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Automation Studio, de Bernecker & Rainer, no requiere de otras herramientas de diseño

Sistemas de B&R para la automatización de control hidráulico en movimiento

Dr. Robert Kickinger
especialista en tecnología de control en bucle cerrado, y Dipl.-Ing. Thomas Frauscher, responsable del desarrollo del software para control en bucle cerrado, ambos de B&R en Eggelsberg.
05/05/2008
La solución B&R para la automatización de control hidráulico de movimiento (Automation Studio) se basa en sus productos estándar sin que sea necesario un hardware especial. En lugar de ello, puede utilizarse un gran número de sistemas B&R (CPU X20, APC, Power Panel, etc.) con un software de automatización.

Esto permite una adaptación y una optimización en función de los costes combinando CPUs y E/S diseñadas para las conexiones de los sensores, y control de la regulación de los dispositivos para cualquier aplicación. La potencia de cálculo requerida se determina por el tiempo de ciclo que se utiliza, así como por el número de ejes hidráulicos. Por ejemplo, alrededor de 16 ejes hidráulicos pueden ser operados en un tiempo de ciclo de 800 microsegundos usando una X20CP1485. Esto deja suficiente tiempo de cálculo para otras tareas (la lógica, la comunicación, etc.). La familia de CPUs X20 y la familia de PCs industriales APC 620 tienen un amplio abanico de potentes procesadores para satisfacer los requerimientos más exigentes.

Las principales ventajas de este enfoque en comparación a una solución de sistemas de control hidráulico son la flexibilidad a través de un hardware modular con soluciones que cumplen la normativa IP 20 e IP 67 de protección y que no requiere otras herramientas de diseño. Además, la configuración o la programación de las comunicaciones con los controles hidráulicos no es necesaria y permite la integración completa en el Automation Studio, con potentes herramientas de diagnóstico.

Equipos hidráulicos vs equipos eléctricos

Los equipos hidráulicos tienen varias ventajas sobre los equipos eléctricos - un mayor grado de fuerza y más densidad de potencia (y con unos tamaños más pequeños), excelente robustez y fiabilidad, una mayor flexibilidad con respecto a la ubicación, la disponibilidad de procedimientos sencillos y actuadores rentables para movimientos lineales (cilindros hidráulicos).

Estas propiedades hacen de los equipos hidráulicos la primera elección para aplicaciones de uso intensivo de potencia, así como para aplicaciones que requieran movimientos muy dinámicos en la gama de alto rendimiento o que estén limitados en términos de espacio. Las desventajas más evidentes de los sistemas hidráulicos son los problemas de fugas, la contaminación acústica y una eficiencia energética pobre.

Algunas de las máquinas hidráulicas y casos en que se utilizan son:

- Máquinas herramienta (prensas, máquinas de flexión, máquinas de esquila, etc.)

- La industria del plástico (moldeo por inyección, máquinas de moldeo por golpe, etc.)

- La industria del acero (plantas de fundición continua, trenes de laminación, etc.)

- Máquinas de la minería y forestales

- Centrales de potencia

- Maquinaria del papel

- Procesamiento de caucho

Esta breve lista pone de manifiesto tanto el uso universal de los equipos hidráulicos, así como la extensión de su uso en la ingeniería industrial.

La solución completa para el control del movimiento

Muchas máquinas y sistemas requieren diferentes tipos de equipos que trabajen juntos de una manera coordinada. B&R proporciona un concepto que recoge la precisa coordinación de un sistema multi-ejes (motores síncronos y asíncronos, motores eléctricos lineales, ejes hidráulicos, motores paso a paso, etc.) a través de acoplamientos por levas electrónicas.
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Los sistemas de automatización de B&R pueden alcanzar tiempos de ciclo de 200 microsegundos.

Algoritmos especiales de control

En un equipo hidráulico lineal con un servo o con una válvula proporcional se observan diversos comportamientos no lineales:

- La ganancia de la velocidad depende de la dirección del movimiento cuando se utilizan cilindros diferenciales.

- La ganancia de la velocidad depende de las diferencias de presión en la válvula.

- Comportamiento no lineal en la curva característica de la válvula (la superposición, errores en el punto cero, pendientes variables, etc.).

- Alto grado de la fricción.

- Las frecuencias resonantes del equipo dependen de su posición.

- La amortiguación depende en gran medida de la temperatura debido a la viscosidad del aceite.

Así, si se emplea un lazo de control de posición sin tener en cuenta la dinámica de la válvula, la función de transferencia linealizada será un sistema de segundo orden con un retraso en el integrador. Y, debido al comportamiento no lineal, los parámetros de la función de transferencia (ganancia, frecuencia de resonancia, y amortiguación) no son constantes, sino que dependen del estado de funcionamiento. Si un controlador lineal convencional se utiliza con parámetros constantes, por ejemplo, del tipo PID, entonces la dinámica del circuito cerrado dependerá también del funcionamiento. Las consecuencias negativas de esto son que este controlador se comporta bien para algunos estados de funcionamiento, pero se pasa o se queda corto en ganancia para algunos otros estados, provocando demasiados errores que reducen la dinámica y la precisión. Los algoritmos especialmente adaptados en la librería de control hidráulico de B&R compensan el comportamiento crítico no lineal de la planta. Una configuración de parámetros del controlador, por lo tanto, ofrece resultados óptimos para todos los estados de funcionamiento. Esto eleva el rendimiento y permite ahorrar tiempo durante la puesta en servicio.

Con todo, el diseño de esta solución ofrece a los clientes varias ventajas como son un aumento de la calidad de los productos y de la productividad de la máquina a través de un alto rendimiento y una gran precisión en el control hidráulico. También permite la adaptación optimizada de los equipos a la configuración de la máquina.

- Estructura de programación libre.

- Potente capacidad de diagnóstico gracias a la integración completa en Automation Studio.

- Ahorro de costes a través de la integración del software (Control secuencial, control de bucles, visualización, etc.) en un procesador.

La elaboración de un bucle de control de posición para equipos hidráulicos incluida la linealización de válvulas es fácil y permite una exposición clara.