Atendiendo a la capacidad de movimiento, los seguidores pueden clasificar en:

Transcripción

1 4. MEMORIA DESCRIPTIVA 4.1. Introducción. Existe una gran variedad de seguidores solares en el mercado. La clasificación de éstos se puede hacer atendiendo a varios factores. Varias posibles clasificaciones son las que se describen a continuación. Atendiendo a la capacidad de movimiento, los seguidores pueden clasificar en: Dispositivos fijos. Son aquellos en los que los paneles solares permanecen fijos, sin tener en cuenta la orientación solar. Este tipo de dispositivos no son viables para paneles solares de concentración ya que no son efectivos. Dispositivos de un eje. Estos dispositivos solo disponen de un eje de giro, por lo que no permiten alcanzar todas las posiciones angulares. Dentro de este tipo de seguidores, existen varios diferentes clasificados en función de la configuración del eje de giro. Dispositivos de dos ejes. Éstos disponen de dos ejes de giro que permiten alcanzar cualquier orientación. La diferencia principal entre los seguidores descritos anteriormente estriba en la capacidad de conseguir la orientación adecuada que maximice la creación de energía eléctrica. Los primeros, evidentemente, están limitados, ya que no tienen capacidad de movimiento y su orientación es fija. Los seguidores de un solo eje, permiten acercarse a la orientación óptima, pero no alcanzan, generalmente, una orientación precisa ya que su capacidad de movimiento está limitada a un solo eje. Finalmente, los seguidores de dos ejes permiten alcanzar cualquier orientación, por lo que la generación de energía eléctrica es máxima. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 23

2 Atendiendo a la unidad de control, los seguidores se pueden clasificar también en varios tipos: Pasivos. Estos no tienen una electrónica extensa ni actuadores para realizar los giros. Por el contrario, se utilizan sistemas pasivos para orientar a los paneles solares. Microprocesados. Estos seguidores no necesitan sensores para la detección de la incidencia solar sino que utilizan algoritmos matemáticos que calculan la trayectoria solar en función de la ubicación del dispositivo y la hora y fecha en la que se realiza el cálculo. Electro-Ópticos. Éstos utilizan algún tipo de sensor para determinar la posición angular real del sol. Los seguidores pasivos tienen una precisión muy limitada ya que no utilizan mecanismos activos de giro y dependen fundamentalmente de la variación de densidad de algún líquido provocada por incidencias diferentes en función de la orientación del panel. Los seguidores microprocesados dependen de un correcto posicionado conseguido habitualmente mediante GPS y de una señal de reloj que indique la hora correcta. Al no tener sensores, estos sistemas son incapaces de determinar si existe algún tipo de perturbación externa. Finalmente, los seguidores electro-ópticos hacen uso de sensores, por lo que pueden determinar si alguna perturbación está afectándoles. Normalmente los seguidores solares forman parte de la estructura de los paneles solares, por lo que el movimiento de ambos es solidario. En el caso abordado en este proyecto, se diseña un seguidor independiente que obtendrá la orientación solar y que posteriormente enviará dicha información a uno o varios paneles para su correcta orientación. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 24

3 4.2. Principios de funcionamiento. En función de la clasificación descrita anteriormente, el dispositivo objeto del proyecto estaría encuadrado, atendiendo a la capacidad de movimiento, en el grupo de seguidores de dos ejes; y atendiendo a la unidad o tipo de control, estaría incluido dentro del grupo de seguidores electro-ópticos. El principio fundamental de funcionamiento del dispositivo es la variación de la resistencia de varios sensores en función de la intensidad luminosa que reciben. Los sensores foto-eléctricos son dispositivos que responden ante un cambio en la intensidad luminosa. Éstos detectan el nivel de luz y producen una señal de salida función de la cantidad detectada. Los sensores de luz más comunes son las resistencias dependientes de la luz o LDR (Light dependant resistor). Este tipo de sensor es muy común debido a su sencillez y bajo coste y consiste básicamente en un dispositivo que cambia su resistencia cuando cambia la intensidad de la luz. Este componente electrónico disminuye su resistencia con el aumento de luz incidente, pudiendo llegar a decenas de ohmios. Por el contrario, cuando se encuentra a oscuras, la resistencia entre sus dos patillas puede llegar a ser de varios megaohmios. Una LDR está compuesta de una célula y dos patillas. La célula está formada por un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio (CdS). Cuando la luz que incide sobre el dispositivo tiene energía suficiente para superar la banda de conducción, los electrones quedan libres y conducen electricidad, por lo que la resistencia total del dispositivo disminuye. Figura 2. Símbolo de la LDR. Las células de sulfuro cadmio se basan, por tanto, en la capacidad que tiene el cadmio de variar su resistencia en función de la cantidad de luz que incide en la célula. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 25

4 Cuanto mayor es la cantidad de luz que incide sobre la superficie de la célula, menor es la resistencia que presenta ésta al paso de corriente. Este tipo de células son sensibles a una alta gama de frecuencias entre las que se encuentran las frecuencias infrarrojas, la luz visible y la ultravioleta. Esta gama implica que los sensores no sólo reaccionarán ante la luz solar, sino a otro gran número de interferencias. Esto es importante tenerlo en cuenta a la hora de diseñar el dispositivo para evitar una influencia excesiva de diferentes perturbaciones a la de la propia luz solar, que es la única que interesa. La variación del valor de resistencia de este tipo de sensores tiene un cierto retardo. Por este motivo, estos sensores no son apropiados para usos en los que la variación lumínica es muy rápida. El tiempo de respuesta de las LDR suele ser del orden de una décima de segundo, por lo que, para el uso que se pretende dar en este proyecto, no existirá ningún tipo de problema siempre y cuando el periodo de muestreo sea superior al tiempo de respuesta de los sensores. continuación: Una tabla de características típica para una LDR puede ser la que se presenta a Figura 3. Tabla de datos técnicos de la LDR. Las dimensiones de las células pueden ser variadas, pero los modelos comerciales más comunes son dos, las de mm de diámetro y las de 5 mm. Para el proyecto serán necesarios muchos sensores, por lo que, si se eligen los sensores de un diámetro superior, el tamaño total del dispositivo puede ser excesivo. Por este motivo, para este proyecto, el tamaño óptimo de los sensores es 5 mm de diámetro. Las dimensiones de estos sensores son las siguientes: Miguel Ángel Zamudio Florido Página 26

5 Figura 4. Dimensiones de una LDR. La variación de la intensidad luminosa recibida por una LDR puede estar provocada por varios motivos. Uno de éstos puede ser una variación en la intensidad del foco que genera la fuente luminosa. En el caso de la luz solar, esta variación puede ser provocada por las condiciones climáticas o ambientales. Otro de los motivos que pueden provocar una variación en la intensidad luminosa que incide sobre un dispositivo detector es la sombra provocada por un objeto opaco que se interponga entre la fuente de luz y el dispositivo detector. Este último motivo será el utilizado para el desarrollo, diseño e implementación del seguidor solar objeto del proyecto. Una LDR expuesta a una fuente de luz constante sin ningún objeto que se interponga entre su superficie y la fuente luminosa en este caso es el sol presentará una resistencia mínima, ya que toda su superficie estará recibiendo la incidencia de los fotones que suministran la energía suficiente para provocar la circulación de corriente. Figura 5. Sensor expuesto a la incidencia solar. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 27

6 Si se coloca un objeto junto al sensor y los rayos solares inciden de forma perpendicular sobre la superficie del sensor, el objeto en cuestión no genera ninguna sombra sobre el sensor, por lo que éste seguirá presentando un valor de resistencia mínimo. Incidencia solar Figura 6. Sensor expuesto a la luz solar con objeto. Por el contrario, si los rayos solares no inciden de manera perpendicular sobre la superficie del sensor, sino que lo hacen formando un ángulo cualquiera, este objeto podría provocar una sombra sobre dicha superficie y, por tanto, la intensidad luminosa incidente sobre el sensor sería menor, aumentando con ello la resistencia del dispositivo. Que se produzca una sombra sobre el sensor, dependerá del ángulo de los rayos solares con respecto al plano generado por la superficie del mismo. Si los rayos inciden desde el lado opuesto al que se encuentra ubicado el objeto, éste seguirá sin producir ningún tipo de sombra sobre el sensor. Si, por el contrario, los rayos inciden desde la misma zona donde está colocado el objeto, éste estará interpuesto entre el sensor y la fuente luminosa, por lo que proyectará una sombra sobre el sensor. La forma de la proyección dependerá fundamentalmente de la forma del objeto que la provoca y de la distorsión que provoque la fuente luminosa. Si la fuente luminosa es artificial, los rayos que parten de dicho foco, tienden generalmente a Miguel Ángel Zamudio Florido Página 28

7 abrirse, por lo que la sombra proyectada cambiará de tamaño en función de la distancia existente entre el foco y el objeto, y entre ambos y el plano de proyección. Figura 7. Sombra proyectada por un objeto sometido a luz artificial. El sol es una fuente de luz suficientemente lejana y sus rayos se pueden considerar paralelos entre sí, por lo que el tamaño y forma de la sombra no dependerá de la distancia. La forma y tamaño de la sombra solo dependerá de la forma y tamaño del objeto y del ángulo con el que incidan los rayos con respecto a éste y al plano de proyección. De este modo, si el objeto utilizado es una placa plana de forma rectangular colocada junto al sensor, formando un ángulo de 90 o con su superficie, la sombra proyectada por éste crecerá de manera inversamente proporcional al ángulo formado por los rayos y la superficie del sensor (figura 8), por lo que la cantidad de luz que incidirá sobre el sensor irá disminuyendo. Se puede asegurar por tanto, que la resistencia del sensor crece a medida que los rayos solares se alejan de la normal a la superficie del sensor, obteniéndose de esta manera una relación directa entre el ángulo de los rayos solares y la resistencia eléctrica del sensor. Utilizando este procedimiento, se puede convertir una variable difícil de medir, como es el ángulo con el que inciden los rayos solares sobre una superficie, en una variable eléctrica fácil de manejar. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 29

8 Incidencia solar Figura 8. Sombra generada por un objeto sobre la superficie del sensor. Como se ha comentado anteriormente, si los rayos solares inciden desde el lado opuesto al representado en la figura 8, la superficie colocada junto el sensor proyectará su sombra hacia el otro lado, por lo que no influirá en la intensidad luminosa que incide sobre el sensor. Por este motivo, si se quiere que, sea cual sea la orientación del sol, el sensor detecte el ángulo de incidencia de los rayos solares, es necesario colocar objetos en cada uno de los laterales del sensor. Así, incidan desde donde incidan los rayos solares, los objetos proyectarán una sombra sobre el sensor y la resistencia de éste se verá incrementada. Figura 9. Sensor rodeado por paneles. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 30

9 Esta solución, sin embargo, presenta otro problema evidente. Es posible, mediante una tabla de correspondencia, determinar el valor del ángulo en función de la resistencia del dispositivo, pero no es posible determinar desde dónde están incidiendo los rayos solares, ya que todas las placas tienen el mismo tamaño y proyectarán la misma sombra sobre el sensor. La solución a este problema no se puede abordar mediante el uso de un único sensor, pues sea cual sea la configuración de las superficies utilizadas para proyectar las sombras, no se puede determinar de manera exacta desde dónde se produce la incidencia solar. Sería posible, sin embargo, intentar variar las alturas de los objetos colocados en cada uno de los laterales con el objeto de determinar la orientación solar (figura 10). No obstante, aún optando por esta opción, siempre quedan dudas de si realmente el sol incide desde una determinada orientación o desde la opuesta, pero con un ángulo diferente. Figura 10. Sensor con paneles de distintas alturas. Como se puede ver en la figura anterior, las dos incidencias representadas se producen desde lados opuestos y con ángulos diferentes, pero la sombra sobre el sensor es del mismo tamaño y, consecuentemente, el valor de resistencia de éste será también similar. Es necesario, por ello, utilizar más de un sensor para determinar los dos ángulos de las coordenadas horizontales requeridos para obtener de manera adecuada la posición del sol. En el caso de dos dimensiones, se podría conseguir colocando dos sensores, uno a cada lado de la superficie que proyecta la sombra. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 31

10 Figura 11. Dos sensores con panel central. De esta manera, suponiendo un escenario en dos dimensiones, cuando la luz incide desde uno de los lados de la superficie, uno de los sensores continuará recibiendo incidencia solar sobre la totalidad de la superficie mientras que, el que está en lado opuesto, recibirá la proyección de la sombra generada por el objeto (figura 11). Esta sombra será proporcional, como se vio con anterioridad, al ángulo de incidencia de los rayos solares, por lo que será posible determinar tanto la amplitud del ángulo, como el cuadrante desde el que incide la luz. La solución anterior está limitada a dos dimensiones. En el caso real de tres dimensiones (para seguidores de dos ejes), serán necesarias al menos 4 LDR s dispuestas como muestra la figura 12. Figura 12. Distribución de sensores y paneles para 3D. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 32

11 Con esta disposición, cuando los rayos inciden desde el lado derecho, los sensores del lado opuesto presentarán una resistencia mayor que los que se encuentran en el mismo lado de incidencia. Si los rayos inciden desde la parte superior, tomando siempre como referencia la figura 12, los sensores inferiores serán los que presenten una resistencia mayor. Existe otra posibilidad consistente en que los rayos incidan desde una de las esquinas. En este último caso, el sensor ubicado en dicho cuadrante recibirá luz en toda su superficie y, por tanto, su valor resistivo será mínimo. El sensor ubicado en el lado opuesto estará sometido a la proyección de sombras generadas por ambos paneles (figura 13). Por último, los otros dos sensores también tendrán sombra en su superficie que dependerá tanto del ángulo que forman los rayos solares con el plano formado por las superficies de los sensores (altura), como del que forma la proyección de éstos sobre el eje horizontal (azimut). Figura 13. Sombras generadas por los paneles. Con esta disposición y, tomando los valores de resistencia de los cuatro sensores, es posible determinar tanto la altura solar, como el azimut con una cierta exactitud (bastante limitada). Es posible encontrar una relación matemática entre la Miguel Ángel Zamudio Florido Página 33

12 resistencia de cada sensor y los ángulos de altura y azimut. Esta relación matemática se puede ver en la memoria de cálculo. Existen varias razones que hacen a la distribución anterior poco precisa. Uno de los motivos principales es la diferencia de valor resistivo que presentan los distintos sensores ante una misma cantidad de luz. Esto es debido a las pequeñas diferencias en el proceso de fabricación de los sensores, pequeños defectos, diferencias en el material que recubre la célula o distintas concentraciones de materiales no deseados en el semiconductor. Estas diferencias hacen que los sensores no tengan una respuesta exactamente igual entre ellos, presentando distinta resistencia ante condiciones idénticas. Por este motivo, cuando el ángulo de incidencia es cercano al deseado (normal a la superficie de los sensores), esta diferencia puede inducir a errores, alcanzando incluso resultados en los cálculos totalmente opuestos al buscado. Cuando la desviación es mayor, el error puede mantenerse, reducirse o incluso incrementarse, por lo que es necesario corregir la diferencia existente entre las respuestas de los distintos sensores utilizados. A este defecto se le suma la influencia de las reflexiones de los rayos solares en superficies cercanas a los sensores (incluidos los mismos objetos que las separan) y el albedo, que pueden influir de manera diferente en cada sensor. El primer defecto mencionado requiere de una calibración y compensación de cada una de las LDR s. Con este proceso se intenta igualar la respuesta de todos los sensores ante condiciones idénticas. Para realizar la calibración, se somete a todos los sensores a la misma incidencia luminosa y se toman los datos de cada una de ellas. Seguidamente, se varía la intensidad luminosa y se vuelven a tomar los datos. Este proceso se repite hasta obtener suficientes datos como para representar la respuesta de cada una de ellas de manera precisa. Una vez obtenidas las curvas de cada una de las LDR s, se toma una como referencia y, utilizando la herramienta de cálculo que ofrece Excel (aproximación lineal), se obtienen parámetros de compensación para cada una de las demás. Con estos parámetros, cuando se obtenga un valor real de resistencia, se puede calcular el valor compensado que posteriormente se utilizará para el cálculo de los ángulos. Realizando esta operación, se minimizan los errores producidos por la diferencia entre las curvas características de los distintos sensores. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 34

13 La calibración y obtención de los parámetros de compensación para los sensores usados en el prototipo del proyecto se pueden apreciar en el anexo 1, donde se explica más detalladamente todo el proceso y se presentan los resultados finales. El problema de la influencia de la reflexión de los rayos solares sobre superficies cercanas es difícil de solventar utilizando la disposición descrita con anterioridad. Para resolver este problema, y a la vez minimizar el generado por la influencia del albedo, es necesario arropar de una manera más efectiva cada uno de los sensores. Esto implica colocar objetos o paredes alrededor de cada uno de ellos, de manera que no estén expuestos directamente a la luz ambiente, es decir, que la influencia de los rayos solares, luces artificiales, reflejos, albedo y demás perturbaciones lumínicas se minimicen. Es evidente que, si las paredes externas son de la misma altura que las que separan a los sensores unos de otros, el problema vuelve a ser la imposibilidad de determinar desde dónde están incidiendo los rayos solares. Las paredes externas han de ser, por tanto, de una altura menor a las internas. Si por el contrario, las paredes externas fuesen de una altura mayor, provocando al igual que en el caso anterior sombras diferentes, existe la posibilidad de que, para un determinado ángulo de incidencia, la pared exterior influya en la luz que recibe el sensor del lado opuesto perturbando el resultado final obtenido. Figura 14. Sensores con paneles de distinta altura. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 35

14 La nueva disposición minimiza el efecto de los reflejos externos, pero aumenta el efecto de los reflejos en las propias paredes, ya que ahora rodean al sensor. Este efecto se puede minimizar utilizando materiales de baja reflexión, o en su defecto, tratar dichas superficies para que reflejen poco la luz. Esta distribución presenta ciertos inconvenientes que es necesario comentar. Anteriormente, siempre existía al menos un sensor expuesto al 100% de la incidencia, por lo que la diferencia entre la resistencia de los sensores sobre los que se proyecta la sombra y los que están expuestos a la luz crece en función del ángulo de incidencia. Sin embargo, con la nueva distribución, todos los sensores estarán afectados por sombra cuando los rayos se alejan de la normal. Por este motivo, para desviaciones elevadas, todos los sensores estarán a oscuras y la diferencia entre los valores de resistencia se irá recortando. Esto afecta negativamente al cálculo de los ángulos, limitando el rango donde este dispositivo es efectivo. Es importante seleccionar correctamente tanto la altura de los paneles como la diferencia entre ellos. Una altura elevada de dichas paredes ayudará a evitar la influencia de perturbaciones externas, pero como contrapartida reducirá el rango dentro del cual el dispositivo es efectivo. Esto último es debido a que paredes altas impiden la incidencia directa de la luz para pequeñas desviaciones y provocan un aumento rápido de la resistencia de los sensores. Si las paredes son bajas, la influencia de las perturbaciones externas es mayor, pero también el rango de efectividad. La diferencia entre la altura de las paredes interiores y exteriores es también importante ya que, a mayor diferencia, mayor será también la diferencia entre la sombra que proyecta una y otra, y con ello el contraste entre las resistencias que presentan los sensores. Una diferencia pequeña de estas alturas, además de limitar el rango de trabajo, agrava el efecto de la diferencia entre la respuesta de los sensores. Es necesario, por tanto, encontrar una solución de compromiso que permita rechazar la mayoría de las perturbaciones, a la vez que no limite en exceso el rango de cálculo efectivo. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 36

15 Así, el rango efectivo del dispositivo será limitado. Por ello, para ángulos de incidencia fuera de este rango, es necesario buscar una solución que permita que el dispositivo diseñado mantenga la autonomía sea cual sea su desviación. La solución buscada no tiene por qué ser de una precisión elevada, ya que solo es para llevar al dispositivo dentro del rango efectivo de los otros sensores que tendrán la capacidad de determinar el ángulo de incidencia de una manera más precisa. Teniendo en cuenta todas las consideraciones realizadas hasta este punto, se puede llegar a la conclusión de que los nuevos sensores utilizados para una aproximación inicial no tienen por qué rechazar de manera absoluta las perturbaciones lumínicas externas, así que éstos se podrían colocar en cada lateral del dispositivo anterior. Los nuevos sensores recibirían la sombra del dispositivo completo si los rayos solares inciden desde el lado opuesto al que están colocados. El funcionamiento del dispositivo tendría que separarse en dos etapas. Una primera etapa, donde se realizará una aproximación inicial teniendo en cuenta solo los nuevos sensores. Posteriormente, y una vez el dispositivo se encuentre dentro del rango efectivo de los sensores de aproximación final, se tomarían los valores de éstos para calcular los ángulos necesarios. Para llevar al dispositivo desde una posición angular inicial cualquiera hasta una posición dentro del rango de cálculo es necesario disponer de un mecanismo que haga girar a todo el dispositivo, acercándolo a la orientación deseada. Este mecanismo deberá estar capacitado para alcanzar cualquier orientación en el espacio, por lo que dispondrá de dos ejes de giro. Cada eje tendrá un actuador que hará girar al dispositivo completo sobre dicho eje. Así el funcionamiento consiste en calcular, mediante los sensores de aproximación inicial, la dirección y amplitud del giro de cada uno de los ejes, para llevar al dispositivo dentro del rango de cálculo, acercándolo a la posición final sin alcanzarla. Posteriormente, utilizando los sensores finales, se calculan nuevamente los ángulos y, utilizando el mecanismo de giro, se moverá el dispositivo a la posición final. En este momento, todos los sensores, si el cálculo ha sido correcto, estarán sometidos a la máxima exposición lumínica y su valor resistivo será mínimo. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 37

16 Debido a que el calibrado y compensación de los sensores no es perfecto y al efecto de las perturbaciones externas, el cálculo puede no ser correcto. Además, a pesar de que el dispositivo se encuentre muy desviado, debido a los reflejos y al albedo, los sensores no presentarán una resistencia muy elevada, por lo que es posible que la amplitud del giro realizado sea insuficiente y los sensores continúen presentando discrepancia entre sus valores resistivos. La posición angular alcanzada estará mas cerca de la deseada, pero aún alejada de ésta. El proceso se podrá repetir hasta alcanzar un resultado satisfactorio, en el que todos los sensores reciban la misma cantidad de luz. Finalmente, motivado por la diferencia de los sensores, el resultado obtenido será de una precisión y exactitud limitadas. Por esta razón, es necesario encontrar otra solución que permita obtener la precisión y exactitud requeridas en este proyecto. Siguiendo el mismo principio de funcionamiento empleado para los sensores de aproximación inicial y final, se puede asegurar que para obtener una exactitud elevada es necesario elevar la altura de los objetos que generan las sombras sobre la superficie de los sensores. De esta manera, con un ángulo de incidencia pequeño medido sobre la normal a la superficie del sensor, se proyectará sobre éste una sombra más grande y su resistencia será mayor. Esto quiere decir que, con pequeñas desviaciones del dispositivo con respecto a la orientación solar, la resistencia de los sensores variará mucho más que hasta ahora, siendo así más sensibles y pudiendo con ello calcular el ángulo con una precisión mayor. Esta solución implica fabricar un dispositivo de unas dimensiones excesivas que lo harían difícil de manejar y susceptible de sufrir desviaciones provocados por la incidencia del viento. Otra solución posible es acercar las paredes entre sí, dejando una distancia entre ellas suficientemente pequeña como para que, ante mínimas desviaciones, la sombra sobre el sensor cubra el 100% de su superficie. El inconveniente en este caso es, que al acercar las paredes entre sí, éstas estarían sobre la superficie del sensor obstaculizando los rayos solares, sea cual sea el ángulo de incidencia, y provocando que el sensor siempre tenga una resistencia elevada. Esto se puede solucionar aumentando el número de paredes y reduciendo el espesor de las mismas. De esta forma, la superficie efectiva que no estará continuamente a oscuras Miguel Ángel Zamudio Florido Página 38

17 por situarse bajo la pared la que es susceptible de ser afectada por la incidencia directa de los rayos solares es mayor, pero el efecto de una pequeña desviación con respecto a la orientación solar es el mismo, ya que la distancia entre cada una de las paredes seguirá siendo reducida (figura 15). Figura 15. Sensores con dos y catorce paneles. Como se ve en la figura anterior, la superficie efectiva del sensor de la izquierda es mucho mayor y, por tanto, la resistencia resultado de una incidencia perpendicular es mucho menor que el que se obtendría en el sensor de la derecha. El efecto de estos paneles es doble. Por un lado, ante una desviación perpendicular a éstos, la sombra que proyectan sobre el sensor cubrirá el 100% de la superficie efectiva. Por otro lado, si la desviación es paralela a los paneles, éstos no proyectarán sombra sobre la superficie efectiva y, por ello, la resistencia, teóricamente, no se verá incrementada (figura 16). Miguel Ángel Zamudio Florido Página 39

18 Figura 16. Resultado de la incidencia perpendicular y paralela. Como se puede observar en la figura anterior, los paneles internos del sensor de la derecha proyectan sombra sobre toda la superficie efectiva del sensor; por el contrario, ante la misma incidencia solar, la superficie efectiva del sensor de la izquierda no se ve afectada. Este comportamiento se utilizará para el ajuste de ambos ángulos, empleando un sensor con los paneles longitudinales y el otro con transversales, como los que aparecen en la figura 16. Cada uno de ellos se utilizará de manera independiente para el ajuste de uno de los ángulos, haciendo girar en cada caso el eje correspondiente. Estos sensores de ajuste presentan un problema similar al de los sensores de aproximación, pero más acusado. Consiste en que, si la desviación con la orientación solar es suficientemente elevada, la resistencia de los sensores será máxima y no serán efectivos. El rango de actuación de estos sensores será mucho menor, y el dispositivo, como ocurría con los sensores de aproximación final, tendrá que colocarse previamente dentro de este rango. Teniendo en cuenta que estos sensores se usarán solo para dar un ajuste final sobre el cálculo realizado, no es necesario realizar uno nuevo. Simplemente, una vez se ha posicionado el dispositivo en el rango de actuación de los sensores de ajuste mediante los actuadores, se irán dando pequeños giros (de décimas de grado) en un eje hasta que el sensor asociado a dicho eje presente el mínimo valor de resistencia. Alcanzado este mínimo, se realizará el mismo procedimiento para el otro, hasta que el Miguel Ángel Zamudio Florido Página 40

19 sensor asociado a este segundo eje presente el valor mínimo de resistencia. Llegados a este punto, el dispositivo estará posicionado correctamente y con una precisión de décimas de grado. Las mediciones realizadas en cada paso serán relativas a los valores presentados en el paso anterior, es decir, cuando se realizan los pequeños giros, si la desviación crece, la resistencia irá incrementándose, por lo que el sentido de los giros tendrá que ser el opuesto. Si la desviación disminuye, la resistencia irá disminuyendo progresivamente hasta llegar al mínimo. Éste coincidirá con la correcta alineación del dispositivo con los rayos solares. Para asegurarse de que el valor es el mínimo, se tendrá que hacer siempre un giro más. Dicho de otro modo, se realizarán giros mientras la resistencia continúe bajando; cuando por el contrario la resistencia del sensor sea mayor que la presentada en el paso anterior, querrá decir que se ha superado el punto de inflexión y, por tanto, el mínimo estaba en el paso anterior. El dispositivo deshará el último paso quedando correctamente posicionado. Este procedimiento se repetirá para los dos ejes. En resumen, el funcionamiento del dispositivo se divide en tres etapas descritas a continuación: Etapa 1: Etapa de aproximación inicial. En ésta, mediante el uso de cuatro sensores convenientemente distribuidos, se calcula una orientación aproximada hacia la cual tiene que moverse el dispositivo. Gracias al uso del mecanismo de giro, el dispositivo se moverá hacia la posición angular calculada de forma aproximada y, si la orientación está dentro del rango necesario para la siguiente etapa, ésta comenzará. Etapa 2: Etapa de aproximación final. Ésta consiste en calcular, de una manera más exacta, la orientación final del dispositivo. Esta etapa se llevará a cabo mediante el uso de ocho sensores. Dichos sensores estarán convenientemente distribuidos por parejas colocadas en cada cuadrante. El uso de dos sensores por cuadrante está justificado por la falta de igualdad entre las respuestas de los sensores. A pesar de que éstos se calibrarán y compensarán posteriormente, el uso de varios de ellos Miguel Ángel Zamudio Florido Página 41

20 permite hacer una media entre ellos, compensando las pequeñas discrepancias existentes. La etapa comenzará cuando el dispositivo este orientado dentro del rango efectivo. En este momento, se tomarán los valores de los ocho sensores y se realizarán los cálculos pertinentes (ver Memoria de cálculo). Una vez obtenida la orientación, el dispositivo girará hasta alcanzarla. Después del posicionamiento se realizará una nueva toma de datos para comprobar que la orientación es la adecuada para la siguiente etapa. En caso afirmativo, comenzará la tercera etapa. Si por el contrario, la nueva toma de datos muestra una mala orientación, se repetirá nuevamente la etapa actual. Se realizarán cuantas iteraciones sean necesarias para alcanzar una orientación suficientemente adecuada como para comenzar la siguiente etapa. Etapa 3: Etapa de ajuste. Para la consecución de esta etapa se utilizarán dos sensores alojados bajo la estructura de paneles descrita anteriormente. En esta etapa, el dispositivo irá girando, paso a paso, hasta obtener la posición angular correcta para uno de los ejes. Posteriormente, esta etapa se repite para el otro eje. Finalizados estos dos procesos, el dispositivo estará orientado correctamente. Una vez que el dispositivo haya alcanzado la posición angular correcta, se enviará la información necesaria al exterior para que las placas solares se coloquen adecuadamente. Es importante tener en cuenta que el dispositivo no realizará las tres etapas continuamente. Solo empezará desde la etapa 1 cuando la situación de partida sea muy desfavorable, lo que puede ocurrir después de un periodo de nocturnidad o de nubosidad. En situación de funcionamiento normal, el dispositivo, una vez orientado, continuará en la tercera etapa. Cuando la resistencia de uno o ambos sensores de ajuste supere un determinado valor debido a la progresión de la trayectoria solar, el dispositivo irá realizando pequeños giros siguiendo dicha trayectoria. Si estando en esta etapa se produce alguna interferencia, ya sea un periodo de nubosidad o un Miguel Ángel Zamudio Florido Página 42

21 objeto que se interponga entre el sol y el dispositivo, se puede optar por varias opciones. La primera opción, consiste en mantener la posición actual hasta que la perturbación pase y se pueda obtener una nueva orientación con garantías. La segunda opción consiste en colocar el dispositivo en una posición inicial que podría ser totalmente vertical. En ambos casos, cuando el periodo de perturbación haya pasado y la luz solar incida nuevamente sobre el dispositivo, éste partirá, si es necesario, desde la etapa 1 para orientarse nuevamente Diseño cabeza de sensores. Para que el dispositivo funcione siguiendo los principios explicados con anterioridad es necesario conseguir un diseño compacto que integre todos los sensores necesarios y cuyo peso sea reducido. Esto permitirá que el mecanismo utilizado para impulsar ambos ejes sea sencillo y no muy costoso. El funcionamiento del dispositivo depende de que éste gire adecuadamente en cada etapa para ir acercándose a la posición final. Todo el dispositivo tendrá que girar solidariamente sin que nada interfiera, provocando sombras no deseadas sobre los sensores. Los ejes del dispositivo, por tanto, tendrán que situarse en la parte posterior para que no interfieran. La placa de sensores, donde se alojarán todos, estará situada entre el eje horizontal y la estructura fabricada para provocar la sombra. La placa alojará todos los sensores del dispositivo de forma que compartan el mismo plano. El dispositivo, por tanto, estará compuesto por la placa donde se alojan los sensores, por la estructura que integra todos los paneles utilizados para la proyección de sombras y finalmente por el soporte que integrará los mecanismos de giro. La pieza fundamental del dispositivo es la estructura colocada sobre la placa de sensores. Esta deberá tener unas dimensiones adecuadas para poder alojar todos los sensores sin que se produzcan interferencia entre ellos y además asegurar la precisión deseada. El diseño de esta estructura es complejo, pero existen diversidad de soluciones para llegar a un resultado satisfactorio. La condición fundamental que debe Miguel Ángel Zamudio Florido Página 43

22 cumplir es que los orificios por los que penetran los rayos hasta llegar a la superficie de los sensores tengan la sección y altura necesarias para que cada uno de los sensores cumpla su función satisfactoriamente. Una opción es partir de una pieza maciza y mecanizarla hasta darle la forma adecuada. Esto no es fácil, ya que los orificios deberían ser de sección cuadrada para poder variar la altura de cada lateral. Mecanizar orificios de sección cuadrada y área reducida con una profundidad relativamente grande es difícil. Otra opción sería conseguir la estructura mediante fundición, lo que requiere el uso de un molde y un material relativamente fácil de fundir. Esta opción, aunque viable, es también compleja ya que el proceso para obtener una pieza adecuada a partir de un molde no es sencillo. La opción más simple que permite la obtención de la estructura con las dimensiones adecuadas es la de construirla a partir de paneles planos mecanizados. Éstos se encajarán formando una especie de puzle 3D con la forma adecuada. La gran ventaja de este método es la relativa facilidad de mecanizar piezas planas mediante el uso de fresadoras. Si las formas son complejas se puede utilizar maquinas de control numérico que permiten programar los movimientos necesarios de forma precisa para obtener piezas de calidad y con un acabado superficial excelente. Una vez conocida la forma de llevar a cabo la construcción del dispositivo, es necesario conocer de manera exacta las medidas. Con las medidas se podrá determinar el número de piezas necesarias y la forma de las mismas para construir la estructura. Dos de las medidas a tener en cuenta son la altura de los paneles y el área de los orificios (formados por los paneles) a través de los que pasa la luz. Teniendo en cuenta estas dimensiones se describirá de manera detallada el diseño de las piezas. Como se desprende de la Memoria de cálculo, para conseguir la precisión necesaria en los sensores de ajuste, las láminas han de tener una altura de 11.5 cm, si la separación entre ellas es de 0.2 mm. La altura de las láminas determinará la altura máxima del dispositivo. Además, para que la diferencia entre la sombra generada por los paneles altos y los bajos sea suficiente, la altura de estos últimos será la mitad. Esto determina las dos alturas fundamentales del dispositivo. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 44

23 Para determinar la separación entre los paneles, hay que tener en cuenta la dimensión de los sensores. Éstos poseen un diámetro aproximado de 5 mm y su sección es circular. Por este motivo y, teniendo en cuenta que la sección de los orificios que formarán los paneles será cuadrada, éstos han de estar a una distancia que impida que parte de su sección sea no efectiva, como se puede ver en la figura 17. Figura 17. Área de sección excesiva. La distancia entre los paneles será, por tanto, de 3 mm formando orificios de sección cuadrada de 3 mm de lado y eliminando, incluso en las esquinas, las superficies no efectivas. Los sensores quedarían como el que aparece en la figura 18. Figura 18. Sección correcta. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 45

24 Por otro lado, la separación entre cada uno de los sensores tendrá que ser suficiente para que entre ellos se pueda colocar algo que las separe e impida que la luz que afecta a uno, afecte al contiguo. Si se utilizan paneles de 4 mm de espesor, la separación de los sensores será de 2 mm, ya que el panel montará 1 mm en cada sensor quedando un hueco de 2 mm entre los sensores. Este hueco es suficiente para interponer algo que separe a los sensores adyacentes. Una vez se han conseguido las medidas fundamentales, se intentará determinar la distribución óptima de los sensores. Es esencial obtener un diseño simétrico que permita que el peso esté equilibrado. Por ello, se parte de una distribución matricial como la que aparece en la figura 19, en la que los sensores están a una distancia de 2 mm con los adyacentes. Figura 19. Matriz de sensores. Partiendo de una matriz como la que aparece en la figura anterior, existen varias posibilidades para distribuir los sensores de aproximación final. Éstos han de estar separados en cuatro parejas, cada una de ellas correspondiente a un cuadrante. Los dos sensores de cada cuadrante tienen que estar sometidos a las mismas incidencias solares, por lo que los paneles que estén relacionados con cada pareja han de tener la misma altura. Como se vio en el apartado de Principios de funcionamiento, los paneles centrales son compartidos por cuatro sensores, y serán de una altura idéntica a la necesaria para los sensores de ajuste. En este caso el número de sensores Miguel Ángel Zamudio Florido Página 46

25 se duplica, por lo que la distribución vista anteriormente cambia ligeramente. Si los paneles se colocan como se muestra en la figura 20, las posiciones 6, 7, 10 y 11 de la matriz no cumplirían los requisitos, ya que los cuatro lados del hueco tendrían la misma altura y no se podrían realizar los cálculos como se explicaba en los apartados anteriores. Figura 20. Distribución inicial. Por el contrario, las posiciones 2, 3, 5, 8, 9, 12, 14 y 15 sí cumplen las condiciones. Si los rayos solares inciden con un determinado ángulo sobre uno de los laterales de un dispositivo como el que aparece en la figura 20, los sensores 2, 5, 9 y 14 estarían afectados por la misma proyección de sombra, ya que los paneles que están a su derecha son de la misma altura. Si los rayos solares inciden desde la esquina inferior derecha, los sensores 2 y 5 deberían mostrar la misma resistencia (después de ser compensada), por lo que el comportamiento de los sensores sería el mismo para los que se encuentran en un mismo cuadrante. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 47

26 Figura 21. Sensores descartados. Con la distribución mostrada en la figura anterior, cada cuadrante tendrá dos sensores con comportamiento similar. Para reducir el efecto de reflejos externos y otras perturbaciones lumínicas, como ya se comentó en apartados anteriores, sería necesario arropar los sensores con paneles de una altura inferior manteniendo la funcionalidad actual. La altura de estos nuevos paneles será justo la mitad que los colocados inicialmente. Las posiciones 1, 4, 13 y 16 podrían reservarse para los sensores de ajuste inicial, con lo que prácticamente todos los sensores necesarios quedarían integrados de manera compacta en un mismo dispositivo. Finalmente habría que buscar una ubicación adecuada para los sensores de ajuste. Sería conveniente colocarlos en la parte central del dispositivo. Una posible ubicación podría ser cualquiera de las posiciones descartadas para los sensores de aproximación. Éstas podrían dividirse a lo largo de toda su longitud por láminas de espesor reducido para conseguir el efecto explicado en el apartado Principios de funcionamiento, pero presentan un inconveniente fundamental. Cada sensor de ajuste se usa para un eje, por lo que giros en el otro eje no deberían afectarle o hacerlo de manera mínima. Por este motivo, la superficie del prisma formado por las láminas tiene que ser superior al área efectiva del sensor. Con esto, los sensores, cuando el dispositivo se encuentre dentro del rango de ajuste, solo se verán afectados por giros producidos en los ejes correspondientes, como ya se explicó anteriormente. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 48

27 Las láminas de los sensores de ajuste son de un espesor mucho menor y la sección del prisma creado con ellos es de 1 cm 2. Este prisma se fabricará con láminas de 0.5 mm de espesor. Éstas tienen que estar completamente planas para evitar que cualquier imperfección genere interferencias, ya que están separadas entre sí por una distancia de 0.2 mm, por lo que cualquier defecto en la superficie de una de ellas puede generar sombras no deseadas sobre el sensor correspondiente provocando errores en los datos y en la orientación final del dispositivo. Las láminas necesarias para la fabricación de los prismas de ajuste tendrán una sección de 10 x 115 mm. Su espesor total será de 0.7 mm, contando los 0.5 mm de espesor propio más los 0.2 mm de los separadores (necesarios para mantener en toda su longitud la distancia entre láminas). Así, con 14 láminas se crearía un prisma con una sección de 10 x 9.8 mm. Teóricamente sería necesario otro separador más para completar la sección de 10 x 10 mm. Este prisma iría alojado en un hueco de idéntica sección creado por láminas de aluminio de 4 mm de espesor y justo debajo de cada prisma se colocarían los sensores de ajuste. Figura 22. Sensores de ajuste. Como se puede ver en esta figura, los sensores de ajuste no pueden estar separados 2 mm entre sí, como ocurre con los demás. La separación necesaria entre ambos (teniendo en cuanta la distribución elegida) es de 9 mm. Éstos tienen que estar colocados en el centro de la sección creada por los prismas de láminas metálicas, ya Miguel Ángel Zamudio Florido Página 49

28 que de otra forma podrían no obtenerse datos correctos. Con el diseño mostrado en la figura 22, si el dispositivo está correctamente alineado, y se produce un pequeño giro en el eje del azimut, el sensor encargado del ajuste de la altura solar no se vería afectado o, al menos la variación en su resistencia sería muy pequeña en comparación con la variación presentada en el sensor encargado del ajuste del azimut. De esta forma, la única sombra generada sobre los sensores (siempre que el dispositivo esté en el rango de ajuste) será la generada por las láminas metálicas delgadas que solo incrementarán su proyección sobre el sensor cuando el giro se produzca en el eje correspondiente (figura 23). Figura 23. Sombra sobre los sensores de ajuste. Como se puede ver en la figura anterior, cuando los rayos solares inciden desde abajo, la zona sombreada del sensor de la izquierda se limita a la suma de las secciones de las láminas que están sobre él. Por el contrario, la sombra sobre el sensor de la derecha cubre el 100 % de su superficie, por tanto la resistencia de este último será mucho mayor que el de la izquierda e indicará cual es el eje que está desfasado. Si el sol incidiera sobre alguno de los laterales, la situación sería similar pero intercambiando los sensores. Para integrar estos dos prismas en la distribución original, será necesario separar la matriz original e intercalar los prismas. La nueva distribución se puede ver en la siguiente figura. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 50

29 Figura 24. Distribución con sensores de ajuste. Aquí se puede apreciar que entre la mitad de los sensores originales colocados en la parte superior y los colocados en la parte inferior, se han intercalado los dos prismas. La funcionalidad de los sensores sigue siendo la misma, puesto que la altura del panel original y la de los prismas de ajuste es exactamente la misma. Se ha mantenido la numeración original para facilitar la apreciación de la modificación. Además, se han colocado los paneles de altura inferior, que aparecen en tonos marrones, para mejorar el rechazo de las perturbaciones externas. Los sensores alojados en las posiciones 6, 7, 10 y 11 han sido eliminados y se mantienen los que están en las esquinas del dispositivo, que serán utilizados, como se comentó anteriormente, para la etapa de aproximación inicial. La construcción de este dispositivo, tal como aparece en la figura 24, se realiza utilizando paneles planos. Para determinar la forma de cada uno de ellos se parte del diseño de la figura 24. Realizando cortes tanto longitudinales como transversales como se muestra en la figura 25, se obtienen las formas y dimensiones de los paneles necesarios. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 51

30 Figura 25. Cortes en el dispositivo. Los cortes longitudinales dan como resultado las siguientes piezas que se muestran a continuación: Figura 26. Secciones longitudinales. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 52

31 Y los cortes transversales dan como resultado las siguientes piezas: Figura 27. Secciones transversales. Para poder encajar todas estas piezas, volviendo a conformar la estructura tridimensional, es necesario efectuar cortes en las piezas planas que permitan su correcto encaje. Estos cortes tienen que permitir que todas las piezas encajen sin que éstas pierdan su forma. Por este motivo, a unas se les practicarán cortes por la parte superior, y a las otras por la parte inferior. La longitud de estos cortes será la mitad de la longitud total de la intersección. Es decir, si dos piezas comparten un volumen de una altura X, a una de ellas se le practica un corte de X/2 de longitud por la parte superior y a la otra un corte de X/2 por la parte inferior. De esta manera encajarán a la perfección. Teniendo en cuenta que cada pieza tiene intersecciones con varias, todas presentarán varios cortes de alturas diferentes y de una anchura de 4 mm (que es la anchura de los paneles). Además de lo comentado, la anchura de las piezas tendrá que ser mayor de la mostrada en la figura 27, ya que hay que añadirle pestañas que sujeten a las piezas exteriores. Los huecos de los sensores de aproximación inicial tendrán ciertas peculiaridades que se describen a continuación. Estos sensores solo se tendrán en cuenta cuando la desviación con respecto a la orientación final sea muy elevada. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 53

32 Lograr que los sensores sean sensibles a altas desviaciones se consigue mediante el uso de pequeños espejos que impiden que la luz penetre por el orificio, a la vez que permiten que los rayos que inciden lateralmente en el dispositivo se reflejen e incidan en los sensores. Para ello, en cada lateral del dispositivo, se practica una ranura de 3 mm de anchura por la que entrarán los rayos y donde se alojará el espejo. Cada sensor recibirá los rayos que inciden en el lateral correspondiente. El orificio con el espejo quedará como muestra la figura 28. Figura 28. Espejo de los sensores de aproximación inicial. El tamaño de los espejos es muy reducido debido a que el hueco esta limitado al espacio entre dos láminas (3 mm). La fabricación de esta superficie reflectante no se realizará, por tanto, con espejo convencional sino que se utilizará una pequeña lámina de acero inoxidable con la superficie pulida. Ésta se colocará, adherida a un triangulo de material plástico, formando un ángulo de 45º con la superficie del sensor. Este ángulo permitirá que los rayos laterales se reflejen e incidan directamente sobre la superficie de los sensores. Finalmente, las piezas quedarán como las que aparecen en la figura 29, en las que aparecen todas las modificaciones descritas. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 54

33 Figura 29. Piezas de la cabeza de sensores. Como se observa en las figuras anteriores, todas las piezas presentan aletas exteriores que permiten sujetar las piezas perimétricas del puzle 3D, como ya se había comentado anteriormente. En el apartado Planos del presente documento se pueden ver con mayor detalle las dimensiones de las piezas y el resultado final del montaje. Una vista superior aparece en la siguiente figura. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 55

34 Figura 30. Montaje de la cabeza Diseño de la placa de sensores. En el apartado anterior se ha diseñado la estructura que provocará las sombras sobre los sensores. Estas sombras afectarán de forma diferente a los sensores, por lo que los valores resistivos de éstos serán diferentes, en función del ángulo con el que inciden los rayos solares. Los sensores han de estar distribuidos en un mismo plano, justo debajo de la estructura metálica. La distribución final es la que aparece en la siguiente figura: Figura 31. Distribución final de los sensores. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 56

35 Los sensores se colocarán en una placa de circuito eléctrico para realizar las conexiones eléctricas necesarias. Las células, por tanto, quedarán en la parte superior de la placa. Si la placa con los sensores se coloca en la parte inferior de la cabeza de los sensores, aunque la superficie inferior de ésta sea plana, la luz penetrará por los huecos variando la resistencia de los sensores. La luz solo debe incidir desde los huecos creados por los paneles de la cabeza, por lo que el ajuste entre la superficie de la cabeza y la placa de los sensores debe ser perfecto, evitando que la luz se filtre entre los huecos. Además, es necesario aislar unos sensores de otros para evitar que la luz que penetra por el hueco correspondiente a un sensor pueda afectar a los sensores que se encuentran a su alrededor. Las placas de circuitos eléctricos suelen ser de fibra de vidrio, por lo que permiten el paso de la luz. Esto puede provocar también que si la luz incide en la parte posterior de la placa del circuito, los sensores al otro lado se vean afectados. Para evitar que la luz se filtre por los huecos o a través de la placa del circuito es necesario colocar placas opacas. Serán necesarias dos placas, una de ellas se encargará de aislar los sensores entre sí y la otra se encargará de impedir que la luz que se filtra a través de la placa de circuitería afecte a los sensores. La descripción de ambas se indica a continuación: Placa 1. La primera placa será de un espesor suficiente para cubrir la célula de los sensores, impidiendo que los sensores sobresalgan y estará perforada para que éstos se alojen en los orificios. De esta manera, la luz que afecte a un sensor no afectará a los demás. La superficie plana de la placa de material plástico, permitirá también un ajuste perfecto con la parte inferior de la cabeza. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 57

36 Figura 32. Placa de separación de sensores. Placa 2. La segunda se encargará de aislar la parte inferior de los sensores. Por tanto, ésta también estará perforada, pero los orificios no estarán destinados para alojar la cabeza de los sensores sino que servirán para que las patillas de cada sensor la atraviesen. La placa se colocara entre los sensores y el circuito, impidiendo que la luz incida en la parte inferior de los sensores. Figura 33.Placa de aislamiento entre el circuito y los sensores. Los sensores, por tanto, estarán soldados a la placa del circuito con la placa 2 interpuesta entre ambos. La placa 1 se colocará sobre la primera de manera que los sensores se alojen en cada uno de sus orificios. Con esta distribución cuando se coloquen en la parte inferior de la cabeza, todos ellos estarán sometidos solo y exclusivamente a la luz que penetre por el hueco superior. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 58

37 Figura 34. Sensores soldados con la placa de aislamiento Soportes. Para colocar la placa de los sensores y poder girar de manera solidaria todo el dispositivo es necesario crear una estructura sobre la que colocar todo el dispositivo, que permita los movimientos necesarios para llevarlo a la posición angular adecuada. Esta estructura ha de tener dos ejes de giro y ha de cumplir varias condiciones: El soporte ha de ser suficientemente resistente para soportar el peso de toda la estructura sin deformarse. El soporte no puede provocar sombras sobre el dispositivo en ningún caso. La estructura se puede dividir en varias partes encargadas de llevar a cabo distintas funciones. A continuación se describen cada una de las partes que formarán la estructura completa Estructura de fijación de la cabeza y la placa de sensores. La estructura tiene que situar a la cabeza de sensores y a la placa que los aloja en una zona no afectada por sombras indeseadas, por lo que el resto de componentes tendrán que colocarse detrás de ambos. Si el eje horizontal se ubica en la parte posterior del dispositivo, todo el peso de la cabeza de sensores, de la placa y de los propios sensores estaría en el mismo lado y, por tanto, totalmente desequilibrado. El Miguel Ángel Zamudio Florido Página 59

38 peso del dispositivo tendrá que equilibrarse mediante el uso de algún tipo de contrapeso. El soporte tiene que acoplar la cabeza y la placa de sensores alineando ambas para que los sensores caigan justo bajo los orificios y no exista posibilidad de desplazamiento. Además, tiene que permitir el ajuste perfecto entre la superficie de la placa y la superficie inferior de la cabeza de sensores. A la vez tendrá que soportar el contrapeso y alojar el eje horizontal. El contrapeso tiene que equilibrar al dispositivo. Si se utilizan materiales similares a los usados para la construcción del dispositivo, la distancia medida desde el eje de giro al dispositivo y desde el eje al contrapeso tiene que ser parecida (si el volumen del contrapeso es aproximadamente igual al del dispositivo). El resultado total será de un tamaño elevado y difícil de manejar. Para reducir el volumen y la distancia del contrapeso al eje se pude utilizar material de mayor densidad como el plomo, que permite reducir tanto el volumen total del contrapeso, como la distancia entre éste y el eje. La solución escogida finalmente será colocar dos contrapesos cilíndricos de plomo insertados en moldes de cobre atornillados a la estructura. El peso de cada uno de ellos será aproximadamente 300 g, por lo que el total sumará 600 g. Las dos piezas principales del soporte se construirán utilizando paneles de aluminio de 3 mm de espesor. La razón por la que se elige este espesor es que permite encajar las piezas del soporte entre las pestañas de los paneles que forman la cabeza de sensores. Las piezas del soporte deslizarán, por tanto, entre los paneles y sujetarán la placa de sensores contra la superficie inferior de la cabeza, además en la parte posterior se colocarán los contrapesos y el eje quedará ubicado entre los contrapesos y la cabeza. La composición queda como muestra la siguiente figura: Miguel Ángel Zamudio Florido Página 60

39 Figura 35. Soporte con contrapesos. Las piezas que conforman la estructura soporte mostrada en la figura anterior se pueden ver en la figura 36. El montaje de las mismas para colocar los contrapesos anteriormente mostrados (figura 35) y encajar la cabeza de sensores se muestra en la figura 37. Las placas que sujetan el eje de 8 mm también presionan a la placa de sensores contra la superficie inferior de la cabeza para evitar la filtración de luz indeseada. Figura 36.Piezas del soporte. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 61

40 Figura 37. Detalle del montaje Soporte del eje horizontal. El eje horizontal que aparece en la figura 35 tendrá que estar soportado por una estructura que permita girar sin problemas al dispositivo, sin que los contrapesos golpeen sobre ella ni exista riesgo de rozamiento alguno. Además, la estructura necesaria no puede provocar sombra sobre ninguno de los sensores en ningún momento, ya que si esto ocurre puede provocar un mal funcionamiento del dispositivo. La estructura estará formada por dos apoyos provistos de rodamientos sobre los que girará el eje. Estos apoyos, tienen que soportar el peso de todo el conjunto. Además, tendrán que tener hueco suficiente para montar uno de los mecanismos de giro, que posteriormente de describirá, y que se usará para impulsar el eje horizontal. El eje horizontal utilizado es de 8 mm. Esto permite soportar con garantías el peso de todo el conjunto sin riesgo de deformación. Por ello, los rodamientos Miguel Ángel Zamudio Florido Página 62

41 utilizados serán también de 8 mm. El espesor de éstos será de 4 mm para que puedan ser alojados en el panel sin que sobresalgan. Para evitar que los rodamientos se desplacen, éstos se alojarán en un orificio de un diámetro superior realizado en el panel del soporte. Los rodamientos se fijarán con anillas de aluminio (figura 38) que rellenan el hueco entre la superficie del rodamiento y el alojamiento. Estas anillas cumplen dos funciones principales: por un lado, sujetan los rodamientos impidiendo que éstos se muevan y anulando las posibles holguras y vibraciones. Por otro lado, el encamisado conseguido con estas anillas ayuda a extraer los rodamientos en caso necesario y evita dañar los orificios de alojamiento, ya que en caso de desgaste, éste se produce en las anillas de encamisado y solo sería necesario sustituir éstas sin necesidad de sustituir toda la pieza soporte. Figura 38. Anillas de sujeción de los rodamientos. Las anillas se atornillarán entre sí y a la pieza soporte mediante tres tornillos pasantes roscados con tuercas y separados entre sí 120º, alojando entre ellas los rodamientos. El conjunto se puede ver en la siguiente figura: Miguel Ángel Zamudio Florido Página 63

42 Figura 39. Detalle de montaje de las anillas. El número de anillas necesarias será cuatro, dos por cada rodamiento. El resto de piezas que completarán los soportes del eje horizontal se pueden ver en la figura 40. En ella se aprecia que existen dos piezas de contorno semejante a las que alojan a los rodamientos. Éstas se usarán para formar un espacio en el que se puedan montar los componentes del mecanismo de giro encargado de impulsar al eje horizontal. Figura 40. Piezas del soporte del eje horizontal. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 64

43 Plataforma giratoria. El soporte del eje horizontal y todo el dispositivo estarán montados sobre una plataforma giratoria impulsada por el eje vertical. En este caso no gira solo el dispositivo de los sensores, sino que lo hace toda la estructura completa apoyada sobre la plataforma giratoria. El eje vertical estará en el centro de la plataforma y será hueco para permitir el paso del cable proveniente de los sensores a su través. Figura 41. Plataforma giratoria. El segundo mecanismo de giro se montará también bajo la plataforma giratoria e impulsará a toda la estructura. La plataforma giratoria se atornillará sobre unas placas provistas de un rodamiento, como las que aparecen en la figura 42, que permiten el giro y el paso del eje a su través. Es importante que la holgura de este rodamiento sea mínima para evitar vibraciones y desplazamientos, ya que éstos pueden generar errores en la medición. Figura 42. Rodamiento de la plataforma horizontal. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 65

44 Los soportes montados sobre la plataforma giratoria quedarán como muestra la figura 43. En ésta, además, se puede apreciar las poleas del mecanismo de giro del eje horizontal que se detallará en el siguiente aparatado. Sobre los rodamientos quedará montado el dispositivo que aparecía en la figura 35. Figura 43. Soporte sobre plataforma horizontal Mecanismos de giro. El correcto funcionamiento del dispositivo dependerá de unos buenos mecanismos que hagan girar a todo el conjunto. De esta manera se pueden realizar las distintas etapas de aproximación y la de ajuste hasta llegar al resultado deseado. Ambos mecanismos han de cumplir dos condiciones fundamentales: El mecanismo de giro ha de ser capaz de orientar al dispositivo hacia cualquier punto del espacio desde el plano de apoyo del dispositivo hacia arriba (no tiene sentido que el dispositivo se oriente apuntando al suelo). El mínimo giro que el mecanismo pueda dar tiene que ser lo suficientemente pequeño para obtener la precisión y exactitud deseada. Si el giro mínimo es muy grande, cuando el dispositivo se encuentre en Miguel Ángel Zamudio Florido Página 66

45 la etapa de ajuste, éste pude ser superior al necesario y superar la orientación correcta, por lo que la orientación finalmente obtenida podría estar alejada de la deseada. Uno de los mecanismos de giro se encargará de impulsar al eje vertical y permitirá al dispositivo alcanzar el azimut solar. El segundo mecanismo impulsa al eje horizontal y permitirá al dispositivo alcanzar la altura solar. Cada mecanismo estará impulsado por un actuador capaz de hacer girar el peso total del dispositivo, con giros suficientemente pequeños para cumplir la segunda condición. Los actuadores podrían ser motores de corriente continua que al tener un movimiento continuo son capaces de orientar con la precisión deseada. Los motores de corriente continua presentan sin embargo algunas desventajas que los hacen poco atractivos para este proyecto. Uno de los inconvenientes principales consiste en la dificultad que tendría un motor de corriente continua para llevar y mantener al dispositivo en una posición concreta. Al ser el movimiento continuo, es difícil alcanzar una posición angular concreta. Además, este tipo de actuadores no permiten mantener una posición fija al contrario que ocurre con otro tipo de actuadores. Esto también genera otro inconveniente añadido, ya que solo con el uso de un motor de corriente continua no sería posible determinar la posición angular, por lo que sería necesario el uso de encoders. Los encoders requeridos para la precisión necesaria en este proyecto serían excesivamente caros, ya que el número de pasos es elevado. Otra opción a la hora de seleccionar el actuador adecuado es elegir motores paso a paso. Este tipo de motores, permite realizar giros definidos y mantener la posición de manera más sencilla en comparación a los motores de corriente continua. El problema que surge con este tipo de motores es que el movimiento se realiza con pasos discretos, por lo que la posibilidad de obtener posiciones intermedias es compleja. Esto implica que el motor necesario para obtener la precisión buscada en el proyecto debería tener al menos 3600 pasos. Es posible utilizar, sin embargo, un motor paso a paso de 200 pasos con un ángulo de paso de 1.8 y reducir este ángulo a 0.1 mediante el uso de una reductora. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 67

46 Finalmente se opta por el uso e un actuador paso a paso con un ángulo de paso de 1,8º. Este actuador estará acompañado por una reductora de 18/1 que reducirá el ángulo de cada paso a 0,1º. El uso de motores paso a paso permitiría conocer, en todo momento, la posición angular en la que se encuentran siempre que se conozca la posición de partida. Esto es posible gracias al ángulo constante por cada paso. Por ello, para conocer la posición de partida de cada motor, se proveerá a los mecanismos de giro de varios finales de carrera que indiquen la posición inicial. A partir de este punto se irán contando los pulsos en uno u otro sentido para calcular la posición angular en la que se encuentran. Las características de los motores, así como las de cada una de las reductoras necesarias, se describen en los siguientes apartados Actuadores utilizados. Los dos ejes del dispositivo serán impulsados por el mismo tipo de motor. En este caso, el modelo utilizado será el Minebea Matsushita. Se trata de un motor paso a paso bipolar de tipo hibrido, cuyas características principales se pueden ver en la siguiente tabla: Características Tensión Nominal 24 Vdc Corriente Nominal 1 A Nº Fases 4 Resistencia de Fase 1 6 Ω Angulo de Paso 1 8º Par de Retención 380 mnm Par de Detención 11 8 mnm Tabla 1. Características motor paso a paso. Como se puede apreciar en la tabla, el par de detención que es el que tiene el motor sin alimentación no es muy elevado, pero el par de retención, que es el que tiene cuando el motor está alimentado, es bastante elevado, lo cual permite mantener al dispositivo en una posición angular fija sin riesgo de desplazamientos indeseados. Los motores se adaptarán a los huecos disponibles en el dispositivo para su ubicación. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 68

47 Reductora del eje horizontal. Cada una de las reductoras utilizadas en los mecanismos de giro presentan características constructivas que se desarrollarán en este y en el siguiente apartado. La reductora del eje horizontal tendrá que convertir el giro mínimo que realiza el actuador (1,8º) en el giro mínimo requerido en el proyecto (0.1º). Existen algunas posibilidades diferentes para el diseño y fabricación de la reductora. Debido al poco espacio disponible se descartan reductoras comerciales. Por este motivo se opta por un diseño específico para el proyecto. La holgura admisible en este mecanismo es mínima, ya que una holgura elevada reduce en exceso la precisión final conseguida. Por este motivo, se descartan las ruedas dentadas como componentes principales de la reductora. Para conseguir esta precisión buscada se opta por la utilización de poleas dentadas de paso métrico de 2.5 mm. Estas poleas son de un tamaño y peso reducido y al ser dentadas minimizan las holguras. Para la conexión de los distintos pasos de la reductora se utilizan correas dentadas, también de paso métrico de 2.5 mm. Las poleas necesarias son las siguientes: o 3 poleas de 10 dientes o 1 polea de 20 dientes o 2 poleas de 30 dientes La transmisión está compuesta por varios pasos. El eje del motor montará una polea de 10 dientes. El primer eje monta dos poleas de 20 y 10 dientes. La primera se enlaza mediante una correa dentada a la del motor, la segunda se enlaza a su vez al segundo eje, que monta otras dos poleas. La que se conecta con el eje 1 es de 30 dientes, la segunda es de 10 dientes y se conecta también con una correa dentada con el eje horizontal del dispositivo que llevará acoplado una polea de 30 dientes, por lo que el coeficiente de reducción será: 1 2; 1 3; 1 3, y el factor de reducción total será de 1:18. Las correas necesarias para conectar los ejes son: o 1 correa de 48 dientes o 2 correas de 58 dientes Miguel Ángel Zamudio Florido Página 69

48 La reductora montada en el soporte se puede ver en la siguiente figura: Figura 44. Vistas de la reductora del eje horizontal. Se han retirado de las imágenes anteriores la placa sobre la que se fija el motor y se apoyan los ejes de las poleas para poder ver mejor la ubicación y distribución de la reductora Reductora del eje vertical. Al igual que con la reductora del eje horizontal, se utilizarán poleas de paso métrico de 2.5 mm y el mismo tipo de correas. En este caso, la relación de la reductora es exactamente la misma, pero el espacio para su distribución es mucho más amplio. Este mayor espacio, y el diámetro del eje vertical (20 mm), hacen que las poleas seleccionadas para obtener la relación de reducción sean diferentes. Las poleas seleccionadas son las siguientes: o 2 poleas de 10 dientes o 1 polea de 60 dientes o 1 polea de 30 dientes Miguel Ángel Zamudio Florido Página 70

49 En este caso la reductora está compuesta por un eje intermedio en el que se montan dos poleas de 10 y 30 dientes. La primera se enlaza con el eje vertical del dispositivo, en el que se monta la polea de 60 dientes. La segunda se conecta con la polea de 10 dientes del motor. La relación de reducción será: 1 3; 1 6. Finalmente, como en el caso de la reductora horizontal, la relación es 1:18. Las correas necesarias para conectar los ejes son las siguientes: o 1 correa de 114 dientes o 1 correa de 168 dientes 4.7. Lectura de sensores. El funcionamiento del dispositivo depende los valores obtenidos de los sensores, por ello, es necesario un circuito que asegure una correcta lectura. El número de sensores es elevado, por este motivo, se puede utilizar un circuito multiplexor que seleccione en cada caso el sensor adecuado reduciendo el número de entradas analógicas necesarias en el sistema de control. El circuito multiplexor permite leer, uno a uno, el valor de resistencia de los sensores. Los únicos inconvenientes que presenta esta solución son el tiempo necesario para la lectura que se multiplica por 14 (ya que la lectura es en serie), y la necesidad de salidas digitales provenientes del sistema de control utilizadas para la selección de la entrada del multiplexor. El circuito utilizado para la función descrita se puede ver en la figura 45. El circuito está compuesto por dos multiplexores analógicos de 8 a 1 modelo 74HCT4051. La selección de la entrada se realiza mediante cuatro entradas digitales. Cada entrada está provista de un diodo zener que limita la tensión de entrada a 5 v. El bit más significativo habilita uno de los multiplexores, obteniendo con ello un multiplexor de 16 a 1. Los sensores no estarán en la misma placa que el resto del circuito, ya que como se ha visto anteriormente, éstos estarán ubicados en la placa de sensores descrita anteriormente. La conexión de estos sensores se realiza como muestra el circuito de la figura 45. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 71

50 Figura 45. Circuito multiplexor Sistema de control El proyecto requiere de un sistema de control que implemente el funcionamiento desarrollado en los apartados anteriores. Este sistema se encargará de llevar a cabo las tres etapas fundamentales de funcionamiento del dispositivo, así como de llevar al dispositivo a la posición inicial cundo sea necesario y enviar los datos necesarios al sistema encargado de posicionar los paneles solares. Para ello, el sistema de control ha de cumplir unas determinadas características que se desarrollan a continuación: Este sistema de control ha de ser capaz de capturar y almacenar los datos de los sensores. Los datos de los sensores se tomarán de forma secuencial mediante el uso de un multiplexor, por lo que solo será necesario disponer, en principio, de una entrada analógica por la que se irán tomando uno a uno los datos de cada uno de los sensores. Será necesario una segunda entrada analógica que tome la tensión de referencia para cada medición de los sensores. De esta forma, si se Miguel Ángel Zamudio Florido Página 72

51 produce una oscilación en la tensión que alimenta a los sensores, ésta no afectará a los datos calculados posteriormente. El sistema de control, ha de ser capaz de almacenar una base de datos y realizar las transformaciones necesarias sobre los datos obtenidos de los sensores. De la misma forma, este sistema tendrá que estar capacitado para realizar los cálculos necesarios para obtener, en función de los datos externos, los ángulos necesarios para orientar las placas solares. El sistema estará provisto de las salidas digitales necesarias para seleccionar en cada caso el sensor deseado mediante el uso de un multiplexor externo. Las salidas digitales serán utilizadas para conectar a las patillas de selección del multiplexor. El sistema de control tendrá que suministrar la información necesaria al circuito de control de los motores paso a paso para que éstos orienten correctamente al dispositivo. Por último, el sistema de control, una vez obtenido el resultado final, tendrá que enviar la información al sistema de orientación de los paneles solares. Existen diversas opciones para obtener la funcionalidad requerida. Las más comunes pueden ser: PC convencional: donde se programe todo el funcionamiento y éste alimente la circuitería necesaria para realizar todas las funciones deseadas. Microcontroladores: este tipo de sistemas de control son muy utilizados para pequeñas aplicaciones. Existen una gran variedad en el mercado Miguel Ángel Zamudio Florido Página 73

52 que proporcionan una gran flexibilidad a la hora de realizar determinadas aplicaciones. Su programación suele ser relativamente sencilla, pero es necesario el uso de programadores específicos. Su gran ventaja estriba en el tamaño reducido su facilidad de programar y alimentar, pudiendo quedar integrado en el mismo circuito del dispositivo. Las desventajas fundamentales son su limitada memoria y su número de entradas y salidas, que lo hacen poco atractivo ante la perspectiva de futuras modificaciones o ampliaciones. Además, una vez programado y montado, es necesario desmontar en caso de necesitar alguna modificación, o requiere de una circuitería externa que permita su programación aún estando montado. PLC: los controladores lógicos programables son, sin embargo, una opción siempre muy atractiva a la hora de realizar aplicaciones de control. Existen gran cantidad de marcas y modelos que permiten realizar prácticamente cualquier tipo de aplicación de control. Éstos tienen una gran cantidad de ventajas, como puede ser una gran capacidad de ampliación de manera relativamente sencilla. Al permitir el uso de tarjetas de entrada/salida independientes, se pueden añadir las que sean necesarias para la realización de la aplicación en cuestión. Si en un futuro se requieren más, es posible añadir otros módulos de entrada-salida, los cuales además permiten ser programados con gran facilidad mediante software específico y generalmente con diversidad de lenguajes de programación, lo que le da al usuario una enorme flexibilidad a la hora del diseño de la aplicación deseada. El software necesario permite configurar el PLC y los distintos módulos que lo acompañan y se puede instalar en un PC convencional. La programación es fácilmente modificada, generalmente solo es necesario conectarse a la CPU del PLC mediante una conexión USB y descargar la nueva versión del programa sin apenas esfuerzo. Como inconveniente principal está su elevado tamaño en comparación con los microcontroladores. Éstos generalmente han de ser montados en un armario donde estará la Miguel Ángel Zamudio Florido Página 74

53 fuente de alimentación, la CPU y los distintos módulos de entrada-salida que variarán en función de las necesidades. Para el proyecto en cuestión, se ha optado por elegir un PLC como sistema de control, fundamentalmente por lo comentado anteriormente. Al tratarse de un diseño nuevo y, por tanto, de ser necesario la realización de una gran variedad de pruebas y modificaciones, la facilidad que presenta el PLC a la hora de trabajar inclina la balanza a su favor, quedando en un plano secundario el reducido tamaño del microcontrolador, que permitiría instalarlo en el mismo circuito del dispositivo. Además, se deja la puerta abierta a futuras mejoras y modificaciones que requieran del uso de nuevas entradas y salidas. El PLC elegido finalmente ha sido el modelo MODICON M340, de la marca SCHNEIDER. Esta elección está fundamentada principalmente en los siguientes dos motivos. Cumple con todas las necesidades descritas en el inicio de este apartado y está disponible en el laboratorio Descripción del PLC Bastidor. Una de las piezas fundamentales para el montaje de un PLC es el bastidor donde se integrarán todos los demás componentes del sistema de control. Mediante éste, se conectan las distintas partes que componen el PLC, utilizando conectores DIN de 40 puntos y consiguiendo una rigidez adicional en el conjunto. Para el PLC seleccionado, se utilizará el bastidor BMX XPB 0400 con capacidad para cuatro módulos. Las dimensiones y características constructivas se pueden apreciar en las siguientes figuras: Miguel Ángel Zamudio Florido Página 75

54 Figura 46. Dimensiones del bastidor de 4 slots. Figura 47. Imagen real del bastidor. La primera posición está reservada para colocar la fuente de alimentación que suministrara potencia tanto a la CPU, como a los distintos módulos de entrada/salida necesarios. Para la fuente de alimentación, por tanto, se utilizarán los dos primeros conectores del bastidor (ver Figura 48) y, a partir de ésta, estarán distribuidos en primer lugar la CPU y en los slots siguientes, los distintos módulos de entrada/salida. Figura 48. Distribución de los slots. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 76

55 Fuente de alimentación. La fuente que suministra potencia al sistema de control es la BMX CPS Ésta suministra una tensión de salida de 24 V estables con una potencia de 20 W. Figura 49. Fuente de alimentación. Descripción de los elementos externos de la fuente, que aparecen en la Figura 49: 1.- Panel de visualización, donde se puede ver el estado de la fuente. 2.- Botón de reset. 3.- Conector del relé de alarma. 4.- Conector de alimentación y salida de 24 V. En la siguiente figura se puede ver un detalle de los conectores frontales de la fuente de alimentación. Figura 50. Conectores de la fuente de alimentación. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 77

56 Las características técnicas de la fuente de alimentación se pueden observar en la siguiente tabla de datos técnicos: Tabla 2. Datos de la fuente de alimentación CPU. La CPU es un componente fundamental, ya que ésta se encarga de realizar todas las operaciones necesarias y de gestionar las variables y entradas/salidas disponibles para conseguir la funcionalidad deseada. En este caso se utiliza la BMX P como la que se muestra en la figura 51. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 78

57 Figura 51. CPU. Descripción de los elementos externos de la CPU, que aparecen en la figura 51: 1. Tornillo de fijación 2. Display de visualización. Con éste se puede ver el estado de los principales parámetros de la CPU. Figura 52. Detalle del display de visualización. 3. Conector mini USB utilizado para conectar con el PC de configuración. 4. Ranura de inserción de la tarjeta de memoria flash utilizada para guardar la copia de seguridad de la aplicación. 5. Conector RJ45 para la conexión a red Ethernet. 6. Conector RJ45 para la conexión Modbus. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 79

58 La CPU puede gestionar hasta 1024 E/S digitales y hasta 256 E/S analógicas en configuración monorack. La capacidad de procesado permite ejecutar un número máximo de 8100 instrucciones al milisegundo, si éstas son estrictamente booleanas y un número algo menor (6400), si son mixtas. El resto de características de la CPU elegida se pueden ver en la siguiente tabla de datos técnicos. Tabla 3. Datos técnicos de la CPU. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 80

59 Módulos E/S. Los módulos de entrada/salida se encargarán de comunicar el PLC con el exterior, tanto para recibir los datos necesarios para las operaciones para las que se programó, como para enviar las salidas generadas a los dispositivos que componen el proyecto. En el presente proyecto se utilizarán dos módulos de entrada/salida montados convenientemente en el bastidor descrito. El primer módulo será de entradas/salidas digitales compuesto de 8 entradas y 8 salidas todas ellas de 24 V. El módulo corresponde al modelo BMX DDM El diagrama de conexionado se puede ver en la siguiente figura: Figura 53. Diagrama de conexionado. Las salidas digitales se utilizarán para el control del multiplexor analógico que selecciona el sensor adecuado en cada caso. Además, se utilizarán algunas más para el control de los motores paso a paso. Las entradas, por otra parte, se usarán para las señales de inicialización del dispositivo y la señal de falta de luz. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 81

60 Las características del módulo utilizado se pueden ver en la siguiente tabla de datos técnicos: Tabla 4. Datos técnicos del módulo de E/S digitales. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 82

61 El segundo módulo utilizado será el BMX AMI Éste posee 4 entradas analógicas configurables, utilizadas para la lectura de las resistencias y demás variables requeridas en este proyecto. Las entradas podrán ser configuradas en función de las necesidades. Las características principales de este módulo son las que aparecen en la siguiente tabla de datos técnicos: Tabla 5. Datos técnicos del módulo de entradas analógicas Configuración del PLC. El desarrollo de cualquier aplicación implementada en un PLC requiere de la utilización de un software específico que permite tanto la configuración hardware del mismo, como el desarrollo, simulación y posterior carga de la programación necesaria para el correcto funcionamiento de la aplicación. El PLC elegido utiliza para la configuración el software Unity Pro, que permite realizar de forma flexible e intuitiva los pasos necesarios para la configuración del PLC. La configuración se realizará en dos pasos fundamentales que son la configuración hardware y la programación y carga de la aplicación. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 83

62 Configuración Hardware. En esta etapa se seleccionan y configuran, mediante el uso de software Unity Pro, los distintos módulos que se emplearán en el proyecto. La configuración comienza abriendo un nuevo proyecto para lo cual, una vez abierto el software, se hace clic en la pestaña fichero y posteriormente sobre nuevo y aparece una tabla que permite seleccionar la plataforma donde se realizará el proyecto (figura 54) Figura 54. Plataformas. En este caso, la plataforma seleccionada, como se puede ver en la figura anterior, es la BMX P con la CPU con posibilidad de comunicación via modbus y ethernet. Una vez seleccionada la plataforma, se irán escogiendo los distintos componentes que completan el PLC. El primer componente necesario será el bastidor, ya que éste limitará el número máximo de módulos que se podrán conectar a la CPU seleccionada. Para escoger dicho bastidor, haciendo uso del explorador de proyecto, Miguel Ángel Zamudio Florido Página 84

63 se despliega el menú configuración y se clicka sobre Bus PLC. Aparece una ventana donde se puede ver la distribucion de los distintos componentes elegidos. Haciendo doble click sobre el lateral de la imagen que aparece en dicha ventana (bastidor), aparecerán las distintas opciones disponibles para el bastidor. Figura 55. Ventana de configuración del PLC. En la ventana que aparece se elige el bastidor de 4 slots, que en este caso es BMX XBP Figura 56. Ventana de selección del bastidor. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 85

64 A partir de este momento, en el explorador de proyecto solo aparecerán las cuatro posiciones disponibles del bastidor. La primera estará reservada para la CPU, las otras estarán libres para ir incluyendo los diferentes módulos de entrada/salida. Figura 57. Posiciones del bastidor. Para seleccionar los módulos que se conectarán en los distintos Slots libres, es necesario hacer doble clic sobre la imagen del slot en cuestión. De esta manera, aparece una ventana con menús desplegables donde se podrán seleccionar los módulos. Una vez se ha completado el PLC con los distintos módulos conectados en el bastidor, se pueden configurar éstos para poder comenzar con la siguiente etapa. Como se puede apreciar en las siguientes figuras, es posible seleccionar, configurar y etiquetar las distintas entradas y salidas de los módulos; así como configurar, dentro de los márgenes de cada módulo, los distintos parámetros de actuación. En este caso, una de las cosas a tener en cuenta es el tipo de entrada analógica utilizada. Existen varias posibles configuraciones para las entradas analógicas. Dentro de los posibles rangos de trabajo de las entradas, se configurarán las entradas para variables en tensión y con un rango de 0 a 10 V, por lo que, como se muestra en la figura 58, se elige dicha opción. Es posible configurar las distintas entradas del módulo analógico de Miguel Ángel Zamudio Florido Página 86

65 forma diferente según las necesidades. Para este proyecto, todas las entradas analógicas estarán conectadas y serán entradas en tensión de 0 a 10 V. Figura 58. Configuración de entradas analógicas. Navegando por las distintas ventanas de configuración, se podrán seleccionar todos los parámetros de los módulos que componen el PLC, para que éstos se comporten de manera adecuada durante la ejecución de la aplicación. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 87

66 Figura 59. Ejemplo de ventana de configuración Declaración de variables. El etiquetado de las variables, ya sean entradas, salidas o variables internas de tipo analógico o digital, se realiza desde el menú variables e instancias FB que se encuentra en el explorador de proyectos. Las variables creadas pueden ser de diversos tipos predefinidos (booleanas, enteras ), en este caso se crean desde el menú variables elementales. Éstas podrán estar vinculadas, si es necesario, a alguna de las entradas o salidas disponibles en los diferentes módulos. De esta manera, no será necesario hacer referencia cada vez a la direccion de dicha entrada o salida, sino que simplemente se usará el símbolo o etiqueta previamente definido. Es posible crear, además de los ya existentes, tipos de variables definidos por el usuario, que después se podrán usar en el proyecto. En caso de crear alguna variable de un tipo definido por el usuario, se realizará desde el menú variables derivadas. Todas las variables, ya sean elementales o derivadas, se pueden ver navegando por el Miguel Ángel Zamudio Florido Página 88

67 explorador de proyectos. Como ya se ha comentado anteriormente, es posible vincular las variables a alguna de las entradas o salidas disponibles para lo cual, en el momento de su creación, es necesario asignarles el tipo correcto que coincida con la entrada o salida en cuestión y asignarles una dirección correcta que esté libre. También es posible crear variables internas de cualquier tipo, que no estarán vinculadas a ninguna entrada/salida y que serán utilizadas para realizar las distintas operaciones necesarias de la aplicación. En este caso, la forma de definirlas es similar, se le asigna un nombre (que no exista) y un tipo, pero no es necesario asignarles ninguna dirección. Las variables precisadas para el proyecto, se podrán ir creando durante la programación del mismo. Si en alguna de las secciones de programación se hace referencia a una variable inexistente, el software permite la creación de la misma desde la propia sección, sin necesidad de ir a la lista de variables para crearla Programación. La ejecución de una aplicación en este tipo de PLCs se divide en tareas que a su vez se dividen en secciones. Estas secciones se ejecutan de manera secuencial en orden descendente, por lo que es importante ordenar adecuadamente todas las secciones que componen la aplicación. La ejecución de las distintas secciones se puede condicionar a alguna variable, evitando la ejecución de determinadas secciones cuando no sean necesarias. Para crear una nueva sección, navegando por el explorador de proyecto, se despliega el menú programa y posteriormente se despliega la carpeta de la tarea deseada y sobre la carpeta secciones haciendo clic con el botón derecho sobre dicha carpeta, se selecciona nueva sección y aparece una ventana que permite crear una nueva sección. Para la creación de dicha sección, es necesario asignarle un nombre que no exista previamente, seleccionar el tipo de programación usado para su desarrollo y, si se desea, en la pestaña condición, se configura la condición que permita la ejecución de la sección. Miguel Ángel Zamudio Florido Página 89

68 Figura 60. Ventana de configuración de nueva sección. Como se puede ver en la figura anterior, existen varios tipos de programación que permiten, en función de las necesidades, programar las funciones de cada una de las secciones. A continuación se muestra una breve descripción de los lenguajes de programación fundamentales que se utilizarán posteriormente en la aplicación. 1. LD o lenguaje de contactos. Éste consiste en la programación típica de contactos en los que mediante la utilización de contactos normalmente abiertos o cerrados, comparaciones básicas y bloques de funciones se permite generar la salida adecuada a la bobina deseada. 2. ST o lenguaje estructurado. Éste es parecido a los lenguajes de programación existentes como C y permite al usuario, mediante el uso de líneas de código, programar el comportamiento deseado. 3. SFC o programación grafcet. Permite programar de manera secuencial el comportamiento de la aplicación. Si la aplicación está compuesta de Miguel Ángel Zamudio Florido Página 90