adaptación del bus de campo as- interface a un torno de foso

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
ADAPTACIÓN DEL BUS DE CAMPO ASINTERFACE A UN TORNO DE FOSO
MODELO 2112 PARA UNA MAYOR
EFICIENCIA ENERGÉTICA.
Autor: Jorge Ezquerro Gómez
Director: Belén Molina Sánchez
Madrid
Mayo 2012
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
ADAPTACIÓN DEL BUS DE CAMPO AS-INTERFACE A UN
TORNO DE FOSO MODELO 2112 PARA UNA MAYOR
EFICIENCIA ENERGÉTICA.
Autor: Ezquerro Gómez, Jorge
Director: Molina Sánchez, Belén
Entidad colaboradora: Patentes TALGO S.L.
RESUMEN DEL PROYECTO
Se realizará una mejora en cuanto a la parte eléctrica y de transporte de comunicaciones
en un torno, modelo 2112, de la empresa Patentes Talgo.
Dicho torno tiene como función el reperfilado de las ruedas de los trenes, necesario para
adaptar el perfil de rueda a las normativas.
Dicho perfil se modifica por el desgaste (carril-rueda). También se reperfilan las ruedas
para corregir una serie de degradaciones (planos, coqueras, ovalización…). El hecho de
que la rueda del tren se desgaste y se deteriore se refleja en una mayor cantidad de
vibraciones en el coche, lo que disminuye el confort . Se contempla a su vez que la
transmisión de esas vibraciones al conjunto hará que la vida útil de otras piezas se
reduzca drásticamente, originando un desgaste mayor de la vía que se notará con el paso
del tiempo.
Dicha máquina tiene como función perfilar la rueda de acuerdo con unos parámetros
que van variando según el tren, su servicio, la vida útil de la rueda. Previamente se
realiza el estudio de las condiciones de la rueda a través de equipos especializados para
ese fin.
Las mejoras que se intentan implantar en este proyecto están referidas a la conexión de
las decenas de periféricos que tiene el torno, y como optimizar todo este proceso.
La máquina se compone de gran variedad de detectores, botones, válvulas, receptores,
sensores y actuadores. Cada uno de estos periféricos tiene sus propias necesidades tanto
de potencia como de transmisión de la información (recibida o enviada), de tal manera
que son conectados por dos cables de alimentación, debido a que la gran mayoría de
estos periféricos se alimentan en corriente continua, realizándose el estudio sobre estos
periféricos. Aquellos que tengan necesidades especiales de alimentación o sean grandes
consumos de potencia no podrán introducirse en la mejora.
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Por otro lado, las necesidades de trasmisión de las señales se hacen por medio de uno o
varios cables dependiendo del tipo de periférico que sea, y estos cables van conectados
a unos módulos de PLC que es quien procesa la información para que los procesos
estén controlados y funcionen correctamente.
El gran número de cables y conexiones que se realizan en la máquina le otorgan un
aspecto grande y complicado de poner en marcha, y en caso de que haya un error, para
subsanarlo se invierte mucho tiempo y dinero.
Otra de las necesidades que se pretenden mejorar es la necesidad de muchas horas en el
diseño y construcción de la parte eléctrica del torno, debido a la gran cantidad de cables
que se necesitan, además de tener un alto índice de pérdidas eléctricas que hay por
dichos cables.
En el momento actual donde la economía hace que las empresas necesiten reducciones
de costes y tengan que buscar mercado en el exterior, se necesita poder ser más
eficientes y competitivos en los modelos de fabricación, por lo que una menor
complejidad en la máquina, con un menor número de horas invertidas desembocaría en
un ahorro de coste y en una mayor capacidad para abordar más trabajos.
La solución que se plantea en este proyecto es la instalación de un módulo AS-interface
para la mejora de las comunicaciones y de la alimentación de los periféricos. La
implementación sólo incluirá periféricos de potencias bajas, todos aquellos que sean
más complejos o que requieren mayor potencia no podrán incluirse en dicho proceso de
comunicación.
Este módulo AS-interface simplifica el conexionado, sin necesidad de soldaduras ni
cortes del cable principal. Por otro lado, la principal característica del bus AS-i es que
tanto la alimentación como las señales se realizan por un mismo cable, teniendo como
consecuencia una reducción considerable de la cantidad de cables, facilitando la
fabricación, diseño y puesta en marcha de la máquina.
Sección del Cable
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Estado del arte.
Actualmente la conexión de los periféricos en el torno se realiza individualmente, es
decir, cada periférico tiene su propia alimentación y su propia conexión de datos, que
diferira entre uno o dos cables según la tipología y necesidad del períférico. Para
consumos mayores se posee unas protecciones que evitan las derivaciones sin que afecte
a todo el torno.
El conexionado que se utiliza en los tornos es de tal manera que a cada periférico le
llega su alimentación y sus cables de señal. Los cables de las comunicaciones se dirigen
hacia las entradas y salidas correspondientes y los de alimentación a una torreta de
conexiones donde se realizan los empalmes necesarios. La forma de dichas conexiones
es en ‘’ árbol’’. De esta manera si hubiera una derivación en uno de los periféricos se
detectaría, dejando de funcionar esa parte.
Esquema de conexión en árbol
Normalmente los tornos necesitan de muchos tubos para el transporte de todos los
cables, y en el modelo propuesto se reducirían considerablemente, realizándose una
conexión a un maestro que procesaría todos esos impulsos para después enviarlos en
dos cables a todos los esclavos o periféricos.
Toda la información recibida por el maestro se transmitiría por dos únicos cables, y este
enviaría esa información vía Profibus al PLC (ordenador principal).
Motivación.
Actualmente las empresas tienden a desmarcarse de la competencia con una serie de
ventajas competitivas, estos son los retos a los que deben enfrentarse los ingenieros de
una empresa.
Entre estas ventajas se intentará acortar el tiempo de fabricación para poder afrontar
mejor las entregas y poder reducir esos tiempos, obviamente al reducir la complejidad
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del modelo también se reducirá su puesta en marcha, las probabilidades de fallo
disminuirán por lo cual a la larga se está fabricando una máquina de mayor calidad. Por
otro lado nos encontramos con una reducción de los costes lo que hace que los precios
sean más competitivos en el mercado.
Con lo que la principal motivación para realizar este proyecto será crear una mejora en
dicho torno de foso para el cual se obtendrá unas nuevas características más
competitivas. Creando de alguna manera un modelo más eficiente desde un punto de
vista energético y una mejora evidente de las comunicaciones.
METODOLOGÍA
Primeramente se hizo un estudio de la máquina con la finalidad de comprender mejor
la implantación del bus ASI en el torno. Por lo que se tendrá que aprender los
conocimientos básicos de este mecanismo.
Tras el estudio de la máquina se realizará un estudio del funcionamiento del bus ASinterface y se analizará la mejor adaptación para la arquitectura (para las precargas,
que es la parte del torno donde se va a hacer la primera implementación del sistema,)
dado que este método de comunicación y alimentación tiene una serie de características,
se tendrá que hacer un estudio de las distintas formas posibles de conexionado y su
viabilidad en cuanto a lo que la máquina necesite. Toda esta adaptación se montará en
un subconjunto de una de las próximas máquinas de Talgo, por lo cual habrá que probar
cuál de las distintas formas será la más conveniente y así se podrá valorar los resultados
de una manera teórica y práctica.
Tras el análisis teórico se realizarán una serie de comprobaciones prácticas para
asegurar la viabilidad del modelo y su comportamiento. Dichas comprobaciones se
realizarán en el banco de pruebas de la empresa para verificar el correcto
funcionamiento de la red AS-i.
Para finalizar se realizará un estudio económico para analizar las distintas mejoras que
esto supondrá para la máquina, en cuanto a reducción de tamaños, de fabricación, de
instalación y de economizar los tiempos.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
En la realización del análisis teórico de la arquitectura se ha concluido que la
arquitectura que mejor se adapta a la configuración de las precargas y que teóricamente
necesita menos material de construcción, tiene menos pérdidas eléctricas y menos
caídas de tensión que puedan provocar el mal funcionamiento de los periféricos es el
sistema en árbol. El cual tendrá su propia bifurcación eléctrica a través de un duplicador
de cable para llegar a cada una de las dos precargas que se encuentran en el torno.
Tras este estudio teórico se realiza un estudio de viabilidad ingenieril en el cual se
prueba el funcionamiento del sistema en una maqueta que refleja los consumos reales
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pero a una escala inferior, analizándose que los periféricos funcionan perfectamente y el
maestro analiza la información que procede de estos.
Por último se realiza un estudio económico entre los dos sistemas, el actual y el Bus
AS-interface, concluyéndose que hay un ahorro económico y lo más importante, un
ahorro importante de horas de trabajo que hará que la máquina se realice en tiempos de
fabricación más cortos y pudiendo ser más competitivos.
REFERENCIAS
La Página Web sobre AS-Interface dispone de un curso de formación y comprensión
para el uso y manejo del Bus AS-i. http://as-interface.net/.
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ADAPTATION OF FIELD BUS AS-INTERFACE TO A MIT LATHE
MODEL 2112 TO IMPROVE ENERGETIC EFICIENCY.
PROJECT SUMMARY
There will be an improvement in terms of electrical transport and communications in a
lathe, model 2112, of Talgo Patents company.
The task of this kind of underfloor wheel lathe is to reprofile the wheels of the trains to
adapt the wheel profile to the normative. Said profile is modified by the wear (railwheel). Wheels are also reprofiled to correct degradations (flats, shelling, out of
roundness…) The fact that the train wheel wears and deteriorates will cause a greater
amount of vibration in the car what diminishes the comfort. In addition, the
transmission of these vibrations globally will make the lifetime of other parts
dramatically reduced, causing greater wear in the track that will be detected over time.
This machine has the function to perform the wheel profile according to parameters that
vary according to the train, the service, the life of the wheel. Before doing the study of
the conditions of the wheel through specialized equipment for this purpose.
The improvements to implement in this project are referred to the connection of the tens
of peripherals that have the underfloor wheel lathe, and how to optimize this process.
The machine is composed of a variety of sensors, buttons, valves, receptors, etc. Each of
these peripherals has its own requirements, both power and transmission of information
(incoming or outgoing), so that they are connected by two power wires, because the
majority of these peripherals are fed under DC carried out the study on these
peripherals. Those with special needs or large power consumption can not be introduced
in upgrading
Moreover, the needs of data transfer are performed through one or two cables,
depending on the peripheral type, and these wires are connected to PLC’s modules
which analyze data or send the information to processes that are controlled and operate
properly.
The large number of wires and connections in the machine gives it a large and
complicated aspect to start up, and if there is an error, to correct it, much time and
money has to be invested.
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Another need to improve is the big quantity of hours in the design and construction of
the electrical part of the underfloor wheel lathe, due to the large number of cables
needed, besides having a high tax of electrical losses through the wires.
At the present time where the economy means that companies need cost reductions and
market have to look abroad, you need to be more efficient and effective in the
production models, with less complexity in the machine, with a fewer hours spent, and
this would result cost savings and greater ability to deal more work.
The solution proposed in this project is the installation of an AS-interface module to
improve communications and power peripherals. The implementation will only include
low power peripherals. All those that are more complex or require greater power may
not be included in that communication process.
The AS-interface will improve wiring without weld or cut the main cable. On the
other hand, the main feature of the AS-i bus is that both supply and transport of the
communication is done via the same wires, with the result of a significant reduction in
the harmness, facilitating the manufacture, design and implementation.
Cable Section
State of the art
Currently the peripherals connection is performed on the lathe as individual, that is to
say each peripheral has its own power and its own data connection, which will differ
between one or two wires depending on the type and necessity of the peripheral. For
bigger consumption there are some protections that prevent electrical leads without
affecting all around.
The connection that is used in underfloor wheel lathes is such that each peripheral
comes to feeding and signal wires. The wire communications are with the
corresponding inputs and outputs and power connections to a turret where the
connections are made necessary. The shape of these connections is in “tree'’. Thus if
there is a electrical lead in one of the peripherals will be detected, and that part would
not work.
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Wiring diagram tree
Normally underfloor wheel lathes need many tubes to carry the harmness, and the
proposed model would reduce it considerably, performing a connection to a master
who would process these impulses and then sent on two wires to all slaves or peripheral
All information received by the master is transmitted by two wires, and it sends that
information via Profibus to the PLC (host).
MOTIVATION
Currently companies tend to distance themselves from the competition with a number
of competitive advantages;, these are the challenges to be faced by engineers of a
company
These advantages will seek to improve the manufacturing time to better handle
deliveries and to reduce the time, obviously reducing the complexity of the model will
also reduce its implementation, failure probabilities decrease so you are manufacturing
these machine with higher quality. On the other hand we find a cost reduction that
makes more competitive prices in the market.
So that the main motivation for this project will be to create an improvement in the pit
around which new features will be more competitive, creating a more efficient model
from an energy standpoint and an obvious improvement of communications.
METHODOLOGY
First there was a study of the machine in order to better understand the implementation
of the ASI bus on the underfloor wheel lathe. To learn the basics of this mechanism will
be needed.
After a study of the machine, an operation test of AS-interface will be done and
analyzed the best fit for the architecture (for hold-down, which is part of the underfloor
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wheel lathe which will make the first implementation of the system) as this method of
communication and supply has a number of characteristics, a study of the various
possible forms of connection and its viability in terms of what the machine needs, has to
be done. Any such adaptation will be mounted on a subset of a forthcoming Talgo
machines, so will have to prove which of the various forms is the most convenient and
thus estimate the results in a theoretical and practical way.
Following the theoretical analysis will be a series of practical tests to check the viability
of the model and its behavior. These checks will be conducted in the testing bench for
the company to verify the correct operation of the AS-I line,
Finally we will perform an economic study to analyze the different improvements that
this will place to the machine in terms of size reduction, manufacturing, installation and
save time
RESULTS AND CONCLUSION
In the theoretical analysis of the architecture has been concluded that the architecture
that fits better to the configuration of the hold-down and theoretically requires less
building materials, less electrical leads and less power voltage drops that may cause
malfunction of the Hardware is the system tree. It will have its own electrical
bifurcation through a duplicator wire to reach each of the two hold-downs found in the
lathe.
After this theoretical study, we will make a test of engineering viability in which the
performance test in a model system that reflects real consumption but on a smaller
scale, analyzing that the peripherals work perfectly and the master analyzes the
information that comes from these.
Finally, a study of economic relation between the two systems, the current and the ASinterface, concluding that there is a cost saving and most important, a significant saving
of time that the machine will perform in shorter times of manufacturing and more
competitive.
REFERENCES
A Web page about AS-Interface has available a training course about use and
understanding of BUS AS-i. . http://as-interface.net/.
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AGRADECIMIENTOS
Me gustaría agradecer a Eugenio todo el esfuerzo que ha volcado en este proyecto, sin
él no se hubiera podido realizar.
A Belén por haberme ayudado en todo momento.
A mis padres y hermano por su apoyo incondicional y por estar ahí.
A mis amigos que tanto me han apoyado en los malos y buenos momentos.
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ÍNDICE
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AGRADECIMIENTOS……………………………………………………….10
INTRODUCCIÓN Y METODOLOGIA DEL PROYECTO….….22
1 Introducción al proyecto………………………………………………………..…24
2 Estado de la cuestión…………………………………………………………...…28
3 Motivación……………………………………………………………………...…30
4 Objetivos del proyecto…………………………………………………………….30
6 Recursos a emplear…………………………………………………………..……31
Simbología………………………………………………………………………..……32
PARTE I MEMORIA…………………………….……………………….……34
Capítulo 1: Bus de campo………………………………………………...……36
Capítulo 2: Topología de buses…………………………………………….…40
2.1 Definición especifica………………………………………………..………40
2.2 Topologías……………………………………………………………..……40
2.2.1 Estructura de estrella…………………………………………..……40
2.2.2 Estructura en anillo……………………………………………….…41
2.2.3 estructura de red mallada……………………………………………42
2.2.4 Estructura lineal……………………………………..………………42
2.2.5 Estructura en árbol……………………………………….………….43
Capítulo 3: Organización de flujos de datos………………………………..44
3.1 Requisitos para las conexiones en paralelo de los usuarios en el sistema de bus
de campo………………………………………………………………...………44
3.2 Organización maestro/esclavo………………………………………………44
3.3 Organización de múltiple maestros:”token passing” (paso de testigo)……...45
Capítulo 4: Cables de bus de campo………………………………………....46
4.1 Características de los distintos cables………………………………….……46
4.2 Tipos de cable……………………………………………………………….47
4.2.1. Cable DESINA……………………………………………..………47
4.2.2 Cable grueso DEVICENET…………………………………………48
4.2.3 Cable AS-Interface…………………………………………….……49
Capítulo 5: AS-Interface……………………………………………………….50
5.1 Comportamiento eléctrico del cable AS-Interface…………………..………50
5.2 Red AS-Interface……………………………………………………………51
5.3 Fuente de una imagen…………………………………………………….…52
5.4 Proceso de modulación……………………………………………………...54
5.5 Seguridad…………………………………………………………….………56
5.5.1 Influencias en el cable………………………………………………56
5.5.2 Tipos de seguridad…………………………………………..………56
5.5.3 Interoperabilidad…………………………………………………….57
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Capítulo 6: Mensaje……………………………………..……...…………………58
6.1 El mensaje………………………………………………………..………....…58
6.1.1 Conceptos previos……………………………………………..….…..58
6.1.2 Con un rendimiento cada vez mayor de datos………...……..……….59
6.2 Estructura…………………………………………………….………..........….62
6.3 Clasificación…………………………………………………..……….……....63
6.3.1 El combinado de transacciones……………………….………..……...63
6.4 Flujo funcional en un esclavo………………………………………….............63
Capítulo 7: Maestro…………………………………………..….………..……….64
7.1 Integración del maestro en sistemas de automatización……………...………..66
7.2 Tecnología de conexión………………………………………………...…...…66
7.3 Extensión de la red……………………………………………………...……..66
Capítulo 8: Esclavo……………………………………..…………………………70
8.1 Propiedades y funciones de los esclavos……………………..…………..……70
8.2 Interface del esclavo………………………………………….………..………71
8.3 Estado del display…………………………………………….………..………71
8.4 Organismos de control (perro Guardián o Whatchdog)…………….…………73
8.5 Conexiones del interface………………………………………………………74
8.6 Registro de estado de los esclavos……………………………………….……76
PARTE II ANÁLISIS DE LA ARQUITECTURA……….....………....78
IMPLANTACIÓN…………………………………………………..…………….82
Capítulo 1: Estudio de la arquitectura del torno……………….…….….……84
1.1 Estructura en anillo…………………………………………………………….84
1.2 Estructura en árbol………………………………………………………..……85
1.3 Ventajas e inconvenientes……………………………………….……………86
1.4 Conclusiones………………………………………………………………..….86
Capítulo 2: Estudio de la arquitectura en precargas…………………………88
2.1 Precargas en árbol………………………………………………...……………90
2.2 Precargas en anillo……………………………………………………………..93
2.3 Ventajas e inconvenientes………………………………………..……………95
2.3.1 Árbol…………………………………………………………………..95
2.3.2 Anillo…………………………………………………………...……..95
2.4 Resumen y conclusión………………………………………………..….……96
CAÍDAS DE TENSIÓN…………………………………………..………..……98
Capítulo 3: Estudio de las caídas de tensión teóricas………….……...……100
3.1 Caída de tensión en anillo…………………………………………….………100
3.2 Caída de tensión en árbol……………………………………………..………104
3.3 Conclusiones………………………………………………………...………..105
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Capítulo 4: Caídas de tensión. Resultados teóricas……………………...…106
4.1 Intensidades necesarias para periféricos……………………………...………106
4.1.1 Final de carrera con dos conexiones BALLUFF………...…………106
4.1.2 Final de carrera con una conexión BALLUFF………..……………106
4.1.3 Transductor de presión BOSCH……………………………………106
4.1.4 Módulo de luces OMRON………………………....……………….106
4.1.5 Detector de proximidad BALLUF…………………………….……106
4.1.6 Electroválvulas de BOSCH………………………………...………107
4.1.7 Resumen………………………………………………...………….107
4.2 Distancias para la caída de tensión en precargas……………………..….…108
4.3 Calculo de las caídas de tensión en árbol……………………………...……109
4.3.1 Cálculo de la caída de tensión en la precarga derecha………..…….109
4.3.2 Cálculo de la caída de tensión en la precarga izquierda……………110
4.3.3 Análisis de las posibilidades de los periféricos….…………………111
4.3.4 Conclusión de las tensiones en árbol…………………………….…112
4.4 Cálculo de las caídas de tensión en anillo……………………………..……113
4.4.1 Conclusiones del modelo en anillo…………………………………115
PARTE III COMPROBACIONES PRÁCTICAS………………..…116
Capítulo 1: Procedimiento a realizar……………………………….……….118
1.1Cálculo de resistencias a modelo completo…………………………………119
1.2 Primer agrupamiento del circuito………………………….……………….120
1.3 Circuito final……………………………………………………….……….121
1.4 Comprobaciones prácticas……………………………...…………………..125
1.5 Conclusiones…………………………………………….………………….127
.
PARTE IV ANÁLISIS DE COSTES……………….………….………..128
Capítulo 1: Valoraciones a tener en cuenta……………………….…..……130
1.1 Ahorro de materiales………………………………………………………..130
1.2 Ahorro de horas de trabajo……………………………………….…………130
1.3 Ahorro de horas en ingeniería……………………………………..………..131
1.4 Eficiencia eléctrica………………………………………………………….131
Capítulo 2: Valoración actual del estado de las precargas…….…………132
2.1 Materiales…………………………………………………………...……....132
2.2 Horas de trabajo…………………………………………………….………134
2.3 Horas de ingeniería…………………………………………………………135
2.4 Resumen…………………………………………………….………………136
Capítulo 3: Valoración con el bus AS-I del estado de las precarga……138
3.1 Materiales……………………………………………………...……………138
3.2 Horas de trabajo…………………………………………………………….139
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3.3 Resumen…………………………………………………………………….140
Capítulo 4: Análisis de costes…………………..…………………………….141
4.1 Coste unitario………………………………………………….……………141
4.2 Determinación del coste real de producción…………………….………….141
4.3 Tabla resumen de costes…………………………………………………….142
Capítulo 5: Conclusiones……………………………………….……..………144
ANEXO A ESTUDIO DEL TORNO……………………..……….…….146
Máquina objeto del estudio: torno de foso………………………..….……147
A.1 Plano general del torno de foso…………………………………….………148
A.2 Partes del torno de foso…………………………………………….………148
A.2.1 Definición y funciones previstas de la máquina……………..…….148
A.3 Características principales torno 18 TM……………………………...……150
A.3.1 Descripción de la máquina…………………………………..……..150
A.3.2 Características constructivas……………………………….………151
A.3.3 Descripción por partes……………………………………..………151
A.3.3.1 Parte mecánica……………………………………....……..151
A.3.3.2 Parte hidráulica…………………………………………….152
A.3.3.3 Lubricación……………………………………...…………153
A.3.3.4 Parte neumática…………………………………..………..153
A.3.3.5 Parte eléctrica y electrónica………………………………..153
A.3.3.5.1 Armario principal……………………….…………153
A.3.3.5.2 Puesto de mando……………………………..……154
A.3.3.6 Mando de la máquina…………………………...…………154
A.3.4 Accesorios……………………………………………...…………..155
A.3.4.1 Carros de arrastre……………………………….………….155
A.3.4.2 Medidor continuo de diámetro…………………………….155
A.3.4.3 Instalación de tratamiento de virutas……………………....155
A.3.4.4 Equipo de elevación de ejes acoplados……………...…….156
A.3.4.5 Sistema de medidas de parámetros……………..………….156
A.3.4.6 Torneado de discos………………………………….……..156
A.3.4.7 Sistema de precarga interior……………………………….156
A.3.4.8 Equipo de medida de parámetros de rodadura………...…..156
A.3.4.9 Apoyo automático de caja de grasa interior…………...…..156
ANEXO B HOJAS DE REFERENCIA…………………….…………..158
B.1 Final de carrera con dos conexiones BALLUFF BNS-819-B02-R08-4011……………………………………………………………………………..…160
B.2 Final de carrera con una conexión BALLUFF BNS-819-100-K-11…….....162
B.3 Transductor de presión BOSCH……………………………………………164
B.4 Módulo de luces OMRON……………………………………...…………..166
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B.5 Detector de proximidad BALLUF………………………….………………167
B.6 Electroválvulas de BOSCH……………………………………...…………168
B.7 Fuente de tensión de Siemens………………………………………...…….169
B.8 DP/ASi LINK Pasarela…………………………………………..…………170
B.9 Módulo esclavo…………………………………………………………….174
B.10 Aparato de direccionamiento……………………………..……………….175
ANEXO C PLANOS………………………………..………..………………..176
REFERENCIAS………………………………………………..……………….178
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.Torno de Foso………………………………………………………………...25
Figura 2.Perfil de rueda………………………………………………………………...25
Figura 3.Sección del Cable……………………………………………………………..27
Figura 4.Esquema conexión en anillo………………………………….………….........28
Figura 5.Esquema de conexión en árbol………………………………………………..29
Figura 6.Conexiones del maestro de un módulo ASI…………………………………..29
Figura 7.Estructura en estrella………………………………………………………….41
Figura 8.Estructura en anillo………………………………….……………...………...41
Figura 9.Estructura de red mallada…….………………………………….……………42
Figura 10.Estructura lineal………………………………………………….………….43
Figura 11.Estructura en árbol…………………………………………..………………43
Figura 12.Tres modalidades de cable…………………………………..………………46
Figura 13.Cable DESINA………………………………………………………………47
Figura 14.Cable DEVICENET…………………………………………………………48
Figura 15.Cable DEVICENET……………………………………………………...….49
Figura 16.Componentes eléctricos del cable……………………………………..…….50
Figura 17.Esquema eléctrico………………………………………………….………..51
Figura 18.Llamada del maestro………………………………………………...………52
Figura 19.Curva impedancia frente a frecuencia……………………………………….52
Figura 20.Fuente de alimentación…………………………………………….………..53
Figura 21.Alternador Modular………………………………………………………….54
Figura 22.Secuencia del Alternador Modular…………………………….…………….55
Figura 23.Gráficas de datos…………………………………………………………….55
Figura 24.Comparación de tensión……………………………………………………..56
Figura 25.Mensaje…………………………………………………………...…………58
Figura 26.Diferentes formas de enviar bits…………………………………………….59
Figura 27.Esquema de información de envío y recepción de datos…………...……….60
Figura 28.Transacciones de un mensaje………………………………………..………62
Figura 29.Flujo del proceso del esclavo………………………………………………..63
Figura 30.Diagrama de estados en esclavos…………………………………….……..65
Figura 31.Secuencia del mensaje……………………………………………………….65
Figura 32.Esquema de puertas, PLC y bus de campo………………………………….66
Figura 33.Conector……………………………………………………………………..67
Figura 34.Representación de la red…………………………………………………….68
Figura 35.Clases de esclavos…………………………………………………..……….70
Figura 36.Módulo esclavo……………………………………………………….……..71
Figura 37.Leds del display……………………………………………………….……..72
Figura 38.Otro tipo de Led……………………………………………………………..72
Figura 39.Posibles conexiones al interface……………………………………………..74
Figura 40.Conexión M8/M12 plug…………………………………………………….75
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Figura 41.Conexión Addressing jack…………………………………………………..75
Figura 42.Conexión IR interface o infrarrojo………………………………………….76
Figura 43.Torno en anillo……………………………………………...……………….84
Figura 44 .Torno en árbol………………………………………………..……………..85
Figura 47.Plano de precarga en árbol……………………………………..……………91
Figura 48.Caso primero, con módulo de seis salidas…………………….……………92
Figura 49.Caso segundo con módulo de diez salidas………………………..…………93
Figura 50.Precargas en anillo………………………………………………….……….94
Figura 52.Distribución intensidades anillo……………………………………………101
Figura 53.Distribución en anillo………………………………………………….…...101
Figura 54.Caídas de tensión por tramos………………………………………...…….102
Figura 55.Diagrama de caída de tensión………………………………………...……103
Figura 56.Distribución de Intensidades………………………………………………103
Figura 57.Línea ramificada………………………………….………………………..104
Figura 58.Línea alimentación lineal………………..…………..……………………..104
Figura 59.Gráfica de la caída de tensión………………………...……………………105
Figura 61.Vista trasversal del torno……………………………….………………….108
Figura 62.Representa las distancias en la precarga………………...…………………109
Figura 65.Resumen de intensidades en precarga izquierda………….……………….114
Figura 66.Resumen de intensidades ampliado………………………….…………….114
Figura 67.Croquis eléctrico……………………………………………...……………119
Figura 68.Croquis eléctrico definitivo…………………………………….…………..121
Figura 69.Esquema de conexión…………………………………………..…………..122
Figura 70.Fuente de tensión Siemens……………………………………..…………..123
Figura 71.DP/ASi LINK……………………………………………………...……….123
Figura 72.Módulo esclavo con 4 salidas y 4 entradas………………………...………124
Figura 73.Aparato de direccionamiento………………………………………..……..124
Figura 74. DP/ASi Link conexiones…………………………………………………..125
Figura 75. DP/ASi Link conexiones reales……………………………………..…….125
Figura 76. Fuente de alimentación conexiones………………………………….……126
Figura 78.Comparación método convencional………………………………….……135
Figura 79.Comparación de horas de ingeniería entre la instalación del bus AS-i y la no
instalación……………………………………………………………………………..135
Figura 82.Resumen de comparación de la construcción convencional y bus AS-i…...139
Figura 86.Torno de Foso……………………………………………………………...140
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 45.Dispositivos a conectar de la precarga derecha………………………………88
Tabla 46.Dispositivos a conectar de la precarga izquierda………………….…………89
Tabla 51.Resumen árbol y anillo……………………………………………..………..96
Tabla 60.Representación de intensidades……………………………………………..107
Tabla 63.Resumen…………………………………………………………………….111
Tabla 64.Resumen de las tensiones a 27V………………………………………..…..112
Tabla 77.Representativa de la reducción del material………………………………...134
Tabla 80.Resumen del modelo convencional………………………………...……….136
Tabla 81.Resumen de materiales con el bus AS-i…………………………….………139
Tabla 83.Resumen de implantación del bus AS-i……………………………….…….140
Tabla 84.Resumen final de elementos sin el Bus…………………….……………….142
Tabla 85.Resumen final de elementos con el Bus…………………….………………142
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INTRODUCCIÓN Y
METODOLOGÍA DEL
PROYECTO
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Introducción al proyecto
La empresa Patentes Talgo S.L. se dedica a todo lo relacionado al sistema ferroviario.
Fabricación de trenes de alta y media velocidad con todo lo relacionado a su
mantenimiento, fabricación de tornos de foso los cuales tienen como función corregir
deficiencias en las ruedas de los trenes.
Este proyecto está enfocado en los tornos de foso, los cuales son máquinas herramienta
de última generación diseñadas para el torneado (reperfilado) de las ruedas ferroviarias.
Este proceso se realiza situándose el tren encima de dicho torno, que como su nombre
indica esta en un foso, y de esta forma las ruedas pueden ser torneadas sin tener que ser
desmontadas de los ejes.
Talgo ha desarrollado los siguientes modelos que se adaptan perfectamente a las
necesidades y exigencias de cada uno de los clientes:
El MODELO 2112 está especialmente diseñado para realizar el mantenimiento de
tranvías, metros, cercanías y conjuntos de vehículos ferroviarios, cuyos pesos máximos
por eje no superen las 18 toneladas.
El MODELO 3112 ha sido concebido para el mantenimiento de trenes de alta velocidad,
trenes de largo recorrido, unidades autopropulsadas de cercanías, trenes de mercancías y
conjuntos de vehículos ferroviarios cuyos pesos máximos por eje no superen las 25
toneladas.
El MODELO 4112 se ha desarrollado para dar mantenimiento a trenes de largo
recorrido, trenes de mercancías, locomotoras y conjuntos de vehículos ferroviarios
cuyos pesos máximos por eje no superen las 40 toneladas.
El funcionamiento de estos sistemas se caracteriza por:
El tren pasa primeramente por estos equipos donde se obtienen las medidas de los
parámetros y defectos superficiales de todas las ruedas con el tren en marcha,
detectando automáticamente cualquier rueda que este fuera de tolerancia.
• E.V.A.: Su funcionamiento se basa en la iluminación de la rueda mediante láser
y la obtención de imágenes mediante cámaras especiales.
• D.S.R.: Detección de Defectos Superficiales en Rueda este equipo utiliza un
avanzado sistema de detección de defectos superficiales mediante la utilización
del ultrasonido. Es capaz de identificar y cuantificar las degradaciones en la
banda de rodadura como grietas, fisuras, planos y modificaciones de material.
Los movimientos de los vehículos y, concretamente, su posicionamiento sobre los
tornos de foso o su paso a través de las instalaciones de lavado, son operaciones que
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afectan notablemente al rendimiento y a la buena organización de los talleres. La
posibilidad de realizar este movimiento sin precisar de la intervención de locomotoras o
vehículos tractores, incrementa sustancialmente la eficacia de las operaciones del
mantenimiento.
Los carros motrices están especialmente diseñados para mover los vehículos de forma
sencilla, eficaz y sin necesidad de enganches. El sistema consiste en un vehículo
eléctrico, accionado por mando a distancia, que se desplaza por la caja de las vías y que,
automáticamente, toma la carga del eje de un vehículo desplazándole a baja velocidad.
La instalación de arrastre puede estar formada por uno ó dos carros que se desplazan
autónomamente a lo largo de la vía y que son accionados por un mando a distancia. La
energía eléctrica y las señales de mando son comunicadas a los carros motrices
mediante una cadena porta-cables que se extiende por toda la instalación motriz. Esto
permite cualquier longitud de desplazamiento y le hace adecuado para cualquier base de
mantenimiento.
La velocidad de desplazamiento de los carros motrices es variable. Esta variación de
velocidad se realiza a través de un regulador de velocidad que a su vez es controlado
mediante una tarjeta analógica, pudiendo incorporar en función de requerimientos un
autómata programable.
Tras haber obtenido toda la información necesaria se procede a introducir el tren en el
torno con dichos carros motrices.
Figura 1-Torno de Foso
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En la figura 1, se visualiza una foto de un torno en construcción, este torno realizará el
ajuste y corrección de las deficiencias en las ruedas de los trenes que se vayan
provocando por el desgaste (carril-vía) y las inclemencias del tiempo (oxidación,
degradación, etc). El hecho de que la rueda del tren se desgaste y se deteriore se refleja
en una mayor cantidad de vibraciones en el coche y por lo tanto en la alta velocidad
provoca que los pasajeros no estén lo más confortables posibles. La transmisión de esas
vibraciones al conjunto hará que la vida útil de otras piezas se reduzca drásticamente,
provocando un desgaste mayor de la vía que aunque es no es tan significativo se
reflejará con el paso del tiempo.
Esta máquina se encarga de perfilar la rueda de acuerdo con unos parámetros que van
variando según el tren, su servicio, la vida útil de la rueda, necesitándose de un estudio
previo de las condiciones de la rueda a través del EVA y los equipos de medida.
Figura 2-Perfil de rueda
Las mejoras que se intentan implantar en este proyecto están referidas a la conexión de
las decenas de periféricos que tiene el torno, y como optimizar todo este proceso.
El torno es un conjunto de detectores, botones, válvulas, receptores, etc. Cada uno de
estos periféricos tiene sus propias necesidades tanto de potencia como de transmisión de
la información (recibida o enviada), de tal manera que son conectados por dos cables de
alimentación. El estudio se realizará en estos periféricos que se alimentan en tensión y
corriente continua. Aquellos que tengan necesidades especiales de alimentación o sean
grandes consumos de potencia no podrán introducirse en la mejora.
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Por otro lado, las necesidades de transferencia de datos se realizan a través de uno o dos
cables, dependiendo del tipo de periférico que sea, y estos cables van conectados a unos
módulos de entradas y salidas de datos que analizan o envían la información para que
los procesos estén controlados y funcionen correctamente.
El gran número de cables y conexiones que se realizan en la máquina le otorgan un
aspecto grande y complicado de poner en marcha, teniéndose que comprobar cada
entrada y salida observando que no haya ningún error, en cuyo caso, es complicado de
subsanar, invirtiéndose mucho tiempo y dinero.
Otra de las características que se contempla actualmente es la necesidad de muchas
horas en el diseño y construcción de la parte eléctrica del torno, debido a la gran
cantidad de cables que se necesitan, además de tener un alto índice de pérdidas
eléctricas que hay por dichos cables.
En el momento actual donde la economía hace que las empresas necesiten reducciones
de costes y tengan que buscar mercado en el exterior, se necesita poder ser más
eficientes y eficaces en los modelos de fabricación, por lo que una menor complejidad
en la máquina, con un menor número de horas invertidas desembocaría en un ahorro de
coste y en una mayor capacidad para abordar más trabajos.
La solución que se plantea en este proyecto es la instalación de un módulo AS-interface
para la mejora de las comunicaciones y de la alimentación de los periféricos. La
implementación solo incluirá periféricos de potencias bajas, todos aquellos que sean
más complejos o que requieren mayor potencia no podrán incluirse en dicho proceso de
comunicación.
Este módulo AS-interface, mejorará el conexionado no necesitando de soldaduras ni
cortes del cable principal. Por otro lado, la principal característica del bus AS-i es que
tanto alimentación como el transporte de las comunicaciones se realizan por los mismos
cables, teniendo como consecuencia una reducción considerable de la cantidad de
cables, facilitando la fabricación, diseño y puesta en marcha de la máquina.
Figura 3- Sección del Cable
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Estado de la cuestión
Actualmente la conexión de los periféricos en el torno se realiza individualemente, es
decir, cada periférico tiene su propia alimentación y su propia conexión de datos, que
diferira entre uno o dos cables según su tipología. Para consumos mayores se posee
unas protecciones que evitan las derivaciones sin que afecte a todo el torno. La
implantación más optima sería con un circuito de alimentación que conectará todos los
periféricos, pero en caso de fallo habría muchos problemas para identificar donde esta el
error, y poder subsanarlo. Además de los cables tendrían unos diametros demasiado
grandes.
Figura 4- Esquema conexión en anillo
Actualmente, el conexionado que se utiliza en los tornos es de tal manera que a cada
periférico le llega su alimentación y sus cables de señal. Cada cable de señal se dirige
hacia las entradas y salidas correspondientes y los de alimentación a una torreta de
conexiones donde se realizan los empalmes necesarios. La forma de dichas conexiones
se llama ‘’en árbol’’ y es la que se realiza actualmente. De esta manera si hubiera una
derivación en uno de los periféricos se detectaría ya que dejaría de funcionar esa parte,
pero si estuviera en forma de anillo, dejaría de funcionar todo el sistema y sería más
complicada la resolución.
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Figura 5- Esquema de conexión en árbol
Normalmente los tornos necesitan de muchos tubos para el transporte de todos los
cables, y en el modelo propuesto se reduciría considerablemente, realizándose una
conexión a un maestro o master que procesaría todos esos impulsos para después
enviarlos en dos cables a todos los esclavos o periféricos.
Figura 6- Conexiones del maestro de un módulo ASI
En la figura 6 se contempla una multitud de entradas o salidas que llegan al Maestro y
después este las convierte de tal manera que toda la información se transmita por dos
únicos cables, u otra manera sería que el maestro poseyera una línea de conexión vía
Profibus con el PLC y enviará directamente toda la información de los esclavos.
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Motivación
Actualmente las empresas tienden a desmarcarse de la competencia con una serie de
ventajas competitivas, estos son los retos a los que deben enfrentarse los ingenieros de
una empresa.
Entre estas ventajas se intentará mejorar el tiempo de fabricación para poder afrontar
mejor las entregas y poder reducir esos tiempos, obviamente al reducir la complejidad
del modelo también se reducirá su puesta en marcha, las probabilidades de fallo
disminuirán por lo cual a la larga estas fabricando una máquina de mayor calidad. Por
otro lado nos encontramos con una reducción de los costes lo que hace que los precios
sean más competitivos en el mercado.
Con lo que la principal motivación para realizar este proyecto será crear una mejora en
dicho torno de foso para el cual se obtendrá unas nuevas características más
competitivas. Creando de alguna manera un modelo más eficiente desde un punto de
vista energético y una mejora evidente de las comunicaciones.
Objetivos del proyecto
• Adaptación de la arquitectura: Dado que este método de comunicación y
alimentación tiene una serie de características, se tendrá que hacer un estudio de
las distintas formas posibles de conexionado y su viabilidad en cuanto a lo que
la máquina necesite. Toda esta adaptación se montará en un subconjunto de una
de las próximas máquinas de talgo, por lo cual habrá que probar cual de las
distintas formas será la más conveniente y así se podrá valorar los resultados de
una manera teórica y práctica.
• Estudio de la máquina: nuestra finalidad es la implantación del bus ASI en el
torno, por lo cual se tendrá que aprender los conocimientos básicos de este
mecanismo para adaptarlo de una manera fácil y sencilla a nuestra máquina.
• Comprobaciones prácticas: se va a realizar una serie de comprobaciones con un
modelo en el banco de pruebas para verificar el correcto funcionamiento de la
red AS-i.
• Viabilidad económica: se realizara un estudio para analizar las distintas mejoras
que esto supondrá para la máquina, en cuanto a reducción de tamaños, de
fabricación, de instalación y de economizar en todas las partes que se podrías
suprimir (relés, autómatas, cableado,…)
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Recursos a emplear.
• Banco de pruebas: Al ir a montar el bus en una máquina, se tendrá que hacer
pruebas para analizar los materiales, su funcionamiento y sobre todo analizar las
distancias que se van a tener que usar para que puedan funcionar correctamente
todos los elementos, debido a que las distancias son importante reduciéndose lo
máximo posible para evitar fallos.
• Página Web sobre Interface-ASI: se dispone de un curso para comprender el
manejo y la ciencia de este interface http://as-interface.net/.
• Schemelect: programa que se utilizará para modificar los planos eléctricos y así
poder comparar los cambios y las mejoras.
• Autocad: se usará también para comprobar la reducción de los armarios
eléctricos.
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Simbología
En este proyecto se tomarán como expresiones las siguientes:
1. V voltios.
2. Vcc voltios en corriente continua.
3. V CA tensión a corriente alterna.
4. GND. Tierra
5. R Resistencia
6. L Inductancia
7. H Henrios, nH nano Henrios
8. Hz Hercios, KHz Kilohercios
9. m metros
10. C Capacitancia
11. G Conductancia
12. Ω Ohmios, n Ω nanoOhmios
13. Faradios, pF picofaradios
14. S Siemens, µS microsiemens
15. X/m variable X por metro.
16. A Amperios
17. Vpp Valor de tensión pico-pico
18. Vmax Tensión máxima.
19. ms milisegundos
20. Kbits/s medida de velocidad, kilobits por segundo
21. PLC Power Line communications, Controlador lógico programable.
22. CN o CNC control numérico
23. TM tonelada métrica
24. KW kilovatios
25. l litro
26. l/min litro por minuto
27. bar bares
28. kg/cm2 kilogramo por centímetro cuadrado
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PARTE I
MEMORIA
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Capítulo 1
Bus de Campo
El bus de campo es una red de comunicaciones para la automatización industrial, que se
utiliza con el fin de:
1. Reducir la planificación, instalación y tiempos de puesta en marcha en máquinas
o procesos industriales.
2. Obtener información adicional y de alta calidad durante el proceso de
funcionamiento, con el fin de lograr una producción con mejores rendimientos.
3. Eliminan interrupciones más rápidamente.
4. Mantienen un ahorro de energía en la instalación y en los costes de operación de
la máquina o la planta.
Cada una de estas principales subcategorías enfatiza ciertas aplicaciones especiales. Por
ejemplo, la automatización de una fábrica a menudo requiere tiempos de reacción muy
cortos. En un proceso de automatización con atmósferas potencialmente explosivas
pueden ser necesarios esos tiempos cortos, o en la automatización de edificios que
requieran cubrir grandes distancias.
Véase los siguientes ejemplos:
• Automatización de fábricas
Envíos, almacenes y procesos de manipulación, ensamblaje y líneas de
empaquetamiento, robots, máquinas…
•
Proceso de automatización
Envíos, almacenamiento y procesado de líquidos, gases, o materiales voluminosos,
comida o procesos y empaquetamiento de productos alimenticios, farmacéuticos,
químicos, industria petroquímica,…
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•
Automatización de edificios.
Calefacción, ventilación, y aire acondicionado en edificios, luces de control, sistemas de
emergencia, sistemas de rutas, ascensores…
En los sistemas de buses de campo existen diferentes niveles:
1. Gran demanda de buses de campo. Los criterios de rendimiento varían debido a
distintos niveles de magnitud. Las necesidades de buses de campo son
múltiples.
2. Dividiendo las tareas de los buses de campo en diferentes niveles
3. Diseño optimizado de cada uno de estos niveles a través de sistemas
específicos adaptados.
Se ha encontrado útil dividir las tareas de automatización en varios niveles y
sistemas de uso con diferentes características de cada nivel de esta jerarquía.
Niveles de jerarquía de buses de campo.
1. Nivel de sensores y actuadores.
2. Nivel de dispositivo.
3. Nivel de campo.
Se puede ser ilustrado usando el sistema de carreteras nacionales como una sencilla
comparación. Por un lado hay una carretera con una alta afluencia de tráfico, cubriendo
largas distancias, pero no cada pueblo. Carreteras secundarias se usan para conectar los
pueblos entre sí dentro del Estado. Y así se compone la jerarquía del bus.
• Nivel de sensores y actuadores.
Es el nivel más bajo en la jerarquía piramidal de los buses y es comparable a las
carreteras secundarias según la analogía anterior. Los dispositivos de campo binarios
(sensores y actuadores) representan casi todo el volumen de dispositivos en el campo.
Consecuentemente, en esta parte hay más gasto en cableado y los datos que se
transfieren en este nivel son en su mayoría bidireccionales (bit a bit).
Sensores más comunes: entradas simples, pulsadores, interruptores, inductivos, células
fotoeléctricas, interruptores ultrasónicos de proximidad, sensores de nivel, de presión,
de medida de caudal, temperatura…
Actuadores más frecuentes: válvulas neumáticas, hidráulicas, indicadores luminosos , o
sonoros, …
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• Niveles de campo
Es el nivel más alto en la jerarquía de automatización.
Un ejemplo podría ser múltiples edificios de una fábrica que están conectados por una
red.
1. Presencia de gran cantidad de datos.
2. Los tiempos de transferencia no son críticos, no se valoran tanto como en
otras jerarquías.
Por lo tanto, los niveles de campo normalmente no incluyen solo dispositivos de campo,
sensores o actuadores, conectados unos a otros, pueden incluir sistemas de control de
máquinas o plantas enteras. Así, la cantidad de datos procesados es considerablemente
mayor que en los niveles más bajos.
• Nivel dispositivo.
Es el nivel central de la jerarquía de automatización. Se da una implementación de
dispositivos complejos de campo a través de una red de automatización de dispositivos
descentralizada.
El intercambio de la mayoría de datos se realiza bit a bit.
Los diferentes tipos de sistemas de campo proporcionan diversidad de demanda y gran
número de diferentes buses de campo. Habiendo dos sistemas diferenciados:
1. Aquellos que se proveen de sistemas estandarizados (sistemas abiertos).
2. Aquellos que se proveen de sistemas específicos (sistemas propios)
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Capítulo 2
Topología de Buses
2.1 Definición específica
Cómo están conectados eléctricamente los componentes de un sistema unos con otros.
Los diseños de este tipo de redes son muy diferentes según las implementaciones
individuales.
2.2 Topologías
Nos encontramos con distintas topologías:
•
•
•
•
•
Estructura en estrella.
Estructura en anillo.
Estructura de red mallada.
Estructura lineal
Estructura en árbol
2.2.1 Estructura en estrella
El maestro está conectado a cada dispositivo de campo a través de dos puntos de
conexión.
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Figura 7- Estructura en estrella
En esta topología, el maestro se posiciona de una manera central conectando cada
dispositivo punto a punto (cada uno de los dispositivos tiene su propio cable hasta el
maestro). Esto equivale al cableado que anteriormente iba en la máquina, con dos
cables en paralelo a cada dispositivo del sistema de control. Los mensajes de los
sensores y las instrucciones de control son generalmente transferidos
unidireccionalmente.
2.2.2 Estructura en anillo
El maestro está conectado a los dispositivos a través de dos puntos de ensamblaje.
Los dispositivos están conectados en serie.
Figura 8-Estructura en anillo
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Los mensajes son enviados y modificados a través de cada estación. La
comunicación de datos se conduce en una única dirección, funcionando a través de
cada dispositivo. Por lo tanto, el dispositivo funciona con un amplificador o
repetidor intermedio. Cada dispositivo remplaza la información de llegada por una
de salida y el telegrama en su totalidad se transmite en un sentido pasando por cada
dispositivo.
2.2.3 Estructura de red mallada
El maestro y los dispositivos de campo se unen unos a otros a través de dos puntos
de ensamblaje.
Figura 9-Estructura de red mallada.
La estructura depende en gran medida del grado de mallaje, con dos conexiones o
más posibles.
Este tipo de estructura es en su mayor medida usada en redes de banda ancha (WAN
Wide Area Networks) con grandes cantidades de datos entre usuarios. Las
conexiones adicionales incrementan la capacidad de transmisión.
Esta estructura no se utiliza normalmente en esta tecnología de buses. Su principal
aplicación es en redes de comunicación de largo alcance, lo que permite la
transmisión de diferentes cantidades de datos entre dispositivos.
2.2.4 Estructura lineal
Esta estructura se basa en una configuración de los dispositivos de una manera
paralela a la red.
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Figura 10-Estructura lineal
Todos los usuarios participan en todas las comunicaciones. Necesitan definirse
reglas para los conflictos de comunicaciones y no hay conexiones punto a punto.
2.2.5 Estructura en árbol
Todos los usuarios están conectados en paralelo por un cable común. La diferencia
con la estructura lineal radica en que no hay limitaciones de longitud en las partes
de baja conexión.
Figura 11-Estructura en árbol
No hay resistencias al final de las líneas. Es posible mayor libertad para adaptar la
red al medioambiente local. También deben crearse reglas para que no haya
conflicto.
Pueden hacerse muchas conexiones a la red principal, sin límite.
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Capítulo 3
Organización de Flujo de Datos
3.1 Requisitos para las conexiones en paralelo de los
usuarios en el sistema de bus de campo.
Si todos los bus-usuarios están eléctricamente conectados en paralelo, como en el caso
de las topologías en árbol y lineal, serán necesarios dos requisitos:
1. Cada usuario debe estar identificado de una manera única.
Como cada dispositivo debe tener su propia dirección, es necesario que esta
sea asignada.
Para cada paquete de datos, debe haber una única etiqueta.
Otra posibilidad es marcar cada mensaje, dejando que cada dispositivo
determine si debe procesar o no el mensaje.
2. Se necesitan normas adicionales que controlen el flujo para que se puedan
detectar y prevenir las colisiones de datos. Y también si se quieren mandar
dos o más mensajes simultáneamente.
3.2 Organización maestro/esclavo.
Hace falta una jerarquía para orientar la organización en la cual solo puede existir un
maestro con derecho a enviar información.
Los maestros envían datos a los esclavos y estos deben enviar una respuesta. Este flujo
de mensajes se origina en el maestro y se dirige hacia el esclavo seleccionado y después
vuelve al maestro.
Normalmente se usa todo el ancho de banda para obtener un tiempo de ciclo lo más
corto posible.
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3.3 Organización de múltiples maestros.: "Token
Passing" (Paso de testigo).
Este procedimiento se utiliza para procesos no jerárquicos en los que todos los usuarios
tienes los mismos derechos. Los usuarios reciben dichos derechos del maestro
cíclicamente por pequeños periodos de tiempo y poder así en ese periodo enviar los
mensajes.
Tan pronto como todos los datos que estaban en cola han sido enviados o después de un
tiempo máximo especificado, el usuario pasa el derecho de enviar mensajes (token) al
siguiente usuario. Esta forma de gestión se llama ‘’paso de testigo’’ o ‘’Toke passing’’.
La administración de múltiples maestros utiliza el método paso de testigo de una
manera determinista, lo que significa que se puede predecir con exactitud cuando se
llega al último punto de la cadena de mensajes y cuando comienza el primero.
Una variación en este tipo de organización, llevada a cabo sin el uso de mensajes
Token, es el método TDMA(Time Domain Multiple Access o acceso múltiple en el
dominio de tiempo) que garantiza a cada usuario un espacio de tiempo para mandar
mensajes.
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Capítulo 4
Cables de bus de campo
4.1 Características de los distintos cables.
1. Fuente de tensión donde están conectados los dispositivos de campo,
actuadores o sensores es de 24V Corriente Continua.
2. Algunos actuadores puedes requerir potencia auxiliar extra (aire
comprimido, aceite hidráulico, energía eléctrica con potencias más altas).
3. Se garantiza la trasmisión de datos segura e ininterrumpida de ida y vuelta a
los dispositivos de campo.
Figura 12-Tres modalidades de cable
El cable de bus de campo tiene que cumplir con dos tareas:
1. En primer lugar, tiene que suministrar energía eléctrica al dispositivo de
campo, sensores o actuadores.
2. En segundo lugar, tiene que transmitir datos desde y hacia el dispositivo de
campo de una manera segura y sin errores.
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Dependiendo de la velocidad de transferencia de los datos y la topología que se
necesite, el tipo de cable puede variar considerablemente. Por un parte depende de las
características de transferencia (impedancia de la onda, atenuación, reflexión) y por otro
lado, la protección contra las emisiones del entorno y la contaminación
electromagnética proveniente del mismo.
4.2 Tipos de cable
Podemos introducir tres tipos de cable bus.
4.2.1 Cable DESINA
•
Estructura:
1. Se utilizan conductores de fibra óptica para la comunicación de datos.
2. Hay dos pares de cobre para el suministro de energía.
3. Protección EMC en la cual la transmisión óptica no se verá afectada por el
ruido electromagnético del cable ya que está blindado. El escudo protege
las transmisiones de datos de la tensión de 24V.
• Transferencia de datos:
Los dos conductores de fibra óptica son capaces de enviar las transmisiones de datos
con una frecuencia de más de 1GHz.
Figura 13- Cable DESINA
•
Instalación e implementación:
1.
2.
Hace falta un estudio de los requisitos mínimos para la buena implantación
del cable como por ejemplo, el radio de curvatura mínimo que soporta.
También se necesita que los cables estén protegidos para el buen
funcionamiento y recepción de las trasmisiones.
47
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•
Topologías que lo soportan:
1. Estructura anillo
2. Estructura lineal
4.2.2 Cable grueso DEVICENET
•
Estructura:
1. Trenzado par de cobre blindado para la comunicación de datos.
2. Separar por una pantalla el cobre de la fuente de energía.
• Transferencia de datos:
Se utilizan frecuencias de más de 1MHz, para la supresión de reflejos es
necesario poner en los dos extremos de la red una resistencia de terminación. De
lo que se obtiene que las conexiones largas no son posibles.
Figura 14-Cable DEVICENET
• Instalación e implementación.
Como en el caso anterior se deben tener en cuenta los radios de curvatura de los
cables.
Debe haber tres capas de protección. El escudo cumple dos tareas: primero, se
evita la emisión de radiación y segundo, los escudos de los datos y las líneas de
energía evitan también las emisiones electromagnéticas.
•
Topologías soportadas:
1. Estructura anillo
2. Estructura lineal
3. Estructura árbol
4. Estructura estrella
48
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4.2.3 Cable AS-Interface
• Estructura:
El cable AS-Interface tiene sólo un par de cables de cobre que se utilizan
simultáneamente para la comunicación de datos y el suministro de energía a los
usuarios.
• Transferencia de datos:
Hasta 200 kHz (el uso de resistencias no es necesario para distancias de hasta
100 m, ya que no se puede producir reflexiones de interferencia).
• Tienen una forma determinada que impide que se puedan confundir los cables
como se muestra en la figura 4.4.
Figura 15-Cable DEVICENET
• Instalación e implementación.
No es necesario una preparación especial de cable (conexión a través de la
tecnología de perforación).
No es necesario estudiar la configuración del campo. Los usuarios pueden estar
conectados al cable en cualquier ubicación, utilizando una tecnología de
perforación, lo que elimina la necesidad de cortar y pelar el cable. No se utiliza
blindaje debido a que los impulsos de los datos se estructuran de modo que se
eliminen las emisiones inadmisibles y porque se toman medidas adicionales para
reducir la influencia del medio ambiente.
•
Topologías soportadas:
1. Estructura anillo
2. Estructura lineal
3. Estructura árbol
4. Estructura estrella
ESTÉ SERÁ EL CABLE CON EL QUE SE HARÁ LA IMPLANTACIÓN
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Capítulo 5
AS-Interface
(Nota: Todos los datos de este capítulo se han extraído de la página Web http://asinterface.net)
5.1 Comportamiento eléctrico del cable AS-Interface.
Características eléctricas del cable:
•
•
•
•
R' < 90 mΩ/m
L' 400...1300 nH/m
C' < 80 pF/m
G' < 5 µS/m
Figura 16- Componentes eléctricos del cable
Otro dato a tener en cuenta será que la impedancia está limitada a un valor entre 70
y 140 Ω y el retardo del grupo está limitado a valores de tiempos menores de 8.3ns/m,
eliminando así la posibilidad de combinaciones desfavorables de R, L y C.
50
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Los criterios más importantes para la elección de un medio de transmisión adecuado
para AS-Interface son:
• La resistencia en continua para la transferencia de potencia.
• Las propiedades de transmisión en la banda de frecuencia utilizada para la
comunicación.
Figura 17- Esquema eléctrico
Dado que es posible alimentar corrientes de hasta 8A en la red, hace falta comprobar
si la caída de tensión en la línea es viable. En caso de que no lo sea, puede suceder
que los esclavos de los extremos de la red no tengan tensión suficiente y que los
actuadores conectados no puedan funcionar de forma adecuada.
5.2 Red AS-Interface
El cable AS-Interface tiene una influencia significativa en las propiedades de
transmisión de datos.
Se necesita asegurar que los mensajes que se transmiten no puedan traducirse de una
manera errónea, sino que se reciba de manera segura en cualquier parte de la red.
La impedancias de los esclavos y el maestro no debe cargar la red más allá del límite
permisible, a su vez tampoco se debe distorsionar la transferencia de datos.
Las impedancias se seleccionan de manera que el maestro y un máximo de sesenta y dos
esclavos no excedan los límites de carga de la red.
Hay que definir un rango de frecuencia limitada entre 50 KHz y 300 KHz para una
red con una longitud total de 100 m (si la longitud total es mayor, se utilizarán
repetidores u otros componentes para ampliar la red).
51
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Figura 18- Llamada del maestro
La figura 18 muestra el espectro de frecuencias de una llamada del maestro.
Figura 19- Curva impedancia frente a frecuencia
En la figura 19 se puede contemplar la curva de impedancia de una red ASInterface con treinta esclavos conectados.
5.3 Fuente de alimentación.
La fuente de alimentación tiene características distintas según su construcción.
Las cuatro tareas de la fuente de alimentación AS-Interface se pueden organizar en:
1.
2.
3.
4.
El suministro de la red con una tensión nominal de 24 V CC.
Separación segura de componentes.
Equilibrador o estabilizador de la red.
Posee desacopladores de datos.
52
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Figura 20-Fuente de alimentación
La fuente de alimentación se caracteriza por poseer una tensión nominal de 30 V con el
fin de garantizar la tensión de alimentación de 24V CC, incluso en el extremo más
lejano de la red AS-Interface.
Esta especificación permite una caída de tensión de alrededor de 3 V a lo largo del cable
AS-Interface y unos 3V adicionales en el esclavo donde están asociados los datos y la
alimentación.
La energía suministrada a la red AS-Interface se puede elegir. Los 8 A representan un
límite práctico debido a la sección de los cables del AS-Interface.
Además se diseña como un sistema de muy baja tensión, con lo que la fuente de
alimentación con una tensión primario de 230 V CA debe ofrecer una
separación segura entre la tensión del primario y la del secundario. Y esto permite la
omisión del conductor de protección.
AS-Interface se utiliza como un sistema simétrico. El diseño simétrico de la red ASInterface se usa para obtener la resistencia óptima que elimine los ruidos
simétricamente acoplados. Esto se logra mediante el uso del circuito simétrico que
aparece a la izquierda de la figura 20 donde el conector de neutro debe asociarse a un
lugar adecuado de la máquina.
Para AS-Interface sólo este punto puede estar conectado directamente a la tierra de la
máquina (GND) y debido a la buena simetría no hay necesidad de protección.
Los datos de acoplamiento de la red suelen estar integrados en la fuente de
alimentación AS-Interface. Se compone de dos bobinas (50μH) y, en paralelo, dos
condensadores y dos resistencias de 39 Ω cada una. Este diseño de red evita que el cable
se cortocircuite por la fuente de alimentación, al mismo tiempo que cambia los pulsos
53
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creados por los transmisores AS-Interface en pulsos de tensión que pueden ser
detectados por los receptores.
5.4 Proceso de modulación.
AS-Interface utiliza el método de alternador modular para la transferencia de datos.
Características del método de alternador modular:
1. La señal sólo ocupa una banda de frecuencias estrecha.
2. La emisión de radiación de las señales es relativamente baja, no teniéndose que
blindar adicionalmente los cables.
3. El transmisor y el receptor que necesita el método se integra cómodamente en el
sistema.
El principio de funcionamiento del método de Alternador modular.
Figura 21-Alternador Modular
1.
2.
3.
4.
5.
Secuencia bit (Generador).
Codificación.
Se transforma en corriente.
A través de la inductancia del sistema, se transforma en tensión.
Esta tensión es detectada por el receptor, que transforma la secuencia de pulsos
y luego los traduce de nuevo en la secuencia de bits transmitidos.
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Figura 22- Secuencia del Alternador Modular.
Los límites permitidos del método del alternador modular son:
Figura 23-Gráficas de datos
La amplitud de la transmisión de datos AS-Interface varía entre límites relativamente
grandes, las características del cable le permiten la dispersión dentro de unos márgenes.
Se pueden originar distorsiones de pulso y tensión excesivas. La especificación ASInterface definen los límites indicados en los diagramas que variar entre 3Vpp y 8Vpp.
En un solo envío de datos, se permiten variaciones de amplitud de un 35% de la Vmax,
y a través de la tensión un máximo del 30% de la amplitud de la Vmax.
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Figura 24- Comparación de tensión.
5.5 Seguridad
5.5.1 Influencias en el cable
Las influencias que puede haber en el campo del cable son:
1. Algunas clases de protección del cable
2. Temperatura ambiente
3. Golpes y vibraciones
4. El transcurso de la vida útil de los componentes químicos
5. Duración de materiales a la intemperie
6. Emisión de interferencias
7. Inmunidad contra descargas electrostáticas
8. Altos campos electromagnéticos de frecuencia
9. Interferencias inducidas
En los sistemas convencionales, el equipo de control normalmente se encuentra de
manera segura en el armario de distribución principal. Que no es el caso de los sistemas
de bus de campo. Los componentes del bus están expuestos a las influencias del medio
ambiente y tienen que ser capaces de resistirlas.
4.5.2 Tipos de seguridad
1.
2.
3.
4.
Aplicaciones de seguridad intrínseca
Prevención de los movimientos peligrosos.
Prevención de la insuficiencia del controlador
Prevención de descargas eléctricas
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La seguridad de los operarios que trabajan en máquinas e instalaciones, controladas por
un bus de campo, se debe garantizar en todo momento.
5.5.3 Interoperabilidad
Interoperabilidad es la capacidad de los usuarios de un sistema de bus de campo para el
intercambio de información sin errores.
1. Casos en donde debe asegurarse la interoperabilidad:
•
En el intercambio de datos durante una operación normal
•
En la comunicación libre
•
En la comunicación entre los usuarios
Esta definición no sólo incluye el intercambio de datos bajo condiciones normales de
operación, sino también el comportamiento en situaciones excepcionales, alteraciones, o
en el transcurso de errores. Además, debe garantizarse que todos los usuarios se
comportan de tal manera que no perturben el intercambio de información entre otros
usuarios.
2. Aplicaciones reales:
La transmisión sin errores es estrictamente necesaria. Sin embargo, no es suficiente que
la especificación este completa y sea coherente. La especificación también debe llevarse
a cabo sin errores. Los malentendidos, durante la interpretación y la aplicación de las
especificaciones podría causar problemas. Para evitar la aparición de estos problemas
deberían consultarse los organismos adecuados de certificación. Sólo si la
especificación está escrita de una manera fácil de entender, consistente y libre de
contradicciones, la interoperabilidad podría aceptarse.
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Capítulo 6
Mensajes
6.1 El mensaje.
6.1.1 Conceptos previos
DATOS ENVIADOS
=
INFORMACIÓN +
DATOS DE ENVÍO
Figura 25- Mensaje
La transferencia de datos de los sistemas de bus de campo siguen el sistema que se
referencia en la figura 25, por la cual la información es el mensaje real que se quiere
mandar. El embalaje, son los datos de envío y son necesarios para que la comunicación
de bus de campo funcione correctamente.
Valores que definen los datos de envío de un mensaje en los sistemas de bus de campo
son:
1.
2.
3.
4.
5.
Pausa mínima necesaria que debe haber entre dos mensajes contiguos.
Inicio y fin de los bits que representan la información.
Dirección o información de identificación del esclavo.
Salvaguarda los datos para que no se pierda ningún bit.
Representa la longitud mínima que puede tener la información.
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Representamos en la gráfica siguiente distintas maneras de enviar datos, en el cual el bit
verde es la información que nosotros queremos mandar.
Figura 26- Diferentes formas de enviar bits
El coste es un valor decisivo para el diseño de cualquier sistema. Sólo un sistema
eficiente es competitivo.
Esto también es muy importante para la elección de un sistema de bus de campo que
realizará una aplicación específica. La transferencia de datos debe ser un criterio de
evaluación importante, ya que demuestra la eficiencia de una transmisión de datos de un
bit de información que se transmite a través de los diferentes sistemas de bus de campo.
Teniendo en cuenta la longitud mínima de la información es fácil de extraer, que un bus
de campo orientado a bytes y aún más un bus de campo orientada a bloque transmite
una gran cantidad de información superflua o no utilizada.
6.1.2 Con un rendimiento cada vez mayor de datos.
Puesto que el ancho de banda de transmisión es un parámetro que te determina la
cantidad de información que puede ser proporcionada, el envío de datos superfluos
cuesta dinero. Un rendimiento cada vez mayor de datos tiene, entre otras, las siguientes
consecuencias:
1. Los cables de red son cada vez más complejas y más costosas.
2. El emisor y el receptor de los componentes son cada vez más sensibles.
3. Se necesitan más requisitos iniciales en el diseño e instalación de bus de campo.
Durante la fase de diseño de un sistema, es decir, al elegir un sistema de bus de campo
adecuado para la aplicación, se debe hacer un estudio del rendimiento de red de datos
del sistema o la red de transmisión.
En resumen: Para decidir si un sistema de bus de campo es adecuado para una
aplicación en particular, la transferencia de datos neta del sistema o, mejor aún, el
rendimiento neto de los datos de cada usuario debe ser el adecuado.
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6.2 Estructura.
El método de acceso al bus es un método ‘’maestro-esclavo’’ con un sondeo cíclico, el
maestro envía un telegrama con una dirección de esclavo y este recibe la respuesta del
esclavos en el período de tiempo especificado.
Los mensajes se consideran enviados con éxito si el esclavo los reconoce correctamente.
MAESTRO
ESCLAVO
Figura 27-Esquema de información de envío y recepción de datos
Estructura de la llamada maestro:
Bit de inicio (ST)
Inicio de la llamada al maestro. Bit de inicio
(0),No permitido (1)
Control bit (CB)
Bit de control (CB) marca los
datos / parámetros /dirección de
llamada o de control de llamadas.
Dirección(A0...A4)
Dirección de la llamada al periférico 5bits
Información (I0…I4)
Dependiendo del tipo de la llamada, el 5
bits de información contienen la
información para el esclavo ASInterface. Más detalles se pueden obtener en
el mensaje específico.
Bit de Paridad (PB)
La suma de todos los ‘’1’’ en la llamada del
maestro debe ser par.
Bit final (EB)
Marca el final de la llamada maestro.
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Estructura de la respuesta de los esclavos:
Bit de inicio (ST)
Inicio de la llamada al maestro. Bit de inicio
(0),No permitido (1)
Información (I0…I3)
4bits de información
Bit de Paridad (PB)
La suma de todos los ‘’1’’ en la llamada del
maestro debe ser par.
Bit final (EB)
Marca el final de la llamada maestro.
ASI mensaje = llamada del maestro + espera + esclavos + respuesta del esclavo.
Todas las transmisiones tienen que ser respondidas por el esclavo al que se dirige la
información.
El maestro llama con un mensaje cuya longitud de intervalos es de 14 bits y la
respuesta del esclavo tiene una longitud en intervalos de 7 bits. Por lo cual entre la
llamada del maestro y la respuesta del esclavo hay una diferencia.
Nota: La duración total de un mensaje AS-interface es 152 ms ±2 ms (entre 154 y 150
ms).
• La primera pausa se sitúa entre el final de la llamada del maestro y el inicio de la
respuesta de esclavos. Son unos 16 ms (tiempo durante el cual el
esclavo sincroniza).
Si al final de la pausa de una respuesta el esclavo no ha recibido nada, el
maestro tiene permiso para iniciar la siguiente llamada.
• La segunda pausa se da después de la respuesta del esclavo (por lo general entre
9 y 12 ms), en el que el maestro requiere de la pausa para comprobar la
respuesta del esclavo y para decidir si la llamada tiene que ser repetida, o si la
próxima convocatoria se pueden emitir.
El maestro llama al esclavo estándar con 4 bits de datos útiles al que el esclavo responde
con otros 4 bits de datos útiles.
61
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La velocidad de transferencia neta es de 53 kbit / s y la eficiencia de transmisión de
datos es del 32% con una tasa de transferencia bruta de 167 kbits / s.
6.3 Clasificación
La clasificación que se puede hacer es:
1. Transacciones individuales que tienen una transmisión de un máximo de 4
bits de información del maestro al esclavo (información de salida) y del esclavo
al maestro (información de entrada).
2. Operaciones combinadas donde la transmisión tiene más de 4 bits de
información, integrados en una serie de llamadas al maestro y de respuestas
en un contexto definido con anterioridad.
Las transacciones son una serie de operaciones de intercambio de información con la
dirección necesaria para que todo salga correctamente.
Figura 28 Transacciones de un mensaje
6.3.1 El combinado de transacciones
Solo AS-Interface mensajes contienen un mínimo de 4 bits de información. Si hay más
de 4 bits de información coherente el mensaje se transfiere. Hay un conjunto
adicional de reglas que se acuerdan para controlar la transferencia de datos. Para ello, se
combinan diferentes tipos de transacciones.
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Los esclavos que utilizan esta modalidad son, por ejemplo:
• Sensores analógicos de la temperatura, caudal, nivel o variables similares de
procesos. Estos actuadores analógicos proporcionar posición, ángulo, las
revoluciones en cuerpos giratorios, la velocidad u otras variables de proceso.
• Los dispositivos de campo que requieren un mayor número de parámetros
durante el arranque o durante el funcionamiento normal.
• El suministro de dispositivos de campo con grandes cantidades de datos en el
diagnóstico, tales como: escáneres, los paneles de teclas, las salidas de texto
simple…
6.4 Flujo funcional en un esclavo.
En la figura 29 se representa el flujo del proceso que tiene lugar en un esclavo.
Figura 29-Flujo del proceso del esclavo
Las tres fases de un ciclo procesadas por un maestro y representadas en la figura 6.6
son:
1. El intercambio de datos de fase
Durante el intercambio de datos de la fase todos los esclavos conectados están
intercambiando información.
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En el diagrama de estado se muestran dos de estas fases. Sólo se diferencian en una
parte A y B de los esclavos en la misma dirección de la red.
En este caso, una fase sólo se comunica con los esclavos estándar A, la otra fase, sólo se
comunica con el estándar B.
2. Fase donde se administra la información.
Durante la fase de gestión los mensajes cíclicos pueden intercambiarse siempre y
cuando sea necesario. Estos mensajes son:
•
•
•
•
Llamadas de los parámetros.
Comandos .
Llamadas de diagnóstico.
Emisiones de datos.
Durante cada fase solo se intercambia un mensaje y así no se prolongará
innecesariamente el ciclo. Si es necesario, las secuencias de comandos se dividirán
en varios ciclos.
3. Comienzo de la fase.
A continuación la fase de inicio utiliza las llamadas "Lectura del estado" para verificar
si los nuevos esclavos están conectados a la red.
Por lo tanto, la información del estado de los esclavos conectados es recogida
durante esta fase.
Figura 30 Diagrama de estados en esclavos
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Para que el ciclo ASI este completado es necesario de la siguiente información:
• Un número determinado de intercambios de datos.
• Una gestión de llamadas (lo que implica, un cambio de parámetros o el
comando de un esclavo) y una respuesta (opcional).
• Una llamada a la fase de iniciación (verificación de direcciones de los
esclavos nuevos) y la respuesta (opcional).
• Una reserva de mensajes (si es necesario).
Figura 31-Secuencia del mensaje
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Capítulo 7
Maestro
7.1 Integración del maestro en sistemas de
automatización.
Los Maestros forman parte de una puerta de enlace a otros sistemas de bus de campo.
Figura 32- Esquema de puertas, PLC y bus de campo.
El Maestro proporciona la conexión entre la red AS-Interface y el sistema de control (1
en la figura 32) de la máquina o instalación, o el enlace a un sistema de más alto nivel
de bus de campo (2 en la figura 32), que organiza el tráfico de datos en la red ASInterface de tal manera que se opera básicamente como una instalación de cableado
convencional (pero con numerosas funciones adicionales opcionales).
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Hay dos categorías de maestros AS-Interface:
1. Aquellos maestros que se utilizan en lugar de tarjetas de Entrada/Salida en el
PLC.
2. Maestros como parte de una puerta de enlace (Getaway) a otro bus de campo
superior.
Por lo tanto, AS-Interface está diseñado para ser auto configurado. No hay necesidad de
que el usuario ajuste los parámetros (velocidad de transferencia, los parámetros de bus,
los ficheros de dispositivos) o para llevar a cabo ningún tipo de programación. Los
datos de configuración se descargan desde el sistema.
7.2 Tecnología de conexión.
Como bien se comentaba en el capítulo 5, este sistema se compone de una instalación
innovadora y de la tecnología de fácil aplicación. Esto representa una parte fundamental
de la disminución de costes.
El cable amarillo tiene un diámetro de alambre de 2x1.5mm2 y es asimétrico con la
codificación mecánica para asegurar la correcta instalación y conexión con el lado
positivo y negativo del cable. La conexión (Tecnología de perforación) se realiza con un
cuchillo o una aguja de contacto que corta a través del plástico de la cubierta y el cable,
y establece un contacto seguro.
Figura 33- Conector
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7.3 Extensión de la red.
Los segmentos AS-Interface de la red pueden tener una longitud máxima de 100 metros.
Para determinar esta longitud total se deben incluir todas las ramas del árbol.
Figura 34- Representación de la red
Analizando los métodos de transmisión estándares, la red funcionará en una sola
dirección con un terminal de entrada o maestro y se dirigirá hacia todos los esclavos.
Sólo la fuente de alimentación AS-Interface presenta un punto de terminación, mientras
que en los esclavos no hay dichos puntos, pudiendo continuar extendiendo la red tanto
como la limitación técnica permita.
La principal limitación técnica viene de observar las reflexiones que se producen en la
señal enviada a través del cable y que son debidos a los extremos de la red. Los valores
que permiten que la señal no se distorsione y pueda falsear los resultados o generar
nuevo código falso provocando problemas de conexión es de alrededor de unos 100m
(datos obtenidos de las características técnicas de la red). De esta observación se
comprueba que estas reflexiones son todavía pequeñas en estos márgenes de distancia,
no pudiéndose realmente falsear dicha señal, y por lo tanto estará en concordancia con
los datos que se quieren mandar.
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Capítulo 8
Esclavo
8.1 Propiedades y funciones de los esclavos.
Hay dos categorías de esclavos AS-Interface:
1. Esclavos integrados
2. Módulos esclavos para la conexión convencional , como pueden ser los
sensores, actuadores y los dispositivos de campo
El esclavo AS-Interface se puede construir de una manera convencional (el cual no está
diseñado para ser conectado directamente a un sistema de bus) como por ejemplo, los
sensores, actuadores, o los dispositivos de campo que pueden conectarse a las entradas
del sistema y a los extremos exclusivamente a través de un módulo esclavo.
En este caso, la parametrización y el diagnóstico sólo estarán disponibles hasta el nivel
de módulo, no en el sensor o actuador.
Figura 35-Clases de esclavos
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8.2 Interface del esclavo.
El manejo de las siguientes interfaces es una de las funciones del esclavo será:
1. El interfaz del operador: pantalla de estado, dirección de la interfaz, soporte para
ajustes locales, y el diagnóstico.
2. Proceso de interfaz con el dispositivo del sensor / actuador / campo (sólo
módulos).
3. Interfaz con la red AS-Interface.
Figura 36- Módulo esclavo
8.3 Estado del Display.
En general, los esclavos AS-Interface hacen uso de LEDs para indicar su estado y, por
tanto, hacer posible el control de sus funciones durante el arranque o durante su
funcionamiento normal. Los estados más importantes de los esclavos son AS-i, FAULT
y AUX.
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Figura 37- Leds del display
1. El led As-i corresponde al funcionamiento correcto del dispositivo.
2. El led Fault corresponde a un problema de conexión.
3. La entrada AUX es para una fuente de alimentación extra en el sistema (para
dispositivos con una necesidad alta de potencia).
Otra posibilidad de Led de display sería la siguiente:
Figura 38-Otro tipo de Led
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En la cual los estados serían:
LED apagado, no hay tensión en el sistema ASI
LED verde fijo, El programa está funcionando sin problemas
LED rojo fijo, no hay intercambio de datos con el maestro.
LED que intercala rojo y verde, hay una falta en el esclavo.
8.4 Organismos de control (perro Guardián o
Whatchdog).
La pantalla de estado está estrechamente vinculada a los organismos de control del
esclavo. El organismo de control de comunicación de datos garantiza el intercambio de
datos cíclicos con los esclavos. Si no hay intercambio de datos en un periodo menor a
40 ms, las señales de vigilancia y de estado se apagan. El maestro utiliza una función de
control similar, así pues, el esclavo se eliminará de la lista de esclavos activos.
El intercambio de datos con el maestro utilizando un protocolo de transacción de tipo
combinado, que por lo general posee un perro guardián (whachdog) que verificación el
protocolo durante el intercambio de datos. Si se diera un error de protocolo, las salidas
se apagarían después de un tiempo predeterminado (por ejemplo 300 ms), en dicho caso
el maestro reaccionaría en consecuencia y se apagaría.
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8.5 Conexiones del interface.
Figura 39- Posibles conexiones al interface
Cada esclavo AS-Interface necesita una dirección única para poder comunicarse con el
maestro. Esta dirección se almacena en una memoria no volátil del esclavo (EEPROM).
1. Si un esclavo tiene una conexión M8 o M12 a la red AS-Interface, se puede
utilizar esta conexión para conectar el esclavo al dispositivo de direccionamiento
que transmite la dirección de destino.
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Figura 40- Conexión M8/M12 plug
2. Si el esclavo tiene un conector de direccionamiento, se podría utilizar para
conectar el dispositivo de direccionamiento a través de un cable de conexión
adecuado y luego guardar la dirección en el esclavo. Esta solución se utiliza
comúnmente para los esclavos que se encuentran en lugares cerrados.
Figura 41- Conexión Addressing jack
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3. Muchos esclavos tienen una interfaz de infrarrojos que puede utilizarse para el
proceso de direccionamiento. El adaptador de infrarrojos se conecta al
dispositivo de direccionamiento a través del conector y se establece la conexión
con el esclavo, que se almacena automáticamente.
Esta solución se utiliza sobre todo para los dispositivos de campo, ya que no interfiere
con la clase de protección. Tampoco requiere que el dispositivo se desconecte de
periféricos ya que, después de recibir una secuencia especial de datos el esclavo
reconoce la solicitud de uso de la interfaz de infrarrojos para la comunicación e
interrumpe la comunicación con el maestro.
Figura 42- Conexión IR interface o infrarrojo
8.6 Registro del estado de los esclavos.
El registro de estado se compone de las siguientes banderas
1. Registro S0: se compone de la dirección 0 cuando se almacena una caída de
tensión de seguridad, y se almacena en una memoria no volátil (EEPROM).
2. Registro S1: recibe un 0 cuando los periféricos son detectados
3. Registro S2: no se define
4. Registro S3: Recibe un 0 si no hay ningún error durante el acceso a la EEPROM
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PARTE II
EVALUACIÓN DE LA
ARQUITECTURA
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Introducción.
En esta parte se va a evaluar las posibles arquitecturas que se pueden realizar de acuerdo
a las condiciones actuales y a las futuras del torno.
Teniendo en cuenta las necesidades de la empresa Patentes TALGO S.L, se estudiarán
dos casos de arquitectura.
Primera implantación.
Atendiendo a las necesidades actuales de la empresa se introducirá el Bus AS-I en las
precargas del torno. Con lo que se debe estudiar la mejor arquitectura posible para tener
un ahorro eficiente de material, tiempo de fabricación y en último lugar las pérdidas del
material.
Se realizará una comparación de dos posibles arquitecturas (árbol y anillo) con sus
ventajas e inconvenientes, concluyéndose cuál es la más apropiada teóricamente. Los
factores que van a influir son básicamente de ahorro máximo de material y tiempo. Las
eficiencias serán secundarias y no determinantes, pero se estudiarán para comprobar
viabilidad ingenieril (como la caída de tensión máxima necesaria para que todos los
periféricos funcionen correctamente).
Segunda implantación.
En segundo lugar se hará el estudio de la arquitectura para el torno completo. Se
realizará de una manera teórica para que se implante en un futuro próximo, por lo que
no se podrán comprobar de manera práctica los resultados, antes de la finalización del
proyecto.
En esta segunda implantación se primará, al igual que en el caso anterior, la eficiencia
económica, siempre y cuando los valores ingenieriles sean correctos.
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IMPLANTACIÓN
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Capítulo 1
Estudio de la arquitectura en el torno.
Si se analiza la máquina en su conjunto, se podrá contabilizar que hay más de 64
periféricos instalados, lo cual significa que habría que instalar más de un maestro que
los controle. Una de las posibles ideas que se contemplan sería poner un maestro para el
lado derecho y otro para el lado izquierdo. De aquí se pueden analizar varias estructuras.
1.1 Estructura en anillo.
Se podría instalar dos anillos que recorran cada lado del torno en los que se instalarán
los distintos módulos, o directamente los periféricos. Véase en la siguiente figura 43
como podría quedar.
Figura 43- Torno en Anillo
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Esto permitiría que cada cable de ida y vuelta de los conductores fuera por diferentes
emplazamientos, es decir, al llegar por dos cables, podría abarcar una superficie de
acción más amplia reduciendo distancias entre el cable principal y los periféricos. Se
crearía una malla donde estarían instalados los conductores.
Otra de las valoraciones a tener en cuenta es el número de consumidores de potencia, la
fuente de alimentación tendrá que estar diseñada de acuerdo a la potencia necesaria para
que los conductores funcionen correctamente.
En dicha malla se podrán conectar los módulos activos y pasivos (para aquellos
periféricos que no dispongan de conexión directa con los esclavos a la red AS-I), y
aquellos que si dispongan de estas adaptaciones se conectarán directamente.
Las caídas de tensión serán mayores cuantas más intensidades necesite el sistema.
Probablemente será necesario instalar más de una fuente de alimentación en la red,
también están limitadas en intensidad (8A).
1.2 Estructura en Árbol
De manera análoga a la estructura en las precargas, el torno se podría conectar también
en árbol.
Figura 44- Torno en árbol
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En este caso solo habría un cable conector que llegará al periférico más lejano. La caída
de tensión asociada al conductor más lejano, debe ser menor que la máxima indicada
para que funcione el periférico (si la tensión disminuye en exceso, los periféricos no
funcionarán).
Del cable principal saldrán todas las ramas que irán hasta todos los periféricos lejanos.
Las ramas serán más largas que en el caso anterior y en el caso de las precargas habrá
que colocar duplicadores.
1.3 Ventajas e inconvenientes
Analizando estas dos opciones se puede evaluar que la distancia entre la rama principal
y los periféricos será menor cuanto más cerca pase el cable de ellos. De lo que se
deduce que en anillo habrá un cable de ida alimentando un parte de los periféricos y otro
de vuelta alimentando otra, abarcando de esta manera un espacio mayor que si el cable
tuviera que ir de un periférico a otro.
El cable amarillo tiene que ir hasta todos los esclavos principales directos (quitando el
duplicador hasta la precarga) y a los módulos. Si tienes dos caminos (ida y vuelta) el
cable repartirá unos periféricos para el camino de ida y otros para el camino de vuelta
evitando alargar en exceso la rama principal.
Las caídas de tensión son menores en un anillo con cargas distribuidas a lo largo de su
entorno. Por el contrario, en una red árbol con cargas distribuidas, cuanto más larga sea
la longitud de la red, mayor será la caída de tensión en el último periférico y más
posibilidades habrá de necesitar alimentación extra en algún punto de la red (lo que
encarecería el Bus).
1.4 Conclusiones
Deduciéndose pues que teóricamente el resultado más lógico será un torno con varios
buses en anillo. Teniendo en cuenta que se pondrá un duplicador para que el cable
llegue a la precarga.
La conexión de estas precargas son las que se van a implantar de manera práctica para
comprobar su validez y ver su comportamiento como red.
En el capítulo dos se va a estudiar análogamente cómo deben ir conectadas estas
precargas si en árbol o en anillo a través de este duplicador.
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Capítulo 2
Estudio de la arquitectura de las
precargas
Se van a ofrecer dos posibilidades de arquitectura, se estudiarán por separado y se
analizará cual es la más favorable de ambas.
En una primera evaluación se analizarán todos elementos que se van a conectar en el
bus (ANEXO B) y que se exponen en las tablas 45 y 46 para una mayor comprensión
sabiendo que se necesitan 24 conexiones para los periféricos.
MATERIALES A CONECTAR CON EL BUS
LUGAR
ELEMENTO
IDENTIFICACIÓN
CONEXIONES
DETECTOR DE PROXIMIDAD
Z04 S4
1
Z04 Y1
ELECTROVÁLVULA
2
Z04 Y2
Z04 Y3
ELECTROVÁLVULA
2
Z04 Y4
Z04 Y5
ELECTROVÁLVULA
2
Z04 Y6
PRECARGA
L.D.
MODULO DE LUCES
ROJO
Z04 H1
NARANJA
Z04 H2
VERDE
Z04 H3
1
Z04 S1
INTERRUPTOR FINAL DE CARRERA
2
Z04 S2
INTERRUPTOR FINAL DE CARRERA
Z04 S3
1
TRANSDUCTOR
Z04 A1
1
Tabla 45–Dispositivos a conectar de la precarga derecha
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DETECTOR DE PROXIMIDAD
Z05 S4
1
Z05 Y1
ELECTROVÁLVULA
2
Z05 Y2
Z05 Y3
ELECTROVÁLVULA
2
Z05 Y4
Z05 Y5
ELECTROVÁLVULA
2
Z05 Y6
PRECARGA
L.I.
MODULO DE LUCES
ROJO
Z05 H1
NARANJA
Z05 H2
VERDE
Z05 H3
1
Z05 S1
INTERRUPTOR FINAL DE CARRERA
2
Z05 S2
INTERRUPTOR FINAL DE CARRERA
Z05 S3
1
TRANSDUCTOR
Z05 A1
1
Tabla 46–Dispositivos a conectar de la precarga izquierda
La identificación que se le asigna viene de los planos de Talgo en los que se identifica:
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Z (el lugar del torno 04=Precarga Derecha, 05=Precarga interna), y después la
identificación del elemento correspondiente (A=componentes varios, H=iluminación,
S= pulsatería y sesórica, Y= electroválvula) y el número de componente.
• Al tener menos de 100m y de 64 periféricos, bastará con instalar un Maestro.
• Lo que se va a primar será la rapidez, sencillez y mejora de la puesta en marcha.
Además de un ahorro de coste aunque será menos significativo en esta
implantación (ya que no se va a implantar en toda la máquina, solo en las
precargas).
Hay que anotar que todo periférico necesita de un adaptador para el bus AS-Interface, y
de las posibilidades de los anteriores periféricos, las electroválvulas no disponen de
adaptadores por lo que se necesitará un módulo esclavo para adaptarlas.
2.1 Precargas en árbol.
La primera arquitectura que se va a estudiar, será conectar las precargas en forma de
árbol desde un solo maestro. Como ya se estudio en la memoria, la arquitectura tipo
árbol se caracteriza por tener un solo cable de salida en el maestro y dirigirse hacia
todos los esclavos que vayan a intervenir en el proceso.
Al disponer de dos precargas se instalará un duplicador que se dirija hacia cada una,
como se indica en la figura 47.
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Figura 47–Plano de precarga en árbol.
Se tienen dos posibilidades de conexión para el módulo esclavo:
Posibilidad 1: Seis conexiones para los seis actuadores de las electroválvulas.
Posibilidad 2: Diez conexiones, de las cuales seis serán para las electroválvulas,
tres para los finales de carrera y una para el transductor de presión (que se
encuentran todos en la base de la precarga).
En la primera de las posibilidades del módulo, los finales de carrera y el transductor
irían conectados directamente con unos direccionadores que las empresas BALLUF y
BOSCH (empresas que proporcionan dichos finales de carrera y el transductor)
disponen para sus periféricos. Los cuales serán reconocidos automáticamente por el
maestro CP 343-2.
En ambos casos se conectará el detector de proximidad directamente y el módulo de
luces también.
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Figura 48– Caso primero, con módulo de seis salidas.
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Figura 49–Caso segundo con módulo de diez salidas.
La elección se considerará de acuerdo a que las electroválvulas distan 389 mm de los
finales de carrera y transductor, y sabiendo que el cable tiene que pasar cercano a estos
últimos para subir por la precarga hasta el detector y el módulo de luces, lo lógico y
correcto será instalar la proposición 1 con las seis electroválvulas por un lado y lo
demás directamente conectado.
2.2 Precargas en anillo.
Otra de las opciones posibles sería conectar las precargas en anillo, en cuyo caso se
ahorraría el duplicador de señal que habría en la conexión en árbol. Por lo que, habría
que valorar si (desde un punto de vista económico) es beneficioso o no.
1. Desde el punto de vista económico, el coste dependerá del precio del duplicador,
del precio que tiene el cable, de la diferencia entre instalar tubos de distintos
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grosores (dado que si se necesitan dos cables, ida y vuelta a la precarga, habrá
que aumentar el diámetro del tubo que lo transporta) o instalar uno de ida y otro
de vuelta a la otra precarga.
2. Desde el punto de vista de la fabricación, es necesario valorar si el introducir el
doble cable, o el instalar un tubo entre ambas precargas supone un esfuerzo
extra, sabiendo que ya se está invirtiendo un menor tiempo con respecto a
introducir un mazo de cables para todos los periféricos.
3. Desde el punto de vista del mantenimiento y de las pérdidas eléctricas, estos
cables son más resistentes y tienen menos empalmes lo que quiere decir que hay
menos problemas en cuanto a los empalmes de conexión pero al haber más
metros de cables habrá más pérdidas asociadas al efecto Joules del conductor y
una caída de tensión mayor.
Es importante calcular las pérdidas eléctricas aproximadas y las caídas de
tensión para saber si el proyecto es viable o no.
Figura 50– Precargas en anillo
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2.3 Ventajas e Inconvenientes entre árbol y anillo.
2.3.1 Árbol
El duplicador se va a instalar al lado del maestro, por lo que no va a suponer un
aumento de tiempo extra en la fabricación y conexionado de esta parte.
De aquí se tirarán dos mangueras (que actualmente ya se están utilizando para llevar un
mazo de cables hasta la precarga) que llevarán un único cable, así pues no será
necesario identificar todos los cables. Solo habrá un cable de ida a la precarga, el cual se
pasará por un módulo de esclavos, para conectar las electroválvulas ahorrando tener
que estar identificando qué cable va a cada lugar y que haya una concordancia entre las
entradas y las salidas del módulo ya que entra al módulo un cable (amarillo) y salen
todos los demás que se dirigirán a las electroválvulas.
Los periféricos restantes se van conectando directamente hasta llegar al módulo de luces
que será el fin de línea.
En caso de fallo, la resolución y la comprobación serán más accesibles, ya que la
manguera no atraviesa el torno.
2.3.2 Anillo
En este caso el cable amarillo va a ser un círculo cerrado, irá a una precarga y luego a
la otra. Se tienen más metros de cable y es necesario instalar una manguera entre
precargas. A causa de este único cable, se podrían deshabilitar ambas precargas en caso
de error o corto, provocando que haya más dificultad a la hora de resolverlo (no es
sencillo acceder dentro del torno). Si, por algún motivo alguna viruta corta o raja el
cable, habría que repararlo interiormente (hay más posibilidades de que el error esté
dentro del torno).
Por lo demás, será todo similar a la configuración en árbol. Aunque según la estrategia
de la compañía de querer mejorar, su objetivo es reducir al mínimo los costes de
fabricación y puesta en marcha.
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2.4 Resumen y conclusión
RESUMEN
ÁRBOL
ANILLO
Menor volumen de cable
Mayor volumen de cable
No duplicador
Duplicador
Menor posibilidad de
errores
Mayor posibilidad de
errores
Facilidad de montaje
Menor facilidad de
montaje
Facilidad en la
comprobación de errores
Menor facilidad en la
comprobación de errores
Accesibilidad en caso de
error
Menor accesibilidad en
caso de error
Tabla 51 -Resumen árbol y anillo.
La principal conclusión a la que se ha llegado tras este primer análisis teórico, sobre los
conocimientos que se poseen, será que las precargas se montarán en Árbol, dado que
tras realizar la evaluación y comparación entre ambas arquitecturas se obtiene que este
método va a ofrecer más beneficios.
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CAÍDAS DE TENSIÓN
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Capítulo 3
Estudio de las caídas de tensión teóricas.
Es necesario realizar el estudio de la viabilidad en las caídas de tensión, dado que los
esclavos funcionan entre unos mínimos y máximos de tensión, por lo cual se debe
garantizar que se cumplen esos mínimos.
Al poseer una fuente de tensión regulable de SIEMENS hasta 30V, se va a tener que
elegir la tensión para que en ambas precargas todo funcione correctamente.
3.1 Caída de tensión en anillo
Cuando se tiene un anillo cerrado con distintos puntos de alimentación, las caídas
máximas se contemplarán en el punto donde la intensidad cambie de dirección, es decir,
el funcionamiento será tal que el cable estará alimentado por dos intensidades
desconocidas Ix e Iy con sentidos entrantes en el circuito y dependiendo de las cargas,
es decir, de las intensidades que necesiten cada periférico, la mayor caída de tensión se
encontrará en un lugar o en otro.
Véase en la figura 52, el maestro está alimentando con una Ix y una Iy al sistema, que se
compone de distintos periféricos. Denominándose las intensidades con letras (Ia, Ib, Ic,
Id, Ie, If, Ig, Ih).
99
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Figura 52 – Distribución intensidades anillo
Si se corta la red por el maestro se obtiene la figura 52 y se hallará la distancia x para la
cual la caída de tensión es mayor.
Figura 53 -Distribución en anillo.
La suma de todas las intensidades salientes debe ser igual a la suma de las dos
intensidades entrantes (Ix e Iy).
Teniendo en cuenta que al cortar la red por el maestro, ese punto de entrada tiene la
misma tensión, entonces:
100
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Figura 54 -Caídas de tensión por tramos
Como se contempla en la figura 54 , la diferencia nula entre Ux y Uy será la suma de las
caídas de tensión por tramos.
Sabiendo que la resistencia de los cables es
y que la superficie y la
resistividad no cambian a lo largo del cable.
A través del diagrama y conociendo las intensidades se estima donde estará la caída de
tensión máxima.
101
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Figura 55 - Diagrama de caída de tensión
Se descompone el circuito en dos partes diferentes diferenciadas por la dirección de la
intensidad entrante en el sistema. La dirección de la intensidad va a cambiar en Id.
Figura 56 -Distribución de Intensidades
Conociendo Ix, puedes saber cuál es la intensidad que va por cada rama y tramo,
deduciendo que la caída de tensión será:
102
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3.2 Caída de tensión en árbol.
Cuando se tiene un sistema de alimentación lineal con cargas distribuidas alimentadas
por una sola entrada, si la red no está ramificada (entendiendo ramificada como una red
donde cada rama puede tener sub ramas asociadas, véase en la figura 2.15), la mayor
caída de tensión estará en el extremo más lejano de la red, véase figura 2.16.
Figura 57 - Línea ramificada
Figura 58- Línea alimentación lineal
Sabiendo las intensidades de salida hacia los periféricos se obtiene que
Por lo cual, la caída de tensión máxima será en el extremo de la red, como se observa en
la figura 59.
103
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Figura 59 - Gráfica de la caída de tensión
3.3 Conclusiones
En el caso de las precargas en árbol y en anillo habría que calcular las caídas de tensión
en los módulos de luces por ser los extremos más lejanos.
En el caso de precargas en anillo, al haber una simetría de la instalación se podría
pensar que el comportamiento eléctrico será simétrico, pero en la realidad una de las
precargas estará más lejana del maestro que la otra, y eso incrementará la distancia, es
decir, la resistencia del cable entre el maestro y la precarga más lejana. Esto hará que se
pierda el carácter simétrico de la instalación.
104
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Capítulo 4
Caídas de tensión. Resultados teóricos.
4.1 Intensidades necesarias para los periféricos.
Se van a calcular las intensidades necesarias para cada uno de los periféricos de acuerdo
con las características técnicas representadas en el ANEXO B.
4.1.1 Final de carrera con dos conexiones BALLUFF
Tras evaluar las características se obtiene que la intensidad necesaria para su
funcionamiento será de 10mA, con una tensión de 24V. Lo cual absorberá una potencia
de 0,24W.
4.1.2 Final de carrera con una conexión BALLUFF
Tras evaluar las características se obtiene que la intensidad necesaria para su
funcionamiento será de 10mA, con una tensión de 24V. Lo cual absorberá una potencia
de 0,24W.
4.1.3 Transductor de presión BOSCH
Tras evaluar las características se obtiene que la intensidad necesaria para su
funcionamiento será de 20mA, con una tensión de 24V. Lo cual absorberá una potencia
de 4,8W.
4.1.4 Módulo de luces OMRON
Tras evaluar las características se obtiene que el consumo será de 1,2W por cada luz,
por lo que al haber tres será de 3,6W. Alimentado a 24V, lleva un circuito de
funcionamiento que dará un consumo de 52mA a las luces roja y amarilla y 42mA a la
verde.
4.1.5 Detector de proximidad BALLUF
Tras evaluar las características se obtiene que la intensidad necesaria para su
funcionamiento será de 200mA, con una tensión de 24V. Lo cual absorberá una
potencia de 4.8W.
105
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4.1.6 Electroválvulas de BOSCH
Tras evaluar las características se obtiene que la intensidad necesaria para su
funcionamiento será de 1.25A, con una tensión de 24V. Lo cual absorberá una potencia
de 30W por cada precarga.
4.1.7 Resumen.
Elemento
Tensión
Corriente
Potencia
10mA
0,24W
10mA
0,24W
20mA
4,8W
42mA
1,2W
52mA
1,2W
52mA
1,2W
200mA
4,8W
Final de carrera
( dos conexiones)
Final de carrera
( una conexiones)
Transductor
Módulo de luces
Precarga
LD
(verde)
Módulo de luces
24V
(rojo)
Módulo de luces
(amarillo)
Detector de proximidad
Electroválvula
1,25A/3,750A 30W/90W
(cada una/total las tres)
Total precarga LD
4136mA
103,68W
Total todas las precargas
8272mA
207,36W
Tabla 60– Representación de intensidades
106
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4.2 Distancias para la caída de tensión en precargas.
Se va a considerar que no hay una distancia significativa hasta el duplicador de cable.
La distancia desde la precarga derecha e izquierda hasta el centro simétrico de la
estructura del torno será de unos 6 metros.
Figura 61- Vista trasversal del torno
Las distancias en la precarga van a representarse en la figura 61. Hay que tener en
cuenta las máximas distancias que puede tener la precarga, dado que esta puede subir un
máximo de 0.25 metros.
Las distancias para la precarga derecha serán:
1. Del duplicador al primer módulo de esclavos habrá
.
2. Del módulo a los finales de carrera y transductor
mm.
3. De los finales de carrera hasta el detector de proximidad
4. Del detector hasta el módulo de luces
mm.
mm.
A la precarga izquierda serán las mismas salvo:
1. Del duplicador al primer módulo de esclavos habrá
107
.
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Figura 62- Representa las distancias en la precarga
4.3 Cálculo de las caídas de tensión en árbol.
4.3.1 Cálculo de la caída de tensión en la precarga derecha.
Se va a ir calculando la caída de tensión en cada uno de los periféricos.
Sabiendo la intensidad total que debe suministrar el dispositivo que será 4136mA (dato
reflejado en la tabla 2.18 de este capítulo).
Por el primer tramo de 5463.5 mm irán 4136mA por lo que
108
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aunque el termino
es la resistencia por unidad de longitud (R máxima=45mΩ/m,
dato del capítulo 5 de la memoria)
Para el siguiente tramo la intensidad será menor dado que las electroválvulas han sido
alimentadas ya,
3750= 386mA.
La distancia será ahora de 389mm.
Para el siguiente tramo ya no estará la intensidad del transductor ni de los finales de
carrera,
mA.
La distancia será ahora de 1575mm.
Para el siguiente tramo solo quedará la intensidad máxima del módulo de luces.
mA.
La distancia será ahora de 752mm.
4.3.2 Cálculo de la caída de tensión en la precarga izquierda.
Se va a ir calculando la caída de tensión en cada uno de los periféricos.
Sabiendo la intensidad total que debe suministrar el dispositivo que será 4136mA (dato
reflejado en la tabla 2.18 de este capítulo).
Por el primer tramo de
aunque el termino
mm irán 4136mA por lo que
es la resistencia por unidad de longitud (R máxima=45mΩ/m,
dato del capítulo 5 de la memoria)
Para el siguiente tramo la intensidad será menor dado que las electroválvulas han sido
alimentadas ya,
3750= 386mA.
La distancia será ahora de 389mm.
109
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Para el siguiente tramo ya no estará la intensidad del transductor ni de los finales de
carrera,
mA.
La distancia será ahora de 1575mm.
Para el siguiente tramo solo quedará la intensidad máxima del módulo de luces.
mA.
La distancia será ahora de 752mm.
4.3.3 Análisis de las posibilidades de los periféricos
Periférico
Tensión de
recepción posible
Caída de
tensión
máxima (V)
Caída de
tensión
LD(V)
Caída de
tensión
LI(V)
Final de carrera
(dos conexiones)
6V-28V
18
2,047
2,675
Final de carrera
(una conexiones)
6V-28V
18
2,047
2,675
Transductor
10V
14
2,047
2,675
Módulo de luces
(rojo) (verde)
(amarillo)
21,6V -26.4V
24V±10%
2,4
2,1051
2,7339
Detector de
proximidad
12V-30V
12
2,091
2,724
110
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Electroválvula
21,6V -26.4V
24V±10%
2,4
2,0335
2,6615
Tabla 63- Resumen
4.3.4 Conclusión de las tensiones en árbol
Para que no haya problemas asociados a que la precarga izquierda no tenga tensión
suficiente para funcionar, habría que aumentar la tensión un mínimo de 3V
(aproximando el valor de la peor caída de tensión del módulo de luces). Por lo que
tendríamos una caída en los elementos que se reflejan en la tabla 64. No habría
problema de caídas de tensión regulando la fuente en 27V.
Periférico
Tensión de
recepción posible
Final de carrera
(dos conexiones)
6V-28V
Tensión LD(V) Tensión LI(V)
24,953 (4%)
24,325(1,35%)
Final de carrera
(una conexiones)
6V-28V
Transductor
10V
Módulo de luces
(rojo) (verde)
(amarillo)
21,6V -26.4V
24V±10%
24,895(3.72%)
24,266(1,1%)
Detector de
proximidad
12V-30V
24,909(3,78%)
24,276(1,15%)
Electroválvula
21,6V -26.4V
24V±10%
24,966(4%)
24,339(1,41%)
Tabla 64- Resumen de las tensiones a 27V
111
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4.4 Cálculo de las caídas de tensión en anillo.
Se va a ir calculando la caída de tensión en cada uno de los periféricos.
Las distancias para la precarga derecha serán:
1. Del duplicador al primer módulo de esclavos habrá
.
2. Del módulo a los finales de carrera y transductor
mm.
3. De los finales de carrera hasta el detector de proximidad
4. Del detector hasta el módulo de luces
mm.
mm.
A la precarga izquierda serán las mismas salvo:
5. Del duplicador al primer módulo de esclavos habrá
Al hacer los cálculos se puede comprobar que la precarga derecha recibirá más corriente
por lo que la mayor caída de tensión se va a encontrar en la precarga izquierda.
112
.
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Concretamente en el detector de proximidad.
Figura 65 –Resumen de intensidades en precarga izquierda
Siendo a) Intensidad que va a las electroválvulas, b) Intensidad hacia los finales de carrera
y transductor y c) Intensidad del detector de proximidad.
Por el primer tramo de
aunque el termino
mm irán 3943mA por lo que
es la resistencia por unidad de longitud (R máxima=45mΩ/m,
dato del capítulo 5 de la memoria)
Para el siguiente tramo la intensidad será menor dado que las electroválvulas han sido
alimentadas ya, = 193mA.
La distancia será ahora de 389mm.
Para el siguiente tramo ya no estará la intensidad del transductor ni de los finales de
carrera,
mA.
La distancia será ahora de 1575mm.
Figura 66- Resumen de intensidades ampliado
Donde Id es la intensidad que se dirige hacia el módulo de luces LI y Ie el módulo de luces
LD.
113
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En el módulo de luces de la precarga izquierda (Id) se tendrá:
En el módulo de luces de la precarga derecha (Ie) se tendrá:
4.4.1 Conclusiones del modelo en anillo.
La conclusión que se puede obtener es que habrá menores caídas de tensión pudiéndose
regular perfectamente esas caídas con la fuente de tensión, esto beneficiará la
implantación en el torno, pero no en las precargas, ya que la construcción de un tubo
que vaya entre las dos precargas es caro y problemático (Se debe introducir un tubo en
la pre-instalación que vaya bajo tierra).
114
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PARTE III
COMPROBACIONES
PRÁCTICAS
115
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116
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Capítulo 1
Procedimiento a realizar.
Después de haber realizado todas las comprobaciones pertinentes de manera teórica, se
va a proceder a realizar un estudio práctico del comportamiento que tendrá la red
cuando esté en funcionamiento.
Para realizar dichas comprobaciones se van a montar en el banco que posee la empresa
Patentes TALGO.SL una maqueta que simulará el funcionamiento de la instalación,
tanto de manera eléctrica como de manera electrónica. Se estudiarán las caídas de
tensión, el comportamiento de los cables y sus resistencias, y si el funcionamiento de
los receptores es correcto.
Tras este experimento en la maqueta, se procederá a montar en una de las precargas de
la máquina el sistema y se analizará el funcionamiento del mismo.
Se va a montar un circuito para proceder a comprobar el correcto funcionamiento del
material y del sistema.
Para ello se necesitan calcular cuáles serán las resistencias necesarias para simular la
oposición de los cables al paso de corriente, dado que el modelo será más reducido que
el real.
En la aproximación más fiel a la arquitectura del torno, se puede destacar el diseño
representado en la figura 67.
117
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Figura 67- Croquis eléctrico
1.1 Cálculo de Resistencias a modelo completo.
Se procede al cálculo de las resistencias:
1. Resistencia entre el duplicador y las precargas.
a. Precarga derecha.
b. Precarga izquierda.
118
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2. Resistencia que simulará las electroválvulas.
a. Tres electroválvulas, tres resistencias.
b. Tres electroválvulas, una resistencia.
3. De electroválvulas a los finales de carrera.
4. De los finales de carrera al detector de proximidad.
5. Del detector a las luces.
1.2 Primer agrupamiento del circuito.
Se va a hacer un reagrupamiento de los elementos a emplear, ya que en la fábrica no se
disponen de todos los periféricos que deben instalarse.
Por lo que se realizará una simplificación del circuito para poder realizar los ensayos
pertinentes y verificar el funcionamiento del sistema bus AS-i y su adaptación a las
precargas.
Se va a reducir a dos resistencias, una que llegará del maestro a los finales de carrera y
otra que llegará hasta el módulo de luces.
La fuente de alimentación que se va a usar en los ensayo tendrá unos 30V
(características en el ANEXO B) y las caídas de tensión en los elementos va a
sobrepasar con creces la tensión permitida en los periféricos más restrictivos, de
24V±10%, pero se ha comprobado que los elementos funcionan perfectamente a
sobretensión, aunque quizá tengan problemas o se deterioren los aislamientos en un
plazo de tiempo más corto, pero no es un problema significativamente importante, ya
que estos elementos se suelen cambiar habitualmente con un mantenimiento preventivocorrectivo en un tiempo inferior al de fallo.
119
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Los materiales están fabricados para aguantar hasta el doble de sus valores de tensión y
los cables se suelen diseñar con una protección de 450/750V según el reglamento de
baja tensión.
Figura 68-Croquis eléctrico definitivo.
Se procede al cálculo de las resistencias necesarias para el modelo reducido.
1.3 Circuito final.
La adaptación final que se hará de acuerdo con todos los materiales necesarios será más
simple, y se evaluará cómo reaccionan las luces y los finales de carrera al sistema, cómo
120
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funciona el sistema y como el maestro DP/AS-i LINK (que tiene sus especificaciones en
el ANEXO B) recopila la información e identifica los elementos periféricos.
El circuito se monta tal como se indica en la figura 69.
Figura 69- esquema de conexión
La resistencia necesaria será la suma de las resistencias que aparecen en la figura 68.
1
La fuente de tensión se conectará a la red de 220V y esta alimentará el sistema de
bus con el cable amarillo 01 y 02 que se dirige hacia el maestro DP/ASi LINK.
121
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Figura 70- fuente de tensión Siemens.
2
El maestro DP/ ASi LINK está alimentado de una manera externa para que no
pierda la conexión en ningún caso, ni aunque la fuente de tensión falle. Este
conectará con una resistencia de potencia que simulará un consumo de intensidad
y una caída de tensión.
Figura 71- DP/ASi LINK
Este maestro permite por una conexión de PROFIBUS acceder a los datos de manera
cíclica de las entradas y salidas de un sistema de esclavos.
3
Tras la resistencia, el cable conectará con un modulo de esclavos (sus
especificaciones se encuentran en el ANEXO B) donde estarán conectados los
periféricos siguientes: un final de carrera simple, un final de carrera doble y las
luces, que al no disponer de la mochila tendrán que ir conectadas individualmente.
122
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Figura 72- módulo esclavo con 4 salidas y 4 entradas.
4
Para direccionar cada una de las salidas y entradas del modulo de esclavos y que el
maestro pueda reconocerlos, se necesitará un aparato de direccionamiento (cuyas
especificaciones se encuentran en el ANEXO B).
Figura 73- aparato de direccionamiento.
123
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1.4 Comprobaciones prácticas.
Tras el montaje del sistema podemos comprobar las siguientes características.
1
Se ha conectado el DP/ASi LINK a una fuente de tensión de 25V en continua y se
comprueba que se enciende correctamente.
Figura 74- DP/ASi Link conexiones
Figura 75- DP/ASi Link conexiones reales
124
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2
Se conecta la fuente POWER ASI a la red 220V y comienza a alimentar la red del
bus ASI. El DP/ASi LINK detecta la entrada de tensión a través del cable Bus ASI
y se comprueba que en el extremo más lejano del Bus, donde se encuentra el
maestro, llega correctamente la tensión.
Figura 76- Fuente de alimentación conexiones
Otra dato relevante que se observa es que el DP/ASi LINK se alimenta doblemente,
tanto por su alimentación como por la red del Bus ASi, evitando así la pérdida de
información por una caída de tensión, o que necesite ser reiniciado.
3
Se conecta el esclavo, el cual posee una alimentación auxiliar y la conexión del bus
ASi.
4
Tras haber conectado el bus, se conecta en cada una de las salidas y entradas del
maestro el aparato direccionamiento. Se comprueba que detecta el bus ASi y se da
una dirección aleatoria de las 64 que contiene cada bus. La dirección se compone
de un número del 0 al 31 y una letra A o B.
5
En el DP/ASi LINK se encuentran varios errores de conexionado del bus, se
solucionan soldando de nuevo los cables del bus al maestro y se comprueba que los
errores se han subsanado.
6
En la pantalla se reflejan los conectores y esclavos que hay conectados, por lo que
se procede a la conexión de los periféricos al módulo esclavo y comprobar que
dicho módulo los detecta.
125
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7
Tras realizar los empalmes correspondientes, el esclavo detecta perfectamente los
periféricos y se procede a controlar las caídas de tensión en los extremos de los
periféricos.
8
Las medidas obtenidas de tensión en los periféricos son para los finales de carrera
y el módulo de luces es de 2.21V.
9
Se detecta en DP/ASi LINK que se recibe información de los finales de carrera
cuando estos son pulsados.
10
Se comprueba que al enviar una señal para que las luces se enciendan, estas
reaccionan y se encienden.
1.5 Conclusiones.
1
Se comprueba que a pesar de tener una tensión mayor de la especificada por el
fabricante, los periféricos funcionan correctamente.
2
La caída de tensión se de 2.21V lo que supone un error respecto a la teórica
(2.1051V) del:
Error que es perfectamente admisible, ya que no supondrá problemas para los
periféricos.
3
Se verifica el correcto funcionamiento del sistema.
126
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PARTE IV
ANÁLISIS DE COSTES
127
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128
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Capítulo 1
Valoraciones a tener en cuenta.
En este apartado se pretende hacer un estudio del ahorro económico que supondrá esta
nueva implantación. Para ello se estudiará cuánto cuesta hoy en día la fabricación del
torno sin la tecnología del bus AS-i y cuánto costará la fabricación del torno con la
nueva tecnología. Valorándose el ahorro potencial que se tendrá en materiales, personal,
horas de trabajo y el precio de todo ese conjunto de datos.
Esta viabilidad se va a estudiar para la implantación de las precargas con el sistema bus
AS-interface.
Se va a analizar que partes de la viabilidad son interesantes a estudiar.
1.1 Ahorro de materiales
Uno de los puntos necesarios para valorar la viabilidad del proyecto es que haya un
ahorro de coste y de utilización de materiales. Por lo que hay que estudiar que
materiales se van a sustituir, y cuanto se va a ahorrar.
1.2 Ahorro de horas de trabajo.
El ahorro de mano de obra de personal es uno de los principales motivos de la
realización de este proyecto y por ello se deben estimar cuales son las horas necesarias
para la instalación de estas precargas, tanto antes como después de la implantación de la
mejora.
Estas horas de trabajo estarán desglosadas según las actividades necesarias para la
instalación de la precarga, en la que habrá conexiones o tiradas de cable que serán más
complicadas en un método y en el otro no tanto, por lo que debe reflejarse esa
reducción.
129
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1.3 Ahorro de horas en Ingeniería.
Este tipo de sistemas suponen unas variaciones entre proyectos muy leves, por lo que la
necesidad que se tiene de crear nuevos modelos adaptados a las necesidades de los
clientes se realizan de una manera más rápida y sencilla. Por otro lado, como hay menos
cables y una menor complejidad, hay una probabilidad mayor de que el montaje tenga
menos fallos, con lo que se necesitarán menos horas tanto para la comprobación de esos
sistemas, como para la detección y solución de posibles errores.
1.4 Eficiencia eléctrica.
A la larga el bus AS-interface tiene un rendimiento mayor que los cables
convencionales, esto hará que haya una mayor eficiencia en el modelo que se pretende
diseñar. Otra de sus ventajas es que al poseer una menor cantidad de cables, se tendrá
una reducción de consumo en el sistema, convirtiendo el modelo en uno más sostenible
y ecológico. Esto en tiempos donde los recursos se estudian profundamente, supondrá
una mejora intangible adicional.
130
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Capítulo 2
Valoración actual del estado de las
precargas
2.1 Materiales
Actualmente, las precargas están conectadas desde el armario eléctrico número 15
(según planos de la empresa Patentes TALGO S.A. y que se encuentran en el ANEXO
Planos). Se empezara a evaluar que materiales van a reducirse, sustituirse o eliminarse.
• Eliminación de todos los cables convencionales que van a la precarga.
• Eliminación de los diferenciales que controlan la corriente máxima que va por
los cables.
• Reducción del diámetro de los tubos.
• Eliminación de un módulo de entradas/salidas del ordenador.
A continuación se comenzará por calcular los metros de cable que se van a eliminar
para dar paso al nuevo cable Bus AS-i.
La distancia que hay entre el maestro y el primer periférico que se va a conectar (las
electroválvulas) es de 5463,5 milímetros para la precarga del lado derecho (LD) y
7150,5 milímetros para la precarga del lado izquierdo (LI). A cada electroválvula le
llegan dos cables de alimentación y dos de control y transporte de las señales, es decir,
que al haber tres precargas y cuatro cable a cada una, habrá doce cables en total a cada
precarga para alimentar y contralar las electroválvulas. La longitud en cables de todo el
sistema quedará:
El siguiente elemento que es necesario estudiar son los finales de carrera y el
transductor cuyas distancias desde el armario son de 5852.5 milímetros (LD) y de
7539.5 milímetros (LI), con dos cables de alimentación a cada periférico y en el caso
del control se tendrá un final de carrera doble conectado con dos cables de control y el
131
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otro final de carrera y transductor que solo necesitarán uno, lo que hacen un total de
diez cables.
Entre el armario y el siguiente componente, el detector de proximidad, hay una distancia
representativa de 7427.5 milímetros (LD) y 9114.5 milímetros (LI) con la llegada de
tres cables, dos de alimentación y uno de comunicación.
Y para finalizar, el último periférico, el módulo de luces, que tiene una longitud de
cable hasta el armario de 8179.5 milímetros (LD) y 9866.5 milímetros (LI) con tres
cables, dos de alimentación y uno de comunicación.
La suma total de metros de cables que se van a necesitar en la instalación de las
precargas con el método convencional será de :
de cable.
El precio del metro de cable es de 0,1€/m, lo que supondría un ahorro la eliminación del
cable de entorno a los:
En cuanto al diferencial de protección que controla la corriente que entre a la parte de la
precarga que más potencia absorbe, es decir, las electroválvulas, no sería necesario
instalarlo en la nueva implantación ya que la fuente de alimentación va a controlar que
no haya cortocircuitos o derivaciones en toda la red. Así pues te ahorras un protector
del módulo E/S para las electroválvulas (Z10 2F6).
A su vez, este protector está integrado en las tarjetas que se van a sustituir. Una de ellas
será para las entradas y otra para las salidas. El precio de cada una de ellas es de 100€,
por lo que el ahorro será de:
Este sistema de conexionado llevará a su vez un Harting (conector multicontacto) que
no sería necesario y tiene un valor de 250€.
132
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El tubo por otra parte se verá reducido el diámetro, el precio no será significativo pero
se va a calcular cuanta reducción habrá.
Actualmente hay cables de 1,5mm2 , al medir los cables se comprueba que con el
recubrimiento hay un diámetro de unos 2mm por lo que la superficie será
Hay 28 cables que van a la precarga, por lo que:
Al tener un diámetro de 10,68 mm el normalizado será 16mm, y sin embargo el cable
del Bus necesita un diámetro máximo de 9mm, por lo que se pondrá uno de 10mm.
Resumen de reducción de precios.
Detalle
Cantidad
Precio
Cables
390m
39 €
Tarjetas de E/S
2
200 €
Harting
1
250 €
Tabla 77 Representativa de la reducción del material
2.2 Horas de trabajo.
La fabricación del torno se hace bajo petición de los clientes, con todas las
modificaciones y características que este necesite para el correcto funcionamiento de los
trenes que opere la compañía que lo necesita.
La fabricación de las precargas de los dos modelos (el convencional y el bus AS-i) se
puede dividir en una parte que se va a mantener común en la fabricación y la parte que
variará según la implementación que se utilice.
133
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De acuerdo a esa forma de dividir el trabajo, la fabricación de la precarga va a estar
compuesta por:
Figura 78 Comparación método convencional.
El precio que se estima en la hora de fabricación son de 30€. Las horas necesarias que
se van a ahorrar en la preparación e instalación de Harting, mazos de cables, conexiones
con el PLC y tirada de cables son de38h por cada precarga, lo que da un ahorro en
fabricación de:
En estas las horas que se representan anteriormente, viene incluida la puesta en marcha
de dicha parte del torno.
2.3 Horas de ingeniería.
Las horas de diseño de la instalación, y de la programación se reducirán de tal manera
que:
Figura 79 Comparación de horas de ingeniería entre la instalación del bus AS-i y la no
instalación.
134
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La reducción será de 12horas a un precio de 60€/h, dará un ahorro de:
2.4 Resumen.
En el siguiente cuadro se van a resumir la reducción de costes que habrá al suprimir este
sistema.
Detalle
Cantidad
Precio
Cables
390m
39 €
Tarjetas de E/S
2
200 €
Harting
1
250 €
Horas de trabajo
38h*2precargas
2,280 €
Horas de ingeniería
12h
720 €
Total
-3,489 €
Tabla 80 Resumen del modelo convencional
135
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Capítulo 3
Valoración con el Bus AS-i del estado de
las precargas.
3.1 Materiales.
En esta nueva implantación, se cambiará el cable por el nuevo sistema de bus de campo
de la empresa Siemens. Dicho cable tiene un valor de 2€/m. Las distancias para la
precarga derecha serán:
1. Del duplicador al primer módulo de esclavos habrá
.
2. Del módulo a los finales de carrera y transductor
mm.
3. De los finales de carrera hasta el detector de proximidad
mm.
4. Del detector hasta el módulo de luces
mm.
A la precarga izquierda serán las mismas salvo del duplicador al primer módulo de esclavos habrá
.
Los metros necesarios para las precargas serán :
1 Precarga derecha:
2 Precarga izquierda:
3 Longitud total.
137
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Se van a utilizar 19 metros aproximadamente de cable lo que hace un total de:
Se necesitará el maestro que asciende a un valor de 300 , un duplicador y una fuente de
corriente de 50 cada una.
A su vez se necesita un módulo esclavo de 20 y distintas mochilas adaptadoras por el
valor de 10 cada uno. Se necesitarán mochilas adaptadoras para los dos finales de
carrera, el transductor, el detector de posición y el módulo de luces.
Resumen de materiales.
Detalle
Cantidad
Precio
Cables
19m
38,00 €
Maestro
1
300 €
Duplicador
1
50 €
Fuente de Corriente
1
50 €
Módulo esclavo
1
20 €
Adaptadores mochila
5
50 €
Tabla 81 Resumen de materiales con el bus AS-i
3.2 Horas de trabajo.
Dentro de las horas que se necesitarán para la fabricación de las precargas, se obtiene
que habrá unas horas comunes en mecánica y las propias que se necesitarán para la
instalación del bus.
Figura 82 Resumen de comparación de la construcción convencional y bus AS-i
138
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Sabiendo que la hora de fabricación tiene un precio de30€ :
3.3 Resumen
En la siguiente tabla se va a representar el nuevo gasto que se va a tener en la
implantación del bus AS-i.
Detalle
Cantidad
Precio
Cables
19m
38,00 €
Maestro
1
300 €
Duplicador
1
50 €
Fuente de Corriente
1
50 €
Módulo esclavo
1
20 €
Adaptadores mochila
5
50 €
Horas de fabricación
8h*2
480 €
Total
988 €
Tabla 83 Resumen de implantación del bus AS-i.
139
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Capítulo 4
Análisis de costes.
El objetivo fundamental de la planificación del coste de producción, consiste en la
determinación previa de los gastos indispensables para obtener una valoración de
la producción y de la rentabilidad del proceso, con una calidad pre-establecida.
De acuerdo a estos análisis, se podrá confeccionar una serie de planes estratégicos para
la evolución de la empresa, expresando la eficiencia de su actividad económicoproductiva. Por otro lado, se reflejara la valoración de la efectividad económica de las
diferentes medidas técnico-organizativas y de la producción en su conjunto.
El coste planificado se determina mediante los cálculos técnico-económicos de la
magnitud de los gastos para la fabricación de la máquina en cuestión y de cada tipo de
artículo que compone el surtido de la misma.
En la medición de la efectividad del plan y en su ejecución, se emplean el
indicador del coste por unidad de producción.
4.1 Coste unitario.
Con vistas a asegurar el correcto análisis del comportamiento de la eficiencia
productiva en cada unidad de producto elaborado, es necesario el cálculo del coste
unitario, fuerza de trabajo y otros gastos, de la fabricación del torno.
4.2Determinación del Coste Real de Producción.
Todo proceso productivo consta de varias etapas, a través de las cuales, los
componentes que intervienen en el mismo sufren sucesivas transformaciones y
adiciones o incorporaciones provenientes de otros departamentos productivos.
A los efectos de mantener un control económico de estos procesos, es necesario que los
productos o servicios que pasan de un departamento a otro, lo hagan con sus costes
unitarios directos correctamente calculados.
Deben cumplirse los siguientes requisitos:
140
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•
Cálculo y utilización de la producción equivalente en la asignación de costes a
los distintos productos, cuando proceda.
•
Determinación de los costes unitarios por partidas de coste.
La agrupación con vistas al cálculo del coste unitario puede hacerse por genéricos,
subgenéricos, familias de productos, u otra agrupación similar, en dependencia de las
características de cada proceso productivo y de los productos que se elaboren o
servicios que se presten.
4.3 Tabla resumen de los costes.
Ahorro al retirar el método actual.
Detalle
Cantidad
Precio
Cables
390m
39 €
Tarjetas de E/S
2
200 €
Harting
1
250 €
Horas de trabajo
38h*2
2,280 €
Horas de ingeniería
12h
720 €
Total
-3,489 €
Tabla 84 Resumen final de elementos sin el Bus
Los nuevos materiales que se van a utilizar son:
Detalle
Cantidad
Precio
Cables
19m
38.00 €
Maestro
1
300 €
Duplicador
1
50 €
Fuente de Corriente
1
50 €
Módulo esclavo
1
20 €
Adaptadores mochila
5
50 €
Horas de fabricación
8h*2
480 €
Total
988 €
Tabla 85 Resumen final de elementos con el Bus
141
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El ahorro que se va a dar con la implantación del bus AS-interface será de:
142
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Capítulo 5
Conclusiones
El análisis de los costes en la implantación del bus AS-i fue realizado considerando los
datos y flujos de las ventas pronosticadas para la distribución actual, al igual que para el
diseño propuesto; además tomando en cuenta los ahorros tanto de la distribución
propuesta como la de los procedimientos propuestos. También, el análisis mencionado
es a precios constantes para facilitar los cálculos.
Los beneficios mostrados son alentadores pues nos representan una reducción no solo
en materiales sino en horas y tiempo de fabricación. Estos son aceptables para una
empresa que por la mala situación económica en el país tiene que buscar mercado en el
exterior y ajustar sus diseños a cada tipo de estructura ferroviaria y no a las
características que puede tener en común los trenes en Europa.
Se puede destacar una reducción muy importante en las horas de fabricación, y esto
implicará una posibilidad de un volumen mayor.
143
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ANEXO A
ESTUDIO DEL TORNO
145
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MÁQUINA OBJETO DEL ESTUDIO: TORNO DE
FOSO 2112 (18Tm)
A.1 Plano general del torno de foso.
Figura 86 -Torno de foso
146
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A.2 Partes del torno de foso
1. Rodillo de Tracción
2. Motores Principales
3. Triturador de Virutas.
4. Cinta transportadora de Virutas.
5. Armario Eléctrico 15
6. Armario Eléctrico 16
7. Carro de virutas
8. Central Hidráulica
9. Central neumática
10. Precargas
A.2.1 Definición y funciones previstas de la máquina
El Torno de Foso es una máquina-herramienta de control numérico, para el torneado o
reperfilado de las bandas de rodadura, caras interna y externa de ruedas montadas sobre
los ejes con sus cajas de grasa montadas en cualquier vehículo ferroviario (remolques de
cercanías, locomotoras ligeras, coches de viajeros, etc.), así como discos de freno en eje.
El ancho de la rueda puede ser entre 80 y 145 mm y el diámetro de la rueda entre 600 –
1600 mm.
La máquina está instalada en un foso, en su parte superior y para el posicionado de los
vehículos, está dotada de dos raíles de vía de tipo convencional soportados por un
bastidor.
La construcción modular de estos tornos permite su montaje en vías de cualquier ancho
y para bogies tractores o remolcados de cualquier dimensión, peso (peso máximo por
eje 18000 kg) y características.
El sistema dispone de un control numérico con PLC integrado que controla todo el
proceso de torneado, garantizando que la secuencia de operaciones es la correcta, así
como programar cualquier tipo de perfil. El torneado se efectúa con el correspondiente
puesto de mecanizado provisto de la adecuada herramienta que permite efectuar el
mecanizado de las ruedas.
Cada puesto de trabajo de rueda se mueve en los ejes X y Z mandado por dicho control
numérico.
Hay apoyos regulables automáticamente sobre los que apoyan las cajas de grasa y
suspensión para compensar fluctuaciones por planos en banda de rodadura. También
está dotado de un sistema de precarga interior automático.
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Aproximadamente en la parte central, el raíl, se parte para dejar paso a los cilindros de
elevación y flotación, así como al carro portaherramientas, en ese intervalo del recorrido
el vehículo es soportado por las bandas de rodadura de las ruedas por uno carriles
escamoteables.
La elevación y la sujeción de las ruedas para que pueda efectuarse el torneado de las
mismas, se efectuarán por medio de unos cilindros accionados hidráulicamente, en cuya
parte superior tiene dos rodillos tractores que se colocan en contacto con las ruedas,
elevándolas y manteniéndolas en “flotación” cuando se efectúa el torneado.
Los rodillos tractores son accionados de forma individual por motor eléctrico de
velocidad variable, definiendo un cabezal controlado por el control numérico, estos
rodillos mueven las ruedas durante el proceso del torneado.
La elevación de las ruedas acopladas mecánicamente a las que se van a tornear, se
realiza mediante unos cilindros de doble efecto accionados hidráulicamente, y
controlados por PLC. Hidráulicamente también se acciona el puente para su posicionado
y/o retirarlo, de forma que sujete la rueda una vez bajados los gatos y que además
permite el desplazamiento del vehículo. También hidráulicamente se accionan los topes
traseros para la sujeción lateral de la rueda y de los diferentes dispositivos de bloqueo.
La fijación de dichos topes traseros es hidráulica.
El sistema de flotación realiza durante el mecanizado un esfuerzo vertical regulable, que
es utilizado para traccionar la rueda en función de las necesidades de mecanizado.
Búsqueda automática de las referencias iniciales de la posición de la rueda para el inicio
del torneado.
Elaboración automática de una tabla de datos de medida y trabajo.
El torno puede suministrarse con equipo para el troceado y la retirada de las virutas, con
silo recolector y cinta transportadora, medidor continuo de diámetros, carro de arrastre y
sistema precarga.
Con este equipo se consigue, en el torneado, la disminución de los costes de
mantenimiento de los vehículos y las vías, disminuyendo el tiempo de la inmovilización
que precisa la operación, así, también y más importante, el aumentar el confort y la
seguridad en la circulación.
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A.3 Características principales torno 18 TM
A.3.1 Descripción de la máquina
La máquina está formada por una bancada que contiene todos los elementos y conjuntos
que la integran, sin perder la característica de modular y simplificando
significativamente la obra civil para su implantación.
Sobre la bancada se colocan dos armazones, uno por rueda, que son el soporte sobre el
que van montados los diferentes mecanismos de la máquina como por ejemplo:
1. Carros portaherramientas para mecanizado horizontal y vertical (con sus
correspondientes motores para avance).
2. Rodillos de tracción, con toda la cadena cinemática incluidos motores
reductores.
3. Cilindros hidráulicos de elevación.
4. Sistema de liberación de vía ( con sus correspondientes cilindros y elementos)
5. Sistema de bloqueo de desplazamiento axial (rodillos laterales).
6. Sistema de medida de parámetros.
7. Medidor continuo de diámetro.
8. Sistema de precarga.
9. Apoyos para cajas de grasa.
En el espacio comprendido entre los dos armazones va situado el equipo de tratamiento
de viruta (triturador y cinta transportadora) colocado convenientemente para que la
viruta producida durante la mecanización se introduzca en la tolva de entrada al
triturador.
A ambos lados de la máquina y alineados con su eje transversal se podrían montar
“Sistemas de Precarga Exterior”.
En dos bancadas anexas a la bancada central y unidas rígidamente a ella se encuentran
los apoyos de los carros ó cilindros para soporte de ejes acoplados mecánicamente con
el eje que se está torneando.
La estructura de la bancada y la implantación de la máquina sobre ella, incluidos los
equipos anteriores, permite el paso de un lado a otro para atender los dos puestos de
torneado con total libertad de movimiento.
A.3.2 Características constructivas
Como características constructivas se pueden destacar las siguientes:
1. Bancada de acero soldado y estabilizado, fuertemente rigidizada.
2. Husillos a bolas para los desplazamientos verticales y horizontales.
3. Engranajes en acero Cromo-Níquel cementados y templados.
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4. Cadena cinemática de sencillo diseño y gran fiabilidad.
5. Guías de desplazamiento en acero Cromo-Níquel-Molibdeno cementadas,
templadas y rectificadas para la bancada y carros.
6. Contraguías de acero de alta aleación para herramientas Cromo-NíquelMolibdeno templado para los carros.
7. Reglas de ajuste en bimetal, especiales para máquinas herramientas.
8. Rodillos de accionado de acero indeformable templado de alta resistencia.
9. Carros protegidos contra la entrada de viruta.
A.3.3 Descripción por partes
A.3.3.1 Parte mecánica
Formada por una bancada y dos armazones sobre los que se colocan los siguientes
mecanismos:
1. Equipo de sustentación, flotación y accionamiento de giro, mediante rodillos
de tracción independientes.
La elevación se realiza mediante un cilindro hidráulico con control automático
del recorrido para conseguir que la distancia de la banda de rodadura de la rueda
a mecanizar, con respecto al eje del desplazamiento horizontal del torno, sea
siempre la misma con independencia del diámetro de dicha rueda.
Sobre este cilindro hidráulico actúa posteriormente la presión de la flotación que
también es regulada para adaptar la fuerza de arrastre y la rueda al peso del
vehículo, sin alterar su función de anular el efecto de los errores de forma de las
ruedas durante el mecanizado.
El accionamiento de giro de las ruedas a mecanizar se realiza mediante cuatro
rodillos de tracción independientes, los cuales a través de una sencilla cadena
cinemática reciben el movimiento de 4 motores asíncronos en la base de cada
armazón. Cada uno de los rodillos es accionado a través de las transmisiones
adecuadas por un motor de 11KW a 400V gestionado por el CN mediante un
regulador de velocidad (tensiones y potencias en función de la máquina).
La forma de mando puede ser manual o automática. El mando es eléctrico.
2. Carros portaherramientas con mecanizados de precisión que permiten el
desplazamiento de forma precisa, en los dos ejes (X,Z) mediante motores
asíncronos, con sus correspondientes reguladores de C.A. Los carros
portaherramientas, están diseñados para recibir un sistema de cambio rápido de
herramientas, con lo cual podemos tener una cabeza en condiciones de montaje
y realizar el cambio de la misma en el lugar de la placa, disminuyendo los
tiempos muertos en el mecanizado. Se dispone de cabezas diseñadas para
mecanizar la banda de rodadura y las caras interna y externa de la rueda.
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3. Topes laterales que impiden el desplazamiento axial del eje, una vez centrado
por los contracarriles. El desplazamiento de estos topes laterales se realiza
mediante cilindros hidráulicos que actúan secuencialmente. La fijación de dicho
topo lateral es hidráulica.
4. Puente desplazable hidráulicamente para la operación de torneado, permite el
paso de cualquier vehículo cuando la máquina está parada. La finalización de su
recorrido es controlada mediante los correspondientes interruptores de posición.
5. Equipo para búsqueda automática de posición de la rueda obteniendo por
medio de él los valores de los decalajes para la posición de la herramienta en el
inicio del torneado.
Por medio de este equipo se obtienen también los valores de los parámetros
fundamentales de la rueda y las distancias entre caras internas y activas de un
eje, mediante un programa ejecutable en cualquier momento.
6. Medidor continuo de diámetros que, proporciona la medida continua del
diámetro de las dos ruedas de un eje, así como la diferencia entre las mismas. Su
resolución es de 0.05mm.
7. Forrado de los elementos motrices que proporcionan protección a los equipos y
a las personas.
A.3.3.2 Parte hidráulica
La instalación hidráulica realiza las siguientes funciones:
1. Elevación y flotación de las ruedas.
2. Desplazamiento y enclavamiento de los puentes.
3. Elevación y descenso de ejes acoplados mecánicamente.
4. Accionamiento de los topes de sujeción lateral de la rueda.
Está formado por:
1. Dos centrales hidráulicas independientes, una por cada cabezal, capaces de
proporcionar 8.25 l/min, con una presión correspondiente a 160 bar. Dispone
de un depósito de 50 l. de capacidad.
2. Reguladores de presión para elevación y flotación de rodillos, accionamiento
de topes laterales y precarga interior.
3. Distribuidores hidráulicos para mando de los distintos componentes.
4. Cuatro tomas para equipos de elevación de ejes arrastrados, en caso de
bogies con ejes acoplados mecánicamente.
5. Dispositivo de refrigeración controlado mediante termostato.
6. Dispositivo de control y estado del nivel de colmatación de los filtros.
7. Alimentación al sistema de precarga.
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El sistema de mando es electro-hidráulico, las funciones de subir y bajar cilíndros,
mover puentes, etc., se efectúan en manual, además tiene dispositivos de enclavamiento
y accionamientos automáticos. Todas estas maniobras están controladas por el PLC.
A.3.3.3 Lubricación
Mediante la instalación de “Engrase centralizado” se realiza el engrase, de todos los
elementos en movimiento, periódicamente y de forma automática, mediante
programador electrónico que permite la realización de ciclos temporizados y en
combinación con el PLC la adaptación del citado engrase al funcionamiento de todo el
conjunto.
A.3.3.4 Parte neumática
Desde la toma de la instalación se canaliza para las siguientes misiones:
1. Accionamiento de medidor continuo de diámetro.
2. Activación del sistema de medida de parámetros, y posición de rueda.
La presión de aire del circuito neumático tiene que ser mayor o igual 6 kg/cm2
A.3.3.5 Parte eléctrica y electrónica
El PLC controla que se realicen correctamente todas las secuencias del proceso de
torneado, impidiendo maniobras no permitidas. El control numérico es el encargado de
reproducir el perfil deseado controlando los motores de avance mediante los
reguladores.
Está encargada del control de las operaciones a realizar a la máquina.
1. Maniobras de posicionamiento de la rueda.
2. Giro de ruedas.
3. Accionamiento y control de los avances de la herramienta.
4. Control del circuito hidráulico.
5. Control del circuito de engrase.
6. Accionamiento de los circuitos neumáticos.
Está formada por varios armarios de máquina que contienen los diferentes elementos de
control.
A.3.3.5.1 Armario principal
Dotado de puertas con dispositivo de seguridad que impide el acceso al interior del
mismo con tensión y que contiene los siguientes elementos:
1.
2.
3.
4.
Interruptor automático general.
Interruptor diferencial para protección contra corrientes de defecto.
Interruptores automáticos magnetotérmicos en todos los circuitos.
Contactores para el funcionamiento automático de todo el sistema.
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5. Reguladores de velocidad de los accionamientos de avance de la
herramienta.
6. Regulador de velocidad para el accionamiento del cabezal.
El armario va dotado de un sistema de iluminación interna, que se activa
automáticamente con la apertura de puertas y de un sistema de evacuación de calor
mediante los correspondientes ventiladores, filtros y rejillas.
La ubicación es opcional, pudiendo ser dentro o fuera del foso del torno.
A.3.3.5.2 Puesto de mando
Se dispone de dos puestos de mando, situados en el área de los operadores en
posición ergonómica y que contienen:
1. Monitor para visualización en su pantalla de todos los datos y menús
utilizados por el CN.
2. Panel de mando máquina.
3. Panel de mando externo.
4. Módulo de medidor continuo de diámetro que, incluye el módulo de
tratamiento de las señales para medida de parámetros de rodadura sobre el
torno.
Estos armarios contienen las señalizaciones y avisos de todas las maniobras de
funcionamiento y manejo de la máquina.
Los elementos y aparatos que incorpora cada puesto de trabajo de la máquina convergen
en sendos armarios, los cuales mediante mazos con conectores, se comunican con el
armario principal y los armarios de mando.
Todos estos elementos y armarios están unidos mediante conductores de protección para
derivaciones a masa y contactos indirectos.
A.3.3.6 Mando de la máquina
Las funciones de la máquina son prácticamente todas las automáticas y gobernadas por
la unidad CN y PLC.
Se citan a continuación algunas de las funciones más importantes gobernadas con el
conjunto CN-PLC.
1. Regulación de la presión de los rodillos sobre las ruedas del eje en
operación .
2. Control del aumento de carga en pasadas sucesivas y carga acumulada.
3. Medida de parámetros de rodadura, incluidos distancia entre caras
internas y activas. Al comienzo y final del torneado o en cualquier
momento del proceso, una vez terminado un ciclo de torneado.
4. Inserción de datos variables introducidos mediante tecleado.
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5. Operaciones de posicionamiento y centrado del vehículo sobre la
máquina, como son:
1. Elevación de rodillos de tracción.
2. Desplazamiento de rodillos laterales (axial)
3. Retirada de puentes.
6. Protección de herramienta en la apertura de protecciones mediante la
activación de un programa que retira la herramienta.
7. Activación y regulación del giro de los rodillos de tracción.
8. Control de la actuación de la central de engrase.
9. Control de funcionamiento e interferencias en el sistema de trituración y
evacuación de virutas.
10. Programación de cualquier tipo de perfil de mecanizado.
11. Localización de la situación de la rueda, una vez posicionada, con la
introducción automática de los decalajes para inicio de mecanizado.
Diferentes sistemas de mando, protección, interfaces, etc. que comunican los
accionadores con el sistema de mando, así como otros sistemas de enclavamiento,
protección de los diferentes circuitos, funciones, elementos, etc.
A.3.4 Accesorios
A.3.4.1 Carros de arrastre
Permiten el movimiento y el posicionamiento del vehículo o bogie sobre el torno sin
necesidad de ningún otro elemento. Las ventajas que presenta son:
1. Sistema autónomo de posicionamiento.
2. Ahorro de tiempo en las maniobras.
3. Aumento de la seguridad.
4. Control por autómata que impide su movimiento cuando se está
torneando.
A.3.4.2 Medidor continuo de diámetro
Proporciona la medida continua del diámetro de las dos ruedas de un eje, así como la
diferencia entre las mismas. Su resolución es de 0,05 mm.
A.3.4.3 Instalación de tratamiento de virutas
Permite ser instalada entre las dos cabeceras de los tornos y realiza la extracción de la
viruta obtenida durante el torneado. Está formado por un triturador y una cinta
transportadora que recoge las virutas y las traslada a un contenedor preparado para ser
sacado y basculado mediante carretilla elevadora o puente grúa con capacidad de carga
mayor que 2000 kg.
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A.3.4.4 Equipo de elevación de ejes acoplados
Este equipo se suministra en los casos en que el cliente tenga vehículos acoplados con
transmisión mecánica:
Permitirá la elevación de los ejes unidos mecánicamente para realizar el torneado. La
elevación se realiza mediante cilindros hidráulicos de doble efecto controlados por PLC.
A.3.4.5 Sistema de medida de parámetros
Realiza la medición de los parámetros del perfil de la rueda (diámetro, grueso y altura)
de los vehículos a tornear durante el proceso de posicionamiento de estos. Con estas
medidas se determina automáticamente el programa óptimo de torneado que es
transmitido directamente al CN para comenzar el mecanizado.
Realiza también la impresión de los informes de entrada y salida del torneado.
A.3.4.6 Torneado de discos
El torneado de ruedas 2112 permite la instalación de un dispositivo desplazable que
permite tornear discos de freno. El sistema está controlado por el mismo Control
Numérico y PLC, presentando las mismas características de precisión y calidad que el
mecanizado de ruedas. Consta de dos ejes, vertical y horizontal denominados V y U
respectivamente.
A.3.4.7 Sistema de precarga interior
Sistema auxiliar de precarga para el caso de torneado de bogies ó ejes de poco peso con
caja de grasa interna. Su mando es electro/hidráulico.
A.3.4.8 Equipo de medida de parámetros de rodadura (sistema
integral de Mantenimiento de rodaduras)
El torno se conecta con el ordenador del equipo de medida EVA y accede a las medidas
allí almacenadas, para gestionar el mecanizado completo del vehículo de forma óptica.
A.3.4.9 Apoyo automático de caja de grasa interior
Consiste en apoyos interiores regulables automáticamente, sobre los que apoyan las
cajas de grasa. El accionamiento de los mismos es eléctrico.
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ANEXO B
HOJAS DE REFERENCIA
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Hojas de Referencia
B.1 Final de carrera con dos conexiones BALLUFF
BNS-819-B02-R08-40-11
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B.2 Final de carrera con una conexión BALLUFF
BNS-819-100-K-11
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B.3 Transductor de presión BOSCH
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164
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B.4 Módulo de luces OMRON
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B.5 Detector de proximidad BALLUF
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B.6 Electroválvulas de BOSCH
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B.7 Fuente de tensión de Siemens.
168
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B.8 DP/ASi LINK Pasarela.
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INGENIERO INDUSTRIAL
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172
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B.9 Módulo esclavo.
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B.10 Aparato de direccionamiento.
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ANEXO C
PLANOS
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REFERENCIAS
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1. La Página Web sobre AS-Interface http://as-interface.net/.
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