controlador de un elevador con el plc s7-200 (7)
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CAPITULO 1. Introducción ................................................................................................... 3
1.1 Resumen ....................................................................................................................... 3
1.2.- Antecedentes .............................................................................................................. 4
1.2.1.- Componentes de un ascensor .............................................................................. 5
1.2.2.- Funcionamiento ................................................................................................... 9
1.3 Justificación ................................................................................................................ 10
1.4 Objetivos ..................................................................................................................... 11
CAPITULO 2. Características de los motores de paso ........................................................ 12
2.1 Introducción ................................................................................................................ 12
2.1.1 Interacción de los Campos Flexibles ................................................................... 13
2.1.2 Aspectos constructivos ........................................................................................ 13
2.1.3 Características Mecánicas.................................................................................... 17
2.1.4 Características desfavorables de los motores pasó a paso. .................................. 18
2.1.5 Formas de Alimentación ...................................................................................... 20
2.2 Manual para el uso de un motor de pasos. .................................................................. 21
2.2.1 Principio de funcionamiento ................................................................................ 22
2.2.2 Secuencias para manejar motores paso a paso Bipolares .................................... 25
2.2.3 Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares .................................. 26
2.2.4 Una referencia importante ................................................................................... 29
2.2.5 Identificando los cables en Motores P-P Bipolares ............................................. 31
CAPITULO 3. Características del Sistema de Control ........................................................ 32
3.1 Tableros de control ..................................................................................................... 32
3.1.1 Tablero de control interno ........................................................................... 32
3.1.2 Tablero de control externo .................................................................................. 34
3.1.3 Tablero de control de mantenimiento .................................................................. 35
3.2 Sensores de control .................................................................................................... 37
3.3 Funcionamiento que se desea que tenga el elevador ............................................ 37
CAPITULO 4. Circuitería y diseño electrónico ................................................................... 39
4.1 PLC S7-200 .......................................................................................................... 40
4.2 Etapa de Potencia........................................................................................................ 42
4.2.1 L297 .............................................................................................................. 42
4.2.2 IRFZ44N ....................................................................................................... 44
4.2.3 74LS47 ......................................................................................................... 45
4.2.4 LM324 .......................................................................................................... 46
4.2.5 MRD300 ....................................................................................................... 47
4.2.6 H21B1 ........................................................................................................... 47
4.3 Fuentes de Voltaje ...................................................................................................... 48
4.3.1 Transformador ..................................................................................................... 49
4.3.2 Puente de diodos rectificadores ........................................................................... 49
4.3.3 Reguladores de voltaje......................................................................................... 50
CAPITULO 5. Programación ............................................................................................... 51
5.1 Diagrama de Flujo ...................................................................................................... 52
5.2 Tablas ......................................................................................................................... 53
5.2.1 Temporizadores ................................................................................................... 53
5.2.2 Contadores ........................................................................................................... 55
5.2.3 Marcas ................................................................................................................. 58
5.2.4 Localidades de Memoria ..................................................................................... 59
2
5.3 Programa ..................................................................................................................... 59
5.3.1 Inicio del programa .............................................................................................. 60
5.3.2 Almacenamiento en las localidades de Memoria ................................................ 61
5.3.3 Lógica con los pisos intermedios......................................................................... 62
5.3.4 Señales a los Motores .......................................................................................... 64
Conclusiones ......................................................................................................................... 67
Apéndice A: Hojas de datos ................................................................................................. 69
Bibliografía ........................................................................................................................... 77
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CAPITULO 1. Introducción
1.1 Resumen
Conforme la sociedad ha ido creciendo y desarrollándose ha descubierto que una de
las cosas mas importantes es la comodidad con el consiguiente ahorro de tiempo y esfuerzo,
por eso el invento de los elevadores, mecanismos encargados de transportar personas y no
solo el ahorro de que las personas caminen, si no también en lo indispensable de
transportar personas incapacitadas, sobre todo en lugares en los que estas personas se
encuentran solas.
Aunque el sistema desarrollado en ésta tesis no tiene mucho de innovador, se
decidió trabajar sobre él porque requiere subsistemas tanto mecánicos como eléctricos y
electrónicos, lo cual representó un reto que enriquece nuestra formación profesional. Cabe
señalar que la parte de la programación tuvo mínimas complicaciones gracias a lo sencillo
que es de manejar el programa V3.1 STEP 7 MicroWIN SP2 y lo eficaz del PLC S7-200.
El modo de controlar los motores y de poder tener la lectura de donde se encontraba
el elevador fue obtenido de trabajos anteriores de la universidad, otro de los motivos por el
cual se decidió utilizar los motores de pasos y no uno de corriente directa que nos
demandaba diseñar un controlador PID.
Por último debido al hecho de que en el PLC entre más largo sea el programa más
lenta es su forma de transmisión de datos, se decidió utilizar una frecuencia externa para
tener una mayor eficiencia en el movimiento de cajón del elevador.
Los ascensores o elevadores empezaron como simples cuerdas o cadenas a modo de
montacargas. Un ascensor es básicamente una plataforma que es empujada o jalada por
medios mecánicos. La estructura física de un elevador para transportar personas consta de
una cabina, que se desliza por unas guías muy parecidas a los rieles de trenes, colgada por
unos cables de una polea superior y equilibrada con un contrapeso. Se mueve con un motor
eléctrico.
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Capitulo 1. Introducción
La cabina del elevador debe ser diseñada, en tamaño, de modo que no quepan en
ella más personas de aquéllas cuyo peso es capaz de mover.
1.2.- Antecedentes
El primer ascensor fue desarrollado por Arquímedes en el año 236 a.C., que
funcionaba con cuerdas y poleas.
Para acceder al Monasterio de San Barlaam, en Grecia, construido sobre altas
cumbres, se usaron montacargas para uso de personas y suministros, donde la fuerza motriz
era provista aún por los hombres.
A pesar de que las grúas y ascensores primitivos, accionados con energía humana y
animal o con norias de agua, el ascensor moderno es en gran parte un producto del siglo
XIX. La mayoría de los elevadores del siglo XIX eran accionados por una máquina de
vapor, ya fuera directamente o a través de algún tipo de tracción hidráulica.
En 1835 se utilizó el ascensor movido por una máquina a vapor para levantar cargas
en una fábrica de Inglaterra. Diez años más tarde, William Thompson diseñó el primer
ascensor hidráulico, que utilizaba la presión del agua corriente.
En el año de 1853, Elisha Graves Otis, construyó un montacargas dotado de un
dispositivo de seguridad tal que al cortarse el cable de tracción, la cabina quedaba detenida.
Su invento fue presentado en la Feria del Palacio de Cristal de Nueva York y ganó la
confianza del público al permitir que cortaran intencionalmente el cable del montacargas
con el Sr. Otis en su interior (figura 1.1). Este fue el principio del transporte de personas.
En 1857, Otis instaló el primer ascensor para pasajeros del mundo, en una tienda de
Nueva York, movido por una máquina de vapor a una velocidad de 0,2 m/seg.
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Capitulo 1. Introducción
En la figura 1.2 se muestra la patente del elevador de Elisha Otis.
Figura 1.1 Primer Elevador Figura 1.2 Diagrama de la patente
con freno
1.2.1.- Componentes de un ascensor
Los principales componentes de un ascensor son:
Caja: es el recinto o espacio que en un edificio o estructura, se destina para
emplazar el ascensor. También se lo denomina hueco o pasadizo. (figura 1.3)
Cuarto de Máquinas: es el local destinado a alojar la maquinaria motriz, tableros y
demás implementos que gobiernan el funcionamiento de un ascensor. (figura 1.4)
Coche: conjunto formado por el bastidor, la cabina, plataforma y accesorios que se
desliza sobre las guías principales (figura1.5).
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Capitulo 1. Introducción
Figura 1.3. Diagrama de la caja o hueco.
Figura 1.4 Diagrama del cuarto de Máquinas
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Capitulo 1. Introducción
El Cuarto de Máquinas será construido con materiales no combustibles y el lado
mínimo no será inferior a 2,20 m.
La ventilación será natural y permanente ya sea por vanos laterales colocados en
zonas opuestas o vano lateral y cenital (claraboya).
Al frente y atrás del tablero de maniobras, el ancho mínimo de paso es 0,70 m.
En la figura 1.5 se muestra el corte de elevación y las diferentes medidas que se
tienen entre cada piso y también todo lo que debe llevar en si.
Figura 1.5 Diagrama General
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Capitulo 1. Introducción
También se deben tener otros componentes existentes como lo son las puertas
externa (de rellano) e interna (de cabina).
Existen distintos tipos de puertas. La más tradicional, la de "tijera", prohibida para
el rellano a partir del año 1972, es aún vista en muchos edificios. Por tal razón es aquí más
necesario el uso de la pantalla de defensa en el coche o guardapiés pues su misión es
justamente proteger el pie de las personas, especialmente el de los niños que por
imprudencia o descuido atraviesan sus miembros inferiores por las puertas de rellano.
La separación entre puertas enfrentadas de cabina y de rellano no será mayor que
0,15 m. La violación a esta norma ha dado origen a muchos accidentes fatales como
consecuencia de imprudencia de jóvenes que han encontrado en ese reducto un lugar
apropiado para jugar a las escondidas sin medir las consecuencias que al cerrar las puertas,
el ascensor se pone en marcha al llamado de cualquier piso.
Las puertas, tanto de de rellano como de la cabina, pueden ser de varias secciones.
Las más comunes y tradicionales se muestran en la figura 1.6.
Figura 1.6 Puertas de rellano y cabina
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Capitulo 1. Introducción
Existen otro componente no menos importante que los demás, como lo son los
operadores de control, los cuales son:
Operador Interno
Operador Externo
Operador de Cabezal
Operador interno o botonera interna es aquella que se encuentra situada dentro de la
cabina y es capaz de recibir una o más peticiones a la vez. En ella se encuentran botones
como el número de piso, parada de emergencia, entre otros.
Operador externo es el par de botones que se encuentran en cada piso.
Operador de cabezal es aquel al que sólo tiene acceso el personal de mantenimiento
y tiene la característica de poder provocar un paro general, ya sea para reparación,
mantenimiento u en algún tipo de emergencia.
1.2.2.- Funcionamiento
Un ascensor moderno consiste en una cabina sujeta por una armadura ó chasis que se
mueve verticalmente (o casi verticalmente) por un hueco dispuesto dentro o en la parte
exterior de un edificio y movido por un motor, que antiguamente fue de vapor.
El elevador deberá tener los siguientes requisitos para tener un buen desempeño o
funcionamiento:
• El elevador cuenta con un sistema de control electrónico que gobierna el
funcionamiento general del equipo atendiendo a normas de seguridad.
• La cabina se pondrá en marcha sólo si las puertas se encuentran perfectamente
cerradas y trabadas y la tecla de PARADA DE EMERGENCIA en posición
desactivada.
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Capitulo 1. Introducción
• El controlador interrumpe automáticamente cualquier maniobra que no pueda ser
ejecutada en un tiempo predeterminado.
• Para utilizar el elevador, presione el Pulsador externo de LLAMADA.
• Si la cabina se encuentra a nivel del piso desde donde se ejecuta la llamada,
el pulsador de LLAMADA estará apagado indicando que se encuentra en
condiciones de servicio.
• Si la cabina no se encuentra a nivel de piso desde donde se ejecuta la
llamada, la luz roja del pulsador estará encendida. La cabina acudirá al piso
de llamada y la luz roja del pulsador se apagará indicando que puede
proceder a abrir la puerta y hacer uso del elevador.
• Presionando el Pulsador interno de MARCHA la cabina se pondrá en movimiento y se
detendrá al finalizar la orden indicada. Para abandonar el elevador empuje la puerta
hacia afuera.
1.3 Justificación
Gran parte por la que se decidió elaborar este proyecto, es el hecho de buscar una
aplicación que requiera del mayor numero de entradas, salidas, memorias, contadores, etc.
del PLC, esto para ver el desarrollo práctico y la eficiencia que tiene el PLC S7-200.
El elevador se acomodó de la forma adecuada a la demanda que buscábamos
obtener del PLC. Se sabe que la lógica de programación de un elevador es muy compleja,
ese es uno de los motivos por el cual se decidió utilizar el lenguaje KOP (escalera) del PLC,
puesto que se nos facilitaba más el manejo de éste lenguaje. Otro de los motivos por el cual
se decide utilizar el PLC S7-200 y no otros sistemas de controladores es porque requiere,
poca etapa de potencia para el control de dispositivos externos, puesto que el propio PLC
soporta corrientes de hasta 1 ampere en salidas con relevador y si son salidas con transistor
soporta hasta 0.3 amperes; en cuanto a niveles de voltaje puede manejar salidas de 30 volts
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Capitulo 1. Introducción
c.d. y hasta 240 volts en c.a., con esto se reduce de manera importante la parte de la
circuitería externa para la elaboración del elevador.
Es importante señalar que uno de nuestras motivaciones principales es el hecho de
desarrollar un sistema de uso común en el mundo como lo es el elevador, teniendo en
cuenta que la lógica que maneja es elaborada por nuestro criterio, respetándose claramente
los sistemas que ya se conocen en los diseños de elevadores, pero no con el
comportamiento exacto, porque creemos que no hay dos elevadores de diferentes empresas
que lleven la misma lógica. Ya obteniendo el resultado que se quería, fue de gran
motivación para nosotros el hecho de haber implementado el control de un elevador, lo que
consideramos un punto muy importante en nuestro currículo tanto personal como laboral.
1.4 Objetivos
1 Diseñar y construir un elevador en base a la programación KOP del PLC S7-200.
2 Diseñar la circuitería adecuada para que la interfase entre el PLC y el elevador
permita el intercambio de información entre ambos.
3 Diseñar el control de movimiento de un elevador.
4 Utilizar el PLC S7-200 como enlace entre la computadora y el elevador.
5 Programar el control del elevador para que sea capaz de atender las instrucciones
de servicio que sean requeridas, tener la capacidad de poder ofrecer lo que es más
cómodo para el usuario tanto en tiempo como en selección de pisos y tener un
panel de fácil manejo para el mantenimiento que el elevador requiera durante su
vida de uso.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
CAPITULO 2. Características de los motores de paso
2.1 Introducción
En muchas ocasiones se hace necesario convertir una energía eléctrica en otra
mecánica; cuando dicha energía mecánica se requiere en forma rotacional, un motor es el
elemento ideal para tal conversión.
Cuando se requiere un control preciso de la trayectoria a seguir por la mano o
herramienta de un robot manipulador, es más sencillo y económico usar motores paso a
paso que servomotores de c.c. con realimentación. Se obtienen una elevada exactitud y una
muy buena regulación de la velocidad, aunque su mayor inconveniente es su no muy
elevada velocidad angular o de giro.
Sus principales aplicaciones se pueden encontrar en robótica, tecnología
aeroespacial, gobierno de discos duros y flexibles en sistemas informáticos, manipulación y
posicionamiento de piezas y herramientas en general.
El motor de paso a paso es un elemento capaz de transformar pulsos eléctricos
(información digital) en movimientos mecánicos. El eje del motor gira un determinado
ángulo por cada impulso de entrada. El resultado de este movimiento, fijo y repetible, es un
posicionamiento preciso y fiable.
Un motor de paso a paso puede girar, en ambos sentidos, un número exacto de
grados, con incrementos mínimos determinados por el diseño.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
2.1.1 Interacción de los Campos Flexibles
El principio de funcionamiento de los motores de paso a paso es muy sencillo. Se
basa en las fuerzas de atracción y repulsión ejercidas entre polos magnéticos.
Teniendo en cuenta que los polos magnéticos del mismo signo se repelen, si los
bobinados del estator 1, se alimentan de tal manera que éste se comporta como un polo
norte y el estator 2 como un polo sur, el rotor imantado (imán permanente), si es
giratorio, se mueve hasta alcanzar la posición de equilibrio magnético, como se muestra en
la figura 2.1.
Figura 2.1. Polaridad de los bobinados
Si cambiamos por algún método, al alcanzar el rotor la posición de equilibrio que el
estator cambie la orientación de sus polos, aquél tratará de buscar la nueva posición de
equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un
movimiento giratorio y continuo del rotor. El rotor girará 180º cada vez que cambian las
condiciones.
2.1.2 Aspectos constructivos
Para permitir una mejor resolución por paso, se añaden más polos al estator; además
en dichos polos se mecanizan una serie de dientes, al igual que en el rotor.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
La construcción de un motor práctico consiste en un estator de dos electroimanes
con un número n de pares de polos cada uno. Los polos norte y sur de cada uno están
desplazados entre sí medio paso polar, al tiempo que entre los dos electroimanes existe un
desplazamiento de un cuarto de paso polar, entre polos del mismo nombre.
El rotor de imán permanente se magnetiza con el mismo número de polos de uno de
los electroimanes del estator. La interacción entre los polos del estator y los del rotor hace
que, al aplicarse dos ondas cuadradas, desfasadas un cuarto de período entre sí, a las dos
bobinas de los electroimanes, el rotor gire un cuarto de paso polar por cada cambio de
polaridad de la tensión aplicada a las bobinas. Así, para un motor con doce pares de polos
por bobina del estator, se producirán 48 pasos con doce pares de polos por bobina del
estator, se producirán 48 pasos por revolución, es decir,7,5º por paso (paso polar, 360/12=
30).
Los valores de ángulos más corrientes se muestran en la figura 2.2:
Figura 2.2. Ángulos más corrientes.
Los tipos de motores paso a paso son tres:
1º. De imán permanente:
Está formado por un estator de forma cilíndrica, con un cierto número de bobinados
alimentados en secuencia, que crean un campo magnético giratorio de manera discontinua.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
El rotor, concéntrico con el estator y situado sobre el eje, contiene un imán permanente
magnetizado, que en cada instante tenderá a alinearse con el campo magnético creado.
Su principal ventaja es que su posicionamiento no varía aun sin excitación y en
régimen de carga debido a la atracción entre el rotor y los entrehierros del estator.
2º. De reluctancia variable.
El estator presenta la forma habitual, con un número determinado de polos
electromagnéticos. Sin embargo, el rotor no es de imán permanente sino que está formado
por un núcleo de hierro dulce de estructura cilíndrica pero con un cierto número de dientes
tallados longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral.
Cuando una corriente circula a través del bobinado apropiado, se desarrolla un
momento que hace que el rotor gire a la posición en la cual la reluctancia del circuito sea
mínima. Cuando se hace pasar una corriente a través de otro bobinado, el punto de
reluctancia mínima se genera en otra posición, produciendo el giro del rotor a esa nueva
posición.
En la figura 2.3 y 2.4 se muestra un motor de paso a paso de reluctancia variable,
constituido por tres devanados, E1, E2 y E3, excitados secuencialmente y por un rotor con
cuatro dientes, D1,D2,D3 y D4.
Cuando el primer arrollamiento E1, recibe alimentación, atraerá al rotor hasta que el
diente más cercano, por ejemplo, D1, se alinee con el campo. Al llegar la excitación a E2,
el diente D2 será el más próximo, con lo que el rotor girará 30º. De la misma forma, con el
siguiente impulso aplicado a E3, será el diente D3 el alineado, girando otros 30º.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
Al restituir la alimentación a E1, el atraído será D4, con lo que se vuelve a avanzar un
ángulo similar a los anteriores.
La principal ventaja es su elevada velocidad de accionamiento. Y su principal
desventaja es que en condiciones de reposo (sin excitación) el rotor queda en libertad de
girar y, por tanto, su posicionamiento en régimen de carga dependerá de su inercia y no será
posible predecir el punto exacto de reposo.
Figura 2.3. Excitación de los devanados.
Figura 2.4. Excitación de los devanados 2.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
3º. Híbridos.
Son combinación de los dos tipos anteriores; el rotor suele estar constituido por
anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos
anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. Se obtienen importantes
pares de accionamiento, un gran número de pasos por vuelta y una frecuencia de trabajo
elevada.
2.1.3 Características Mecánicas
Par dinámico o de trabajo:
Es el momento máximo que el motor es capaz de desarrollar sin perder paso, es
decir, sin dejar de responder a algún impulso de excitación del estator y dependiendo, de la
carga.
El fabricante ofrece las curvas denominadas de arranque sin error y que relaciona el
par en función del número de pasos.
Par de mantenimiento:
Es el par requerido para desviar, en régimen de excitación, un paso el rotor cuando
la posición anterior es estable; es mayor que el par dinámico y actúa como freno para
mantener el rotor en una posición estable dada.
Par de detención:
Es un par de freno que, siendo propio de los motores de imán permanente, es debido
a la acción del rotor cuando los devanados estatóricos están desactivados.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
Estos momentos se expresan en mili newton por metro.
Momento de inercia del rotor:
Es su momento de inercia asociado que se expresa en gramos por centímetro
cuadrado.
Ángulo de paso:
Avance angular producido bajo un impulso de excitación, o sea, los grados de cada
paso.
Números de pasos por vuelta:
Es la cantidad de pasos que ha de efectuar el rotor para realizar una revolución
completa.
Frecuencia de paso máxima:
Es el máximo número de pasos por segundo que el rotor puede efectuar
obedeciendo a los impulsos de control.
2.1.4 Características desfavorables de los motores pasó a paso.
Rango de velocidad limitada:
El bobinado del estator constituye una carga inductiva, que limita la velocidad de
conmutación de la corriente del bobinado. Además el magnetismo remanente del rotor crea
una caída de tensión inductiva que agrava la conmutación.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
Estos efectos limitan la máxima velocidad con que el motor puede moverse, pero
pueden mejorarse considerablemente utilizando un adecuado control de corriente.
Resonancia:
La característica no amortiguada de un motor paso a paso hace que trabajando con
pasos incrementales pequeños el motor se mueva bruscamente. Con cada paso se provoca
unas subidas de tensión que se amortiguan poco a poco.
Si la frecuencia del paso se hace igual a la frecuencia propia de oscilación del motor
éste, inevitablemente, se pondrá en oscilación no amortiguada, con lo cual el eje se moverá
enérgicamente en vaivén. Se han desarrollado dispositivos amortiguadores mecánicos para
conseguir un movimiento más suave, pero estas cargas permanentes en el eje hacen,
normalmente, que la eficiencia del motor paso a paso, que es de sí muy baja, caiga por
debajo de niveles aceptables.
La mejora se consigue en un movimiento lineal si la forma de operación es por
micros pasos, de forma que puede utilizarse una serie de engranajes para transferir la
potencia del motor.
Baja eficiencia:
Un motor paso a paso activado disipa una gran cantidad de energía en la parte
resistiva de los arrollamientos del estator. Si se mantiene estacionario el eje, la resistencia
es el factor limitador de la corriente de perdidas; también el par (momento de torsión) a la
velocidad crítica es necesariamente alto. Los circuitos basados en excitación por corriente
mejoran la característica dinámica de los estos motores en cierta medida pero,
desafortunadamente, las fuentes de corriente lineales tienen un rendimiento francamente
bajo.
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Capitulo 2. Características de los motores de paso
Si se usan fuentes de corriente conmutadas de alto rendimiento, evitamos los
problemas anteriores. La intensidad que atravesará los arrollamientos del estator es
totalmente programable, el diseñador puede conseguir reducir significativamente la
disipación total del motor parado.
Resolución limitada:
Los motores paso a paso se clasifican según el número de pasos que es capaz de dar
por revolución (vuelta). Usando el modo de micro pasos, esta especificación no tiene
mucha importancia y un motor de tipo específico puede, por lo tanto, funcionar mucho
mejor de lo que esta especificación indica.
2.1.5 Formas de Alimentación
De acuerdo con sus características, la alimentación requiere ciertas consideraciones
a tener en cuenta según los distintos métodos:
A tensión fija:
Cuando un motor paso a paso se alimenta a tensión constante, el par decrece al
aumentar la frecuencia de paso; ello es debido al aumento de las fuerzas
contraelectromotrices, produciéndose simultáneamente una pérdida de potencia útil por el
retardo que sufre el aumento de corriente hasta alcanzar su valor máximo.
A corriente constante:
Si el inconveniente anterior se trata de paliar con un aumento de la tensión de
alimentación, la corriente de excitación aumentará creando problemas de disipación de
calor, llegando incluso a la destrucción del motor.
21
Capitulo 2. Características de los motores de paso
El sistema de corriente constante mantiene la corriente media a un valor fijo,
mediante el troceado de la corriente de entrada, conectando y desconectando la
alimentación. Este método es muy adecuado en aplicaciones que requieren aceleraciones
rápidas o cambios de frecuencia.
A dos niveles de tensión:
Consiste en aplicar una tensión elevada durante los avances de paso para, una vez
sacado del reposo el rotor, disminuir la tensión a un nivel considerablemente más bajo; con
ello se consigue una reducción de la potencia disipada y un aumento del par en el arranque.
Este método es ideal para aquellas aplicaciones donde la separación entre pasos sea
elevada, reduciendo, por tanto, la potencia consumida y pudiendo conservar el par de
mantenimiento.
2.2 Manual para el uso de un motor de pasos.
Figura 2.5. Forma física de un motor de pasos
Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde
se requieren movimientos muy precisos.
22
Capitulo 2. Características de los motores de paso
La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a
la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños
movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y
200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.
Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o
bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará
enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si
no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
2.2.1 Principio de funcionamiento
Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que
van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras
bobinadas en su estator.
Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la
conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un
controlador.
Figura 2.6. Imagen del rotor
23
Capitulo 2. Características de los motores de paso
Figura 2.7. Imagen de un estator de 4 bobinas
Existen dos tipos de motores paso a paso de imán permanente:
Figura 2.8 Figura 2.9
Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida (ver figura 2.8).
Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de
dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada
para realizar un movimiento. En figura 2.10 podemos apreciar un ejemplo de
control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge). Como se
aprecia, será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor, es decir que para
24
Capitulo 2. Características de los motores de paso
controlar un motor Pasó a Paso de 4 cables (dos bobinas), necesitaremos usar dos
H-Bridges iguales al de la figura 3 . El circuito de la figura 3 es a modo ilustrativo y
no corresponde con exactitud a un H-Bridge. En general es recomendable el uso de
H-Bridge integrados como son los casos del L293 (ver figura 2.10 bis).
Figura 2.10
Figura 2.10 bis.
25
Capitulo 2. Características de los motores de paso
Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su
conexionado interno (ver figura 2.9). Este tipo se caracteriza por ser más simple de
controlar. En la figura 2.11 podemos apreciar un ejemplo de conexionado para
controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es
una array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta
500mA. Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente
activadas por un microcontrolador, un circuito integrado programable (PIC), o un
controlador lógico programable (PLC).
Figura 2.11
2.2.2 Secuencias para manejar motores paso a paso Bipolares
Como se dijo anteriormente, estos motores necesitan la inversión de la corriente que
circula en sus bobinas en una secuencia determinada. Cada inversión de la polaridad
provoca el movimiento del eje en un paso, cuyo sentido de giro está determinado por la
secuencia seguida.
A continuación se puede ver la tabla 2.2.2.1 con la secuencia necesaria para
controlar motores paso a paso del tipo Bipolares:
26
Capitulo 2. Características de los motores de paso
Tabla 2.2.2.1. Secuencia para motor Bipolar
PASO TERMINALES
A B C D
1 +V -V +V -V
2 +V -V -V +V
3 -V +V -V +V
4 -V +V +V -V
2.2.3 Secuencias para manejar motores paso a paso Unipolares
Existen tres secuencias posibles para este tipo de motores, las cuales se detallan a
continuación. Todas las secuencias comienzan nuevamente por el paso 1 una vez alcanzado
el paso final (4 u 8). Para revertir el sentido de giro, simplemente se deben ejecutar las
secuencias en modo inverso.
Secuencia Normal: Esta es la secuencia más usada y la que generalmente
recomienda el fabricante. Con esta secuencia el motor avanza un paso por vez y debido a
que siempre hay al menos dos bobinas activadas, se obtiene un alto torque de paso y de
retención.
Figura 2.12 Secuencia normal.
PASO Bobina
A
Bobina
B
Bobina
C
Bobina
D
1 ON ON OFF OFF
2 OFF ON ON OFF
3 OFF OFF ON ON
4 ON OFF OFF ON
27
Capitulo 2. Características de los motores de paso
Secuencia del tipo wave drive: En esta secuencia se activa solo una bobina a la
vez. En algunos motores esto brinda un funcionamiento más suave. La contrapartida es que
al estar solo una bobina activada, el torque de paso y retención es menor.
PASO Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
1 ON OFF OFF OFF
2 OFF ON OFF OFF
3 OFF OFF ON OFF
4 OFF OFF OFF ON
Figura 2.13 Secuencia del tipo wave drive
Secuencia del tipo medio paso: En esta secuencia se activan las bobinas de tal
forma de brindar un movimiento igual a la mitad del paso real. Para ello se activan primero
2 bobinas y luego solo 1 y así sucesivamente. Como vemos en la tabla la secuencia
completa consta de 8 movimientos en lugar de 4.
28
Capitulo 2. Características de los motores de paso
PASO Bobina
A
Bobina
B
Bobina
C
Bobina
D
1 ON OFF OFF OFF
2 ON ON OFF OFF
3 OFF ON OFF OFF
4 OFF ON ON OFF
5 OFF OFF ON OFF
6 OFF OFF ON ON
7 OFF OFF OFF ON
8 ON OFF OFF ON
Figura 2.14 Secuencia de medio pasó.
29
Capitulo 2. Características de los motores de paso
Como comentario final, cabe destacar que debido a que los motores paso a paso son
dispositivos mecánicos y como tal deben vencer ciertas inercias, el tiempo de duración y la
frecuencia de los pulsos aplicados es un punto muy importante a tener en cuenta. En tal
sentido el motor debe alcanzar el paso antes que la próxima secuencia de pulsos comience.
Si la frecuencia de pulsos es muy elevada, el motor puede reaccionar en alguna de las
siguientes formas:
Puede que no realice ningún movimiento en absoluto.
Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar.
Puede girar erráticamente.
O puede llegar a girar en sentido opuesto.
Para obtener un arranque suave y preciso, es recomendable comenzar con una
frecuencia de pulso baja y gradualmente ir aumentándola hasta la velocidad deseada sin
superar la máxima tolerada. El giro en reversa debería también ser realizado previamente
bajando la velocidad de giro y luego cambiar el sentido de rotación.
2.2.4 Una referencia importante
Cuando se trabaja con motores P-P usados o bien nuevos, pero de los cuales no
tenemos hojas de datos. Es posible averiguar la distribución de los cables a los bobinados y
el cable común en un motor de paso unipolar de 5 o 6 cables siguiendo las instrucciones
que se detallan a continuación:
Figura 2.15. Motores P-P con 5 cables. Figura 2.16. Motores P-P con 6 cables.
30
Capitulo 2. Características de los motores de paso
1. Aislando el cable(s) común que va a la fuente de alimentación: Como se
aprecia en las figuras anteriores, en el caso de motores con 6 cables, estos poseen dos
cables comunes, pero generalmente poseen el mismo color, por lo que lo mejor es unirlos
antes de comenzar las pruebas.
Usando un tester para chequear la resistencia entre pares de cables, el cable común
será el único que tenga la mitad del valor de la resistencia entre ella y el resto de los cables.
Esto es debido a que el cable común tiene una bobina entre ella y cualquier otro
cable, mientras que cada uno de los otros cables tiene dos bobinas entre ellos. De ahí la
mitad de la resistencia medida en el cable común.
2. Identificando los cables de las bobinas (A, B, C y D): aplicar un voltaje al cable
común (generalmente 12 volts, pero puede ser más o menos) y manteniendo uno de los
otros cables a masa (GND) mientras vamos poniendo a masa cada uno de los demás cables
de forma alternada y observando los resultados.
El proceso se puede apreciar en la figura 2.17:
Seleccionar un cable y conectarlo a masa. Ese
será llamado cable A.
Manteniendo el cable A conectado a masa,
probar cuál de los tres cables restantes provoca
un paso en sentido anti horario al ser conectado
también a masa. Ese será el cable B.
Manteniendo el cable A conectado a masa,
probar cuál de los dos cables restantes provoca
un paso en sentido horario al ser conectado a
masa. Ese será el cable D.
El último cable debería ser el cable C. Para
comprobarlo, basta con conectarlo a masa, lo que
no debería generar movimiento alguno debido a
que es la bobina opuesta a la A.
Figura 2.17. Identificación de cables de las bobinas.
31
Capitulo 2. Características de los motores de paso
Nota: La nomenclatura de los cables (A, B, C, D) es totalmente arbitraria.
2.2.5 Identificando los cables en Motores P-P Bipolares
Para el caso de motores paso a paso bipolares (generalmente de 4 cables de salida),
la identificación es más sencilla. Simplemente tomando un tester en modo ohmetro (para
medir resistencias), podemos hallar los pares de cables que corresponden a cada bobina,
debido a que entre ellos deberá haber continuidad (en realidad una resistencia muy baja).
Luego solo deberemos averiguar la polaridad de la misma, la cual se obtiene fácilmente
probando. Es decir, si conectado de una manera no funciona, simplemente damos vuelta los
cables de una de las bobinas y entonces ya debería funcionar correctamente. Si el sentido de
giro es inverso a lo esperado, simplemente se deben invertir las conexiones de ambas
bobinas y el H-Bridge.
Para recordar
Un motor de paso con 5 cables es casi seguro de 4 fases y unipolar.
Un motor de paso con 6 cables también puede ser de 4 fases y unipolar, pero con 2
cables comunes para alimentación. pueden ser del mismo color.
Un motor de pasos con solo 4 cables es comúnmente bipolar.
32
CAPITULO 3. Características del Sistema de Control
Como ya se había mencionado anteriormente, el elevador cuenta con tres tableros de
control, uno en el interior del elevador, otro en cada piso y un tercero que se encuentra
situado en el cuarto de máquinas.
Otro tipo de control que se tiene se da mediante sensores ópticos como el H21B1,
los cuales fueron colocados en cada piso, así como en la parte superior de la puerta del
elevador.
Otro tipo de sensores ópticos que se utilizaron son los MRD300 los cuales se
colocaron en la parte inferior de la puerta del elevador.
3.1 Tableros de control
3.1.1 Tablero de control interno
Este se encuentra situado en el interior de la cabina y cuenta con botones
indicadores de piso (piso 1, piso 2, etc.), botón de alarma, entre otros que a continuación se
mencionarán.
1. Botón seleccionador de piso: Estos botones (P1, P2, P3, P4) como su nombre lo
indica, es el encargado de dar la orden hacia el piso que se quiere ir. Estos botones
han sido numerados del uno al cuatro dependiendo el piso al que quiera ir el
usuario.
2. Botón de Alarma: En caso de que suceda algún problema, al oprimir éste botón se
manda una señal al tablero de control de mantenimiento para dar aviso del
malfuncionamiento del elevador.
33
Capitulo 3. Características del sistema de control
3. Botón de Puerta: Este interruptor (Puerta Abierta) permite al usuario dejar la puerta
abierta el tiempo que éste quiera. Este tipo de interruptores útil en los hoteles en
playas, o en hospitales ya que algunas veces se necesita de más tiempo para subir al
ascensor del permitido por la misma programación del elevador.
4. Display: Este componente mostrará el piso en el que se encuentra la cabina del
elevador.
Los componentes del tablero de control interno anteriormente mencionados se muestran
en la figura 3.1.
Figura 3.1 Panel de control interno
34
Capitulo 3. Características del sistema de control
3.1.2 Tablero de control externo
Este tipo de tablero es colocado o situado en cada piso, pero difieren los tableros de
pisos intermedios de los pisos superior e inferior, ya que éste tipo de tablero nos da la
instrucción de si lo que se quiere es subir o bajar.
Tablero de control externo para pisos superior o inferior
Este tablero sólo cuenta con un botón, para el piso uno o inferior sólo se requiere ir
hacia arriba y no hacia abajo, para el piso cuatro o superior es el caso opuesto ya que lo
único que se puede hacer es bajar.
Tablero de control externo para pisos intermedios
Este tablero cuenta con dos botones:
1. Botón hacia arriba: Este botón se encarga de dar la instrucción de que lo que se
quiere es subir.
2. Botón hacia abajo: Este botón se encarga de dar la instrucción de que lo que se
quiere es bajar.
Estos botones se encuentran en la parte exterior frontal del elevador, éste tipo de
botones se encuentran en cada piso.
Los componentes antes mencionados se encuentran en la figura 3.2.
35
Capitulo 3. Características del sistema de control
Figura 3.2 Panel de control externo intermedio
3.1.3 Tablero de control de mantenimiento
Este tablero cuenta con los mismos botones que el tablero de control interno, sólo que
éste cuenta con un botón más el cual es:
36
Capitulo 3. Características del sistema de control
Botón de paro General: Este interruptor (Inicio) es usado para mantenimiento o para
solucionar algún problema o malfuncionamiento del elevador. Cabe destacar que a este
tablero sólo tiene acceso el personal de mantenimiento.
Los componentes del tablero de mantenimiento, anteriormente mencionado, se
muestran en la figura 3.2.
Figura 3.3 Panel de control de mantenimiento
37
Capitulo 3. Características del sistema de control
3.2 Sensores de control
Los sensores que utilizamos son de tipo ópticos, ya que gracias a ellos se puede dar
el control para detener la cabina en cada piso, así como para indicar el piso en el que se
encuentra la cabina mediante una simple interrupción, la indicación de piso en el que se
encuentra el ascensor será mostrado por un display de 7 segmentos, instalados uno en cada
piso y en el tablero de control interno.
Se cuenta también con dos sensores ópticos H21B1 más, estos son para el control
de la puerta de la cabina, se colocó uno en la parte superior derecha para indicar si la
puerta se encuentra cerrada, otro más para al abrir la puerta y tocar el sensor se detuviera y
tener una apertura de puerta uniforme.
También se utilizaron dos sensores ópticos MRD300, uno colocado en el exterior de
la puerta y otro en el interior de la cabina. Estos sensores tienen dos fines, el primero para
saber si se encuentran personas interrumpiendo la señal la puerta deberá permanecer abierta
hasta que ambos sensores dejen de ser interrumpidos.
El otro fin es tener el control de personas, es decir, se debe de tener un máximo de
cupo, el cual se controlará por estos sensores, si se interrumpe primero el sensor exterior y
después el interior incrementará la cuenta, por lo contrario, si toca primero el sensor interior
y después el exterior decrementa.
3.3 Funcionamiento que se desea que tenga el elevador
El funcionamiento del elevador básicamente sigue los siguientes puntos:
Cuando se selecciona algún piso, se enciende una luz en el piso indicándole que
va a tener parada en ese piso, esto porque hay condiciones en las que si el
elevador esta en uso no atenderá algunas instrucciones.
38
Capitulo 3. Características del sistema de control
Una vez que llega al piso seleccionado se apagara la luz.
Se puede dar la instrucción de ir al piso que desee dentro del elevador, en
nuestro caso tenemos piso 1, piso 2, piso 3 y piso 4, fuera de cada piso habrá
botones indicando si se quiere subir o se desea bajar, esto solo será en los pisos
2 y 3, en el piso 1 solo habrá opción de subir y en el piso 4 la de bajar.
Una de las instrucciones mas importantes que atiende el elevador es que si una
persona quiere subir (ej. Del piso 1 al 4) y en los pisos intermedios también se le
pide subir, y el elevador no ha pasado este piso, entonces el elevador se detendrá
por la persona (no atendiendo el piso al que desea ir) el elevador solo atiende
que la persona quiere subir y cuando deje de hacerlo si la persona que pidió en
el piso intermedio subir no deseaba ir a ese piso, entonces ya podrá ejecutar una
instrucción indicándole al elevador a donde desea subir. Por otro lado es igual si
el elevador va a bajar (ej. Del piso 4 al 1), y los pisos intermedios piden bajar,
entonces también atenderá a estos haciendo una parada en estos pisos, pero no
podrán dar una instrucción hasta que el elevador deje de bajar, si no es el piso al
que deseaba ir la persona de los pisos intermedios entonces ya detenido el
elevador podrá darle una instrucción al elevador.
Es posible almacenar a la memoria del PLC otras instrucciones importantes y
frecuentes en el uso de los elevadores. Como es el caso de un poco de ahorro de
tiempo, este elevador atiende la instrucción de que si una persona quiere subir
(ej. Del piso 1 al 3), y en un piso intermedio se desea bajar, entonces el elevador
almacenará esa instrucción en la memoria del PLC y en el momento en que deje
de subir, entonces el elevador regresara por la persona que desea bajar y podrá
atender su instrucción sin ningún problema, esto también es posible en el caso
contrario, en el que si una persona desea bajar (ej. Del piso 3 al 1), y en un piso
intermediario se desea subir, entonces primero cumple la primera petición de
bajar hasta donde se le haya indicado y ya después regresara por la persona que
desea subir.
Un display externo en cada piso, y uno interno en la cabina del elevador indica
en que piso se encuentra el elevador, sin importar que este se encuentre en
movimiento.
39
CAPITULO 4. Circuitería y diseño electrónico
En el control del elevador mecánico se requiere tener la circuitería que controle a
los motores, y a su vez, dichos circuitos necesitan de una fuente de voltaje la cual será la
encargada de suministrar la energía necesaria así como a los motores.
Así mismo se requiere una etapa que se encargue de la comunicación entre los
sensores ópticos colocados en cada piso del elevador, el programa y los circuitos de control
de motores. Para esto se utilizó el PLC S7-200 de Siemens, debido a sus características y a
su fácil comunicación con el programa STEP 7 Micro/WIN SP2.
El PLC S7-200 comprende diversos sistemas de automatización pequeños (Micro-
PLCs) que se pueden utilizar para numerosas tareas. Gracias a su diseño compacto, su
capacidad de ampliación, su bajo costo y su amplio juego de operaciones, los Micro-PLCs
S7-200 son especialmente apropiados para solucionar tareas de automatización sencillas.
En nuestro caso, fue sencillo adaptarnos al esquema que nos requería el PLC,
porque como ya se ha comentado se nos ahorra gran parte de circuitería por la comodidad
que otorga el controlador, una ves mas esta es una justificación por la que se decide utilizar
el PLC S7-200 y no otro tipo de controles comerciales como algún PIC (circuito integrado
programable). El esquema de conexión se muestra a continuación en la figura 4.1.
Los diagramas de conexiones son expuestos en la misma parte en la que son
mencionados, esto para la comodidad de alguien que quiera consultar o tenga alguna duda
de las conexiones utilizadas en esta tesis.
40
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
Figura 4.1 Diagrama a bloques de conexión del sistema
4.1 PLC S7-200
EL Micro-PLC S7-200 es un equipo autónomo compacto que incorpora una unidad
central de procesamiento (CPU), una fuente de alimentación, así como entradas y salidas
digitales.
El sistema se controla mediante entradas y salidas (E/S). Las entradas vigilan las
señales de los dispositivos de campo (ej. sensores e interruptores), mientras que las salidas
supervisan las bombas, motores u otros aparatos del proceso. Se dispone de entradas
Alimentación
de
Sensores
Sensores
PLC S7-200
Programa en STEP 7
Micro/WINsP2.
Controlador de
Motores
Y
Etapa de Potencia
Elevador
Mecánico
Alimentación de
Motores y
Controladores
41
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
y salidas integradas (en la CPU), así como de E/S adicionales (en los módulos de
ampliación).
Éste CPU 224 puede ampliarse hasta 7 módulos, cada módulo consta de 8 salidas y
8 entradas, como se muestra en la figura 3.2.
Figura 4.2 CPU S7-200
Tabla 4.1 Programación de puertos de entrada del PLC S7-200
Entrada Función I0.0 INICIO
I0.1 BOTON PISO 1
I0.2 BOTON PISO 2
I0.3 BOTON PISO 3
I0.4 BOTON PISO 4
I0.5 BOTON SUBE DEL PISO 2
I0.6 BOTON SUBE DEL PISO 3
I0.7 BOTON BAJA EN EL PISO 2
I1.0 BOTON BAJA EN EL PISO 3
I5.0 SENSOR DEL PISO 1
I5.1 SENSOR DEL PISO 2
I5.2 SENSOR DEL PISO 3
I5.3 SENSOR DEL PISO 4
I5.4 SENSOR DE LA PUARTA ABIERTA
I5.5 SENSOR DE LA PUERTA PARA QUE ABRA Y CUENTE 1
I5.6 SENSOR DE LA PUERTA PARA QUE CUENTE 2
42
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
Tabla 4.2 Programación de puertos de salida del PLC S7-200
4.2 Etapa de Potencia
En la etapa de potencia se involucran a todos los elementos y dispositivos que se
requieren para el control de los motores, también se involucran las fuentes de voltaje que
suministran energía a todo el sistema. Dichas fuentes además de suministrar energía a los
motores suministran a los controladores y a los sensores.
Los motores de paso llegan a consumir una cantidad de corriente considerable, es
por eso, que se ocupa un diseño basado en el circuito integrado L297.
Como se sabe, existen dos tipos de motores de paso, unipolar y bipolar. Debido a
que utilizamos motores de paso unipolares, tendremos que utilizar el transistor Mosfet
IRFZ44N como etapa de potencia para completar el diseño ya antes mencionado.
4.2.1 L297
El circuito integrado L297 es un controlador para motores de pasos, el cual genera
cuatro señales de fase que pueden ser utilizados en motores de paso bipolares y en motores
de paso unipolares. Una de sus características principales es que se puede generar una
Salida Función Q0.0 LUZ DEL PISO 1
Q0.1 LUZ DEL PISO 2
Q0.2 LUZ DEL PISO 3
Q0.3 LUZ DEL PISO 4
Q2.0 FRECUENCIA
Q2.1 ENABLE DEL MOTOR
Q2.2 ACTIVA EL MOTOR
Q2.4 A DEL DISPLAY 1
Q2.5 B DEL DISPLAY 1
Q2.6 C DEL DISPLAY 1
43
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
secuencia de medio paso, modo normal y a paso completo y debido a la salida PWM se
puede permitir el control de corriente en las bobinas.
El rasgo de éste dispositivo es que sólo requiere el reloj, dirección y señales de
entrada de modo de operación, debido a que la fase es generada internamente.
Algunas de las características del circuito integrado L297 son:
Modo de operación de onda completa y normal.
Modo de operación de medio paso y paso completo.
Control de dirección en sentido horario y antihorario.
Regulación de corriente.
Corriente de carga programable.
Pocos componentes externos.
Entradas de control (reset, home y enable).
Este circuito debe complementarse con los transistores tipo Mosfet, los cuales
sirven como etapa de potencia para los motores. En la figura 3.3 se muestra el diagrama de
conexiones.
También se requiere de un arreglo de resistencia y capacitor, el cual nos permite
controlar el reloj interno del circuito. (Véase Apéndice A para hoja de datos).
44
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
Figura 4.3 Diagrama de conexiones para el control del Motor
4.2.2 IRFZ44N
El transistor IRFZ44N es de tipo canal n, es mejorado por el poder de efecto de
campo nivelado normal en un encapsulado plástico que usa la tecnología ‘trench’. El
dispositivo ofrece la resistencia de estado muy baja y tiene diodos zener integrados que dan
protección de ESD a 2kV. Fue pensado para el uso en los suministros de poder de modo
cambiados y el propósito general que cambian las aplicaciones.
Éste transistor se caracteriza por tener un diodo entre la compuerta de drenaje (D) y
la compuerta Fuente (S). (Véase Apéndice A para hoja de datos).
Tabla 4.3 Diagrama de Pines
PIN DESCRIPCION
1 Gate
2 Drain
3 Source
Tab Drain
45
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
Figura 4.4 Símbolo Figura 4.5 Configuración de Pines
4.2.3 74LS47
El circuito integrado 74ls47 es un decodificador BCD de 7 segmentos de colector
abierto que acepta cuatro líneas de datos de entrada en BCD, genera sus complementos
internamente y descifra los datos con siete AND/OR que tienen los rendimientos del
colector abierto para manejar el indicador de segmentos directamente.
Cada rendimiento del segmento garantiza 24 mA. en estado ON (LOW) y resiste
15V en el estado OFF (HIGH) de 250A. Las entradas auxiliares proporcionan borrado.
Algunas características son:
Salidas de colector abierto.
El indicador de paso segmenta directamente.
Entrada de prueba de lámpara.
Este circuito al conectarse con un display de 7 segmentos nos permite ver la señal
de salida, mediante un arreglo sencillo, como se muestra en la figura 3.6. (Véase Apéndice
A para hoja de datos).
46
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
+V5V
74LS47A3A2A1A0
testRBI
gfedcba
RBO
U1
abcdefg.
V+
DISP1
100
220
220
220
Figura 4.6 Diagrama de conexión del CI 74LS47
4.2.4 LM324
EL circuito integrado LM324 consiste en cuatro amplificadores operacionales
independientes, son amplificadores operacionales de alta ganancia en un solo substrato
monolítico. Un condensador en cada uno de los amplificadores proporciona la
remuneración de la frecuencia para el aumento de la unidad.
Estos dispositivos se diseñan especialmente para funcionar desde fuentes solas o
duales, y la gama diferenciada del voltaje es igual a la energía proveída por el voltaje. El
drenado de energía bajo un voltaje del modo común de la entrada se extienden de 0V a V+
-1.5V (solo provee la operación) hacen estos dispositivos convenientes para el
funcionamiento por batería. (Véase Apéndice A para hoja de datos).
Algunas aplicaciones son:
Sumadores.
Osciladores.
Multivibradores.
Multiplicadores.
47
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
4.2.5 MRD300
El fototransistor MRD300 está diseñado para aplicaciones que requieren radiación
sensible y características estables. (Véase Apéndice A para hoja de datos).
Algunas características son:
El diseño del empaquetado está diseñado para un fácil manejo y adaptación.
Corriente mínima de 4mA.
Pin-Base externo para agregar control.
Algunas aplicaciones son:
Conmutación óptica.
Contadores.
Transformación industrial y control.
Moduladores ligeros.
Lector de posición.
4.2.6 H21B1
El H21B1 consiste en un diodo que emite infrarrojo del arseniuro de galio junto con un
photodarlington de silicio en una cubierta plástica. El sistema de empaquetado se diseña
para optimizar la resolución mecánica, la eficacia que se junta, el rechazamiento ligero
ambiental, el coste y la confiabilidad. El boquete en la cubierta provee de los medios de
interrumpir la señal con un material opaco, cambiando la salida de "on" a un estado de
"off".
Tabla 4.4 Diagrama de Pines Figura 4.7 Diagrama esquemático.
Pin 1 Ánodo
Pin 2 Cátodo
Pin 3 Colector
Pin 4 Emisor
48
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
La implementación de éste sensor fue indispensable para el buen funcionamiento del
elevador, debido a que sin éstos no habría sido posible la atención a las llamadas. El
circuito correspondiente a éste sensor se muestra en la figura 4.8. (Véase Apéndice A para
hoja de datos).
Figura 4.8 Diagrama del sensor
4.3 Fuentes de Voltaje
Las fuentes de voltaje constituyen una parte importante del proyecto de tesis, ya que
se encargan de suministrar energía a todo el sistema.
Se requirieron varias fuentes de voltaje para alimentar a los motores, circuitos
integrados y sensores.
Dichas fuentes poseen varios elementos característicos, como son:
Transformador
Puente de diodos rectificadores
Regulador de voltaje
49
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
4.3.1 Transformador
El transformador que vamos a utilizar debe tener la función de reducir el voltaje de
la línea de 120 [Vca] a 12 [Vcda]. Antes de escoger el transformador a utilizar debemos de
tomar en cuenta la corriente que se requiere.
Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción
electromagnética y están constituidos por dos o más bobinas devanadas sobre un núcleo
cerrado de hierro dulce.
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las
variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético
variable dependiendo de la frecuencia de la corriente.
4.3.2 Puente de diodos rectificadores
La conversión de corriente alterna a corriente directa necesaria para alimentar a los
circuitos se lleva a cabo mediante el proceso de rectificación. El circuito rectificador de
onda completa se compone de 4 diodos rectificadores conectados en forma de puente. Esta
configuración permite utilizar el total de la señal de entrada.
En éste circuito, los diodos, D1 y D3 son polarizados en sentido directo en el
semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 son polarizados en sentido inverso.
Figura 4.9 Circuito rectificador de onda
50
Capitulo 4. Circuitería y diseño electrónico
La salida tiene la forma de una onda rectificada completa. Esta salida es pulsante y
para hacerla más lineal o para evitar el rizo se coloca un capacitor en paralelo con la carga.
4.3.3 Reguladores de voltaje
Después de rectificar la corriente alterna, se requiere limitar el voltaje de salida,
para ello se utilizan reguladores de voltaje. Estos dispositivos se encargan de entregar a la
salida un voltaje constante, independientemente de las variaciones que tenga la entrada.
Las fuentes que se utilizaron para alimentar los dispositivos, fueron diseñadas con el
regulador LM317T, cuya característica es una salida variable entre 1.2 [Vcd] y 28 [Vcd].
La selección de voltaje se realiza con un potenciómetro en la terminal de ajuste del
dispositivo.
Las fuentes diseñadas con éste tipo de reguladores poseen transistores que permiten
incrementar el consumo de corriente.
51
CAPITULO 5. Programación
El control del elevador se realiza mediante el editor V3.1 STEP 7 MicroWIN SP2
(figura 5.1), utilizando el diagrama KOP (diagrama escalera o símbolos eléctricos), existen
otros 2 tipos de de diagramas eléctricos como los son el AWL (lista de instrucciones) y el
FUP (símbolos lógicos).
Figura 5.1 Editor STEP 7 MicroWIN SP2
El editor funciona mÁs que nada como el enlace entre el programa y el PLC, tanto
las entradas y salidas se pueden ver en la computadora y determinar que contactos se van
cerrando o el tiempo que lleva un timer trabajando, esto facilita mucho el modo de
operación, porqué es fácil saber la causa de que exista un error o qué es lo que esta fallando
en los contactos físicos (sensores, botones, interruptores, etc.).
52
Capitulo 5. Programación
5.1 Diagrama de Flujo
B2.-Botón 2; MB2.- Marca de Botón 2; BS2.-Botón Sube 2; S2.-Sensor 2
B3.-Botón 3; MB3.- Marca de Botón 3; BB2.-Botón Baja 2; S3.-Sensor 3
B4.-Botón 4; MB4.- Marca de Botón 4; S1.-Sensor 1; S4.-Sensor 4
53
Capitulo 5. Programación
5.2 Tablas
En el programa se usaron distintas funciones y muchos componentes como lo son
timers, contadores, memorias del PLC, etc. Estas instrucciones facilitaron el modo de
programación y nos ayudaron a controlar con mayor precisión el elevador, y no tener que
lidiar con un set de instrucciones muy prolongado.
5.2.1 Temporizadores
Los temporizadores (timers) son registros cuyo contenido se incrementa o
decrementa en el transcurso del tiempo, en el caso del diagrama tipo KOP existen 3 tipos de
temporizadores:
1. TON: Conteo sin retención y sin memorización, retardo en bajo.
2. TOF: Conteo sin retención y sin memorización, retardo en alto.
3. TONR: Conteo sin retención y con memorización, retardo en bajo.
Es importante señalar que todos los timers cuentan hacia arriba, esto porque hay
algunos PLCs que tienen timers que cuentan hacia abajo. En el caso de los timers TON y
TONR, cuando se esta llevando a cabo el conteo, el nivel del timer es bajo y sin retención,
una vez que alcanza el tiempo que se desea este se pone en nivel alto. Podemos ver un
ejemplo de timer tipo TON en la figura 5.2 la cual muestra a un timer que se pondrá en
nivel alto al momento de llegar a los 5 seg.
54
Capitulo 5. Programación
Figura 5.2 Timer tipo TON
A continuación se muestran las tabla 5.1 y 5.2 con los tipos de timers que se pueden
utilizar y la resolución que tienen.
Timers TONR.
Tabla 5.1 Timers tipo TONR
Resolución en mSeg. Máximo valor en Seg. Timers disponibles
1 32.767 T0, T64
10 327.67 T1 al T4 y del T65 al T68
100 3276.7 T5, T31, T69 al T95
Timers TON y TOF.
Tabla 5.2 Timers tipo TON y TOF
Resolución en mSeg. Máximo valor en Seg. Timers disponibles
1 32.767 T32, T96
10 327.67 T33 al T36 y del T97 al
T100
100 3276.7 T37 al T63 y del T101 al
T255
A continuación se muestra en la tabla 5.3, los timers que fueron utilizados en
nuestro programa, en esta tabla se puede ver en los comentarios para que son utilizados los
timers y de que tipo son, en nuestro caso utilizamos puro timer tipo TON.
55
Capitulo 5. Programación
Tabla 5.3 Timers utilizados en el programa del elevador
NOMBRE DIRECCIÓN COMENTARIO
TIMER_MEM T33 TIMER TIPO TON CON RES DE 10 mSEG PARA DETENERSE EN EL PISO
TIMER_MEM2 T34 TIMER TIPO TON CON RES DE 10 mSEG PARA DETENER EL TIMER ANTERIOR
TIMERP T32 TIMER TIPO TON RESOLUCION 1 m PARA CERRAR LA PUERTA
TIMER_LUZ T35 TIMER TIPO TON CON RES DE 10mSEG PARA LA LUZ DEL ELEVADOR
TIMER_FREC T96 TIMER TIPO TON CON RES DE 1mSEG
TIMER2 T97 TIMER TIPO TON CON RES 10 mSEG PARA LAS SEGUNDAS INSTRUCCIONES
TIMER3 T98 TIMER TIPO TON CON RES 10mSEG PARA LAS SEGUNDAS INSTRUCCIONES
TIMER4 T99 TIMER TIPO TON CON RES 10mSEG PARA EL RESET INTERMEDIO
5.2.2 Contadores
Un contador es un registro cuyo contenido se incrementa o decrementa al ocurrir un
evento o cumplirse una condición. En nuestro caso existen tres tipos de contadores que son:
CTU: Es un contador que incrementa su registro, necesita una condición para poder
contar, un valor para el reset del contador y el ultimo dato indica el valor el cual
Cuando sea alcanzado pondrá en alto el nivel del contador, esto se muestra el la figura 5.3.
Figura 5.3. Contador tipo CTU
56
Capitulo 5. Programación
CTD: Este contador decrementa su registro, es necesario indicar el valor inicial en
el que se desea que empiece a contar, en el momento en que el conteo es cero, se
activan los contactos del contador, como se muestra en la figura 5.4
Figura 5.4. Contador tipo CTD
CTUD: Este contador es capaz tanto de incrementar, como decrementa su registro,
es necesario poner la condición de conteo hacia arriba, como la condición para que
cuente hacia abajo, también la condición de reset y el valor que activa los contactos
del contador, como se muestra en la figura 5.5.
57
Capitulo 5. Programación
Figura 5.5. Contador CTUD
A continuación en la tabla 5.4 se muestra los contadores que fueron utilizados en el
programa, en nuestro caso solo se necesito 1 contador tipo CTUD para medir la
cantidad de peso en numero de personas que iban ingresando al elevador
Tabla 5.4 Contador tipo CTUD utilizado en nuestro programa.
NOMBRE DIRECCIÓN COMENTARIO
CONTADOR C10 CONTADOR CTUD PARA LAS PERSONAS QUE ENTRAN Y SALEN
58
Capitulo 5. Programación
5.2.3 Marcas
Las marcas son simplemente un tipo de bandera (registro), de 1 bit que puede
almacenar información importante para el programa. Sus contactos se activan con un set y
se ponen en bajos con un reset.
La tabla 5.5 muestra las marcas utilizadas en nuestro programa, es importante leer
los comentarios para poder comprender bien porque fueron utilizadas, como el hecho de
dejar activado un botón con el solo hecho de oprimirlo una vez.
Tabla 5.5 Contenido de las marcas en el programa del elevador.
NOMBRE DIRECCIÓN COMENTARIO
MS1 M1.0 MARCA DEL SENSOR 1
MS2 M1.1 MARCA DEL SENSOR 2
MS3 M1.2 MARCA DEL SENSOR 3
MS4 M1.3 MARCA DEL SENSOR 4
MBA1 M1.4 MARCA DEL BOTON 1
MBA2 M1.5 MARCA DEL BOTON 2
MBA3 M1.6 MARCA DEL BOTON 3
MBA4 M1.7 MARCA DEL BOTON 4
SUBE M4.0 EL ELEVADOR SUBE
BAJA M4.1 EL ELEVADOR BAJA
MBS2 M2.0 MARCA DE BOTON SUBE DEL SEGUNDO PISO
MBB2 M2.1 MARCA DE BOTON BAJA DEL SEGUNDO PISO
MBS3 M2.2 MARCA DE BOTON SUBE DEL TERCER PISO
MBB3 M2.3 MARCA DE BOTON BAJA DEL TERCER PISO
ABRE M4.2 LA PUERTA ABRE
CIERRA M4.3 LA PUERTA CIERRA
59
Capitulo 5. Programación
5.2.4 Localidades de Memoria
Las localidades de memoria fueron utilizadas en nuestro caso simplemente para guardar un
número de un byte, y poder atender las segundas opciones que el usuaria requería, claro
está que hay ciertas restricciones que ya fueron mencionadas en el capitulo 3, las
localidades de memoria utilizadas en nuestro programa se muestran en la tabla 5.6.
Tabla 5.6 Localidades de memoria utilizadas en el programa.
NOMBRE DIRECCIÓN COMENTARIO
MEM_PISO VB100 MEMORIA PARA LOS PISOS
MEM_REGISTRO VB103 MEMORIA QUE GUARDA LAS INDICACIONES
MEM2_REGISTRO VB104 MEMORIA QUE GUARDA LAS INDICACIONES 2
MEM2_PISO VB106 MEMORIA PARA LOS PISOS 2
MEM3_PISO VB107 MEMORIA PARA LOS PISOS 3
MEM3_REGISTRO VB108 MEMORIA QUE GUARDA LAS INDICACIONES 3
MEM_ATIENDE VB109 MEMORIA QUE GUARDA INDICACIONES INVERSAS
MEM2_ATIENDE VB110 MEMORIA QUE GUARDA INDICACIONES INVERSAS 2
MEM3_ATIENDE VB111 MEMORIA QUE GUARDA INDICACIONES INVERSAS 3
MEMORIA2 VB114 MEMORIA PARA ATENDER PISOS 2
5.3 Programa
Mostraremos una parte del programa solamente en este impreso de la tesis, esto por
la complejidad que tiene el programa completo, puesto que nos ocuparía gran parte del
documento, en caso de que se quiera consultar el programa es posible en la dirección de la
unidad de ingeniería eléctrica en el programa de comunicaciones y electrónica, cabe
mencionar que es posible que para algunas personas sea mas importante algunos segmentos
que los que se mencionan aquí en el impreso, pero creemos que lo mencionado aquí es
importante para la comprensión del programa del elevador.
60
Capitulo 5. Programación
5.3.1 Inicio del programa
En este segmento se muestra el inicio del programa como lo es el almacenamiento
de las instrucciones de botones como de sensores, cabe destacar que los símbolos ya fueron
explicados en la tabla de entradas y salidas en el capitulo de circuitería.
Lenguaje KOP
61
Capitulo 5. Programación
Lenguaje AWL
NETWORK 1 //SET DE LOS SENSORES
//
LD INICIO
LPS
A S1
S MS1, 1
LRD
A S2
S MS2, 1
LRD
A S3
S MS3, 1
LPP
A S4
S MS4, 1
NETWORK 2 //SET DE LOS BOTONES
//
LD INICIO
LPS
A B1
S MBA1, 1
LRD
A B2
S MBA2, 1
LRD
A B3
S MBA3, 1
LPP
A B4
S MBA4, 1
5.3.2 Almacenamiento en las localidades de Memoria
En lo personal creemos que la forma de almacenar en las localidades de memoria es
importante mencionarlo en el contenido de este documento, porque es algo muy útil que
puede permitir ahorrar mucho espacio en el programa.
62
Capitulo 5. Programación
Lenguaje KOP
Lenguaje AWL
NETWORK 7 //COMBINACIONES DEL 1 AL 3
//
LD INICIO
AB= MEMORIA, 0
AB= MEMORIA2, 0
AB= MEM_PISO, 13
LPS
A MBS2
MOVB 1, MEM_REGISTRO
LPP
A MBB2
MOVB 2, MEM_ATIENDE
5.3.3 Lógica con los pisos intermedios
Como ya se señaló en la capítulo de control, hay cierta lógica que se maneja con los
pisos intermedios, aquí hay un ejemplo de cómo se pensó algunas de esas combinaciones.
Hay que dejar en claro que el timer que aquí aparece solo se utilizó para hacer las pruebas
de si el elevador estaba atendiendo esas peticiones, ya en el programa final se controla por
medio de la puerta.
63
Capitulo 5. Programación
Lenguaje KOP
Lenguaje AWL
NETWORK 13 //SI VA DEL 1 AL 3 Y QUIERE SUBIR EN EL
2
//
LD INICIO
AB= MEM_REGISTRO, 1
A S2
AW>= TIMER_MEM, +5
AW<= TIMER_MEM, +550
R SUBE, 1
64
Capitulo 5. Programación
NETWORK 14 //SI VA DEL 1 AL 4 Y QUIERE SUBIR EN EL
2, EN EL 3 O EN AMBOS
//
LD INICIO
LPS
AB= MEM_REGISTRO, 3
A S2
AW>= TIMER_MEM, +1
AW<= TIMER_MEM, +500
R SUBE, 1
LRD
LDB= MEM3_REGISTRO, 1
OB= MEM_REGISTRO, 5
ALD
A S3
AW>= TIMER_MEM, +1
AW<= TIMER_MEM, +500
R SUBE, 1
LPP
AB= MEM3_REGISTRO, 3
A S2
AW>= TIMER_MEM, +1
AW<= TIMER_MEM, +500
R SUBE, 1
5.3.4 Señales a los Motores
Por último mostramos el pequeño programa que se hizo para controlar los motores
de pasos, es importante señalar que aquí se maneja una salida de frecuencia, la cual al final
del trabajo fue reemplazada por una fuente de frecuencia externa, esto porque el programa
era muy extenso y hacía que la frecuencia fuera muy baja.
65
Capitulo 5. Programación
Lenguaje KOP
Lenguaje AWL
NETWORK 47 //FRECUENCIA PARA EL MOTOR
//
LD INICIO
AN TIMER_FREC
TON TIMER_FREC, +22
NETWORK 48 //SE MANDA LA FREC
//
LD INICIO
AW<= TIMER_FREC, +11
= FRECUENCIA
66
Capitulo 5. Programación
NETWORK 49 //EL MOTOR SUBE Y BAJA
//
LD INICIO
LPS
A SUBE
AN BAJA
S CW, 1
LPP
A BAJA
AN SUBE
R CW, 1
NETWORK 50 //HABILITA EL ENABLE
//
LD INICIO
LD SUBE
O BAJA
ALD
= ENABLE
67
Conclusiones
El elevador esta diseñado para soportar la mayoría de las demandas que pueden ser
requeridas por el usuario, creemos que es muy útil en ciudades grandes en donde la gente
vive en departamentos y tienen su elevador propio, diseñado para atender las primeras
opciones y dejar fuera las secuencias de “juegos” que nunca faltan en este tipo de
mecanismos.
Los sensores fueron de gran ayuda para la localización del elevador y el movimiento
de los motores aunque en un principio se tuvo problemas para poder controlarlos; se logró
finalmente con ayuda de nuestros asesores controlar sin problema y quedando satisfechos
de haber decidido utilizarlos.
Para programar con el V3.1 STEP 7 MicroWIN SP2 fue necesario desarrollar
primero un algoritmo y un diagrama de flujo, gracias a esto no se complicó tanto la
programación, aún teniendo en cuenta que el programa quedó muy extenso y si no se
hubiera tenido un objetivo claro seguramente se hubiera complicado la programación y con
esto hubiera sido más prolongado el trabajo.
Sabemos que se pueden hacer muchas mejoras sobre el elevador, una de las más
importantes en nuestro punto de vista sería el modo de implementar un mecanismo de
seguridad, el cual respaldé cualquier accidente que pudiera ocurrir en caso de que se
desprendiera la banda que sostiene el elevador. Otra mejora que se podría adaptar sería ver
cuales son las instrucciones más solicitadas y hacer el respaldo en la memoria para que
ahorre tiempo a los usuarios.
Si se desea retomar en un futuro esta tesis, hacemos la recomendación de que midan bien el
peso que se desea mover, que la estructura sea fabricada de una manera en la que se pueda
acceder fácilmente porque puede haber algunas fallas a la hora de montar la
68
Conclusiones
circuitería y de no ser fácil el acceso vendrían más complicaciones que podrían cambiar de
alguna forma el modo de operación del elevador.
Por último nos gustaría señalar que lo que nos presentó más problemas fue el
sistema mecánico, el hecho de cómo mover el elevador y la puerta mas rápido, esto es
porque quizás no se tiene el conocimiento necesario en estos sistemas, como el manejo de
trenes de engranes, o el poder implementar algún sistema hidráulico, componentes que
podrían incorporarse en una siguiente etapa, trabajando conjuntamente con un tesista o
asesor de Ingeniería Mecánica, o bien que se ofrecieran materias optativas de mecánica y
neumática para facilitar la elaboración de este tipo de tesis.
69
Apéndice A. Hojas de datos
Apéndice A: Hojas de datos
HOJAS DE DATOS DE LOS SIGUIENTES CIRCUITOS.
1.- IRFZ44N
2.- L297
3.- DM74SL47
3.- LM324
4.- LM741
5.- H21B1
5.- LM555
70
Apéndice A. Hojas de datos
71
Apéndice A. Hojas de datos
72
Apéndice A. Hojas de datos
73
Apéndice A. Hojas de datos
LM324
74
Apéndice A. Hojas de datos
75
Apéndice A. Hojas de datos
76
Apéndice A. Hojas de datos
77
Bibliografía
http://www.proyectosalonhogar.com/El_porque_de_las_cosas/historia_del_ascensor
.htm (diciembre del 2006, consulta de la historia del ascensor).
http://www.construir.com/ECONSULT/C/Consulta/Val/document/ascensor.htm (diciembre del 2006, consulta de las partes de un ascensor)
http://www.autur.com/pdf/AF_ficha_PTA_AUTO.pdf ( Consulta para la introducción de motores de paso, diciembre 2006)
http://es.wikipedia.org/wiki/Ascensor (Consulta básica para la elaboración de un
ascensor, diciembre 2006)
Ramírez Ezquivel, Ozziel Esaú. Tesis Tele operación para un robot manipulador.
UAZ. 2006. (Consulta para el diagrama de los motores de paso)
Villela Varela, Rafael. Notas del Curso de Controladores Lógicos Programables.
UAZ, Semestre Enero-Junio 2006.
http://www.todorobot.com.ar/informacion/tutorial%20steppers/stepper_tutorial.htm
(Manual para los motores de paso, Enero 2007)
Manual del PLC S7-200 Programmable Controller de SIEMENS edición 2000.