Control de un motor de inducción basado en un variador de velocidad

Abstract

Este proyecto puede clasificarse dentro de los proyectos de desarrollo, y se ha centrado en la integración de un equipo variador de velocidad con autómatas programables (PLCs). Se ha llevado a cabo para finalizar la renovación de un equipo didáctico de Schneider Electric para el aprendizaje de control de motores de inducción mediante variador de frecuencia, mediante la incorporación de un control en velocidad en bucle cerrado y el uso de autómatas programables. El objetivo del proyecto es, por tanto, configurar y ensayar algunas estrategias de control que permitan avanzar en el conocimiento práctico de estos equipos. El variador dispone de entradas que permiten al operador obtener distintos valores de las características de salida del motor (velocidad, par, aceleración…), dentro de su rango de funcionamiento. Dichas entradas podrán ser manipuladas localmente (a partir de los elementos del armario) o de forma remota. Se han contemplado varias alternativas para la gestión del control del equipo: La primera, basada en el comando del variador a través de señales analógicas en tensión. Para este objetivo se empleará un PLC S7-1200 del fabricante Siemens, junto con una pantalla de explotación ó HMI, desde la cual podremos visualizar el estado del proceso, alternar entre modos de funcionamiento y cambiar la consigna de velocidad. Ambos equipos han sido programados haciendo uso de un PC y del software Tia Portal v15 ©, empleando comunicación Ethernet TCP/IP en ambos casos, y un Switch de comunicaciones para la interconexión de los equipos. En la segunda alternativa se propone una interesante idea para la gestión del variador en una configuración redundante. Normalmente, este tipo de redundancia es propuesta por los fabricantes con equipos específicos, y con un software determinado. Sin embargo, en este caso se han empleado PLCs de propósito general, sin ningún hardware ni software de fabricante pensados para este fin. El enfoque ha sido desarrollar estrategias de control para equipos redundantes a través de una configuración Modbus a dos niveles: un primer nivel con comunicación Modbus RTU entre el variador y los PLCs, con configuración maestro-esclavo, y un segundo nivel con comunicación Modbus TCP con configuraciones cliente-servidor entre los PLCs. El esquema desarrollado y ensayado tiene la particularidad de ser tolerante a fallos (avería de un equipo, desconexión de red). Se presentan soluciones a los problemas característicos de redundancia de equipos, como son la sincronización de máquinas y el paso de testigo para el control maestro (conmutación del equipo de control) sin que se produzcan saltos bruscos en las señales de control al motor. El control es asumido por uno de los PLCs, con su propia función y parametrización PID. En caso de que este PLC interrumpa su comunicación con el variador, automáticamente otro PLC cogerá el relevo aplicando sus funciones PID, sin que se vea afectado el control que se estaba llevando a cabo a través del variador.

This project can be classified as a development project, and is centered in a speed drive integration through Progammable Logic Computers (PLCs). This project comes in to end-up a Schneider Electric’s teaching equipment update, which aims the learning on how to control an induction motor through a frequency drive, adding a closed-loop speed control and programmable logic computers. Therefore, project’s objective is to configure and essay some control strategies to progress in this equipment’s practice knowledge. The motor drive has inputs that allow the operator getting different motor output characteristic values (speed, torque, acceleration…), within its operating range. These inputs can be manipulated locally (from the cabinet elements), or remotely. In case of remote manipulation, we’ve contemplated few alternatives: The first consists in commanding the speed drive through analog voltage signals. To do this, we will use an S7-1200 PLC, from Siemens, with a Human-Machine Interface (HMI) display, which allows us to alternate between operating modes, changing the speed reference and see the status process. This equipment has been programmed using Tia Portal v15 ©, using Ethernet TCP/IP communication in both cases, and a communication switch to connect the whole equipment. The second alternative consists in an interesting idea to manage the speed drive with a redundant configuration. Normally, this functionality is purposed by manufacturers with specific software and equipment. However, in this case it has been implemented with general purpose PLCs, without any manufacturer’s hardware of software thought to this application. The idea has been to develop control strategies for redundant computers, through a two-level Modbus communication: first level consists in a Modbus RTU communication between PLCs and the speed drive, with a Master-Slave configuration, and second level consists in a Modbus TCP communication with a Client-Server configuration. The control developed and tested has the peculiarity of being tolerant to failures (equipment faults, network disconnection). It brings solutions to the common problems of redundant equipment, as machine synchronisation and switching token to master control station (switching control station), away from abrupt steps in control signals to the motor. The control is assumed by one PLC, with a proprietary PID function and parametrization. In case this PLC cuts off communication with the speed drive, another PLC will take control, applying its own PID function and parametrization, so speed drive’s control won’t be affected.