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Este proyecto de investigación describe la implementación de un módulo didáctico para prácticas de control de movimiento utilizando servo drives y plc. El objetivo es proporcionar a los estudiantes una experiencia práctica y profunda en el control de sistemas automatizados, crucial para su formación profesional en el campo de la automatización industrial. El documento detalla la metodología de desarrollo, la selección de componentes, la programación del plc y el diseño de la interfaz hmi. Además, se presentan ejemplos de uso y configuración del módulo didáctico, así como los resultados obtenidos en las pruebas de funcionamiento.
Tipo: Tesis
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Abstract The project "Implementation of a Didactic Module using Servo Drive and PLC for Motion Control Practices" aims to develop an advanced educational system for motion control training within the Automation and Instrumentation Technology program. This didactic module is designed to provide students with hands-on experience in the configuration and programming of servo drives and programmable logic controllers (PLC). The implementation of the module addresses the lack of adequate didactic material, allowing students to experiment with control systems in a simulated environment that replicates real industry situations. Through direct interaction with the system, students will be able to understand and apply theoretical concepts more effectively, developing practical skills essential for their professional future. In addition, the module will facilitate the visualization of complex motion control principles, improving the quality of learning and motivating students to delve deeper into the subject. The project includes the collection of information on the necessary elements, the development and programming of the didactic module, and the creation of an operation and functional testing manual, in order to strengthen technical training and prepare students to face challenges in the field of automation. Keywords: Servo drives, PLC, motion control, industrial automation, technical education.
1. Contenidos generales 1.1. Tema Implementación de un módulo didáctico mediante servo drive y PLC para prácticas de control de movimiento. 1.2. Antecedentes El presente trabajo de integración curricular se centra en la implementación de un módulo didáctico avanzado que utiliza servo drives y PLC para la enseñanza práctica de control de movimiento. Este módulo está diseñado específicamente para el aprendizaje de los estudiantes del programa de Tecnología Superior en Automatización e Instrumentación. La inclusión de este módulo en el currículo tiene como objetivo proporcionar a los estudiantes una experiencia educativa práctica y profunda en el control de sistemas automatizados, crucial para su formación profesional en el campo de la automatización industrial [1] El módulo didáctico permitirá a los estudiantes realizar prácticas que simulan situaciones reales en el control de la posición de servomotores, ajustando sus posiciones y velocidades en respuesta a señales de control. La programación del Controlador Lógico Programable (PLC) será esencial para este proceso [2], ya que el PLC se encargará de ejecutar las instrucciones necesarias para el control preciso del servo drive, que a su vez regula el movimiento del motor. Esta interacción entre el PLC y el servo drive permite a los estudiantes experimentar con la configuración y programación de sistemas de control, desarrollando habilidades prácticas que son fundamentales en la industria [3] De esta manera, el proyecto no solo facilita el control y monitoreo del movimiento de un servomotor en tiempo real, sino que también ofrece una visión práctica de procesos industriales significativos. Al trabajar con un sistema que replica situaciones reales, los estudiantes podrán observar y analizar el comportamiento del sistema en distintas condiciones, lo que les proporciona una comprensión más completa de cómo se gestionan y controlan los sistemas de movimiento en entornos industriales reales. Este enfoque práctico permite una integración efectiva de
1.4 Justificación La falta de material didáctico adecuado para el control de movimiento de servomotores en la carrera de Tecnología Superior en Automatización e Instrumentación limita significativamente la efectividad del aprendizaje y la enseñanza. Esta carencia afecta tanto a la calidad de la educación que reciben los estudiantes como a la capacidad de los docentes para proporcionar una formación práctica integral. Para abordar este problema, se propone la creación de un módulo didáctico que permita el control y la supervisión del movimiento de servomotores, lo cual representa una solución clave para mejorar el proceso educativo. La implementación de este módulo didáctico permitirá a los estudiantes visualizar y comprender con mayor claridad los conceptos teóricos relacionados con el control de movimiento. Al interactuar directamente con el sistema, los estudiantes podrán aplicar la teoría en un entorno práctico, lo que facilitará una comprensión más profunda de los principios y técnicas de control de servomotores. Según [1]. "la integración de herramientas prácticas en el currículo educativo mejora significativamente la comprensión de los conceptos técnicos al permitir a los estudiantes experimentar y aplicar directamente lo aprendido" (p. 117). Además, la posibilidad de manipular y ajustar el sistema en tiempo real servirá como una fuente de motivación adicional para los estudiantes. La experiencia práctica no solo refuerza el aprendizaje teórico, sino que también incentiva un mayor interés y compromiso con el material. Como destacan Li y Chen [3], "el aprendizaje práctico no solo ayuda a consolidar los conocimientos teóricos, sino que también despierta la curiosidad y la motivación en los estudiantes, lo que conduce a un mayor entusiasmo por explorar y entender nuevas tecnologías" (p. 89). La creación de un módulo didáctico que facilite el control de servomotores representa una solución fundamental para mejorar la calidad del aprendizaje en la carrera de Automatización e Instrumentación. Este módulo no solo fortalecerá la comprensión de los conceptos teóricos, sino que también proporcionará una plataforma práctica que motivará a los estudiantes a profundizar en el estudio del control de movimiento.
1.5 Objetivos 1.2.1.Objetivo General Implementar un módulo didáctico mediante servo drive y PLC para prácticas de control de movimiento. 1.2.2.Objetivos específicos Levantar la información sobre los elementos necesarios para el control de movimiento y los métodos de control con servo drive y PLC existentes. Desarrollar la construcción y programación del módulo didáctico de control de movimiento Realizar un manual de operación y pruebas funcionales del módulo didáctico de control de movimiento
2. Marco teórico 2.1. Control de Movimiento El control de movimiento se define como "la capacidad de gestionar la posición, velocidad y aceleración de un objeto o dispositivo dentro de un sistema automatizado" (Jung et al., 2017, p. 12). Esta definición destaca la precisión y el control detallado que se requiere en los sistemas modernos para gestionar los movimientos de componentes y maquinaria en un entorno industrial. A lo largo de las décadas, el control de movimiento ha pasado de ser una operación manual y mecánica a un proceso altamente automatizado, integrado con tecnologías avanzadas como los Controladores Lógicos Programables (PLC) y los servos drives. Este avance ha sido impulsado por la necesidad de optimizar la producción y mejorar la eficiencia operativa en diversas industrias. Es crucial comprender cómo estos sistemas han evolucionado para valorar su impacto en la automatización moderna y su relevancia en la optimización de procesos industriales.
eficiente de los motores, lo que es crucial para aplicaciones que requieren movimientos exactos y repetibles. Figura 1 Servo Drive GYB201D5-RC Nota. Representación física de un Servo Drive. Tomado de https://www.indiamart.com/proddetail/gyb201d5-rc2-fuji-drive-24190383262.html 2.2.2.Comparación entre servo drives y otros tipos de accionamientos Los servos drives se diferencian de otros tipos de accionamientos, como los variadores de frecuencia o los motores paso a paso, por su capacidad de "proporcionar un control de movimiento altamente preciso y con una respuesta dinámica rápida" [8]. Mientras que los variadores de frecuencia controlan la velocidad de los motores mediante la modulación de la frecuencia de la corriente suministrada, los servos drives ofrecen un control más completo que incluye la regulación de la posición y el torque, lo cual es esencial en aplicaciones que requieren una sincronización exacta y movimientos suaves. Por otro lado, aunque los motores paso a paso también ofrecen precisión en el control de posición, los servos drives son más adecuados para aplicaciones que requieren un rendimiento dinámico superior y una mayor capacidad de manejo de cargas variables. Esta comparación resalta la especialización de los servos drives en aplicaciones que demandan una combinación de alta precisión, velocidad y control adaptable.
2.2.3.Principios de funcionamiento y componentes principales El funcionamiento de un servo drive se basa en la recepción de señales de control desde un controlador lógico programable (PLC) u otro dispositivo de control, las cuales son procesadas para ajustar la operación del motor. Según Smith y Brown [5], "un servo drive convierte las señales de referencia en señales eléctricas que controlan el motor, regulando así su posición, velocidad y torque de manera precisa" (p. 94). Los componentes principales de un servo drive incluyen un controlador, un convertidor de potencia, y un lazo de retroalimentación que monitoriza el rendimiento del motor y ajusta la operación en tiempo real. Este sistema de retroalimentación es crucial para el control de precisión, ya que permite corregir desviaciones del movimiento deseado, garantizando que el motor siga las instrucciones de manera exacta. La comprensión de estos principios y componentes es fundamental para el diseño y operación de sistemas automatizados que requieren un control preciso y eficiente de motores en diversas aplicaciones industriales. 2.3. Servo Drive KT270-H- 2.3.1.Detalles técnicos y características del servo drive KT270-H- El servo drive KT270-H-20 es un dispositivo de alto rendimiento diseñado para aplicaciones que requieren control preciso de movimiento en entornos industriales y educativos. Este modelo se destaca por su capacidad de torque, que alcanza hasta 20 Nm, lo que lo hace adecuado para controlar motores en aplicaciones de carga pesada. Además, ofrece una velocidad de rotación máxima de 3000 RPM, lo que permite movimientos rápidos y eficientes en sistemas automatizados [9]. La precisión del KT270-H- 20 es otro de sus puntos fuertes, con una resolución de control que puede alcanzar los 16 bits, lo que asegura un posicionamiento exacto y una operación suave en aplicaciones donde la precisión es crítica [10]
KT270-H-20 incluyen ejemplos de aplicación que ilustran cómo utilizar el dispositivo en diferentes escenarios, desde sistemas de control de posición básicos hasta configuraciones más complejas que requieren sincronización de movimientos [12] Estos ejemplos de aplicación son particularmente útiles en entornos educativos, donde los estudiantes pueden ver cómo se implementan los conceptos teóricos en situaciones prácticas. La claridad y la exhaustividad de la documentación proporcionada hacen del KT270-H-20 una opción ideal para quienes buscan aprender y experimentar con sistemas de control de movimiento. Figura 2 Diagrama de conexión Nota. Diagrama de conexión y procedimientos se indican en el Anexo 1
2.3.4.Beneficios específicos del KT270-H-20 en aplicaciones didácticas y prácticas El KT270-H-20 ofrece varios beneficios que lo hacen especialmente adecuado para aplicaciones didácticas y prácticas en control de movimiento. Su diseño intuitivo y su facilidad de configuración permiten a los estudiantes aprender rápidamente los principios básicos de los sistemas de control de movimiento, sin la necesidad de una curva de aprendizaje pronunciada. Además, su precisión y capacidad de control avanzado permiten a los estudiantes realizar experimentos detallados y obtener resultados consistentes, lo que es crucial para la educación en automatización e instrumentación [13] Otro beneficio clave es la robustez del KT270-H-20, que asegura una operación confiable en entornos educativos, donde el equipo puede ser sometido a un uso intensivo. La capacidad del servo drive para manejar una amplia gama de cargas y velocidades lo hace ideal para demostrar cómo diferentes parámetros afectan el comportamiento de un sistema de control de movimiento. Esto no solo mejora la comprensión teórica de los estudiantes, sino que también les proporciona experiencia práctica en la resolución de problemas reales en sistemas automatizados. 2.4. Controlador Lógico programable (PLCs) 2.4.1.Descripción general Los Controladores Lógicos Programables (PLCs) son dispositivos electrónicos utilizados para la automatización de procesos industriales mediante la programación lógica de secuencias de operaciones. Según Bolton [14] , un PLC es "un sistema computarizado diseñado para operar en entornos industriales, capaz de ejecutar tareas de control secuencial, temporización, conteo, y manipulación de datos" (p. 12). Estos controladores son esenciales en la automatización moderna, ya que permiten una gestión precisa y eficiente de procesos complejos que requieren múltiples operaciones coordinadas.
