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PROYECTO FINAL DE CARRERA MEMORIA Automatización de la cúpula de un telescopio de un observatorio astrofísico AUTOR LÁZARO GUERRERO, JAVIER DIRECTOR ROMEO TELLO, ANTONIO ESPECIALIDAD ELECTRÓNICA INDUSTRIAL CONVOCATORIA Diciembre 2013 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [2] Lázaro Guerrero, Javier INDICE 1 Objeto y alcance .................................................................................................... 6 1.1 Antecedentes ...................................................................................................................... 9 1.2 Especificaciones técnicas .................................................................................................. 11 1.3 Alcance .............................................................................................................................. 13 2 Necesidades de automatización y control: selección de equipos. ................. 14 2.1 Movimiento de las ventanas fijas de ventilación .............................................................. 14 2.2 Movimiento acimutal ........................................................................................................ 16 2.2.1 Selección de la reductora acimutal ................................................................................ 19 2.2.2 Selección del accionamiento acimutal ........................................................................... 21 2.2.3 Selección del servodrive acimutal .................................................................................. 26 2.2.4 Selección del sistema de posicionamiento absoluto acimutal ...................................... 28 2.3 Movimiento de la compuerta rendija ............................................................................... 30 2.3.1 Selección de las reductoras de cierre y apertura compuerta ........................................ 33 2.3.2 Selección del accionamiento de cierre compuerta ........................................................ 37 2.3.3 Selección del servodrive de cierre compuerta ............................................................... 41 2.3.4 Selección del accionamiento de apertura compuerta ................................................... 42 2.3.5 Selección del servodrive de apertura compuerta .......................................................... 45 2.4 Movimiento del Windshield .............................................................................................. 46 2.4.1 Tambores superiores del Wind Shield: selección del conjunto servo y reductor ......... 48 2.4.2 Tambores superiores del Wind Shield: selección del servodrive .................................. 52 2.4.3 Tambor inferior del Wind Shield: selección del conjunto servo y reductor .................. 53 2.4.4 Tambor inferior del Wind Shield: selección del servodrive ........................................... 56 2.4.5 Tambor inferior del Wind Shield: encoder absoluto...................................................... 57 3 Descripción del equipamiento eléctrico y de control. ...................................... 60 3.1 Esquema lógico de control ................................................................................................ 60 3.2 Vista global del PLC, control y visualización ...................................................................... 61 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [3] Lázaro Guerrero, Javier 3.3 0X00 Panel de control principal en la parte fija del edificio ............................................. 62 3.4 0X01 Panel de control remoto a bordo de la cúpula ........................................................ 67 3.5 PLC: controlador lógico ..................................................................................................... 71 3.5.1 CPU ................................................................................................................................. 71 3.5.2 Tarjetas de entradas y salidas digitales .......................................................................... 73 3.5.3 Tarjetas de comunicación .............................................................................................. 74 3.5.4 PLC de seguridad ............................................................................................................ 76 3.5.5 Sistema de visualización ................................................................................................. 77 3.6 Servo Drive ........................................................................................................................ 78 3.7 Sistema de carriles electrificados ...................................................................................... 79 3.8 Sistema de bandejas porta cables ..................................................................................... 85 3.9 Sistema de calefacción ...................................................................................................... 86 3.10 Sistema de protección pararrayos .................................................................................... 94 4 Descripción del software de control .................................................................. 95 4.1 Software de programación................................................................................................ 95 4.2 0X00 CPU de control del armario de la parte fija ............................................................. 96 4.2.1 Gestión de interconexiones con el telescopio ............................................................... 96 4.2.2 Control del movimiento de las 10 ventanas fijas ........................................................... 98 4.3 0X01 CPU de control del armario móvil a bordo de la cúpula ........................................ 100 4.3.1 Control del sistema de calefacción .............................................................................. 100 4.3.2 Control del movimiento acimutal ................................................................................ 101 4.3.3 Control del movimiento de la compuerta rendija ....................................................... 106 4.3.4 Control del movimiento del Wind Shield ..................................................................... 114 4.4 Control de los ejes NC: librería Sercos ............................................................................ 119 4.4.1 Librería TcMC2: bloques de función ............................................................................ 122 4.4.2 Librería Sercos: estructuras de datos predeterminadas .............................................. 130 5 Configuración del hardware del sistema ......................................................... 133 5.1 Configuración de E/S. Red EtherCat ................................................................................ 134 5.1.1 Tarjetas Profibus .......................................................................................................... 134 5.1.2 PLC de seguridad .......................................................................................................... 135 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [4] Lázaro Guerrero, Javier 5.1.3 Drives y servos .............................................................................................................. 137 5.2 Configuración de los ejes de movimiento NC ................................................................. 141 6 Descripción de la interfaz de explotación (HMI) ............................................. 152 6.1 PLC1: visualización .......................................................................................................... 153 6.1.1 Generales ..................................................................................................................... 153 6.1.2 Control de las ventanas fijas ........................................................................................ 154 6.1.3 Control del movimiento acimutal de la cúpula ............................................................ 155 6.1.4 Control del movimiento de la compuerta rendija ....................................................... 156 6.1.5 Control del movimiento del Wind Shield ..................................................................... 157 6.2 PLC2 a bordo de la cúpula: visualización ........................................................................ 158 6.2.1 Generales ..................................................................................................................... 158 6.2.2 Control del movimiento acimutal de la cúpula ............................................................ 159 6.2.3 Control del movimiento de la compuerta rendija ....................................................... 160 6.2.4 Control del movimiento del Wind Shield ..................................................................... 161 7 Instalación y puesta en servicio ....................................................................... 162 8 ANEXO A – Documentación software .............................................................. 164 8.1 PLC1: panel eléctrico 0X00 .............................................................................................. 164 8.1.1 FB00_GEN ..................................................................................................................... 164 8.1.2 FB10_VM: Bloque de función para la gestión de motores Compuerta y Persiana ..... 164 8.1.3 FB25_ProfibusServo_PLC1_PLC2 ................................................................................. 164 8.1.4 FB26_ProfibusServo_PLC2_PLC1 ................................................................................. 164 8.1.5 FB27_ProfibusGen_PLC2_PLC1 .................................................................................... 164 8.1.6 FB28_ProfibusGen_PLC1_PLC2 .................................................................................... 164 8.1.7 MAIN ............................................................................................................................ 164 8.1.8 Estructuras de datos..................................................................................................... 164 8.1.9 Variables globales......................................................................................................... 164 8.2 PLC2: panel eléctrico 0X01 .............................................................................................. 164 8.2.1 FB00_GEN ..................................................................................................................... 164 8.2.2 FB12_AZ. Llamada a FB de gestión de movimiento Azimutal ...................................... 164 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [5] Lázaro Guerrero, Javier 8.2.3 FB10_CR. Llamada a FB de gestión de movimiento Compuerta.................................. 164 8.2.4 FB11_WS. Llamada a FB de gestión de movimiento Wind Shield ............................... 164 8.2.5 FB13_RC. Llamada a FB de gestión de Resistencias Calefactoras ................................ 164 8.2.6 FB20_MenorDistancia .................................................................................................. 164 8.2.7 FB21_DesarolloLineal ................................................................................................... 164 8.2.8 FB22_FiltroAnalogico ................................................................................................... 164 8.2.9 FB24_CompuertaCG ..................................................................................................... 164 8.2.10 FB25_ProfibusServo_PLC1_PLC2 ................................................................................. 164 8.2.11 FB26_ProfibusServo_PLC2_PLC1 ................................................................................. 164 8.2.12 FB27_ProfibusGen_PLC1_PLC2 .................................................................................... 164 8.2.13 FB28_ProfibusGen_PLC2_PLC1 .................................................................................... 164 8.2.14 MAIN ............................................................................................................................ 164 8.2.15 Estructuras de datos..................................................................................................... 164 8.2.16 Variables globales......................................................................................................... 164 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [6] Lázaro Guerrero, Javier 1 Objeto y alcance El presente documento tiene como objetivo la descripción de la instalación eléctrica, desarrollo, programación y puesta en marcha del proyecto de electrificación y automatización de la cúpula de un telescopio instalado en un Observatorio Astrofísico. El proyecto surge a raíz de la necesidad de electrificar, calentar y automatizar los componentes móviles de la cúpula que albergará el telescopio. Fig. 1.1 – Vista global de la cúpula sobre el edificio del telescopio Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [7] Lázaro Guerrero, Javier El principal objetivo es desarrollar una cúpula para proteger el telescopio que alberga del agua, nieve y viento y, cuando las condiciones climatológicas sean óptimas, permitirle realizar sus funciones de observación. La cúpula irá montada sobre un edificio de hormigón cilíndrico de 13 metros de diámetro ubicado en un pico con una altitud de 2.000 metros sobre el nivel del mar. Fig. 1.2 – Sección de la cúpula sobre el edificio Planta 0 Planta 1 Planta 2 Planta 3 Planta -1 Cúpula Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [8] Lázaro Guerrero, Javier Para cumplir con este objetivo, se plantea la necesidad de dar movimiento a los siguientes elementos mecánicos:  Parte fija del edificio: hay 10 ventanas ubicadas en la planta del telescopio cuyo objetivo será climatizar e iluminar el interior. Cada ventana tendrá una compuerta corredera metálica externa que asegura el sellado del edificio y una persiana interna. Es necesario poder accionar de manera independiente cada elemento pudiendo establecer su porcentaje de apertura.  Cúpula o parte móvil. Se compone de 4 grupos principales: o Movimiento giro acimutal. Permite efectuar un giro de 360º de la cúpula sobre su propio eje acimutal sin tener ningún tope, es decir, debería ser capaz de dar indefinidas vueltas. Este movimiento deberá estar sincronizado con el punto de mira del telescopio durante el proceso de observación. o Movimiento de la compuerta rendija. La compuerta principal de la cúpula se encarga de dar visibilidad al telescopio y está compuesta por 2 compuertas telescópicas que dan un grado de apertura total de 106º. El movimiento de la compuerta podrá ser porcentual y en todo momento debemos saber su posición absoluta. o Movimiento del Wind Shield. Este elemento es una cortina cortavientos que protegerá al telescopio cuando la compuerta rendija esté abierta, siempre y cuando no se interponga en el ángulo de visión del mismo. Debe ser capaz de proteger un ángulo de 36º. Posicionamiento continuo (y no discreto) con una precisión de al menos 1º. o Sistema de calefacción. Tiene como objetivo garantizar el movimiento de las partes móviles en condiciones climatológicas adversas. Con esto se debe evitar el acúmulo de hielo y nieve en los puntos críticos de la instalación. Fig. 1.3 – Descripción de los movimientos de la cúpula Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [9] Lázaro Guerrero, Javier 1.1 Antecedentes En la actualidad se pueden encontrar numerosos sistemas en los que se hace necesario realizar este tipo de proyectos. En el Observatorio Astrofísico de Javalambre están operativos 2 telescopios, uno de ellos el telescopio JAST/T80 (Javalambre Auxiliary Telescope) se encuentra ya integrado en el Pico del Buitre, de similar construcción pero con dimensiones más reducidas, con un diámetro de la lente de 82,6 cm. Este tipo de cúpulas, de fabricación estándar no plantean los mismos retos a nivel de diseño, ingeniería y desarrollo que la que nos ocupa, que con un diámetro de casi 13 metros y peso de 25 Tm hace que su fabricación sea completamente exclusiva. Otro ejemplo cercano se puede encontrar en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). El Gran Telescopio CANARIAS (también conocido como GTC) fue un ambicioso proyecto español cuyo objetivo era el construir y operar uno de los telescopios más grandes y avanzados del mundo. Bajo el liderazgo del Instituto Astrofísica de Canarias (IAC), la ceremonia de la primera luz tuvo lugar en la madrugada del 14 de Julio de 2007. Su producción científica se inició en marzo de 2009, una vez que la óptica del telescopio y su sistema de control estuvieron suficientemente desarrollados, y el primer instrumento científico, OSIRIS, había sido instalado. Fig.1.1.1 – Cúpula G.T.C. El inicio de la fase científica operativa del telescopio fue la culminación de trabajo de diseño y desarrollo que tuvo lugar durante más de una década. Los trabajos de construcción del telescopio en el Observatorio del Roque de Los Muchachos, La Palma, comenzaron en el año 2000. El Observatorio Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [16] Lázaro Guerrero, Javier 2.2 Movimiento acimutal El primer movimiento a resolver propiamente de la cúpula consiste en el giro acimutal que permite a la misma girar sobre su eje vertical sin restricciones y en ambos sentidos de giro, pudiendo dar indefinidas vueltas. La cúpula se asienta y gira sobre un carril circular en H fijo sobre la circunferencia superior del edificio. A bordo se instalan 18 sistemas de guiado de giro libre compuesto cada uno por ruedas de guiado verticales diseñadas para transmitir las cargas de compresión y tracción y ruedas de guiado horizontales. A parte, están los 2 sistemas de tracción, cada uno compuesto por una rueda de 180mm de diámetro que transmiten el movimiento. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [17] Lázaro Guerrero, Javier Ya desde un principio la solución vino por disponer 2 accionamientos enfrentados, dispuestos a 180º, ya que de esta manera los esfuerzos soportados por los elementos estructurales de la cúpula se ven minimizados. Sin embargo, su posición sufrió variaciones, ya que pasó de ir fijos en el edificio a ir a bordo de la cúpula para mejorar el comportamiento cinemático del movimiento y el sistema de transmisión. Las necesidades cinemáticas, calculadas en el proyecto mecánico, a la salida de cada una de las dos reductoras para el giro acimutal de la cúpula son las siguientes: Variable Total Por rueda Unidades Potencia 1,87 0,94 Kw Par 224,60 122,30 Nm Velocidad de operación a la salida de la reductora 1.99 RPM Velocidad máxima a la salida de la reductora 54.08 RPM A la hora de elegir el tipo de accionamiento, el primer punto a tener en cuenta es la gran diferencia que hay entre la velocidad de operación y la velocidad máxima, siendo esta última del orden de 27 veces superior. Una primera solución fue recurrir a 2 motores asíncronos controlados a través de variadores de frecuencia. El problema es que la curva de par de estos motores no cumplía con estas 2 velocidades tan dispares. Por ello se decidió ir hacia una solución tipo servomotor con motores síncronos, los cuales ofrecen prácticamente su par nominal desde velocidad 0 hasta la velocidad nominal. Otro punto de las especificaciones que marcó la selección de los accionamientos y de las reductoras fue la necesidad de poder hacer el giro acimutal y cierre compuerta en ausencia de tensión eléctrica. En la primera solución con motores asíncronos, se pensó en instalar frenos eléctricos, los cuales pueden venir con un embrague mecánico que permite con una palanca liberar el freno y poder mover sin tensión. Pero al ir a una solución servo, esta opción no existe en el mercado, por lo que no se puede instalar un freno eléctrico. Siempre está la posibilidad de desactivar el freno mediante una fuente de alimentación portátil pero esta solución no daba robustez al diseño. Obviamente, debe existir un sistema de frenado, y se pensó en buscar una reductora irreversible y con doble entrada para poder quitar el freno eléctrico del servo: Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [18] Lázaro Guerrero, Javier  Reductora irreversible: si no se ejerce par en el primario no se produce el movimiento. Por lo tanto la carga queda frenada;  Reductora con doble entrada: la primera para el eje de salida del servo. La segunda posibilita el poder mover manualmente a través de una manivela o algún tipo de herramienta eléctrica a batería, como puede ser un taladro con un eje acoplado. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [19] Lázaro Guerrero, Javier 2.2.1 Selección de la reductora acimutal La reductora seleccionada es del fabricante Cotransa con referencia R V 80 UO3D del tipo sinfín corona. Es quizás el tipo de reductor de velocidad más sencillo, se compone de una corona dentada, normalmente de bronce en cuyo centro se ha embutido un eje de acero (eje lento), esta corona está en contacto permanente con un husillo de acero en forma de tornillo sin-fin. Una vuelta del tornillo sin fin provoca el avance de un diente de la corona y en consecuencia la reducción de velocidad. La reducción de velocidad de una corona sin fin se calcula con el producto del número de dientes de la corona por el número de entradas del tornillo sin fin. Fig.2.2.1.1 – Reductora del tipo sin-fin corona Paradójicamente es el tipo de reductor de velocidad más usado y comercializado a la par que todas las tendencias de ingeniería lo consideran obsoleto por sus grandes defectos que son, el bajo rendimiento energético y la pérdida de tiempo entre ciclos. La mayoría de reductoras que se pueden encontrar en el mercado (helicoidales, planetarias, cicloidales) en la actualidad ofrecen rendimientos estáticos y dinámicos muy eficientes cercanos al 90%, lo cual sería óptimo en cualquier aplicación estándar pero inadecuado para esta. Se ha elegido esta reductora para cumplir con las necesidades de poder realizar un movimiento de emergencia en ausencia de corriente eléctrica. Para ello cuenta con doble entrada (una para el servo y otra para acoplar un accionamiento manual, tipo manivela o taladro de batería) y es irreversible (rendimiento estático inferior a 0,5), lo que implica: Reductora Entrada emergencia Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [20] Lázaro Guerrero, Javier  La carga no puede moverse si no se aplica par a la entrada de la reductora. Esto hace que el servo no requiera de freno eléctrico. NOTA: tratándose de servos, si pusiéramos freno eléctrico, la única posibilidad de quitar el freno es aplicando corriente, lo cual nos llevaría a la necesidad de desacoplar el servo de la reductora para realizar un movimiento de emergencia.  Para movimiento de emergencia se necesitará una persona aplicando potencia en cada reductora de manera simultánea. Tabla de características Cotransa RV 80 UO3D Sinfín corona Índice de reducción: 50 Rendimiento dinámico: 0,75 Rendimiento estático: 0,45. Esto implica que la reductora es irreversible Segunda entrada para accionamiento de emergencia Brida de acoplamiento al servo tamaño 105. Parámetros a considerar en la elección del servo (según figura de abajo): V1 = 105mm (longitud de la brida) M1 = 115mm (distancia entre centros de los agujeros de acoplamiento) d = 14 ó 19mm (diámetro eje salida servo) e = 30 ó 40mm ( longitud eje salida servo) COTRANSA. Brida de acoplamiento entre la reductora y el servo Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [21] Lázaro Guerrero, Javier 2.2.2 Selección del accionamiento acimutal El movimiento acimutal será accionado por dos servomotores síncronos dispuestos a 180º para realizar el control de posición angular de la cúpula. Los motores síncronos son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es: donde:  f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz)  P: Número de pares de polos que tiene la máquina  p: Número de polos que tiene la máquina  n: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto) Se ha optado por este tipo de accionamientos para cubrir la gran diferencia entre la velocidad de operación y la velocidad máxima, ya que para trabajar con un motor asíncrono debiéramos colocar ventilación forzada para su refrigeración, no así con los servomotores síncronos que se refrigerarán por su superficie por convección. Además un motor síncrono ofrece un par prácticamente constante desde el arranque hasta la velocidad nominal, lo que asegura el correcto movimiento en ambas velocidades y en todo el rango intermedio. Uno de los criterios que han determinado la elección del servo ha sido la necesidad de ajustarse a las dimensiones de la brida de Cotransa tamaño 105 (para evitar recurrir a bridas no estandarizadas). Dentro de la amplia gama de accionamientos que ofrece el fabricante Beckhoff, la búsqueda se centra en la reciente familia AM80XX. Esta serie presenta una solución robusta, eficiente y duradera. Ofrecen un bajo momento de inercia en el rotor y una capacidad muy alta de sobrecarga. Con estos datos técnicos, las aplicaciones más dinámicas pueden ejecutarse. Los devanados de los motores AM8000 se implementan utilizando la tecnología “salient pole-wound”. Esto da lugar a un factor de o de alto contenido de cobre. Debido al factor de espacio de alta ranura, pares elevados continuos Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [22] Lázaro Guerrero, Javier pueden ser alcanzados. El estator ofrece una transición térmicamente ideal de la bobina a la carcasa. Una consecuencia positiva adicional es la protección mecánica de los hilos para bobinas electromagnéticas contra vibraciones. Información técnica AM80XX Tipo de motor Imanes permanentes. Alimentación trifásica. Motor síncrono Material magnético Neodimio – Hierro - Boro Sistema de aislamiento Clase térmica F(155 ºC) Diseño Montaje de brida según IM 65, IM V1, IM V3 Clase de protección IP 54, IP 65 Ventilación Por convección, permitiendo temperatura ambiente 40ºC Sensor de temperatura KTY en el bobinado del estator Conexión Conector redondo, salida 90º Tiempo de vida 30.000 horas de los rodamientos de bola Aprobación CE, UL/CuL El estudio de esta familia AM80XX nos lleva a seleccionar la referencia AM8052-wJy0 cuyas prestaciones dinámicas se adecuan sin problemas a los requerimientos de entrada (ver punto 2.2 Movimiento acimutal). El problema surge a la hora de acoplarse con la brida tal y como se muestra a continuación: AM8052-wJy0 Brida Cotransa V1 = Longitud de la brida 105 mm 105 mm M1 = distancia entre centros de los agujeros de acoplamiento 115 mm 115 mm d = diámetro eje salida servo 24 mm 19 mm e = longitud eje salida servo 50 mm 40 mm Beckhoff ofrece la posibilidad de adaptar los ejes de salida del servo a 19-40mm dando una solución específica para esta aplicación que se adapta a las necesidades. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [23] Lázaro Guerrero, Javier Tabla de características Referencia BH AM8052-0J00 0 Eje liso de salida J Tamaño bobinado 0 Resolver integrado 0 Sin freno eléctrico Drive de control AX5112 Par estático 8,2 Nm Par nominal 6,9 Nm Velocidad nominal 4000 RPM Corriente nominal 5,2 A Momento de inercia 4119 kg/cm2 Cables de potencia y resolver prefabricados y conectorizados Rodamientos de bolas con una vida de 30.000 horas = L10h Eje liso salida de Ø19mm y 40mm de longitud Feedback Encoder tipo resolver. Relativo. Incremental. Multivuelta Cálculos del conjunto servo + reductora BH AM8052-0J00 + Cotransa R V 80 UO3D Par de salida nominal: 6,9Nm x 50 x 0,75 = 258,75 Nm (>122,30Nm = Par especificación) Velocidad nominal a la salida de la reductora: 4000RPM / 50 = 80RPM = 833,28 cº cúpula/seg Velocidad de operación del motor: 1,99 x 50 = 99,5RPM Velocidad máxima del motor: 54,08RPM x 50 = 2704 RPM FeedConstant - Avance cúpula en cº de una vuelta motor = 10,3411131059246 cº Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [24] Lázaro Guerrero, Javier Curva de par del servomotor Curva de par del movimiento acimutal. Señalado la velocidad nominal de operación Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [25] Lázaro Guerrero, Javier Dimensiones del servomotor Dimensiones a b c d e f g h AM8052-0J00 169.5 mm 40 mm 19 k6 40 mm 5 mm 4 mm 8 N9 DIN332-D M8 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [32] Lázaro Guerrero, Javier para levantar el peso de las 2 (aproximadamente 3,5T). Sin embargo, cuando las compuertas estén cerradas, la superior está prácticamente en reposo y su incidencia en la fuerza se minimiza e incluso favorece a contrapesar la compuerta interior. Con esto, las necesidades cinemáticas, calculadas en el proyecto mecánico, para el cierre y apertura de la compuerta de la cúpula son las siguientes: Variable Cierre Apertura Unidades Potencia de tracción del motor 3,16 1,64 KW Par a la salida de la reductora 4.646,14 1.604,37 Nm Factor de carga 1,3 1,4 Velocidad de operación a la salida de la reductora 8,68 RPM Velocidad máxima 8,68 RPM Recorrido 11,70 metros Tiempo de apertura 180 Segundos Diámetro tambor de tracción 245 mm Diámetro sirga 10 mm Cálculos mecánicos del cierre de compuerta Componentes de Peso Compuerta Superior Inferior Peso 2,3 1 t Longitud, ángulo [ω] 67 59 ⁰ Posición abierta [ω] 111 110 ⁰ Posición cdg compuerta [ω] 144,5 139,5 ⁰ Componente radial 1.335,62 649,45 Kg Componente tangencial -1.872,47 -760,41 Kg Componente tangencial Peso compuertas -2.632,87 Kg Cálculos mecánicos de la apertura de compuerta Peso Compuerta Superior Inferior Peso 2,3 1 t Longitud, ángulo [ω] 67 59 ⁰ Posición abierta [ω] 58 4 ⁰ Posición cdg compuerta [ω] 91,5 33,5 ⁰ Componente radial 2.299,21 551,94 Kg Componente tangencial -60,21 833,89 Kg Peso Componente tangencial compuertas 773,68 Kg Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [33] Lázaro Guerrero, Javier 2.3.1 Selección de las reductoras de cierre y apertura compuerta Al igual que en el caso del movimiento acimutal descrito en el apartado 2.2, la reductora ha sido un punto clave en el diseño. Vuelve a marcar el resto de componentes debido a la necesidad de poder cerrar la compuerta en ausencia de tensión eléctrica. Siendo en este caso de suma importancia, ya que en caso de condiciones climatológicas adversas, la compuerta debe cerrarse para proteger el telescopio. La reductora, que sigue la línea de la solución acimutal, es del fabricante Cotransa. Se compone de dos reductoras del tipo sinfín corona trabajando en serie. Esto se debe a que este tipo de reductoras no ofrecen altos índices de reducción, en nuestro caso necesario para bajar el par motor en la medida de lo posible: Cierre compuerta 1. R V 160 UO2A: índice de reducción de 40; 2. R V 80 UO3D: índice de reducción de 10 (esta es la que debe acoplar con el accionamiento). Apertura compuerta 1. R V 100 UO2A: índice de reducción de 32; 2. R V 50 UO3D: índice de reducción de 10 (esta es la que debe acoplar con el accionamiento). Al igual que en el movimiento azimutal, se ha elegido esta reductora para cumplir con las necesidades de poder realizar un movimiento de emergencia en ausencia de corriente eléctrica. Para ello cuenta con doble entrada (una para el servo y otra para acoplar un accionamiento manual, tipo manivela o taladro de batería) y es irreversible (rendimiento estático inferior a 0,5), lo que implica que la carga no puede moverse si no se aplica potencia a la entrada de la reductora. Esto hace que el servo no requiera de freno eléctrico. Tratándose de servos como luego se verá en el punto “2.3.2 Selección del accionamiento de la compuerta rendija”, si pusiéramos freno eléctrico, la única posibilidad de quitar el freno es aplicando corriente, lo cual nos llevaría a la necesidad de desacoplar el servo de la reductora para realizar un movimiento de emergencia. Además en este movimiento, la carga podría llegar a moverse por gravedad (como es lógico en función de la posición en la que se encuentre) lo que hace imprescindible el que el freno quede asegurado por la reductora. Otra posibilidad estudiada es frenar a la salida de la reductora, pero se necesita una par de frenado muy elevado (4.700Nm), lo que lleva a descartar esta posibilidad. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [34] Lázaro Guerrero, Javier Fig. 2.3.1.1 – Imagen del sistema de cierre compuerta Fig. 2.3.1.2 – Imagen del sistema de apertura compuerta R V 160 UO2A R V 80 UO3D Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [35] Lázaro Guerrero, Javier Tabla de características reductoras cierre compuerta R V 160 UO2A R V 80 UO3D Índice de reducción 40 10 Índice reducción en conjunto 40 x 10 = 400 Rendimiento dinámico 0,75 Rendimiento estático 0,45. Esto implica que la reductora es irreversible Segunda entrada para accionamiento de emergencia Brida de acoplamiento al servo tamaño 145. Parámetros a considerar en la elección del servo (según figura de abajo): V1 = 145mm (longitud de la brida) M1 = 165mm (distancia entre centros de los agujeros de acoplamiento) d = 19, 24, 28mm (diámetro eje salida servo) e = 40, 50, 60mm ( longitud eje salida servo) COTRANSA. Brida de acoplamiento entre la reductora y el servo Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [36] Lázaro Guerrero, Javier Tabla de características reductoras apertura compuerta R V 100 UO2A R V 50 UO3D Índice de reducción 32 7 Índice reducción en conjunto 7 x 32 = 224 Rendimiento dinámico 0,75 Rendimiento estático 0,45. Esto implica que la reductora es irreversible Segunda entrada para accionamiento de emergencia Brida de acoplamiento al servo tamaño 90. Parámetros a considerar en la elección del servo (según figura de abajo): V1 = 90mm (longitud de la brida) M1 = 100mm (distancia entre centros de los agujeros de acoplamiento) d = 11, 14, 19mm (diámetro eje salida servo) e = 23, 30, 40mm ( longitud eje salida servo) COTRANSA. Brida de acoplamiento entre la reductora y el servo de apertura Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [37] Lázaro Guerrero, Javier 2.3.2 Selección del accionamiento de cierre compuerta Será accionado por un servomotor síncrono para realizar el control de posición angular de la compuerta. En este caso se opta por servomotor por el compendio de varios criterios: velocidad de salida en régimen normal de trabajo, que debe ser en torno a 3.470, disponibilidad de pico de arranque, unificación de soluciones con accionamientos de giro azimutal. Al igual que en el movimiento acimutal, uno de los criterios que han determinado la elección del servo ha sido la necesidad de ajustarse a las dimensiones de la brida de Cotransa tamaño 145 (para evitar recurrir a bridas no estandarizadas). En este caso la opción de Beckhoff, es el servo AM3065-wNy0. El cambio de familia se debe al aumento de par necesario para poder realizar este movimiento. AM3065wNy0 Brida Cotransa V1 = Longitud de la brida 130 mm 145 mm M1 = distancia entre centros de los agujeros de acoplamiento 165 mm 165 mm d = diámetro eje salida servo 32 mm 19, 24, 28mm e = longitud eje salida servo 55 mm 40, 50, 60mm NOTA: Cotransa no monta el eje 28-60mm (aunque figura en el catálogo) por lo que pasamos a una configuración de eje 24-50mm. Beckhoff ofrece la posibilidad de adaptar el eje de salida del servo a 24-50mm dando una solución específica para esta aplicación que se adapta a las necesidades. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [38] Lázaro Guerrero, Javier Una de las especificaciones es que todos los movimientos tengan una referencia absoluta. En este caso, se opta por integrar un encoder absoluto en uno de los 2 servos. Este tipo de encoders pueden cubrir un rango de 4.096 vueltas de motor. El cálculo de vueltas de motor para realizar el movimiento de apertura/cierre es: Recorrido lineal = 11.700mm Diámetro del tambor de tracción = 245mm -> Perímetro = 2·π·R = 769,69mm Índice de reducción = 400 Número de vueltas de motor para hacer el recorrido = (11.700 / 769,69)·400 = 6.080 vueltas Como el resultado supera las 4.096 vueltas que puede cubrir un absoluto, se opta por poner un encoder relativo tipo resolver e instalar la referencia absoluta en el servo de apertura (con un índice de reducción menor, las vueltas de motor necesarias disminuyen). Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [39] Lázaro Guerrero, Javier Tabla de características: Referencia BH AM3065-0N00 0 Eje liso de salida (opción estándar) N Tamaño bobinado 0 Encoder tipo resolver: relativo, multivuelta 0 Sin freno eléctrico Drive de control AX5125 Par estático 25 Nm Par nominal 16 Nm Velocidad nominal 3500 RPM Corriente nominal 17,80 A Momento de inercia 40.00 kg/cm2 Cables de potencia y resolver prefabricados y conectorizados Rodamientos de bolas con una vida de 30.000 horas = L10h Eje liso salida de Ø28mm y 60mm de longitud Cálculos del conjunto servo + reductora BH AM3065-0N00 + Cotransa (R V 160 UO2A + R V 80 UO3D) Par de salida nominal 3.500RPM: 16Nm x 40 x 10 x 0,75 = 4.800 Nm (>4.646,14Nm) Velocidad nominal a la salida de la reductora: 3.500RPM / 400 = 8,75RPM Velocidad de operación del motor: 8,68 x 400 = 3.472,47RPM Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [40] Lázaro Guerrero, Javier Curva de par del servomotor Curva de par del cierre compuerta. Señalado la velocidad nominal de operación Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [41] Lázaro Guerrero, Javier 2.3.3 Selección del servodrive de cierre compuerta El control se realizará por un Drive Beckhoff AX5125 con comunicación Ethercat con el PLC. La conexión con el servo se hace con 2 cables prefabricados, uno de potencia y otro para el resolver. Referencia BH AX5125 Intensidad nominal 25A (nominal del servo 17,8A) Intensidad de pico 50A (durante 7 segundos) Tensión 3 x 480 V AC +10 % Pérdida de potencia 340W BUS EtherCAT Peso 11.0 Kg Cable potencia ZK4500-0015-0250 (25 metros) Cable resolver ZK4531-8110-0250 (25 metros) Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [48] Lázaro Guerrero, Javier 2.4.1 Tambores superiores del Wind Shield: selección del conjunto servo y reductor Cada uno de los 2 tambores superiores será accionado por un servormotor síncrono acoplado a su eje de giro. A diferencia de los movimientos acimutal y cierre de compuerta, el Wind Shield no supone un peligro para la integridad del telescopio. Por lo tanto en este caso no se considera un movimiento de emergencia en ausencia de corriente eléctrica. Esto simplifica la elección del conjunto servo y reductora, siendo más estándar. El servo lleva incorporado un freno eléctrico y la reductora no necesita ser irreversible, por lo que se puede recurrir a sistemas que ofrecen mejores rendimientos estáticos y dinámicos, optimizando la energía. Tabla de características: Referencia BH AM8053-0K21 0 Eje liso de salida K Tamaño bobinado 2 Encoder incremental multivuelta 1 cable para potencia y datos 1 Con freno eléctrico Drive de control AX5112 Par estático 11,4 Nm Par nominal 8,35 Nm Velocidad nominal 4000 RPM Corriente nominal 6,3 A Momento de inercia 5.975 kg/cm2 Cables de potencia y resolver prefabricados y conectorizados Rodamientos de bolas con una vida de 30.000 horas = L10h Los encoder integrados tiene como función el poder sincronizar el movimiento de ambos servos y evitar que se cruce el WS. Siendo que no es necesario conocer el grado de apertura del WS, Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [49] Lázaro Guerrero, Javier sino que se abrirá o cerrará completamente, es suficiente con que este encoder sea incremental. Se instalarán 2 finales de carrera para limitar el recorrido. Código encoder Y=2 Tipo de encoder Encoder incremental Fabricante Tensión de alimentación Pulsos por revolución 4.096 Resolución 16384 (14 bit) Opción multivuelta Si Referencia Reductora VDS 063-MF1-28-041-BG Índice de reducción 28 Rendimiento 0,75 Salida eje a 90º con respecto al eje del servo Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [50] Lázaro Guerrero, Javier VDS+063 1 etapa / i=28 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [51] Lázaro Guerrero, Javier Cálculos del conjunto servo + reductoras BH AM8053-0K21 + VDS 063-MF1-28-041-BG Par de salida nominal: 8,35Nm x 28 x 0,75 = 175,35 Nm (Par requerido 228,03Nm) Velocidad nominal a la salida de la reductora: 4000RPM / 28 = 142,85RPM (Velocidad requerida 11,14RPM) Velocidad de operación del motor: 11,14 x 28 = 311,92RPM Par a la velocidad de operación 340RPM: 11,2Nm x 28 x 0,75 = 235.2Nm (Par requerido 228,03Nm) Curva de par del servomotor Curva de par WS superior. Señalado la velocidad de operación Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [52] Lázaro Guerrero, Javier 2.4.2 Tambores superiores del Wind Shield: selección del servodrive El control se realizará por dos Drives Beckhoff AX5112 con comunicación Ethercat con la CPU, siguiendo la siguiente filosofía: - El Drive Maestro recibe la consigna de velocidad desde el control; - Utiliza su encoder incremental para cerrar su propio lazo de control. - Envía info al Drive del equipo esclavo para sincronizar el movimiento. Referencia BH AX5112 Intensidad nominal 12A (nominal del servo 6,3A) Intensidad de pico 26A (durante 7 segundos) Tensión 3 x 480 V AC +10 % Pérdida de potencia 160W BUS EtherCAT Peso 5.0 Kg Cable potencia ZK4500-8023-0250 + ZK4500-8023-0300 (25 metros + 30 metros) Cable encoder ZK4530-8010-0250 + ZK4530-8010-0300 (25 metros + 30 metros) Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [53] Lázaro Guerrero, Javier 2.4.3 Tambor inferior del Wind Shield: selección del conjunto servo y reductor Será accionado por un servomotor síncrono acoplado al eje de giro del tambor inferior. Referencia BH AM8063-0N21 0 Eje liso de salida N Tamaño bobinado 2 Encoder incremental multivuelta 1 cable para potencia y datos 1 Con freno eléctrico Drive de control AX5118 Par estático 29,0 Nm Par nominal 13,2 Nm Velocidad nominal 3000 RPM Corriente nominal 8,1 A Momento de inercia 29.870 kg/cm2 Cable de potencia y resolver prefabricado y conectorizado Rodamientos de bolas con una vida de 30.000 horas = L10h El encoder incremental se utiliza para cerrar su lazo de control velocidad/par y en previsión de la eventual necesidad de sincronizar con los servomotores del tambor superior. Referencia Reductora VDS 100-MF1-40-071-BG Índice de reducción 40 Rendimiento 0,75 Salida eje a 90º con respecto al eje del servo Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [54] Lázaro Guerrero, Javier VDS+100 1 etapa / i=40 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [55] Lázaro Guerrero, Javier Cálculos del conjunto servo + reductoras BH AM8063-0N21 + VDS 100-MF1-40-071-BG Par de salida nominal: 13,2Nm x40 x 0,75 = 396 Nm ( Par requerido 798,10Nm) Velocidad nominal a la salida de la reductora: 3000RPM / 40 = 75RPM (Velocidad requerida 6,37RPM) Velocidad de operación del motor: 6,37 x 40 = 254,8 RPM Par a la salida de operación 260RPM: 27 Nm x 40 x 0,75 = 810Nm ( Par requerido 596,44Nm) Curva de par del servomotor Curva de par WS inferior. Señalado la velocidad de operación Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [56] Lázaro Guerrero, Javier 2.4.4 Tambor inferior del Wind Shield: selección del servodrive El control se realizará por un Drive Beckhoff con comunicación Ethercat con la CPU, siguiendo la siguiente filosofía: - El Drive recibe la consigna de velocidad/par desde el control; - Utiliza su encoder incremental para cerrar su propio lazo de control. Referencia BH AX5118 Intensidad nominal 18A (nominal del servo 6,3A) Intensidad de pico 36A (durante 7 segundos) Tensión 3 x 480 V AC +10 % Pérdida de potencia 255W BUS EtherCAT Peso 11.0 Kg Cable potencia ZK4500-8023-0250 (25 metros) Cable encoder ZK4530-8010-0250 (25 metros) Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [57] Lázaro Guerrero, Javier 2.4.5 Tambor inferior del Wind Shield: encoder absoluto En un principio del desarrollo no se consideró el conocer el grado de apertura continuo del Wind Shield, siendo suficiente el instalar dos finales de carrera de recorrido, arriba y abajo. Pero finalmente se consideró el tener una referencia absoluta y continua para todos los movimientos. Como ya se había decidido el instalar los 3 servos con encoders relativos, se optó por instalar un encoder absoluto externo mutivuelta acoplado en el eje inferior, al otro lado del servo. Aprovechando que el servodrive que controla este servo inferior lleva una segunda entrada de feedback, se seleccionó un encoder compatible para no tener que instalar un controlador adicional. Hiperface es uno de los protocolos compatibles y concretamente el fabricante SICK ofrece la referencia SFM60-HMAB0K02, que aparece en el hardware de configuración del servodrive en la lista de encoders compatibles. Fig. 2.4.5.1 – Tabla de selección del encoder SICK SFM60 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [64] Lázaro Guerrero, Javier Fig. 3.3.1 – Vista topográfica del panel fijo principal 0X00. 1200 x 1200 x 400mm Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [65] Lázaro Guerrero, Javier Los elementos a controlar y funciones a gestionar desde el panel 0X00 son:  CPU principal con esclavo EtherCat integrado. Con este protocolo se servirán datos al Scada principal (no incluido en el alcance del presente proyecto).  Las compuertas y persianas de las 10 ventanas fijas.  Integración de las setas de emergencia: o 2 en planta telescopio, donde van las 10 ventanas; o 1 junto al propio cuadro 0X00; o 1 en la sala de control del telescopio y cúpula T250; o 1 a bordo de la cúpula.  Terminal esclavo DP: encargado de intercambiar información con el PLC telescopio (encargado del control del telescopio) a través del protocolo Profibus DP.  Dar acometida eléctrica al panel 0X01 a bordo de la cúpula.  El Maestro Profibus DP (esclavo EtherCAT) cumple con dos propósitos: o La función TwinSafe PLC, a través de entradas de seguridad, recibe las paradas de emergencia. Estas señales serán enviadas por Profibus DP al otro controlador TwinSafe situado en el armario móvil (a bordo de la cúpula) para realizar una parada segura de los accionamientos controlados. o Se usará para transmitir las consignas recibidas por el PLC telescopio a los accionamientos situados en la parte móvil.  La visualización local de la cúpula se llevará a cabo mediante el sistema desarrollado por Beckhoff TS1810: TwinCAT PLC HMI Web. La CPU es un servidor WEB y cualquier equipo que se conecta a su toma RJ45 podrá tener acceso a las pantallas alojadas en dicho servidor. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [66] Lázaro Guerrero, Javier Fig. 3.3.2 – Acometida panel general y remoto. Transformador 400VAC / 230VAC Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [67] Lázaro Guerrero, Javier 3.4 0X01 Panel de control remoto a bordo de la cúpula Listado de materiales de PLC Referencia Beckhoff Descripción del material CX5020-0112 Basic CPU module CX5020, E-bus, Windows CE, TwinCAT PLC run-time, TwinCAT NC run-time CX1900-0204 1 GB DDR2 RAM for CX5020, instead of 512 MB DDR2 RAM; pre-assembled ex factory CX5020-B110 EtherCAT slave interface, EtherCAT IN and OUT (2 x RJ 45) EL6731-0010 PROFIBUS slave terminal: comunicación con CPU armario fijo EK1110 EtherCAT Master extensión: comunicación con servo drives EL5001 1-channel SSI encoder interface: comunicación con encoder externo acimutal EL1809 16-channel digital input terminal 24 V DC, filter 3.0 ms, type 3 EL2809 16-channel digital output terminal 24 V DC, 0.5 A, 1-wire system EL9184 Potential distribution terminal, 8 x 24 V DC, 8 x 0 V DC EL6900 TwinSAFE PLC EL2904 4-channel digital output terminal, TwinSAFE, 24 V DC, 0.5 A ZB3100 Conector DB9 12 MBaud con Resistencia de fin de línea ZX1090-91910005 Latiguillo Ethernet/Ethercat 0,5m ZX1090-91910002 Latiguillo Ethernet/Ethercat 0,26m Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [68] Lázaro Guerrero, Javier Listado de materiales del panel eléctrico Fabricante Referencia Descripción Rittal CM5123.500 Envolvente y placa de montaje 1200 x 1200 x 400mm Manumag TA001255400 Transformador de aislamiento monfásico 400VAC/230VAC 250VA Phoenix Contact 2866705 Fuente de alimentación 380VAC/24VDC 10 A - QUINTPS/3AC/24DC/10 Vahle *Ver apartado de “Sistema de carriles electrificados” SCHNEIDER ABR1S302B RELE 24VCC 1NA/NC SCHNEIDER ABR1S402B RELE 24VCC 2NA/NC LEGRAND 4886 REPARTIDOR LEGRAND 4x125A 4886 SCHNEIDER A9F79350 INTERRUPTOR AUTOMÁTICO 3x50A SCHNEIDER A9F79340 INTERRUPTOR AUTOMÁTICO 3x40A SCHNEIDER A9F79332 INTERRUPTOR AUTOMÁTICO 3x32A SCHNEIDER A9F78306 INTERRUPTOR AUTOMÁTICO 3x6A CURBA B SCHNEIDER A9F74201 INTERRUPTOR AUTOMÁTICO 2x1A SCHNEIDER A9F79110 INTERRUPTOR AUTOMÁTICO 1x10A SCHNEIDER A9A26924 CONT. AUX SCHNEIDER A9Q14225 VIGI 2x25/300mA SCHNEIDER LC1-D38BD CONTACTOR 3x38A 24Vcc SCHNEIDER LC1-D40BD CONTACTOR 3x40A 24Vcc Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [69] Lázaro Guerrero, Javier Las funcionalidades integradas en este panel son:  CPU con protocolo esclavo Ethercat. Aunque no se use en este caso, se hace así para estandarizar con la CPU del armario fijo.  Terminal esclavo Profibus DP para recibir información de la CPU del armario fijo.  Terminal maestro Ethercat para comunicar y controlar los servodrives del movimiento acimutal, compuerta y WindShield.  Terminal maestro SSI para comunicar con el encoder absoluto del movimiento acimutal.  Entradas / Salidas digitales: finales de carrera de recorrido para el movimiento de la compuerta y Windshield. Control de protecciones y contactores de potencia de los drives.  Los movimientos controlados por este armario serán: o Giro acimutal. o Apertura y cierre de la compuerta. o Aperetura y cierre del WindShield.  Los ServoDrives llevarán en cabecera un contactor encargado de cortar alimentación cuando sus correspondientes servos no se vayan a utilizar en un periodo de tiempo razonable. Con esto se tratará de evitar al máximo la emisión de calor al interior de la cúpula.  Controlador TwinSafe PLC. Mediante una carta de salidas seguras se encargará de realizar una parada segura de los drives, los cuales llevarán integrada una carta AX5801. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [70] Lázaro Guerrero, Javier Fig. 3.4.1 – Vista topográfica del panel fijo principal 0X01. 1200 x 1200 x 400mm Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [71] Lázaro Guerrero, Javier 3.5 PLC: controlador lógico Todo el control de la instalación se centraliza en 2 sistemas PLC’s basados en una configuración Beckhoff. Como ya se ha mostrado, el primero se instala en el panel 0X00 (planta 2 del edificio) y el segundo en el panel 0X01 a bordo de la cúpula. Se ha intentado estandarizar a la hora de definir las referencias, con las ventajas que conlleva para el mantenimiento de la instalación. Para ambos paneles, se pueden enumerar los siguientes puntos fundamentales: 3.5.1 CPU En un principio y por los sistemas a controlar se podría pensar en usar una única CPU en la parte fija. Pero el hecho de que los servodrives están a bordo de la cúpula hace necesario la existencia de una CPU a bordo para poder realizar la comunicación a través de Ethercat con la velocidad de intercambio necesaria. También es necesario por el intercambio de datos que se realiza a través de profibus DP por el carril electrificado y para el intercambio de información con el telescopio. Una vez establecida la necesidad de instalar 2 CPU’s, la que más recursos necesita es la que va a bordo de la cúpula, por lo que es la que marca esta selección. Debido a la necesidad de controlar ejes NC Motion la familia seleccionada es CX5020, basada en un PC embebido con un procesador Intel Atom de 1,6GHz. La tabla de selección de la CPU se muestra a continuación: Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [72] Lázaro Guerrero, Javier  CX5020-0112: o CPU módulo CX5020, o E-bus, o Sistema operativo: Microsoft Windows CE 6 , o TwinCAT PLC run-time, o TwinCAT NC run-time: necesario para realizar el control de los servodrives a través de las librerías incorporadas;  CX5020-B110: o EtherCAT interface esclavo necesario para enviar información a un Scada externo (no incluido en el alcance de la presente), o EtherCAT IN and OUT (2 x RJ 45).  CX1900-0204: 1 GB DDR2 RAM para CX5020, como ampliación a los 512 MB DDR2 RAM de fábrica. Fig. 3.5.1.1 – CPU CX5020-0112 El programa de PLC puede ser escrito en uno o más lenguajes descritos en el estándar IEC 61131-3:  IL (Instruction List): lista de instrucciones,  LD (Ladder Diagram): diagrama de contactos o en escalera,  FBD/CFC (Function Block Diagram): bloque de función,  SFC (Sequential Function Chart): diagrama secuencial,  ST (Structured Text): texto estructurado. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [73] Lázaro Guerrero, Javier 3.5.2 Tarjetas de entradas y salidas digitales Necesarias para hacer llegar las señales de los paneles eléctricos y de campo a la CPU. La carta de entradas digitales seleccionada tiene como referencia EL1809 y consta de 16 ED de 24 VDC. Básicamente se encargan de recoger las señales de: - Interruptores automáticos generales; - Protecciones magnetotérmicas de los motores; - Sensores inductivos de recorrido de las persianas; - Finales de carrera de recorrido de las compuertas de las ventanas fijas; - Pulsadores de rearme de emergencia. La carta de salidas digitales seleccionada tiene como referencia EL2809 y consta de 16 SD de 24 VDC 0,5A. Básicamente se encargan de controlar: - Contactores generales; - Pilotos de emergencia y avería; - Contactores de los motores Fig. 3.5.2.1 – Tarjeta de 16 ED(EL1809) y tarjeta de 16 SD (EL2809) Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [80] Lázaro Guerrero, Javier Fig. 3.7.1 – Acometida del panel 0X01 a través del carril electrificado 380VAC L1-L2-L3+PE Profibus Escobilla 1 Profibus Escobilla 2 PowerCOM Esclavo Profibus Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [81] Lázaro Guerrero, Javier Ref. Vahle Descripción del material 167006 5X8 CARRIL UNIPOLAR AISLADO, FASE L-6 M, U10/25C-6 167066 1X8 CARRIL UNIPOLAR AISLADO, TIERRA L-6 M, U10/25C-6 165006 6X7 JUNTA DE UNION, UEV10 165026 6 SECCIONAMIENTO LTE/LTE-U10 – Para dos cables de 4 mm = 80 A 142075 140 SOPORTE COMPACTO KA10-8N 165645 6X2 GRAPA DE BLOQUEO USK10 166935 1 CAJA CONEXIÓN 8 POLOS AKE-01 168085 1 TOMACORRIENTE COMPACTO, POTENCIA KDS2/40-7-14 168085 1 TOMACORRIENTE COMPACTO, POTENCIA KDS2/40-7-14 – Tierra montado sobre Ref. 142075 SISTEMA APOS: 2823275 48m SISTEMA APOS PARA U-10: Cinta magnética + Perfil de soporte + Accesorios 2823158 1 CABEZAL DE LECTURA DESLIZANTE LKG17-SSI: Montado sobre Ref. 168085 POWERCOM 910126 2 POWERCOM 485 HD-TWIN para protocolo RS 485 PROFIBUS (10/11 BITS) Velocidad de datos: 8,8-187,5 KBIT/S TENSION: 115-230 VAC, 50-60 HZ MAX. 200m 910080 1 FILTRO DOBLE, 6ª 230 V en caja perfil soporte 910106-100 2 CONEXIÓN TERMINAL RS100 OHM Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [82] Lázaro Guerrero, Javier Fig. 3.7.2 – Sistema de carriles electrificados Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [83] Lázaro Guerrero, Javier A parte de la solución determinada para la transmisión de potencia y datos entre la parte fija y móvil, existe la necesidad del suministro de alimentación a las resistencias calefactoras localizadas en las compuertas. Para mantener las zonas de apertura y cierre libres de cadenas porta cables y similares, se decide el montaje e instalación de 2 nuevos carriles electrificados tal y como muestra la figura: Fig. 3.7.3 – Disposición Carriles Electrificados sobre las compuertas de la cúpula Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [84] Lázaro Guerrero, Javier En la compuerta exterior se instalan 2 carriles electrificados: 1. El primer carril recibe 380 VAC y 220VAC del panel 0X01 a bordo de la cúpula. Con esto se alimenta la resistencia calefactora de esta compuerta exterior con 380 VAC y el termostato T1 con 220 VAC para poder hacer la conmutación por temperatura. Con esto tenemos los siguientes carriles: 1) L1 380VAC; 2) L2 380VAC; 3) L3 380VAC; 4) Conexión de tierra; 5) Línea 220VAC; 6) Neutro; 7) T1: estado del termostato a bordo de la compuerta exterior; 8) T2: estado del termostato a bordo de la compuerta interior; 2. El segundo carril recibe 380 VAC y 220 VAC del primer carril para poder alimentar a la resistencia y el termostato T2. El reparto de carriles es el mismo que en el primero. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [85] Lázaro Guerrero, Javier 3.8 Sistema de bandejas porta cables El sistema seleccionado para hacer llegar todos los cables a sus respectivos elementos es una bandeja de rejilla que da flexibilidad a la hora de curvarse y seguir la forma esférica de la cúpula. Fig. 3.8.1 – Esquema de disposición de las bandejas porta cables Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [86] Lázaro Guerrero, Javier 3.9 Sistema de calefacción Es necesario calentar los siguientes elementos de la cúpula para evitar que se acumule nieve en la superficie y posibles congelamientos. Con esto se persigue asegurar los movimientos de giro acimutal y cierre compuerta en condiciones climatológicas adversas. Las zonas a calentar son: 1. La guía de giro acimutal de unos 40 metros de longitud; 2. La superficie de la cúpula sobre la que se recogen las dos compuertas cuando están abiertas. Esta superficie queda justo detrás de la posición de instalación del panel eléctrico 0X00; 3. La compuerta exterior y sus 2 guías de movimiento; 4. La compuerta interior y sus 2 guías de movimiento; La solución adoptada es un cable calefactor en paralelo. Tienen una potencia por metro lineal constante, incluso al cortarlos a medida según necesidades. Se caracteriza porque el conductor de calentamiento va arrollado en espiral alrededor de un conductor paralelo aislado del cable, con lo que realiza contactos alternativos en unos puntos determinados: el cable va formando una serie de resistencias en paralelo alimentadas por el conductor. Esto permite cortarlo y adaptarlo a cualquier tipo de necesidad. Algo importante a considerar es la limitación de acometida que se tiene en el panel 0X01 de 50A. Seleccionando un cable con alimentación a 220VAC, que en principio es la solución de mercado estándar, ante una misma potencia calorífica, el consumo resultante es mayor y por lo tanto se obtiene un peor rendimiento del sistema calefactor, ya que obliga a disminuir la potencia. En consecuencia se opta por una alimentación de 380 VAC haciendo una conexión trifásica que disminuye el consumo en un factor √3. Otro factor a tener en cuenta es que este cable va a quedar pegado a la superficie externa de las compuertas a calentar, para que el traspaso de energía calorífica sea más efectivo. Tras ser instalado se cubrirá con un material aislante, tipo lana de roca, y será cerrado por las chapas metálicas internas que conforman la compuerta. Es decir, es necesario que el cable tenga una cierta resistencia mecánica que le dé robustez. Por ello se elige un cable de silicona recubierto con una malla metálica. Esta malla también será importante en la protección pararrayos del propio cable. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [87] Lázaro Guerrero, Javier Fig. 3.9.1 – Esquema del cable calefactor en paralelo Características técnicas Alimentación 380V Potencia 45 W/m Sección conductores 2 x 2,5mm2 Aislamiento entre conductores Silicona Aislamiento cubierta exterior Malla 90% de cobertura (cobre/Sn – 1,5mm²) Espesor del dieléctrico Según CEI 1423-2 Categoría mecánica H Curvatura 30 mm Temperatura máxima de trabajo 180ºC Tensión: 380V 380V Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [88] Lázaro Guerrero, Javier Para evitar que la nieve o hielo se acumule en la superficie, se ha determinado que la potencia calorífica necesaria es 125 W/m2. Partiendo de este dato obtenemos la potencia total necesaria en base a la superficie a calentar: Largo Ancho m2 W/m2 W/m Longitud W Superficies Compuerta Superior 8,18 4,96 40,6 125,0 45 112,7 5071,6 Compuerta Inferior 6,9 3,76 25,9 125,0 45 72,1 3243,0 Parte fija - Cúpula 6,015 3,88 23,3 125,0 45 64,8 2917,3 Guías Azimutal - - - - 45 42,4 1908,5 Guías compuerta superior - - - - 45 16,36 736,2 Guía compuerta Inferior - - - - 45 13,8 621,0 TOTAL 322,2 14.497,6 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [89] Lázaro Guerrero, Javier La disposición de las resistencias sobre la cúpula queda representada entonces de la siguiente manera: TER3 Cierre CompuertasApertura Compuertas 8,18 metros T3 Compuerta interior Compuerta exterior 4,96 metros 3,76 metros 6,9 metros TER2 T2 T1 Parte Fija Cable Calefactor: Azimut + Parte fija Cable Calefactor: Comp. Sup. + Guias Cable Calefactor: Comp. Inf. + Guias TER1 Fig. 3.9.2 – Esquema de disposición de los cables calefactores sobre las compuertas de la cúpula y guías Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [96] Lázaro Guerrero, Javier 4.2 0X00 CPU de control del armario de la parte fija 4.2.1 Gestión de interconexiones con el telescopio El intercambio de señales con el telescopio se lleva a cabo mediante Profibus DP. La idea es que la cúpula abra la compuerta al inicio del proceso de observación y haga un movimiento de seguimiento acimutal. Por lo tanto, se puede decir que la cúpula actúa como un esclavo del telescopio, que sería el maestro. En la siguiente tabla se establecen los comandos, estados y variables a intercambiar: Item Origen Destino Tipo de dato Comentario 01 TC CP Bool GeneralesEmergencia 02 CP TC Bool GeneralesEmergencia 03 TC CP DInt AZPosición de destino en cº (0 – 36.000cº) 04 TC CP DInt AZVelocidad de movimiento en cº / Segundo 05 TC CP Bool AZEjecutar comando de movimiento 06 TC CP Bool AZCancelar comando de movimiento 07 CP TC DInt AZPosición real de la cúpula en cº (0 – 36.000cº) 08 CP TC Bool AZPosición de destino alcanzada 09 TC CP DInt CRPosición de destino en cº (400 – 11.000cº) 10 TC CP DInt CRVelocidad de movimiento en cº / Segundo 11 TC CP Bool CREjecutar comando de movimiento 12 TC CP Bool CRCancelar comando de movimiento 13 CP TC DInt CRPosición real de la compuerta en cº (400 – 11.000cº) 14 CP TC Bool CRPosición de destino alcanzada 15 TC CP DInt WSPosición de destino en cº (0 – 3.600cº) 16 TC CP DInt WSVelocidad de movimiento en cº / Segundo 17 TC CP Bool WSEjecutar comando de movimiento 18 TC CP Bool WSCancelar comando de movimiento 19 CP TC DInt WSPosición real del WS en cº (0 – 3.600cº) 20 CP TC Bool WSPosición de destino alcanzada 21 TC CP DInt VFCPosición de destino en % de apertura (0 – 100c%) 22 TC CP DInt VFC - Velocidad (Reserva) 23 TC CP Bool VFC - Ejecutar comando de movimiento 24 TC CP Bool VFC - Cancelar comando de movimiento Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [97] Lázaro Guerrero, Javier 25 CP TC DInt VFC - Posición real en % de apertura (0 – 100cº) 26 CP TC Bool VFC - Posición de destino alcanzada 27 TC CP DInt VFPPosición de destino en % de apertura (0 – 100c%) 28 TC CP DInt VFP - Velocidad (Reserva) 29 TC CP Bool VFP - Ejecutar comando de movimiento 30 TC CP Bool VFP - Cancelar comando de movimiento 31 CP TC DInt VFP - Posición real en % de apertura (0 – 100cº) 32 CP TC Bool VFP - Posición de destino alcanzada TC = Telescopio CP = Cúpula AZ = Movimiento azimutal CR = Movimiento compuerta Rendija WS = Movimiento Wind Shield VFC = Ventanas Fijas Compuertas VFP = Ventanas Fijas Persianas Estas señales son recibidas desde el telescopio por la CPU principal de la cúpula instalada en el panel 0X00. Parte de estas señales son ejecutadas en esta misma CPU, como son el control de las persianas y compuertas de las ventanas fijas. El resto (control de giro acimutal, compuerta rendija y Wind Shield) deben ser enviadas a la CPU que está a bordo de la cúpula en el panel 0X01 ya que es la que tiene el control de los 7 servos encargados de estos movimientos. Esta comunicación también se hace por Profibus DP a través de los 2 carriles de datos de las escobillas y el sistema Powercom Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [98] Lázaro Guerrero, Javier 4.2.2 Control del movimiento de las 10 ventanas fijas Necesidades de control Cada ventana se equipa con una compuerta externa metálica corredera y una persiana en la cara interna del edificio que regulan la entrada de ventilación y luz. Ambos sistemas llevan un motor de 220VAC y unos finales de carrera de límite de recorrido (abierto y cerrado). La acometida que llega al panel eléctrico fijo 0X00 no tiene neutro por lo que se instala un transformador de aislamiento monofásico 400VAC/230VAC 3000VA para poder alimentar estos motores. Esta potencia de 3000VA genera una intensidad de 13,6A, la cual no es suficiente para poder mover los 20 motores simultáneamente. Por lo tanto, el software de control debe limitar el número de motores activos a 10 y además realizar el arranque escalonado para evitar un pico de arranque excesivo. Código de programación Para tener una aproximación de posición de las compuertas y persianas se hace una interpolación con el tiempo de apertura y cierre. Esto ofrece un porcentaje de apertura aproximado introduciendo el tiempo total de apertura para cada motor. Una vez establecidas las necesidades de control, se decide utilizar un Function Block para el control del motor y sus finales de carrera. Esto hace que el código de programación sea único y las entradas y salidas del bloque lo hagan específico para cada motor.  MAIN: estructura de programa de ejecución cíclica cada 10ms donde se ejecutan las llamadas a los 20 FB’s de los motores. Ver “ANEXO A: Apartado 8.1.7 MAIN”.  FB10_VM: Bloque de función para la gestión en Ventanas de motores Compuerta y Persiana. Ver “ANEXO A: Apartado 8.1.2 FB10_VM”. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [99] Lázaro Guerrero, Javier Conexión eléctrica Fig. 4.2.3.1 – 0X00 Conexión motores compuerta y persiana Cada motor lleva su protección magnetotérmica que llega a una entrada digital del PLC, y dos relés de potencia:  Relé 1 con 2 contactos abiertos para habilitar el movimiento;  Relé 2 con 1 contacto conmutado para elegir el sentido de giro del motor. Si no se activa el relé, el motor abre y viceversa al activarse. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [100] Lázaro Guerrero, Javier 4.3 0X01 CPU de control del armario móvil a bordo de la cúpula 4.3.1 Control del sistema de calefacción El sistema de calefacción de la cúpula se compone de los siguientes elementos: - Calefacción de la guía acimutal y la parte de la cúpula donde se recoge la compuerta rendija cuando se abre. Se equipa con un termostato con 2 sondas de temperatura. Una para la chapa y otra para el cable. - Calefacción de la compuerta superior y sus 2 guías. Se equipa con un segundo termostato con 2 sondas. - Calefacción de la compuerta inferior y sus 2 guías. Se equipa con un segundo termostato con 2 sondas. La activación del sistema de calefacción se hace a través de un único contactor por lo que no se puede activar por zonas. Cada uno de los 3 termostatos llega a una entrada digital del PLC ubicado en el panel 0X01. La decisión de activar el sistema vendrá a través de EtherCat desde el Scada general del edificio. Existe la posibilidad incluso de no tener en cuenta las señales de los termostatos y calentar de todas formas. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [101] Lázaro Guerrero, Javier 4.3.2 Control del movimiento acimutal Estrategia de control R cúpula = 6.266,25mm R2 = 90mm AZM01 AZM02 Fig.4.3.2.1 - Movimiento Acimutal. Esquema lógico de control La estrategia de control utilizada pasa por acoplar los dos ejes como maestro y esclavo, de forma que la CPU pasa una consigna de posición y velocidad al maestro vía EtherCat y este la remite al esclavo. Ambos servos atacan a una rueda motriz de nylon de φ=180 mm a través de una reductora de índice 50. 1 vuelta de motor  π·R / i = π·90 / 50 = 11,2199mm de avance de lineal de la rueda Diámetro de la cúpula en el eje de rodadura = 12.532,5 mm Perímetro cúpula rueda motriz = π·12.532,5 mm = 39.372,009931mm = 36.000cº de cúpula FeedConstant: avance de la cúpula en cº correspondiente a una vuelta motor. FeedConstant = 11,2199*36000/39.372 = 10,3411131059246cº Las unidades de trabajo son cº de cúpula para las consignas de posición y cº/seg para las consignas de velocidad. El recorrido total son 36.000cº de la cúpula que equivalen a 1 vuelta completa de la cúpula. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [102] Lázaro Guerrero, Javier Por tanto, la relación de acople debe ser 1 debido que el desarrollo de ambos servos es idéntico. Una vuelta del maestro equivale a 1 vuelta del esclavo. Al principio del movimiento, se toma lectura del encoder absoluto APOS y se actualizan los 2 encoders relativos, uno por cada servo. Se establece la consigna de posición y de velocidad, se acoplan los ejes como maestro-esclavo y se ejecuta la orden de movimiento hasta que alcancen el destino. Una vez alcanzado el destino con el encoder relativo del servo, se comprueba el error cometido con el encoder absoluto APOS (hay que tener en cuenta posibles deslizamientos de las ruedas motrices). Si el error es mayor de 2cº, se vuelve a hacer un movimiento fino de ajuste repitiendo el procedimiento. Las variables y funciones utilizadas son: Variable de PLC Tipo de dato (Librería Sercos) AZM01, AZM02 AxisRef AZM01.MovPos, AZM02.MovPos MC_MoveAbsolute AZM01.SetPos, AZM02.SetPos AZM01.Acople.InGear, AZM02.Acople.InGear MC_GearInDyn AZM01.Desacople, AZM02.Desacople MC_GearOut Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [103] Lázaro Guerrero, Javier Diagrama de flujo del movimiento acimutal en modo automático 0 INICIO – TODO DESHABILITADO Aut & !Wdef & !Def NOT Def *S_.HabilitarK:=1 1 ESPERAR DRIVE READY AZM01.DiagCode=D012 & AZM02.DiagCode=D012 & S_.Inicio *S_.Habilitar:=1 2 SERVOS PREPARADOS 3 ACTUALIZAR POSICIÓN CON ENCODER VAHLE 4 ACOPLAR SERVOS – AZM01 MAESTRO AZM02 ESCLAVO AuxDone0:=1 | AZM01.SetPos.Done AuxDone1:=1 | AZM02.SetPos.Done AZM02.Acople.InGear *SP_PosTarget:=CalculoSPAut.SP_Aux *S_.MovPos:=1 *SP_Vel:=VelTrabajo *PosCorr:=0 SERVO PREPARADO - POSICIONANDO AZM01.MovPos.Done OR AZM01.ParoServo.Done *S_.Desacoplar:=1 20 1 FIN DE MOVIMIENTO DESACOPLAR SERVOS AZM02.Desacople.Done *S_.Reset *S_Habilitar:=0 21 PosError:= AZM01.ActPos - Vahle.PosAct_cg - PosCorr Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [104] Lázaro Guerrero, Javier S_.Fin *S_.Parar:=1 10ORDEN DE PARAR AZM01.DiagCode=D012 & AZM02.DiagCode=D012 12 DESHABILITAR VARIADOR 1 AZM01.ParoServo.Done *S_.Desacoplar:=1 AZM02.Desacople.Done *S_.Reset *S_.Habilitar:=0 11DESACOPLAR SERVOS NOMENCLATURA de las variables utilizadas: S_.: Pulsadores y flags de habilitación - HabilitarK: Habilitar contactor de potencia - Habilitar: Habilitar variador - Inicio: Habilitar inicio del movimiento en automático - Mover: Habilitar movimiento al servo - Fin: Finalizar el movimiento en automático - MovPos: Habilitar movimiento en posición - Parar: Detener movimiento en curso - PosActual: Habilitar cambio de posición actual K_.: Constantes - DifPos_Ext: Diferencia de valor entre encoder Servo y encoder Externo - VelAjuste: Velocidad de ajuste - VelTrabajo: Velocidad de trabajo en condiciones normales AZM0x: Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [105] Lázaro Guerrero, Javier - DiagCode: Número de diagnóstico que indica el estado del eje. - MovPos.Done: Flanco positivo, destino alcanzado - ActPos:= Posición actual encoder servo VAR: - SP_Vel: Setpoint de velocidad en centésimas de grado - SP_PosTarget: Setpoint de posición destino - SP_Aut: Setpoint de posición en automático - CalculoSPAut.SP_Aux: SP en automático por el camino más corto - SP_PosActual: set pos de la posición actual del servo - Vahle.PosAct_cg: posición actual del carril Vahle en c° - PosCorr: Posición a corregir por desfase de encoder Vahle y Servos * Toda la secuencia condicionada a Aut y no Def Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [112] Lázaro Guerrero, Javier S_.Fin *S_.Parar:=1 El pulsador de Fin en cualquier momento ejecuta secuencia de parada Y se inicializa 10ORDEN DE PARAR CRM01.DiagCode=D012 & CRM02.DiagCode=D012 12 1 CRM01.ParoServo.Done + CRM02.ParoServo.Done *S_.Desacoplar:=1 CRM01.Desacople.Done + CRM02.Desacople.Done *S_.Reset *S_.Habilitar:=0 11DESACOPLAR SERVOS Nomenclatura de las variables: S_.: Pulsadores y flags de habilitación - HabilitarK: Habilitar contactor de potencia - Habilitar: Habilitar variador - Inicio: Habilitar inicio del movimiento en automático - Mover: Habilitar movimiento al servo - Fin: Finalizar el movimiento en automático - MovPos: Habilitar movimiento en posición - Parar: Detener movimiento en curso - PosActual: Habiilitar cambio de posición actual - MovSuper: Habilitar movimiento de servos con opción SuperImposed K_.: Constantes - DifPos_Ext: Diferencia de valor entre encoder Servo y encoder Externo - PosAbierto: Cota de posición Windshield abierto - PosCerrado: Cota de posición Windshield cerrado - VelAjuste: Velocidad de ajuste - VelTrabajo: Velocidad de trabajo en condiciones normales CRM0x: - DiagCode: Número de diagnóstico que indica el estado del eje. - ActPos: Posición actual del servo - ActVelo: Velocidad actual del servo - MovPos.Done: Flanco positivo, destino alcanzado Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [113] Lázaro Guerrero, Javier - MovPos.Active: Inicio del movimiento con función posicionamiento absoluto - SetPos.Done: Flanco positivo, cambio de consigna ok - ParoServo.Done: Flanco positivo, parada servo ok - MDT_ParMax: Consigna límite de Par - MDT_ParControl: Consigna de regulación de Par - RatioAcople: Ratio de acople - Acople.InGear: Flanco positivo Acople Ok - AT_TorqueFeedbackValue: Feedback de Par actual en el servo VAR: - SP_Vel: Setpoint de velocidad en centésimas de grado - SP_PosTarget: Setpoint de posición destino - SP_Aut: Setpoint de posición en automático - SP_PosActual: set pos de la posición actual del servo - Sick.PosAct: posición actual del encoder absoluto de Sick - AuxDone0: auxiliar detectar flanco de operación “Done” - AuxDone1: auxiliar detectar flanco de operación “Done” - AuxDone2: auxiliar detectar flanco de operación “Done” * Toda la secuencia condicionada a Aut y no Def Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [114] Lázaro Guerrero, Javier 4.3.4 Control del movimiento del Wind Shield Estrategia de control WSM02 WSM01 R2 = 175mm WSM03 WSM01_AT_Feedback2 R1 = 100 mm Fig. 4.3.4.1 - Movimiento Wind Shield. Esquema lógico de control En un principio se pensó en realizar un control de par para el servo WSM01 y que de esta forma actuara como un tensor mecánico del tambor de una persiana convencional. Pero el hecho de que este par era desconocido y la lona podía ser dañada llevó a utilizar un control de posición de los 3 ejes atendiendo a los parámetros constructivos. Para ello se establece un eje como maestro (WSM02) y los otros dos se acoplan como esclavos. Hay que tener en cuenta que el desarrollo lineal de una vuelta de motor de los servos superiores (WSM02 y WSM03) no equivale al desarrollo de una vuelta del servo inferior:  WSM02-WSM03: atacan a un tambor de φ=200 mm a través de una reductora de índice 28; 1 vuelta de motor  π·R1 / i = π·100 / 28 = 11,2199mm de avance de lineal de la lona 1 vuelta de motor  36.000 / 28 = 1285,71428cº de tambor  WSM01 ataca a un tambor de φ=350 mm a través de un reductora de índice 40. Además la lona se enrolla en 2 capas que hacen variar el radio en función de la posición. 1 vuelta de motor  π·R2 / i = π·175 / 40 = 13,7444mm de avance de lineal de la lona 1 vuelta de motor  36.000 / 40 = 900cº de tambor Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [115] Lázaro Guerrero, Javier Las unidades de trabajo son cº de tambor para las consignas de posición y cº/seg para las consignas de velocidad. El recorrido total del WS son 36º de la cúpula que equivalen a 5 vueltas del tambor superior, o lo que es lo mismo, 36.000 · 5 = 180.000cº Por tanto, la relación de acople debe ser 100 / 175 = 0,571429 debido a la diferencia en los radios de los tambores. Esto quiere decir que por una vuelta del tambor superior, el inferior debe dar 0,571429 vueltas. Esta relación de acople depende de las capas arrolladas en el tambor inferior, teniendo en cuenta que el radio inferior aumenta: 100 / 180 = 0,5555, la relación de acople disminuye. Al principio del movimiento, se toma lectura del encoder absoluto WSM01_AT_Feedback2 y se actualizan los 3 encoders relativos, uno por cada servo. Se establece la consigna de posición y de velocidad, se acoplan los ejes (WSM02 como maestro y los otros 2 como esclavos) y se ejecuta la orden de movimiento hasta que alcancen el destino. Las variables y funciones utilizadas son: Variable de PLC Tipo de dato (Librería Sercos) WSM01, WSM02, , WSM03 AxisRef WSM01.MovPos, WSM02.MovPos, WSM03.MovPos MC_MoveAbsolute WSM01.SetPos, WSM02.SetPos, WSM03.SetPos WSM01.Acople.InGear, WSM02.Acople.InGear, WSM03.Acople.InGear MC_GearInDyn WSM01.Desacople, WSM02.Desacople, WSM03.Desacople MC_GearOut Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [116] Lázaro Guerrero, Javier Diagrama de flujo del movimiento del Wind Shield en modo automático 0 INICIO – TODO DESHABILITADO Aut & !Wdef & !Def S_.HabilitarK:=0 S_.Habilitar:=0 NOT Def *S_.HabilitarK:=1 1 ESPERAR DRIVE READY WSM01.DiagCode=D012 & WSM02.DiagCode=D012 & WSM03.DiagCode=D012 & S_.Inicio *S_.Habilitar:=1 SERVOS PREPARADOS 2 WSM01.DiagCode=D013 & WSM02.DiagCode=D013 & WSM03.DiagCode=D013 & S_.Mover *SP_PosActual:=Sick.PosAct *S_.PosActual:=1 3 ORDEN DE MOVER ACTUALIZAR POSICIÓN CON ENCODER ABSOLUTO AuxDone0 & AuxDone1 & AuxDone2 *AuxDone0:=0, AuxDone1:=0, AuxDone:=0 *S_.Acoplar:=1 AuxDone0:=1 | WSM01.SetPos.Done AuxDone1:=1 | WSM02.SetPos.Done AuxDone2:=1 | WSM03.SetPos.Done 4 ACOPLAR SERVOS – WSM02 MAESTRO WSM03 ESCLAVO WSM01 ESCLAVO AuxDone0:=1 | WSM01.Acople.InGear AuxDone1:=1 | WSM03.Acople.InGear AuxDone0 & AuxDone1 *AuxDone0:=0, AuxDone1:=0 *SP_PosTarget:=PosDestino *S_.MovPos:=1 *SP_Vel:=VelTrabajo WSM02.MovPos.Done OR WSM02.ParoServo.Done *S_.Desacoplar:=1 20 SERVO PREPARADO - MOVIENDO FIN DE MOVIMIENTO DESACOPLAR SERVOS AuxDone0 & AuxDone1 *AuxDone0:=0, AuxDone1:=0 *S_.Reset *S_Habilitar:=0 21 AuxDone0:=1 | WSM01.Desacople.Done AuxDone1:=1 | WSM03.Desacople.Done 1 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [117] Lázaro Guerrero, Javier S_.Fin *S_.Parar:=1 El pulsador de Fin en cualquier momento ejecuta secuencia de parada Y se inicializa 10ORDEN DE PARAR WSM01.DiagCode=D012 & WSM02.DiagCode=D012 & WSM03.DiagCode=D012 12 DESHABILITAR VARIADOR 1 WSM02.ParoServo.Done *S_.Desacoplar:=1 AuxDone0 & AuxDone1 *AuxDone0:=0, AuxDone1:=0 *S_.Reset *S_.Habilitar:=0 11DESACOPLAR SERVOS AuxDone0:=1 | WSM01.Desacople.Done AuxDone1:=1 | WSM03.Desacople.Done NOMENCLATURA DE LAS VARIABLES: S_.: Pulsadores y flags de habilitación - HabilitarK: Habilitar contactor de potencia - Habilitar: Habilitar variador - Inicio: Habilitar inicio del movimiento en automático - Mover: Habilitar movimiento al servo - Fin: Finalizar el movimiento en automático - MovPos: Habilitar movimiento en posición - Parar: Detener movimiento en curso - PosActual: Habiilitar cambio de posición actual K_.: Constantes - DifPos_Ext: Diferencia de valor entre encoder Servo y encoder Externo - PosAbierto: Cota de posición Windshield abierto - PosCerrado: Cota de posición Windshield cerrado - ParMaxAbrir: Valor limite de Par en maniobra de apertura Windshield ‰ - ParMaxCerrar: Valor limite de Par en maniobra de cierre Windshield ‰ - ParControlAbrir: Valor de control de regulación de Par al abrir ‰ - ParControlCerrar: Valor de control de regulación de Par al cerrar ‰ Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [118] Lázaro Guerrero, Javier WSM0x: - DiagCode: Número de diagnóstico que indica el estado del eje. - ActPos: Posición actual del servo - MovPos.Done: Flanco positivo, destino alcanzado - SetPos.Done: Flanco positivo, cambio de consigna ok - ParoServo.Done: Flanco positivo, parada servo ok - MDT_ParMax: Consigna límite de Par - MDT_ParControl: Consigna de regulación de Par - RatioAcople: Ratio de acople - Acople.InGear: Flanco positivo Acople Ok VAR: - SP_Vel: Setpoint de velocidad en centésimas de grado - SP_PosTarget: Setpoint de posición destino - SP_Aut: Setpoint de posición en automático - SP_PosActual: set pos de la posición actual del servo - Sick.PosAct: posición actual del encoder absoluto de Sick - AuxDone0: auxiliar detectar flanco de operación “Done” - AuxDone1: auxiliar detectar flanco de operación “Done” - AuxDone2: auxiliar detectar flanco de operación “Done” * Toda la secuencia condicionada a Aut y no Def Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [119] Lázaro Guerrero, Javier 4.4 Control de los ejes NC: librería Sercos En el campo de Sistemas de Control Industrial, la interfaz de los diferentes componentes de control debe proporcionar un medio para coordinar las señales y comandos enviados entre los módulos de control. Si bien la coordinación estricta es deseable para entradas y salidas discretas, es especialmente importante en controles de movimiento ("motion control"), donde dirigir el movimiento de los ejes individuales deben ser coordinados con precisión de modo que el movimiento de todo el sistema sigue una trayectoria deseada. Equipo de este tipo que requiere dicha coordinación, por ejemplo, son máquinas cortadoras de metal, robótica, maquinaria de impresión, máquinas de embalaje y equipo para manejar materiales. La interfaz '''SERCOS''' (Sistema de Comunicación Serial en Tiempo Real – “'''SE'''rial '''R'''eal-time '''CO'''mmunication '''S'''ystem”) es una interfaz estandarizada a nivel mundial de interfaz digital abierta para la comunicación entre los controles industriales, dispositivos de movimiento (“drives”), y los dispositivos de entrada y salida (“I/O”). Se clasifica como norma IEC 61491 y EN 61491. La interfaz de SERCOS está diseñado para proporcionar en tiempo real, las comunicaciones de alto rendimiento entre los controles de movimiento industrial ("motion control") y las unidades digitales de los servos (“servo drive"). Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [120] Lázaro Guerrero, Javier Versiones  SERCOS-I fue lanzado en 1991. El medio de transmisión utilizado es de fibra óptica.La velocidad de datos soportada son 2 y 4 MBit/s, y las velocidad de actualización cíclica tan baja como 62.5 microsegundos. Se usa una topología en anillo. SERCOS-I también soporta un “Canal de Servicio” que permite la comunicación asíncrona con esclavos para los datos menos críticos de tiempo.  SERCOS-II fue introducido en 1999. Amplió la velocidad de datos soportados a 2, 4, 8 y 16 MBit/s.  SERCOS III une los aspectos en tiempo real de la interfaz de SERCOS con el estándar Ethernet/EtherCAT. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [121] Lázaro Guerrero, Javier Características Las características importantes de la interfaz de SERCOS incluyen:  Comunicación libre de colisiones mediante el uso de un mecanismo de tiempo de ranura (time-slot)  Protocolo de comunicación altamente eficiente (pocas “overhead”)  Telegrama extremadamente bajo en jitter (determinado a menos de 1 microsegundo, en la práctica tan bajo como 35 nanosegundos)  Perfiles normalizados altamente desarrollados acordado por grupos de múltiples proveedores de trabajo técnico para la interoperabilidad segura de dispositivos de distintos fabricantes.  Capacidad de controlar, por ejemplo, 70 ejes de movimiento en una actualización de 250 microsegundos para cada unidad (drive). (SERCOS-III). El movimiento de control de la biblioteca TwinCAT PLC TcMC2 (TwinCat Motion Control 2) incluye bloques de función para aplicaciones de máquinas de programación y representa un desarrollo ulterior de la biblioteca TCMC. TcMC2 se basa en la especificación PLCopen revisada de control de movimiento de bloques de función V2.0. Esta biblioteca y las funciones implementadas se describen a continuación. Si TwinCAT se instala con la capacidad de función NC (mínimo: Nivel TwinCAT NC PTP), verá "NC de configuración" en la vista de árbol del Administrador del sistema. Aquí puede crear los ejes necesarios y establecer sus parámetros. Cuando se inicia TwinCAT, también es posible conducir los ejes a través de los diálogos en línea correspondientes (NC Menú Manual, Display línea de distribuidores de Axis) y llevar a cabo otras funciones como eje NC acoplamiento manuales, etc.). Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [128] Lázaro Guerrero, Javier Inputs Execute The command is executed with a rising edge at input Execute. Mode Mode determines the type of the superimposed motion. Distance Relative distance to catch up. A positive value means increase in velocity by an amount required to cover the additional distance, compared with the unaffected movement. A negative value results in braking and falling back by this distance. VelocityDiff Maximum velocity difference to the current velocity (basic velocity) of the axis (>0). For this parameter a distinction may have to be made, depending on the superimposition direction (acceleration or deceleration). If , for example, a direction reversal is not permitted, the maximum available acceleration corresponds to the maximum velocity, and the maximum deceleration to stop. Therefore, there are two possible maximum values for VelocityDiff: 1. Distance > 0 (axis accelerates) VelocityDiff = maximum velocity - basic velocity 2. Distance < 0 (axis decelerates) VelocityDiff = basic velocity Acceleration Acceleration (≥0). If the value is 0, the standard acceleration from the axis configuration in the System Manager is used. Deceleration Deceleration (≥0). If the value is 0, the standard deceleration from the axis configuration in the System Manager is used. Jerk Jerk (≥0). If the value is 0, the standard jerk from the axis configuration in the System Manager is used. VelocityProcess Mean process velocity in the axis (>0). If the basic velocity during superposition is constant, the set axis velocity can be specified. Length Distance over which the superimposed movement is available. The Mode parameter defines how this distance is interpreted. Options The data structure option includes additional, rarely required parameters. The input can normally remain open. Options. AbortOption AbortOption defines the behaviour when the subordinate movement stops. The superimposed movement can be aborted or continued later. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [129] Lázaro Guerrero, Javier Outputs Done The Done output becomes TRUE, once the superimposed movement was completed successfully. Busy The Busy output becomes TRUE when the command is started with Execute and remains TRUE as long as the motion command is processed. When Busy becomes FALSE again, the function block is ready for a new command. At the same time one of the outputs, Done, CommandAbortedor Error, is set. Active Active indicates that the command is executed CommandAborted Becomes TRUE, if the command was aborted by another command and could therefore not be completed. Error Becomes TRUE if an error occurs. ErrorID If the error output is set, this parameter supplies the error number. Warning Becomes TRUE in case of a warning. The command will be executed but the ActualDistance may be less than the commanded Distance. Done will be set after execution if no other error comes up. WarningID The block returns warning 4243hex (16963) if the compensation was incomplete due to the parameterisation (distance, velocity etc.). In this case compensation is implemented as far as possible. The user has to decide whether to interpret this warning message within his application as a proper error or merely as a warning. ActualVelocityDiff: Actual velocity difference during the superimposed motion (ActualVelocityDiff ≤ VelocityDiff). ActualDistance: Actual superimposed distance. The block tries to reach the full Distance as specified. This distance may not be reached fully, depending on the parameterisation (VelocityDiff, Acceleration, Deceleration, Length, Mode). In this case the maximum possible distance is superimposed. (ActualDistance≤Distance). ActualLength: Actual travel during superimposed motion (ActualLenght≤Length). ActualAcceleration Actual acceleration difference during the superimposed motion (ActualAcceleration≤Acceleration). ActualDeceleration Actual deceleration difference during the superimposed motion (ActualAcceleration≤Acceleration). Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [130] Lázaro Guerrero, Javier 4.4.2 Librería Sercos: estructuras de datos predeterminadas AXIS_REF El tipo de datos AXIS_REF contiene información del eje. AXIS_REF es una interfaz entre el PLC y el NC. Se agrega a los bloques de función MC como eje de referencia. TYPE AXIS_REF : VAR_INPUT PlcToNc AT %Q* : PLCTONC_AXIS_REF; END_VAR VAR_OUTPUT NcToPlc AT %I* : NCTOPLC_AXIS_REF; ADS : ST_AdsAddress; Status : ST_AxisStatus; END_VAR END_TYPE PlcToNc: es una estructura de datos que se intercambian cíclicamente entre el PLC y NC. A través de esta estructura de datos de los bloques de función MC comunican con el NC y enviar información de control del PLC de la NC. Esta estructura de datos se coloca automáticamente en la imagen del proceso de salida del PLC y debe estar vinculada en TwinCAT System Manager de la imagen del proceso de entrada de un eje con NC. NcToPlc: es una estructura de datos que se intercambian cíclicamente entre el PLC y NC. A través de esta estructura de datos de los bloques de función MC comunican con el NC y reciben información de estado de la NC. Esta estructura de datos se coloca automáticamente en la imagen del proceso de entrada del PLC y debe estar vinculado en el Administrador del sistema TwinCAT la imagen del proceso de salida de un eje con NC. Contiene todos los datos de estado principales para un eje, tales como posición, velocidad y estado de instrucción. Dado que el intercambio de datos se lleva a cabo en función del ciclo, el PLC puede acceder al estado actual del eje en cualquier momento y sin esfuerzo de comunicación adicional. ADS: contiene los parámetros de comunicación de telegramas de un eje que se requieren para la comunicación directa ADS. En principio es transparente para el usuario. Status: contiene información de estado adicional o procesada por un eje. Esta estructura de datos no se actualiza cíclicamente, sino que tiene que ser actualizado a través del programa de PLC. La forma más fácil de lograrlo es llamando MC_ReadStatus o bien llamando a la acción ReadStatus de AXIS_REF. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [131] Lázaro Guerrero, Javier NCToPlc_AXIS_REF La estructura de datos NCTOPLC_AXIS_REF es parte de la estructura de datos AXIS_REF y se actualiza automáticamente por el NC, para que la información actualizada esté disponible durante cada ciclo de PLC. NCTOPLC_AXIS_REF también se utiliza como interfaz de eje entre NC y el PLC. TYPE NCTOPLC_AXIS_REF STRUCT StateDWord : NCTOPLC_AXIS_REF_STATE; (* Status double word *) ErrorCode : UDINT; (* Axis error code *) AxisState : UDINT; (* Axis moving status *) AxisModeConfirmation : UDINT; (* Axis mode confirmation (feedback from NC) *) HomingState : UDINT; (* State of axis calibration (homing) *) CoupleState : UDINT; (* Axis coupling state *) SvbEntries : UDINT; (* SVB entries/orders (SVB = Set preparation task) *) SafEntries : UDINT; (* SAF entries/orders (SAF = Set execution task) *) AxisId : UDINT; (* Axis ID *) OpModeDWord : NCTOPLC_AXIS_REF_OPMODE; (* Current operation mode *) ActPos : LREAL; (* Actual position (absolut value from NC) *) ModuloActPos : LREAL; (* Actual modulo position *) ActiveControlLoopIndex : UINT; (* Active control loop index *) ControlLoopIndex : UINT; (* Axis control loop index (0, 1, 2, when multiple control loops are used) *) ModuloActTurns : DINT; (* Actual modulo turns *) ActVelo : LREAL; (* Actual velocity *) PosDiff : LREAL; (* Position difference (lag distance) *) SetPos : LREAL; (* Setpoint position *) SetVelo : LREAL; (* Setpoint velocity *) SetAcc : LREAL; (* Setpoint acceleration *) TargetPos : LREAL; (* Estimated target position *) ModuloSetPos : LREAL; (* Setpoint modulo position *) ModuloSetTurns : DINT; (* Setpoint modulo turns *) CmdNo : UINT; (* Continuous actual command number *) CmdState : UINT; (* Command state *) SetJerk : LREAL; (* Setpoint jerk *) SetTorque : LREAL; (* Setpoint torque *) ActTorque : LREAL; (* Actual torque *) StateDWord2 : DWORD; StateDWord3 : DWORD; TouchProbeState : DWORD; (* State of touch probe *) TouchProbeCounter : DWORD; CamCouplingState : USINTARR8; CamCouplingTableID : USINTARR8; _reserved1 : ARRAY [1..72] OF USINT; (* Reserved - internal use *) END_STRUCT END_TYPE Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [132] Lázaro Guerrero, Javier PlcToNC_AXIS_REF La estructura de datos PLCTONC_AXIS_REF es parte de la estructura de datos AXIS_REF y transfiere cíclicamente información del PLC al eje NC. PLCTONC_AXIS_REF también se conoce como eje de interfaz entre el PLC y NC. TYPE PLCTONC_AXIS_REF STRUCT ControlDWord : PLCTONC_AXIS_REF_CTRL; (* Control double word *) Override : UDINT; (* Velocity override *) AxisModeRequest : UDINT; (* Axis operating mode (PLC request) *) AxisModeDWord : UDINT; (* Optional mode parameter *) AxisModeLReal : LREAL; (* Optional mode parameter *) PositionCorrection : LREAL; (* Correction value for current position *) ExtSetPos : LREAL; (* External position setpoint *) ExtSetVelo : LREAL; (* External velocity setpoint *) ExtSetAcc : LREAL; (* External acceleration setpoint *) ExtSetDirection : UDINT; (* External direction setpoint *) _reserved1 : UDINT; (* Reserved *) ExtControllerOutput : LREAL; (* External controller output *) GearRatio1 : LREAL; (* Gear ratio for dynamic multi master coupling modes *) GearRatio2 : LREAL; (* Gear ratio for dynamic multi master coupling modes *) GearRatio3 : LREAL; (* Gear ratio for dynamic multi master coupling modes *) GearRatio4 : LREAL; (* Gear ratio for dynamic multi master coupling modes *) MapState : BOOL; PlcCycleControl : BYTE; PlcCycleCount : BYTE; _reserved2 : ARRAY [1..21] OF USINT; (* Reserved - internal use *) END_STRUCT END_TYPE Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [133] Lázaro Guerrero, Javier 5 Configuración del hardware del sistema Toda la configuración del hardware instalado se lleva a cabo con la aplicación TwinCat System Manager. Las funciones principales de este proyecto configuradas son:  Configuración de la comunicación entre el PC de programación y el PLC. En este caso se hace vía Ethernet accediendo a la IP del sistema operativo embebido en la CPU.  Configuración de E/S. Bus interno EtherCat: o Tarjetas de entradas y salidas digitales, o PLC de seguridad, o Drives, o Tarjetas de comunicación: Profibus, SSI.  Configuración de los ejes de movimiento NC.  Configuración del PLC. Asignaciones entre las señales de campo y las variables de PLC. Fig. 5.1 – Vista general TwinCat System Manager Tarjetas de E/S PLC de seguridad SSI, Profibus Drives PLC: asignación de variables NC Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [134] Lázaro Guerrero, Javier 5.1 Configuración de E/S. Red EtherCat Una vez realizada la conexión con la CPU, si todo el hardware está conectado se puede “Cargar la configuración Online” y automáticamente importa todas las tarjetas instaladas en la red EtherCat. 5.1.1 Tarjetas Profibus Es necesario definir el área de direccionamiento a intercambiar. El número de datos y su distribución debe ser igual tanto en el maestro como en el esclavo. A cada tarjeta hay que darle una dirección única en la red Profibus, de 0 a 125. En caso de ser una tarjeta esclava, es necesario indicar la dirección del maestro. Una vez definida el área de intercambio, se asignan las variables de PLC donde se leen y escriben los datos. PLC1: EL6731 Maestro Profibus  PLC2: EL6731-0010 Esclavo Profibus Fig. 5.1.1.1 – Configuración tarjetas Profibus intercambio PLC1-PLC2 de emergencias y variables de movimiento Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [135] Lázaro Guerrero, Javier 5.1.2 PLC de seguridad El primer paso es introducir el controlador y todas las tarjetas de E/S seguras necesarias para recoger las señales de campo. Cada tarjeta lleva una codificación en interruptores DIP que debe ser única e introducida en la configuración hardware. - PLC1 o EL6900: controlador de seguridad o 4 tarjetas EL1904: 16 entradas digitales seguras o 1 tarjeta EL2904: 4 salidas digitales seguras - PLC2 o EL6900: controlador de seguridad o 1 tarjeta EL1904: 4 entradas digitales seguras o 1 tarjeta EL2904: 4 salidas digitales seguras El código de programación de seguridad se realiza directamente en el controlador de seguridad a través de una librería de Function Blocks: Emergency stop, Machine monitoring, AND, OR, Decoupler, Operation Mode, Two hand, EDM, Muting, SR, RS, TON, TOFF y Connection Shutdown. Fig. 5.1.2.1 – PLC1-FB1 de seguridad “Emergency Stop” Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [136] Lázaro Guerrero, Javier 0X00-PLC1: esquema del programa de seguridad FB Tipo FB Entradas Salidas FB1 Emergency Stop Emergencia 0X00 G_EMG1 FB2 Emergency Stop Emergencia 1 planta telescopio G_EMG2 FB3 Emergency Stop Emergencia 2 planta telescopio G_EMG3 FB4 Emergency Stop Emergencia Sala de control G_EMG4 FB5 Emergency Stop Emergencia telescopio G_EMG5 FB6 Emergency Stop Emergencia 0X01 (Profibus) G_EMG6 FB7 AND FB1-Salida FB2-Salida FB3-Salida FB4-Salida FB5-Salida Emergencia a 0X01 Profibus FB8 AND FB6-Salida FB7-Salida G_EMG FB9 TOF-0,1s FB8-Salida EL2908-Output CH1-Contactor 1 EL2908-Output CH3-Contactor 2 0X01-PLC2: esquema del programa de seguridad FB Tipo FB Entradas Salidas FB1 Emergency Stop Emergencia 0X01 Emergencia a 0X00 Profibus FB2 AND FB1-Salida Emergencia 0X00 (Profibus) G_EMG FB3 TOF-3,5s FB2-Salida EL2908-Output CH1-Drives Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [137] Lázaro Guerrero, Javier 5.1.3 Drives y servos En el caso de los servos, esta acción llega hasta los Drives, sólo si el motor lleva encoder absoluto es capaz de leer la placa de características integrada. En caso de encoders relativos, como es el caso actual, habrá que introducir las referencias de los motores y sus sistemas de realimentación. Así como configurar todos los parámetros necesarios para el correcto funcionamiento de la aplicación: - Asignar el servo y encoder conectado; - Feed Constant: magnitud real de movimiento ejercida por una vuelta de motor. Esto define las unidades de trabajo de posición y velocidad. - El Drive lleva integrado los PID’s de control de posición, velocidad y corriente. Parametrización. A modo de ejemplo se expone la configuración del primer servo del movimiento acimutal AZM01 Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [144] Lázaro Guerrero, Javier Lazo de control avanzado de un eje (Servo Drive) con pre alimentación de velocidad y aceleración Lazo de control de posición y velocidad con interface de corriente – Servo Drive Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [145] Lázaro Guerrero, Javier - Generador de valor de consigna: cada eje se asigna a un generador del valor de consigna, y esto a su vez consta de tres componentes: o Bloque generador de preparación (en la tarea de preparación de bloques): comprobar los parámetros de inicio y, en el caso de los ejes principales, el cálculo del perfil dinámico. o Bloque generador de ejecución (en la tarea de ejecución de bloque): cálculo de los valores de ajuste local. o Generador asíncrono de requisitos de reacción al asíncronos (override, nueva posición final, compensación de posición, etc.). A continuación se sigue con el ejemplo de configuración del primer eje del movimiento acimutal (NC Eje 1 – Drive 11): Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [146] Lázaro Guerrero, Javier Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [147] Lázaro Guerrero, Javier En la pestaña “Dinámica” se configura las rampas de aceleración, deceleración y el “jerk”, que define como se comporta la aceleración en el tiempo. Debido a las inercias tan grandes provocadas al mover grandes masas, y siendo que no se requieren paradas bruscas, los tiempos de aceleración se han subido mucho con respecto a los de fábrica. Al igual que se ha suavizado el perfil del jerk haciendo una gráfica de aceleración sinusoidal en 7 tramos. Parámetros del perfil de aceleración Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [148] Lázaro Guerrero, Javier El control de posición del movimiento acimutal se ha llevado a cabo con un doble lazo proporcional: posición P (constante proporcional Kp) y velocidad PID (aunque sólo empleamos la constante proporcional Kv). EL objetivo es conseguir una sobre oscilación nula, con un tiempo de respuesta reducido y un error en régimen permanente nulo: - S.O. = 0 - Tr = Tiempo de respuesta - Ep = 0  Se consigue al cerrar el lazo Lazo de control de posición del giro acimutal ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ⁄ ( ( ) ⁄) ( ) ( ) ( ) Función de transferencia real Sistema de segundo orden ( ) ( ) ζ Coeficiente de amortiguamiento ωn=frecuencia natural τ ζ ωn = constante de amortiguamiento √ ( ) + - + - ( ) Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [149] Lázaro Guerrero, Javier Coeficiente de amortiguamiento  √ √ √ √ √ Objetivos √ ( ) Función de transferencia resultante ( ) ( ) ( ) Para el cálculo de las constantes hay que mirar las prestaciones: seleccionando un tiempo de respuesta alto se observa cómo el sistema responde bien en primera instancia (ante una referencia en escalón de 0 a 1 radianes en t=1), pero cuando aparece la perturbación (en t=3 seg.), su influencia persiste en forma de un error que permanece. Sin embargo, si se sobredimensiona el regulador, bajando el tiempo de respuesta, se obtienen unas constantes elevadas que hacen disminuir la influencia de la perturbación: Tiempo de respuesta alto K↓ Tiempo de respuesta bajoK↑ Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [150] Lázaro Guerrero, Javier Cálculo de las constantes proporcionales Tiempo de respuesta deseado = 0,5 segundos ( ) → ( ) ( ) Tiempo de respuesta deseado = 1 segundo → ( ) ( ) El modelo de controlador de doble lazo “P + P” no es el más adecuado en aquellas situaciones en las que hay perturbaciones, pues es incapaz de compensarlas adecuadamente. En el caso del giro acimutal la carga permanece constante en todo el movimiento y el control es adecuado subiendo las constantes proporcionales. En el caso de la compuerta, donde la geometría hace que la carga varíe fuertemente en función de la posición angular, se considera un PI en el bucle interno. A la lista de especificaciones, ahora se añade el rechazo de perturbaciones:  S.O. = 0%  Tiempo de repuesta (tr) = 1 segundo  Error de seguimiento nulo en régimen permanente (ep=0)  Perturbaciones: rechazadas (efecto nulo) en régimen permanente Lazo de control de posición de la compuerta ( ) + - + - ( ) Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [151] Lázaro Guerrero, Javier Para el cálculo de la inercia se contempla el peso total de las 2 compuertas, consideramos 3.500Kg. Con el índice de reducción de 1:400 y el diámetro del tambor de la sirga de 245mm, queda: ( ) Se diseña el PI del bucle interno (BI) de forma que dicho BI quede como un primer orden de ganancia 1 y muy rápido (tiempo de respuesta de 5 a 10 veces menor que el tiempo de respuesta que se persigue para la globalidad del sistema. Aquí, se utilizará una constante de tiempo τ de 1 segundo a la vista de la correspondiente tau del sistema (τ =J/f = 1 segundo). Esta constante se ha conseguido experimentalmente aplicando un pequeño escalón (desde un valor A a un valor B) al sistema en bucle abierto (esto es, sin controladores) y midiendo la evolución de la velocidad, siendo τ la 3ª parte del tiempo de respuesta. Por otro lado, se buscará una K del PI que haga que el BI(s) sea muy rápido (por ejemplo, 0.2 segundos): ( ) ( ) En el diseño del regulador externo se prescinde del BI, siendo este el objetivo de que se haya calculado tan rápido: ( ) ( ) ( ) En cuanto a las prestaciones, se observa cómo ahora el rechazo de las perturbaciones es total en régimen permanente: Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [152] Lázaro Guerrero, Javier 6 Descripción de la interfaz de explotación (HMI) El sistema de visualización y explotación será ejecutado desde un sistema Scada externo. A través del puerto EtherCat integrado en la CPU se servirá la información y se recibirán las consignas y comandos. Por especificaciones del cliente, no se puede hacer uso de pantallas HMI que puedan emitir luz perjudicial para la observación del telescopio. Para disponer de una herramienta de explotación para la puesta en servicio se hace uso de las propias pantallas que la aplicación de desarrollo del PLC incluye, TWINCAT PLC HMI CE. Además de esta herramienta de visualización, la CPU dispone de una visualización como Web Server: TWINCAT PLC HMI WEB. Es un sistema de visualización basado en la web. El control PLC TwinCAT actúa como editor para la creación de páginas web. La activación se lleva a cabo simplemente mediante el establecimiento de una opción en el TwinCAT PLC Control. Las páginas web se alojan en el Internet Information Server (IIS). Para la visualización de las páginas web se necesita una máquina virtual Java. Como opción para graficar, y exclusivamente para la puesta en marcha, se implementa una aplicación Scada basada en Wonderware InTouch. La comunicación se realiza a través del TwinCAT OPC Server de Beckhoff. Resulta de gran utilidad el poder analizar el comportamiento de las variables de posición, consumo, par, velocidad, etc. de los 3 movimientos de la cúpula con el fin de optimizar el control. Automatización cúpula telescopio Memoria.docx [153] Lázaro Guerrero, Javier 6.1 PLC1: visualización 6.1.1 Generales Comandos - Reset: rearme de averías de los elementos y emergencias tanto del PLC1 como del PLC2. - Modo de operación: o Local: las consignas de los movimientos se mandan desde el PLC1 o el telescopio. o Remoto: las consignas se introducen directamente por el usuario en el PLC2. - Marcha ventiladores de refrigeración de los paneles eléctricos. - Marcha al sistema de calefacción de la cúpula. Muestra los defectos, estados y emergencias generales de la instalación.