos que requieren de control de velocidad. La unidad puede ser configurada para trabajar con torque constante, lo que ha permitido en ciertos procesos sustituir las unidades de variador de frecuencia con motor de CD y por consiguiente la reducción de los costos en equipamiento para el control de velocidad. Por otro lado, la integración de HMI-PLC para el control de procesos se ha incrementado en la industria y en la educación se han propuesto sistemas HMI-PLC para la enseñanza en el área de automatización.

En Aydogmus et al. (2009) se muestra un laboratorio remoto basado en sistema SCADA para el control de un motor de inducción mediante variador de frecuencia. El sistema usa señales estándar de voltaje para las entradas y salidas analógicas al PLC. El algoritmo de control considera las protecciones de sobrecarga y sobre-velocidad del motor. La HMI muestra los instrumentos virtuales para la selección de la dirección de rotación, el modo manual-automático para el lazo de control cerrado, botones de arranque y paro y un selector para prueba del sistema con el motor acoplado a carga y sin carga. Un sistema HMI-PLC-ADF se muestra en Patel et al. (2014) para el control de una máquina lavadora de botellas. Se muestra el diagrama de flujo del sistema y el algoritmo de control de nivel y presión en lenguaje diagrama a bloques. Se muestra la HMI, pero no se indica su diseño, el controlador es un PLC SiemensMR.

Una aplicación de HMI-PLC-ADF para el control de llenado de agua de un tanque, se muestra en Z., Y. y Xiaohui (2012), donde el ADF puede controlar una sola bomba de un grupo de seis en función de los interruptores de límite en el tanque. El sistema utiliza la estrategia de control en cascada, contempla modo de operación manual-automático y botones de arranque y paro. Solo se muestra el diagrama de flujo del diseño de control propuesto y se mencionan los componentes utilizados para la HMI y el PLC de la firma ModiconMR. En Li y Xu (2012) se propone un control de nivel en un tanque de almacenamiento a través del control de velocidad de un motor de CD con un sistema HMI-PLC. El artículo solo muestra las tablas de variables en la HMI y en el PLC, así como la interfaz de usuario gráfico. El sistema se basa en equipo de la marca MitsubishiMR.

En Quezada et al. (2014) se muestra el control y monitoreo de un pozo de agua potable usando tecnología HMI-PLC-ADF, las reglas de control y animación en diagramas de flujo y el algoritmo de control en diagrama escalera para el control de las variables velocidad, temperatura, concentración de cloro, flujo, presión y conductividad. Una aplicación de HMI-PLC-ADF para el control de una máquina de lana y casimir se muestra en Yunhui y Yiping (2012), donde resaltan la importancia de los ADF en cuanto a eficiencia energética, en la regulación de velocidad y frenado. Se propone un ajuste grueso de la velocidad utilizando lazo abierto y proponen el modo de lazo cerrado utilizando encoder en la retroalimentación. Sin embargo, no se muestran las HMI, ni los algoritmos de control propuestos.

La propuesta para desarrollar laboratorios educacionales a través de plantas virtuales con modelos y lógica implementada en MatlabMR y empleda con LabVIEWMR se muestra en Rodríguez et al. (2016). Se resaltan cinco características a contemplar en el diseño de las interfaces de usuario gráficas; arquitectura, distribución y navegación, color y texto, equipamiento, valores y tablas y alarmas. Se muestra un caso de estudio donde indican el modelo gráfico y parte de la programación, así como las HMI propuestas del sistema. En Pérez et al. (2006) utilizan tecnología SCADA para la enseñanza de control de procesos, donde resaltan la importancia del umbral entre el diseño de sistemas de control teórico y su implementación práctica. El caso que analizan es el control de nivel de un tanque y argumentan la realización del modelo y simulación en MatlabMR, se muestra una HMI como herramienta para generar el control con la metodología de redes neuronales, sin embargo, solo se muestran los pasos secuenciales de la generación de código en C++, texto estructurado, software de enseñanza en MatlabMR, generador de código estructurado y red neuronal.

En Selwin y Kumar (2015) se muestra un sistema HMI-PLC para el control de nivel de un tanque que alimenta a una planta hidroeléctrica, a través de dos bombas; una para extraer agua y otra para surtir agua al tanque. Proponen control en cascada de PID difusos, sin embargo no se muestra la HMI, ni el algoritmo de control, solo se describe el proceso general del sistema. Un sistema HMI-PLC con tecnología RsVIEW32MR y Allen BradleyMR, respectivamente, se muestra en Lakshmi (2012), el cual se utiliza para la validación experimental de un sistema de control en cascada basado en PDI. Solo se muestra la HMI principal del sistema y una HMI para las tendencias de las variables que comparan. En Aydogmus (2009) se muestra un sistema HMI-PLC para el control de nivel, utilizando lógica difusa para demostrar el bajo costo de la utilización de sistemas SCADA. El sistema es simulado en MatlabMR e implementado en un PLC SiemensMR, mostrando el diagrama de flujo del algoritmo de control.

Con base en lo anterior, generalmente no se muestran las reglas de diseño de las interfaces de usuario gráfico (HMI), así como los algoritmos de control implementados en el PLC. El presente artículo propone un sistema HMI-PLC-ADF-Motor CA para tres modos de control de velocidad utilizados en la industria; velocidades preestablecidas, control de lazo abierto y control de lazo cerrado. Se muestran los algoritmos de control en lenguaje diagrama escalera y las reglas de control, monitoreo y animación de las interfaces de usuario gráfico diseñadas. El sistema se integró con el software Proficy Machine EditionMR (GE, 2013) para el diseño de los algoritmos de control y Proficy HMI SCADA CimplicityMR (GE, 2001) para el diseño de las interfaces de usuario gráfico, y el hardware utilizado es un PACSystemMR (GE´s, 2016), variador de frecuencia AF-60 LP Micro DriveMR (GE, 2011) y un motor de CA trifásico BaldorMR, donde se realizaron las pruebas al sistema propuesto.

Sistema principal de control de velocidad

El sistema de control de velocidad propuesto contempla cuatro HMIs, una interfaz principal para seleccionar el modo de control de velocidad y una para cada modo de control; velocidades preestablecidas, lazo abierto y lazo cerrado. De igual forma, son cuatro algoritmos de control en diagrama escalera, uno principal y uno para cada subsistema de velocidad. El ADF se configura para operar en función del subsistema de velocidad seleccionado. Para fines de descripción, las variables en las HMIs se escriben en letra cursiva y las de los algoritmos de control en letra normal.

La Tabla 1 muestra las variables del algoritmo de control principal; la variable #ALW_ON (%S7) es una señal del sistema del PLC y significa siempre energizado; las señales de memoria %M2, %M3 y %M4 son para seleccionar el modo de control de velocidad.

Tabla 1
Variables en el algoritmo de control principal
VariableDireccionamientoDescripción
#ALW_ON%S7Siempre energizada
PREESTABLECIDAS%M2Habilita subrutina de velocidades preestablecidas
L_ABIERTO%M3Habilita subrutina de velocidad de lazo abierto
L_CERRADO%M4Habilita subrutina de velocidad lazo cerrado

La Figura 1 muestra el algoritmo de control de velocidad principal, el cual se compone de cuatro subrutinas; ACONDICIONAMIENTO siempre está activa por la variable del sistema #ALW_ON. Esta subrutina es para el escalamiento de la variable de proceso (PV, por sus siglas en inglés) o velocidad real del motor, y para el punto de consigna (SP, por sus siglas en inglés) o velocidad deseada del motor. La subrutina V_PREESTABLECIDAS es para el control de velocidades preestablecidas; L_ABIERTO para el control de velocidad de lazo abierto y L_CERRADO para el control de lazo cerrado.

Algoritmo de control principal del sistema de velocidad
Figura 1
Algoritmo de control principal del sistema de velocidad

HMI principal del sistema de control de velocidad

La Tabla 2 muestra las variables en la HMI principal del sistema de velocidad. La Figura 2 muestra la HMI principal para el sistema de control de velocidad, tal como se conectó en el sistema donde se realizaron las pruebas. Las HMIs (corriendo en una computadora personal) se comunican vía protocolo Ethernet con el PLC, el cual recibe y envía señales de tipo discreto y analógico de las variables de campo, incluyendo al ADF, que está conectado al motor trifásico de CA.

Tabla 2
Variables en la HMI principal
Variable en HMIDescripción
HS FísicoAlarma virtual del estado de paro de emergencia real HS_F (%I1)
Protecciones activasAlarma virtual del estado de las protecciones del sistema PROTECCIONES (%I2)
HS VIRTUALParo de emergencia virtual (paro por software), controla el estado de HS_V (%M1)
Velocidades preestablecidasBotón para seleccionar el modo de control de velocidades preestablecidas
Velocidad lazo abiertoBotón para seleccionar el modo de control de velocidad de lazo abierto
Velocidad lazo cerradoBotón para seleccionar el modo de control de velocidad de lazo cerrado

HMI principal del sistema de control de velocidad
Figura 2
HMI principal del sistema de control de velocidad

Línea de control para seguridad del sistema de velocidad

Todo sistema de control debe contemplar la línea de seguridad para protección de las personas y de las propias máquinas. La Figura 3 muestra en la línea 1 las variables de seguridad del sistema de velocidad; HS_F (%I1) botón retentivo de paro de emergencia; PROTECCIONES (%I2) que puede ser: sobrevoltaje, sobrecorriente, temperatura en devanados o rodamientos, entre otros; PARO (%M8) botón virtual y HS_V (%M1) paro de emergencia virtual, los cuales son manipulados desde las HMIs (por software). Esta línea de control de seguridad también permite detener el motor en caso de falla o pérdida de comunicación entre las HMIs y el PLC, así como en caso de falla de energía eléctrica en el sistema, ya que los contactos son normalmente abiertos de las señales HS_F (%I1) y PROTECCIONES (%I2). Cuando las condiciones de seguridad (HS_F=1; PROTECCIONES=1; PARO=0; HS_V=1) se cumplen, entonces se energiza la bobina SEGURIDAD (%M9) y en consecuencia su contacto normalmente abierto, en la línea 2 se cierra, dando las condiciones para poder energizar la bobina FUNCIONAMIENTO (%Q5).

Algoritmo de control para protección del sistema de velocidad
Figura 3
Algoritmo de control para protección del sistema de velocidad

Las tres subrutinas V_PREESTABLECIDAS, LAZO_ABIERTO y LAZO_CERRADO contemplan este algoritmo para protección del sistema independientemente del modo de control de velocidad.

Reglas de control y monitoreo en el sistema de control principal

Las HMIs se configuran para que su operación pueda ser con el ratón (botón izquierdo). Se usará el evento clic para indicar la acción hacia un elemento virtual. Las reglas de control y monitoreo para el control de velocidad principal son:

Con las reglas lógicas arriba descritas, solo un modo de control de velocidad puede estar en funcionamiento a la vez.

Escalamiento de señales SP y PV a la variable velocidad

Para las señales SP y PV, se realiza un escalamiento para la variable velocidad en un intervalo de 0 a 1800 rpm. El punto de consigna se direcciona a un registro de memoria y la variable de proceso a una entrada analógica, ambas son de tipo entero a 16 bits, por lo que su intervalo de trabajo en formato decimal es de 32768 (215). La variable SP se manipula desde las HMIs para el control de velocidad de lazo abierto y de lazo cerrado. Para la variable PV se utiliza una señal estándar de control de 4 a 20 mA. Ambas señales se condicionan a un máximo valor de 31500 y se dividen entre 17.5 en las HMIs para obtener como máximo valor de velocidad 1800 rpm. La Tabla 3 muestra el escalamiento respectivo para la PV y SP, y la Tabla 4 muestra las variables y direccionamiento para el acondicionamiento de PV.

Tabla 3
Escalamiento para las señales SP y PV
DecimalSP (rpm)PV (mA)PV (rpm)
0040
78754508450
1575090012900
236251350161350
315001800201800

Tabla 4
Variables en el algoritmo de control de escalamiento de la señal PV
VariableDireccionamientoDescripción
ENT_ANALOGICA%AI15Entrada analógica de la VP
AUX_VEL_REAL%R1Registro auxiliar para el escalamiento en las HMIs
AUX1%M10Memoria auxiliar para el límite inferior de PV
AUX2%M11Memoria auxiliar para el límite superior de PV

La Figura 4 muestra el algoritmo de control para el escalamiento de la variable PV. El valor de la señal analógica ENT_ANALOGICA (%AI15) correspondiente a la velocidad real se mueve de forma continua al registro AUX_VEL_REAL (%R1), el cual se divide entre 17.5 en las HMIs para mostrar la velocidad real del motor en el intervalo de 0 a 1800 rpm. Los bloques LE INT y GE INT son para limitar la PV y no exceda el límite inferior de 0 y el límite superior de 31500.

Algoritmo de control para escalamiento de PV
Figura 4
Algoritmo de control para escalamiento de PV

Las reglas lógicas de los algoritmos de acondicionamiento para PV son:

De igual forma, la Tabla 5 muestra las variables del escalamiento para el SP, y la Figura 5 el algoritmo de control, donde el SP (%R10) se manipula desde las HMIs de velocidad de lazo abierto y de lazo cerrado. En los indicadores del SP se realiza la división entre 17.5 para mostrar la variable velocidad en el intervalo de 0 a 1800 rpm.

Tabla 5
Variables en el algoritmo de control de escalamiento de la señal SP
VariableDireccionamientoDescripción
SP%R10Registro del SP
AUX4%M12Memoria auxiliar para el límite inferior de SP
AUX5%M13Memoria auxiliar para el límite superior de SP

Algoritmo de control para escalamiento de SP
Figura 5
Algoritmo de control para escalamiento de SP

Las reglas lógicas de los algoritmos de acondicionamiento para SP son:

Controlador de frecuencia variable

El diagrama general de funcionamiento del ADF utilizado en el presente trabajo se muestra en la Figura 6, en la parte superior se tiene el rectificador y el oscilador controlado por el modo de conmutación (switch mode), el cual está en función de la señal de comando, que puede ser analógica (mA o V) o entradas discretas, como puede observarse en la parte media e inferior de lado izquierdo. Para el modo de control de velocidades preestablecidas se utiliza el comando discreto (entradas digitales 27, 29 y 33), para el control de lazo abierto y lazo cerrado se utiliza el comando analógico (entrada analógica 53), y para la visualización de la velocidad real y como retroalimentación en modo de control de lazo cerrado se usa la señal de salida analógica del pin 42. En el Anexo 1 se muestra la configuración del ADF.

Diagrama interno del ADF [AF60]
Figura 6
Diagrama interno del ADF [AF60]

Control de velocidades preestablecidas

El modo de control de velocidades preestablecidas se emplea en la industria para procesos que requieren de diferentes velocidades conocidas. La configuración en los ADF se realiza mediante la combinación de tres entradas digitales, con lo cual se pueden configurar hasta siete velocidades preestablecidas en función de cada combinación posible de estos tres contactos, considerando que la combinación de todos los circuitos abiertos es velocidad cero del sistema. También se tiene un circuito para el arranque y sentido de giro del motor (entradas digitales 18 y 19, Figura 6).

Es importante resaltar que el diseño de las HMIs deben reducir los algoritmos de control en los PLC para el control de procesos o máquinas, al poder manipular desde la HMI las señales de entrada y salida físicas discretas y analógicas, así como a las de memoria, además de soportar lógica de control y de animación.

El algoritmo de control de la Figura 3 es suficiente para el modo de control de velocidades preestablecidas, ya que el accionamiento de las bobinas que cierran los circuitos con el ADF se controlan desde la HMI. La señal FUNCIONAMIENTO (%Q5) en la Figura 3 está en función de las protecciones y la variable ARRANQUE (%M6) es para poner en operación el motor, la cual se manipula desde las HMIs.

HMI para el control de velocidades preestablecidas

La Tabla 6 muestra las variables extras en la HMI para el modo de velocidades preestablecidas.

Tabla 6
Variables en HMI para el modo de control de velocidades preestablecidas
Variable en HMIDescripción
IzquierdaIndicador tipo texto para indicar el giro del motor hacia la izquierda
DerechaIndicador tipo texto para indicar el giro del motor hacia la derecha
Selector virtualSelector del sentido de giro del motor
ArranqueBotón de funcionamiento del motor
ParoBotón de paro del motor
Velocidad 1 - 7Botones de selección de velocidad predeterminada
PVIndicador numérico de la PV
HMI principalBotón para regresar a la HMI principal

La Figura 7 muestra la HMI para el control de velocidades preestablecidas que contienen las variables de protección y alarma generales. Las variables de texto Izquierda y Derecha están sobrepuestas e indican el sentido de giro del motor, su visibilidad está en función del selector virtual. La HMI muestra los botones de Arranque y Paro, los cuales tienen el comportamiento de botones instantáneos, además muestra siete botones para seleccionar las velocidades preestablecidas en el ADF. También muestra un indicador digital para la velocidad real, así como el botón HMI principal para ir a la respectiva interfaz.

HMI del control de velocidades preestablecidas
Figura 7
HMI del control de velocidades preestablecidas

Las reglas de control y monitoreo para el modo de velocidades preestablecidas son:

Control de velocidad de lazo abierto

El modo de control de velocidad de lazo abierto se utiliza en procesos donde se requiere aumentar o disminuir la velocidad de forma continua, lo cual se logra manipulando una señal de salida analógica de 4 a 20 mA desde el PLC al ADF, equivalente al intervalo de velocidad del motor.

La Figura 8 muestra el algoritmo de control para velocidad de lazo abierto, donde puede observarse que solo se agregó un bloque MOVE INT para mover la información del SP (%R10) a la variable de control (CV) correspondiente a la señal de salida analógica %AQ7, la cual está conectada al ADF. El bloque MOVE INT es habilitado por la señal L_ABIERTO (%M3), la cual se activa cuando en la HMI principal se presiona el botón de Velocidad de lazo abierto.

Algoritmo de control para velocidad de lazo abierto
Figura 8
Algoritmo de control para velocidad de lazo abierto

HMI para control de velocidad de lazo abierto

La Tabla 7 muestra las variables que se agregan para el control de velocidad de lazo abierto.

Tabla 7
Variables para el modo de control de velocidad de lazo abierto
Variable en HMIDescripción
Botón subir SPIncrementa el valor en el registro %R10
Botón bajar SPDecrementa el valor en el registro %R10
CVVariable controlada (%AQ1)

La Figura 9 muestra la HMI diseñada para el control de velocidad de lazo abierto, donde se pueden observar dos botones para incremento y decremento de la variable SP, los cuales están configurados para saltos de 100 rpm. La HMI también tiene un indicador para mostrar la variable SP.

HMI para control de velocidad de lazo abierto
Figura 9
HMI para control de velocidad de lazo abierto

Solo se describen las nuevas reglas de control o monitoreo para el control de velocidad de lazo abierto:

En función del escalamiento descrito arriba, la variable SP no puede tener valores negativos, ni valores positivos mayores a 1800 rpm.

Sistema de control de velocidad de lazo cerrado

El modo de control de velocidad de lazo cerrado se utiliza en procesos continuos que usan la variable de proceso como retroalimentación para el control automático.

La Figura 10 muestra el algoritmo de control para el modo de velocidad de lazo cerrado. El bloque BLK CLR WORD se emplea para borrar los 40 registros de memoria de 16 bits que utilizan el bloque PID IND, que inicia en el registro %R50, por lo tanto, este registro es la entrada del bloque BLK CLR WORD. El bloque MOVE INT se utiliza para colocar el límite superior de 31500 de la CV del PID, que es: \#registro de referencia + 9 (%R59). La variable SP (%R10) se manipula desde la HMI, la señal PV (%AI15) viene del ADF como señal analógica de retroalimentación, el contacto AUT_MAN es para seleccionar el modo de operación del controlador PID, y las variables SUBIR_CV y BAJAR_CV son para el control de CV (%AQ1) en modo manual. La Ecuación 1 es del controlador PID IND (GE, 2013) utilizado.

Algoritmo de control de velocidad de lazo cerrado
Figura 10
Algoritmo de control de velocidad de lazo cerrado

C V   =   k p * E r r o r   +   k i * E r r o r * d t   +   k d * D e r i v a t i v a * C V   b i a s

donde

Derivativa= (Error - Error previo)/dtdt= (Tiempo transcurrido del actual controlador) - (Tiempo transcurrido de la última solución del PID)

HMI para el control de velocidad de lazo cerrado

La Tabla 8 muestra las variables extras utilizadas para el control de velocidad de lazo cerrado, todas ellas únicamente pueden ser manipuladas en modo manual del controlador PID, a excepción del selector virtual para selección del modo de control.

Tabla 8
Variables para el modo de control de velocidad de lazo cerrado
Variable en HMIDescripción
Botón subir CVIncrementa el valor de CV
Botón bajar CVDecrementa el valor de CV
KpAsigna valor a la ganancia proporcional
KiAsigna valor a la ganancia integral
KdAsigna valor a la ganancia derivativa
Selector virtual (centro de HMI)Para seleccionar el modo del controlador PID

La Figura 11 muestra la HMI para el control de velocidad de lazo cerrado. El modo Automático o Manual del controlador PID se realiza a través de un selector virtual al centro de la HMI y está direccionado a la variable AUT_MAN (%M16) en el algoritmo. La HMI muestra una ventana auxiliar para la sintonización del PID, es decir, enviar el valor de las constantes Kp, Ki y Kd a los registros: #referencia + 5; + 7; + 6, respectivamente.

HMI para el control de velocidad de lazo cerrado
Figura 11
HMI para el control de velocidad de lazo cerrado

Para la HMI de velocidad de lazo cerrado se adicionan las siguientes reglas de control y monitoreo:

La siguiente sección muestra la funcionalidad del sistema de control de velocidad propuesto.

Pruebas del sistema de control de velocidad

La Figura 12 muestra el banco de trabajo donde se integró y se realizaron las pruebas al sistema de control de velocidad HMI-PLC-ADF-Motor CA.

Sistema de control de velocidad
Figura 12
Sistema de control de velocidad

La Figura 13 muestra la HMI principal con las protecciones físicas y virtuales activadas de color rojo. La Figura 14 muestra la HMI principal en condiciones de funcionamiento; las variables Protecciones activas y HS_VIRTUAL son de color verde y la variable HS Físico no está visible.

Protecciones del sistema activadas
Figura 13
Protecciones del sistema activadas

HMI principal en condiciones de funcionamiento
Figura 14
HMI principal en condiciones de funcionamiento

La Figura 15 muestra la HMI de velocidades preestablecidas, el selector virtual está hacia la Izquierda, el botón Arranque es visible y en color verde, el botón de Paro no está visible, no está ninguna velocidad seleccionada. La Figura 16 muestra el sistema operando con giro hacia la Izquierda con la velocidad cinco preestablecida, el botón correspondiente está en verde y el indicador de velocidad muestra 1439 rpm. El botón de Arranque no está visible y el botón de Paro está visible y de color rojo.

HMI velocidades preestablecidas, velocidad cero
Figura 15
HMI velocidades preestablecidas, velocidad cero

HMI velocidades preestablecidas, velocidad cinco
Figura 16
HMI velocidades preestablecidas, velocidad cinco

La Figura 17 muestra el motor en rotación hacia la Derecha con una velocidad real de 1793 rpm, con el botón de la séptima velocidad en color verde. La Figura 18 muestra la ventana auxiliar de precaución, acción de dar clic en el botón HMI principal.

HMI velocidades preestablecidas, velocidad siete
Figura 17
HMI velocidades preestablecidas, velocidad siete

HMI velocidades preestablecidas, ventana auxiliar de precaución
Figura 18
HMI velocidades preestablecidas, ventana auxiliar de precaución

La Figura 19 muestra la HMI para el control de velocidad de lazo abierto en condiciones de funcionamiento, la variable SP = 0 y por consiguiente el botón de decrementar no está visible. La Figura 20 muestra la variable SP en su máximo valor (1800 rpm) y por lo tanto no es visible el botón de incrementar dicha variable. La velocidad real PV muestra 1796 rpm. La Figura 21 muestra el valor de SP en 600 rpm, ambos botones de incremento o decremento de esta señal son visibles.

SP = 0 rpm.}
Figura 19
SP = 0 rpm.}

SP = 1800 rpm
Figura 20
SP = 1800 rpm

SP = 600 rpm
Figura 21
SP = 600 rpm

Las Figuras 22 y 23 muestran el modo de control de velocidad de lazo cerrado operando. En la Figura 22 se muestra el sistema en Automático, con las variables: SP = 900 rpm, PV = 1054 rpm y CV = 13%. Por otro lado, en la Figura 23 se observa el sistema en modo Manual, lo que permite que la ventana de sintonización del PID sea visible, la cual tiene valores para las constantes Kp=1500, Ki=5 y Kd=5, que se enviaron a los registros 55%, 56% y 57%, respectivamente. En esta figura las variables SP = 1300 rpm, PV = 896 rpm y CV = 50%, así como los botones de manipulación de la variable CV son visibles. La diferencia entre el SP y PV que se observa, se debe a los valores de las ganancias que se enviaron al PID, ya que la intensión de la ventana auxiliar es mostrar que desde la HMI de este modo de control, se pueden agregar los datos de sintonización calculados o a prueba y error.

PID modo automático
Figura 22
PID modo automático

PID en modo manual
Figura 23
PID en modo manual

Conclusiones

El diseño de HMI debe incluir el mayor código de lógica del proyecto, y así reducir el código de los algoritmos de control en los PLC, lo cual hace más eficiente el tiempo de barrido. De igual forma, las reglas lógicas de control, monitoreo y animación en las HMI deben generar un diseño seguro y amigable con los operadores de los sistemas.

Los algoritmos de control en el PLC siempre deben-contener el interloking de seguridad del proceso o máquina para garantizar el paro del sistema en caso de falla en la comunicación entre la computadora donde están las HMI y el PLC.

Se presentan tres modos de control de velocidad utilizados en la industria, indicando las reglas lógicas de control, monitoreo y animación en el diseño de las HMI, así como los algoritmos de control para cada modo. En función de la naturaleza de los procesos o máquinas el sistema HMI-PLC-ADF-Motor CA debe ser configurado.

El presente trabajo propone tres modos de control de velocidad, desde el diseño de las HMI y el desarrollo de los algoritmos en diagrama escalera, lo cual será base para cursos virtuales de la variable respectiva.

Referencias

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Anexo 1. Configuración del ADF

Anexo 1.
Configuración del ADF
ComandoParámetroDescripción
1-205Potencia de motor (Hp)
1-22230Tensión del motor (V)
1-2360Frecuencia del motor (Hz)
1-2412.4Intensidad del motor (A)
1-251750Velocidad nominal del motor (rpm)
3-20Referencia mínima en frecuencia
3-360Referencia máxima en frecuencia
3-10[1]40Referencia interna en porcentaje (24 Hz)
3-10[2]50Referencia interna en porcentaje (30 Hz)
3-10[3]60Referencia interna en porcentaje (36 Hz)
3-10[4]70Referencia interna en porcentaje (42 Hz)
3-10[5]80Referencia interna en porcentaje (48 Hz)
3-10[6]90Referencia interna en porcentaje (54 Hz)
3-10[7]100Referencia interna en porcentaje (60 Hz)
3-151Referencia de entrada analógica 1, terminal 53
3-162Referencia de entrada analógica 2, terminal 60
3-178Referencia de entrada digital, terminal 33
4-102Operación de ambos sentidos
5-108Arranque, entrada digital, terminal 18
5-1110Cambio de sentido, entrada digital, terminal 19
5-1216Bit 0, entrada digital, terminal 27
5-1317Bit 1, entrada digital, terminal 29
5-1518Bit 2, entrada digital, terminal 33
6-901Salida analógica, 4-20 mA, terminal 42
6-9210Salida analógica en función de la frecuencia

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