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4.1 INTRODUCCIÓN La automatización de una máquina o proceso productivo tiene como consecuencia la liberación física y mental del hombre de dicha labor. Se denomina “Automatismo” al dispositivo físico que realiza esta función controlando su funcionamiento. Por lo tanto, la automatización de una máquina o proceso consiste en la incorporación de un dispositivo tecnológico que se encarga de controlar su funcionamiento. El sistema que se crea con la incorporación del dispositivo, es capaz de reaccionar ante las situaciones que se presentan, ejerciendo la función de control para la que ha sido concebida. 4.2 PRINCIPIO DE UN SISTEMA AUTOMATICO Todo sistema automático se basa en el concepto de bucle o lazo cerrado, figura 4.1:
Señales de Detección Captadores Máquina o Proceso Operativo
Automatismo o Unidad de Control
TRABAJO
Actuadores
Ordenes de Funcionamiento FIGURA 4.1. PRINCIPIO DE UN SISTEMA DE LAZO CERRADO
La Información que recibe la unidad de control es recogida por un conjunto de elementos denominados captadores. Estos captan una serie de cambios físicos que se producen durante el proceso (por ejemplo temperatura de un horno, nivel de un tanque, etc.). La unidad de control genera órdenes que se transmite al proceso a través de los actuadores. Los actuadores transforman las órdenes recibidas por la unidad de control en magnitudes o cambios físicos con el objeto de controlar una variable física del proceso. Como podemos observar en la figura anterior, en este sistema de lazo cerrado existe un continuo flujo bidireccional de información entre la máquina o proceso y la unidad de control. La información recibida en la unidad de control se trata y elabora según un algoritmo de control del proceso, del cual se obtiene las acciones que conducirán el funcionamiento de la máquina o proceso. Además, la unidad de control es capaz de proporcionar información ya elaborada sobre el estado y evolución del sistema al operador del mismo. 4.3 DEFINICION DE AUTOMATAS PROGRAMABLES Un autómata programable o controlador lógico programable (P.L.C) es toda máquina electrónica, diseñada para controlar en tiempo real y en medios industriales, procesos secuenciales y/o combinacionales, mediante un programa en lenguaje no informático. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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El P.L.C. puede tratarse como una caja negra, en el cual existen terminales de entrada en donde se conectan los captadores (por ejemplo: fotocélulas detectores de niveles, sensores, etc.) y terminales de salida, en los cuales se conectan los actuadores (por ejemplo: bobinas de contactores, electroválvulas, etc.), de manera que el funcionamiento de estos depende del estado de las señales de entrada y el programa almacenado para controlar el proceso o la máquina. La figura 4.2 y 4.3 nos muestra el PLC de la firma Telemecanique:
FIGURA 4.2. PLC NANO “TSX07201028”
FIGURA 4.3. PLC MICRO “TSX371028DTK0” Y “TSX 3721100”
4.4 VENTAJAS EN LA UTILIZACIÓN DE PLC Las aptitudes favorables que presentan los PLC son las siguientes:
Programable: lo que lo hace útil para una gran cantidad de aplicaciones. Reutilizable: ya que el PLC puede ser utilizado nuevamente en cualquier área del proceso. Sencillo: Ya que para su programación no se precisa de especialista, debido a la simplicidad del lenguaje de programación del mismo.
Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos. Mínimo espacio de ocupación. Disminución de los costos de la instalación y economía de mantenimiento. Manipular el proceso en forma segura y estable Acrecimiento de la fiabilidad del sistema ya que se puede detectar e indicar averías. Posibilidad de gobernar varias máquinas con un solo PLC. Menor tiempo en la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el cableado de la instalación.
Incremento de la Productividad.
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Adecuado para trabajar en ambientes industriales, ya que cuenta con blindajes especiales con el objeto de reducir las perturbaciones de origen eléctrico que ocurren constantemente debido a los transitorios generados por las máquinas del proceso que se controla.
Evita desviaciones importantes respecto a las especificaciones de productos durante perturbaciones. 4.5 HISTORIA Y EVOLUCION DE LOS P.L.C. El desafío que tiene toda industria de ser competitiva ha sido el motor propulsor del desarrollo de nuevas tecnología para conseguir una mayor productividad. Debido a esto, es que en 1968 las empresas FORD y GENERAL MOTORS, preocupados por los altos costos que implicaban los sistemas de control a base de relés (debido a los tiempos de parada en caso de averías y a su poca flexibilidad para adaptarse a las necesidades de producción de nuevos modelos) impusieron a sus proveedores de automatismo, especificaciones para la realización de un sistema de control electrónico. Estas especificaciones eran las siguientes: • Debía emplear electrónica estática. • Debía adaptarse al medio industrial, es decir, a las condiciones ambientales de la planta industrial en donde iban a operar. • Debían ser programables en un lenguaje entendible y accesible por el personal de operación y mantenimiento de la planta. • Debían ser de fácil mantenimiento y reutilizable. Debido a esto la empresa GENERAL MOTORS estaba trabajando con la empresa DIGITAL CORPORATION C., para obtener un sistema de control que respondiera a los requisitos anteriores. Como resultado obtuvieron un equipo denominado PDP-14, que en definitiva resulto un sistema programado (memoria cableada). El programa se desarrollaba en un ordenador que proporcionaba el esquema de cableado con que se construía la memoria. Según R.E.MORELEY, considerado el “Padre” de los autómatas programables, fue una casualidad que ellos, la firma BEDFORD ASSOCIATES INC., desarrollaran un producto que respondía a las especificaciones anteriores, ya que no habían tenido contacto con GENERAL MOTORS que posteriormente sería su principal cliente. El primer autómata trabajaba con una memoria de ferritas, por lo tanto era fácilmente reprogramable y superaba las exigencias de GENERAL MOTORS, con lo cual no tardó en extenderse su empleo a otras industrias. El autómata nació como sustituto de los armarios de relés y se mostró particularmente adaptado para el control en las cadenas de montaje, es decir procesos secuenciales. Para facilitar su programación y mantenimiento por parte del personal de control de la planta, el lenguaje empleado era el de las ecuaciones de Boole y posteriormente el esquema de contactos. Los PLC ha tenido una evolución paralela al desarrollo de microprocesadores, extendiéndose su aplicación al
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campo de control de procesos que requieren operaciones de regulación, cálculos, manipulación y transmisión de datos. La evolución seguida por el autómata programable se puede sintetizar en las etapas que se describen a continuación:
1) Los primeros equipos aparecen en 1968. Emplean memoria de ferritas y un procesador cableado a base de circuitos integrados para construir la unidad central. Su aplicación se centra en la sustitución de armarios de relés que controlan máquinas o procesos típicamente secuenciales (máquinas o líneas de montaje, cadena de transporte, distribución y almacenamiento de material, etc.).
2) En la primera mitad de la década de los 70’ incorporan la tecnología de los microprocesadores, lo que permite aumentar sus prestaciones. Incorporación de elementos de interconexión hombre-máquina. Manipulación de datos. Operaciones aritméticas. Comunicación con ordenador. Su aplicación aumenta las prestaciones de la máquina ya que con la capacidad de tratamiento numérico, el autómata puede desarrollar acciones correctivas durante el funcionamiento del proceso.
3) La segunda mitad de la década de los 70’ se caracteriza por una constante mejora de prestaciones y el desarrollo de elementos especializados: Incremento de la capacidad de memoria. Posibilidad de entradas/salidas remotas. Entradas/salidas analógicas y numéricas. Control de posicionamiento. Mejora en el lenguaje de programación (instrucciones potentes). Desarrollo de las comunicaciones con periféricos y ordenador. Sus aplicaciones se extienden al control de procesos, al poder efectuar lazos de regulación trabajando con dispositivos de instrumentación. Otros campos de aplicación son el posicionamiento mediante entradas lectoras para codificadores y salida de control de motores paso a paso, la generación de informes de producción, y además el empleo de redes de comunicación. Por otra parte la disponibilidad de E/S remotas aporta una considerable reducción de costos en grandes instalaciones. A pesar de los grandes avances alcanzados en esta década, se generaron una serie de protocolos y redes incompatible, lo que hizo que la comunicación entre dispositivos de diferente marca fuera una tarea difícil.
4) En la década de los 80’ se han incorporado masivamente los avances de la tecnología de microprocesadores, consiguiendo: Alta velocidad de respuesta (ciclo de ejecución). E/S inteligentes (servocontroladores, controlador PID). Reducción de las dimensiones, particularmente por la mayor densidad en las agrupaciones de circuitos de E/S. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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Mayor capacidad de diagnóstico de funcionamiento. Capacidad de almacenaje de grandes cantidades de datos. Mejoras en el lenguaje: instrucciones de bloques, instrucciones de cálculo matemático con datos en notación de coma flotante, etc. Lenguajes alternativos: lenguaje de bloques funcionales, lenguaje de diagramas de fase (GRAFCET), y lenguaje de alto nivel (tipo BASIC, C). Programación de PLC por computadoras personales de una manera más sencilla, debido a la fácil comunicación e interfaces más amigable entre el usuario y la máquina. . También en los últimos años de esta década han aparecido equipos pequeños y compactos, que junto con la reducción de precios, han hecho que la aplicación se extienda a todos los sectores industriales.
5) En la década de los 90’, la estandarización de los protocolos de comunicación y de los lenguajes de programación han hecho que prácticamente cualquier PLC pueda integrarse a determinada red sin importar su fabricante. De la misma manera, los sistemas de control por computadora también han tenido presencia en el ámbito industrial. Se ha llegado en muchos casos a reemplazar los PLC por computadoras personales. 4.6 ESTRUCTURA EXTERNA DE LOS P.L.C. La estructura externa de un autómata programable se refiere al aspecto físico externo del mismo, bloques o elementos en que esta dividido, etc. En la actualidad son dos las estructuras más significativas que hay en el mercado: A. Estructura Compacta: Los autómatas que presentan una estructura compacta incluyen en un solo bloque todos sus elementos, esto es: Fuente de Alimentación, CPU, Memorias, Entradas/Salidas, etc. En general se trata de PLC de dimensiones pequeñas con lo cual disminuye considerablemente su costo, pero presenta la desventaja de que es imposible la expansión gradual del equipo (aumentar bloques de E/S, Memoria, etc.). B. Estructura Modular: La estructura de estos tipos de autómatas se divide en módulos que realizan funciones específicas. Tenemos dos tipos de estructuras: 1. Estructura Americana: En este caso las entradas/salidas están separadas del resto del autómata, de manera que en un bloque compacto están reunidos la CPU, memoria de programa y fuentes de alimentación; y en forma separada, las unidades de entrada/salida según las necesidades que se tengan.
CPU, Memoria de Programa, Fuente de alimentación. BLOQUE COMPACTO
I/O
I/O
I/O
I/O
BLOQUE DE E/S
FIGURA 4.4. ESTRUCTRURA AMERICANA
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2. Estructura Europea: En esta estructura existe un módulo para cada función, es decir, un módulo para la fuente de alimentación, otro para la CPU, otro para la memoria de programa, otro para las entradas y salidas que se necesiten. La sujeción de los bloques se realiza sobre un RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que lo componen.
CPU
FUENTE DE ALIMENTACION
MEMORIA DE PROGRAMA
I/O
I/O
FIGURA 4.5. ESTRUCTRURA EUROPEA
La ventajas de ambas estructuras modulares es que el usuario puede componer su equipo con la cantidad y tipo de entradas/salidas que necesite y luego puede expandirlo agregando los módulos que considere necesario. De esta manera resulta más sencillo el mantenimiento, debido a que lo que se reemplaza es el módulo dañado. La desventaja en equipos pequeños es su alto costo, respecto de los PLC de estructura compacta. 4.7 ESTRUCTURA INTERNA DE LOS P.L.C. Los autómatas programables se componen esencialmente de 3 bloques:
1.
La sección de entrada.
2.
La unidad central de proceso.
3.
La sección de salida.
En la figura 4.6. se puede observar una idea de estos tres bloques representativos del PLC.
DISPOSITIVO DE ENTRADA O CAPTADORES
SECCION DE ENTRADA
UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU)
SECCION DE SALIDA
DISPOSITIVO DE SALIDA O ACTUADORES
FIGURA 4.6. ESTRUCTURA INTERNA DE UN PLC
1. Sección de Entrada: Esta tiene la función de adaptar y codificar en forma comprensible por la CPU las señales procedentes de los dispositivos de entrada o captadores. También tiene la misión de proteger los circuitos electrónicos internos del autómata, realizando una separación eléctrica entre estos y los captadores.
2. Unidad Central de Proceso (CPU): Es la parte inteligente del sistema y se encarga de realizar las tareas de control interno y externo, mediante la interpretación que el procesador hace de las instrucciones o códigos de operación almacenados en la memoria; y en función de los valores de las entradas, activa las salidas deseadas.
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3. Sección de Salida: Esta sección es la encargada de decodificar las señales procedentes de la CPU, amplificarla y mediante esta, comandar los dispositivos de salidas o Actuadores. Existen también en esta sección una interface de adaptación a las salidas y protección de circuitos internos. El autómata programable para que sea operativo en cualquier proceso, además debe tener:
a) Unidad de Alimentación.
c) Periféricos.
b) Unidad o consola de Programación.
d) Interfaces.
La representación de estas unidades o bloques se representan en la figura 4.7. UNIDAD DE ALIMENTACIÓN CAPTADORES
SECCION DE ENTRADA
CPU INTERFACES
CONSOLA DE PROGRAMACIÓN
SECCION DE SALIDA
ACTUADORES
DISPOSITIVOS PERIFERICOS
FIGURA 4.7. AUTOMATA PROGRAMABLE CON SUS PERIFÉRICOS Y UNIDAD DE ALIMENTACIÓN
a) Unidad de Alimentación: Es lo que comúnmente se denomina fuente de alimentación. Esta tiene la misión de adaptar la tensión de red de 220[V] y 50 [Hz] a la de funcionamiento de los circuitos electrónicos interno del autómata, así como a los dispositivos de entrada (por ejemplo 24 [V] ).
b) Unidad de Programación: Es el elemento utilizado para la programación en la memoria de la CPU, del programa de control. Esta puede realizarse mediante un teclado con display similar al de una calculadora, que se acopla mediante un cable y un conector a la CPU, para cargar el programa; o también puede realizarse mediante algún puerto de las computadoras (serie o paralelo y actualmente el USB).
c) Periféricos: Son equipos auxiliares, físicamente independiente del autómata, que se unen al mismo para realizar una función específica y que amplia el campo de aplicación o facilita su uso. No intervienen directamente, ni en la elaboración ni en la ejecución de un programa.
d) Interfaces: Son los dispositivos electrónicos que permiten la conexión a la CPU de los elementos periféricos descriptos. Para una mejor comprensión del autómata la figura 4.8. representa en bloques separados, pero interrelacionados entre sí cada una de las áreas que conforman el autómata programable con sus periféricos y unidad de alimentación:
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La arquitectura básica de un autómata programable de la gama baja o media se la representa en la figura 4.9., existiendo poca variación de unos fabricantes a otros. Esta nos permite comprender en mayor profundidad los circuitos que la componen.
CPU
MEMORIA
ALIMENTACION
ENTRADAS
A unidad de Programación Periféricos
SALIDAS
A actuadores
FIGURA 4.8. ESQUEMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN PLC
AREA DE MEMORIA
AREA DE CPU
µP
De fuente de alimentación
De captadores
Programa y memoria del sistema
Memoria de datos RAM
Memoria de trabajo o usuario RAM
Otros elementos analógicos y digitales del
BUS CPU AREA DE Fuente de alimentación
De red de alimentación
Interfaz de unidad de programación
A unidad de Programación
INTERFACES
Interfaz De Periféricos
AREA DE
Interfaz de entradas salidas
A Periféricos
Entradas
De Captadores
FIGURA 4.9. ARQUITECTURA DE UN PLC
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E/S Salidas
A Actuadores
A BUS externo
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4.8 TIPOS DE MEMORIAS UTILIZADAS EN LOS P.L.C. Las memorias son los dispositivos electrónicos que nos permiten almacenar información en forma binaria (0 o 1). Los distintos tipos de memorias que pueden utilizar los PLC y sus principales características se observan en tabla 4.1. TABLA 4.1. TIPOS DE MEMORIAS UTILIZADAS EN LOS PLC Método de Programación Tipo De Memoria
Sistema De Programación
Falta de Tensión Sistema de Borrado
En Procesador
Externo al Procesador
Fábrica
RAM
Eléctrica
SI
---
---
ROM
En su fabricación
---
---
SI
Eléctrico
PROM
Eléctrica
---
SI
---
EPROM
Eléctrica
SI
---
---
Imposible su borrado Imposible su borrado Por rayos UV
EEPROM
Eléctrica
SI
---
---
Eléctrico
Volátil
No Volátil
SI
---
---
SI
---
SI
---
SI
---
SI
Dependiendo de la función que deban realizar, las memorias pueden clasificarse en:
A. Memoria de usuario: También se la denomina Memoria de programa o Memoria de Aplicación. En esta memoria residen las instrucciones que definen el algoritmo de control. Esta memoria esta organizada en palabras y registros, constituida por cierto número de bits (8,12,16 o 32 bits) dependiendo este número del tipo de procesador que se emplee. Cada una de las palabras o registros constituye una información completa que define una instrucción o un dato numérico, o bien un grupo de entradas/salidas, en función del área de memoria a que pertenezca. La cantidad de palabra que dispone la memoria se expresa Kpalabras (kilo palabras). De esta manera podemos hablar de memorias de 1,2,4,8,16,32 Kpalabras o instrucciones. Debido que las palabras de 8 bits reciben el nombre de bytes, es común expresarla la cantidad de memoria en KBytes. En las características del autómata se especifica la cantidad de memoria disponible para el programa de usuario. Generalmente es una memoria RAM en donde se graba el programa de usuario, ya que no solo tiene que ser leída por el µ−procesador, sino que ha de poder ser variada cuando el usuario lo requiera, utilizando una unidad de programación. En algunos autómatas, la memoria RAM es auxiliada por una memoria sombra del tipo EEPROM. La desconexión de la alimentación o un fallo de la misma borrarían la memoria RAM debido que esta al ser una memoria volátil necesita estar constantemente alimentada. Es por esto que los autómatas que la utilizan llevan incorporada una batería tapón que impide su borrado. La memoria de usuario también puede estar constituida por memoria UVPROM (ultraviolet reprogramable read only memory) con borrado por radiación ultravioleta o también del tipo EEPROM (electrically erasable read only memory) reprogramable eléctricamente, que tiene la ventaja de no precisar batería para conservar el programa pero adolecen de la falta de flexibilidad de las memorias RAM. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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B. Memoria de las tablas de datos: Esta memoria es también del tipo RAM y en ella se encuentra, por un lado, la imagen de los estados de las entradas y salidas, y por otro lado, los datos numéricos y variables internas como contadores, temporizadores, etc.
C. Memoria y Programa del sistema: Esta memoria, junto con el procesador componen la CPU. Se encuentra dividida en dos áreas: la llamada Memoria del sistema, que utilizan memoria RAM, y la que corresponde al programa del sistema o firmware, que es un programa fijo grabado por el fabricante, y por lo tanto el tipo de memoria utilizada es una ROM. En algunos autómatas, se utilizan únicamente la memoria EPROM de tal forma que se puede modificar el programa memoria del sistema previo con radiación ultravioleta.
D. Memoria EPROM y EEPROM: este tipo de memoria tiene gran aplicación como memorias copias para grabación y archivo de programa de usuario. El la figura 4.10., se representan todas las memorias presentes en un autómata programable, con la indicación asignada a cada una de ellas.
Programas ejecutivos, firmware del sistema (ROM o EPROM)
Programa y memorias del sistema o firmware.
Memorias Temporales (RAM o EPROM) Memoria imagen o Tablas de estados de I/O (RAM o EEPROM) Memoria de datos numéricos y variables internas (RAM) Memoria del Programa del usuario (RAM o EEPROM)
Memoria de la tabla de datos. Memoria de Usuario Memoria del programa De usuario.
FIGURA 4.10. DISTRIBUCIÓN DE LA MEMORIA EN UN PLC
4.9 UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU) La CPU (Central Procesing Unit) en su aspecto funcional, es la encargada de realizar todas las tareas de control tanto en lo que se refiere a adquisición de información y gobierno de los accionadores del proceso a controlar, como en lo que atañe a funciones internas de vigilancia del adecuado funcionamiento de los componentes del equipo. La CPU esta constituida por los siguientes elementos: Procesador, Memoria y Circuitos auxiliares asociados. El procesador esta constituido por el µ−procesador, el reloj y algún chip auxiliar. Su tarea principal consiste en la lectura de las instrucciones del programa de usuario y su resolución mediante el cambio de los estados de las entradas y las salidas. En general, el procesador se monta sobre una placa de circuito CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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impreso, y en ella junto al chip µ−procesador se sitúan todos los circuitos integrados que la componen, principalmente la memoria ROM del sistema o firmware. También en algunos tipos de autómatas, el procesador incluye los chips de comunicación con periféricos o de interconexión con el sistema de entrada/salida. El µ−procesador es un circuito integrado de gran escala de integración (LSI) que realiza una gran cantidad de operaciones, como ser: Operaciones de tipo lógica, aritméticas y operaciones de control de la transferencia de la información dentro del autómata. Los circuitos internos del procesador son de tres tipos:
I.
Circuito de la Unidad aritmética y lógica (ALU): es la parte del procesador en donde se realiza todos los cálculos y las decisiones lógicas para controlar el autómata.
II. Circuitos de la unidad de control (UC): Organiza todas las tareas del procesador. Así, por ejemplo, cuando una instrucción del programa codificada en código máquina (0 y 1) llega al procesador, la UC sabe, mediante una pequeña memoria ROM que incluye, que secuencia de señales tiene que emitir para que se ejecute la instrucción.
III. Registros: Los registros son memorias en las que se almacenan temporalmente datos, instrucciones o direcciones mientras necesitan ser utilizadas por el µ−procesador. Los registros más importantes del procesador son las de instrucciones, datos, direcciones, acumulador, contador de programa, de trabajo y el de bandera o de estado. También el procesador esta compuesto por buses, que son zonas conductoras en paralelo que conducen datos, direcciones, instrucciones y señales de control, cuando necesitan ser utilizadas por el procesador. FUNCIONES DE LA CPU: En la memoria ROM del sistema, el fabricante graba una serie de programa ejecutivos fijos o firmare o software del sistema; y es a estos programa a los que accede el µ−procesador para realizar las funciones ejecutivas que correspondan, en función del tiempo en que se trabaje. Este software (en cualquier tipo de autómata) consta de una serie de funciones básicas que se realizan en cada ciclo: en el inicio o conexión, durante la ejecución del programa y en la desconexión. En general, este software realiza las siguientes funciones: Supervisión y control de tiempo de ciclo (watchdog), tablas de datos, alimentación, batería. Autotest en la conexión y durante la ejecución del programa. Inicio del ciclo de exploración de programa y de la configuración del conjunto. Generación del ciclo de base de tiempo. Comunicación con periféricos y unidad de programación. Adquisición y actualización de estados de las señales de entrada y salida. Interpretación de las instrucciones del programa de usuario. Vigilancia y diagnóstico del funcionamiento del equipo. Etc. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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Hasta que el programa del sistema no ha ejecutado todas las acciones necesarias que le corresponden, no se inicia el ciclo de programa de usuario. CICLO BÁSICO DE TRABAJO DE LA CPU: El ciclo de trabajo en la elaboración del programa por parte de la CPU se efectúa en forma cíclica; ya que por la naturaleza del procesador, el tratamiento de la información se realiza en forma secuencial, es decir instrucción tras instrucción. Estas operaciones cíclicas reciben el nombre de ciclo de ejecución del programa (SCAN) que queda definida por un conjunto de operaciones y un tiempo de ejecución o del ciclo (SCAN TIME). En la figura 4.11 se representa la forma en que se lleva a cabo las operaciones que definen el ciclo de ejecución de un autómata.
Adquisición de estados de las entradas.
Tratamiento por las instrucciones del programa.
Control del estado de las salidas.
FIGURA 4.11. CICLO BÁSICO DE TRABAJO EN UN PLC
El ciclo básico de realiza de la siguiente manera: Antes de iniciar el ciclo de ejecución, el procesador, a través del bus de datos, consulta el estado “0” o “1” de la señal de cada una de las entradas y las almacenan en los registros de la memoria de entrada, esto es, en la zona de entrada de la memoria de la tabla de datos. Esta situación se mantiene durante todo el ciclo del programa. A continuación el procesador accede y elabora las sucesivas instrucciones del programa, realizando las concatenaciones correspondientes de los operandos de estas instrucciones. Seguidamente asigna el estado de señal a los registros de las salidas de acuerdo a la concatenación anterior, indicando si dicha salida ha de activarse o no, situándola en la zona de salida de la tabla de datos. Al final del ciclo, una vez concluida la elaboración del programa, asigna los estados de las señales de entrada a los terminales de entrada y los de salida a las salidas, ejecutando el estado “0” o”1” en estas últimas. Esta asignación se mantiene hasta el final del siguiente ciclo, en que se actualizan las mismas. El tiempo total del ciclo de ejecución lo determinan los tiempos empleados en las distintas operaciones. El tiempo dedicado al final del ciclo a la actualización de las entradas/salidas y al autodiagnóstico suele estar alrededor del milisegundo, al que habrá que sumar el tiempo de atención a las comunicaciones, si estas tienen lugar (2 a 4 milisegundos adicionales). El tiempo de exploración del programa es variable, en función de la cantidad y tipo de instrucciones y de la ejecución de subprogramas o saltos condicionales, pudiendo alcanzar algunas decenas de milisegundos (hasta 70 m[seg.]). El tiempo de exploración es uno de los parámetros que caracterizan a un autómata y se expresa generalmente en milisegundos por cada mil instrucciones.
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Como la velocidad con que se realiza cada ciclo es de algunas decenas de milisegundos por cada mil instrucciones se puede afirmar que las salidas se ejecutan en función de las variables de entrada prácticamente en TIEMPO REAL. Para reducir los tiempos de ejecución, algunas CPU se construye alrededor de 2 o más procesadores dedicados a funciones específicas, operaciones lógicas, cálculos, control de entradas/salidas, etc.; trabajando simultáneamente. También se puede descargar el trabajo de la CPU mediante la incorporación de módulos inteligentes dedicado a tareas específicas. En caso de alguna anomalía, esta queda registrada en los indicadores de diagnóstico del procesador y en la generación de un código de error que se almacena en el procesador, y en su caso, dependiendo de la importancia de fallo, se produce la parada total del sistema. 4.10 UNIDADES DE ENTRADA Y SALIDA Son los dispositivos básicos por donde se toman la información de los captores (en el caso de las entradas) y por donde se realiza la activación de los actuadores (en el caso de las salidas). En los autómatas compactos, las entradas/salidas están situadas en un solo bloque junto con el resto del autómata. En los autómatas modulares, las entradas/salidas son módulos o tarjetas independientes con varias entradas/salidas, y que se acoplan al bus de datos por medio de su conductor y conexión correspondiente, o bien a un bastidor o rack, que le proporciona dicha conexión al bus y su soporte mecánico. FUNCIONES DE LAS UNIDADES DE E/S: Las funciones de las unidades de E/S son las siguientes: Adaptar las tensiones y corrientes de trabajo de los captadores y actuadores a la de trabajo de los circuitos electrónicos del autómata. Realizar una separación galvánica entre los circuitos lógicos y los circuitos de potencia, generalmente a través de optoacopladores. Proporcionar el medio de identificación de los captadores y actuadores ante el µ−procesador. DISTINTOS TIPOS DE E/S: Las entradas son fácilmente identificables, ya que se caracterizan físicamente por sus bornes para acoplar los dispositivos de entradas o captadores, por su numeración y por su identificación INPUT o ENTRADA. Llevan además una identificación luminosa de activado por medio de un diodo led. Las salidas son indicadas igual que las entradas, figurando en este caso la individualización OUTPUT o SALIDA. También incluye un diodo led para la señalización de salida activada. Los distintos tipos de entradas/salidas de los Autómatas de acuerdo a la naturaleza de las señales que manejan se dividen en:
I. Entradas/Salidas Discretas: También denominadas "Todo o Nada" estas incluyen todos aquellos componentes destinados a la captación o generación de señales de y hacia dispositivos con dos estados diferenciados "Energizado" o "Desenergizado", ya sea en corriente continua o alterna. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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I.i.) Entradas discretas: Las Entradas discretas son las más utilizadas y corresponden a una señal de entrada que posee únicamente dos estados lógicos "Encendido" y "Apagado" los cuales corresponden a la presencia de tensión o a la ausencia de la misma. Los módulos de entrada discretos son circuitos o agrupaciones de circuito en tarjetas electrónicas enchufables en un rack de E/S que dispone de una regleta de bornes enchufables para el conexionado de los dispositivos de entrada, y un conjunto de indicadores Led’s de presencia de señal de entrada. Las señales de entrada son generalmente voltajes provenientes de sensores ubicado en las máquinas o procesos a controlar. El circuito básico de los módulos de entradas discretas se observa en la figura 4.12.
FIGURA 4.12. ESQUEMA DE UN CIRCUITO DE ENTRADA POR TRANSISTOR NPN
Como podemos observar en la figura 4.12., el circuito tiene una interface de acoplamiento óptico (optoacoplador) que realiza una separación galvánica entre los circuitos de entrada externos al PLC y los circuitos internos lógicos que forman parte de los módulos de entrada del PLC. Con esto se ofrece una protección de hasta 6000[V] en la entrada, sin producir daño alguno a los circuitos internos que forman parte de los módulos de entrada. Además se puede observar que contiene un bloque rectificador, que convierte las tensiones alternas en tensiones continuas, en el caso de tensiones alterna; y en el caso de tensiones continuas impide daños por inversión de polaridad. El diodo luminoso (LED) es el encargado de informar la presencia o ausencia de tensión en la entrada correspondiente. Los módulos de entrada discretas del PLC, en cuanto al número de circuitos que agrupan, están disponibles en 8, 16 o 32 entradas; y en cuanto a los niveles de tensión de trabajo (tanto para tensiones alternas como para tensiones continuas), las más usuales son TTL, 24 [V] Vca y Vcd, 48 [V] Vca y Vcd, 110 [V] Vca y Vcd, 220 [V] Vca y Vcd. I.i.) Salidas discretas: Las salidas del PLC son los módulos en donde se conecta el cableado que llevara las señales del µ−procesador a los actuadores de la máquina o proceso que se desea controlar. Cada salida corresponde a una variable dentro del programa en ejecución. Son tarjetas electrónicas, que al igual que las de entrada, disponen de indicadores a led para la visualización del estado de la salida. En general incorporan algún tipo de protección de la etapa de potencia (particularmente en el caso de las salidas estáticas), que puede ser un circuito de protección CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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de sobrecarga o un circuito fusible. La situación de sobrecarga o fusible fundido también se recoge en un indicador, por cada una de las salidas o por un conjunto de ellas. Son básicamente 3 las alternativas de selección para las salidas discretas:
1.
2. Salidas por triacs.
Salidas por relé.
3. Salidas por transistor.
En función de cual sea la tensión y la corriente por la carga se elige la salida. Las salidas por relé pueden utilizarse para cargas en C.C. o C.A. de gran consumo (aproximadamente 2[A]) y donde las conmutaciones no son demasiadas rápidas. Son empleadas en cargas de contactores, electroválvulas, etc. Las salidas por transistor son utilizadas únicamente para cargas en C.C. de poco consumo, rápida respuesta y alto números de operaciones. Su vida útil es superior a la del relé. Las salidas por triacs son empleadas para cargas en C.C. o C.A., en conmutaciones muy rápidas en donde el relé no es capaz de realizarlas o su vida se hace corta. En los dos últimos casos, se utilizan para cargas de bajo consumo (de 0,5 a 1 [A]). En la figura 4.13. se muestra el diagrama de un circuito de salida de un PLC por medio de relé:
FIGURA 4.13. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UN CIRCUITO DE SALIDA POR RELE
Los módulos de salida a relé son muy utilizados debido a que pueden soportar una buena cantidad de corriente a través de los terminales de contactos y ofrecen una alta aislación, en caso de picos de tensiones, de manera que la circuitería interna del PLC no se ve afectada por dichas tensiones. El circuito interno de un módulo de salida por triacs se ve en la figura 4.14.
FIGURA 4.14. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UN CIRCUITO DE SALIDA POR TRIAC.
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En el circuito de la figura 4.14 se observa la presencia de un circuito supresor de armónicos (Varistor, red RC), de un circuito detector de sobrecarga y de un optoacoplador. Los optoacopladores realizan una aislación galvánica entre los circuitos lógicos de la CPU y el circuito de salida, de manera que en caso de una falla en la conexión al campo, solo se daña el elemento final. En el caso de salidas por relé, no se utilizan los optoacopladores debido que las bobinas del relé están comandada por la CPU y solo sus contactos se conectan al campo. En todos los casos, los módulos de salida en cuanto al número de circuitos que agrupan, están disponibles en formato de 8, 16 y 32 salidas. También están disponibles en función de la tensión de trabajo y al tipo de salida, teniéndose: Salida con triac hasta 48 [V] de Vcd o desde 24 [V] hasta 220 [V] de Vcd, transistor hasta 60 [V] Vcd, TTL y contacto de relé. La intensidad nominal por salida varía en función del poder de disipación del módulo entre 0,5 [A] para módulos de alta densidad (32 salidas) y 5 [A] en módulos de menor número de circuitos. En cualquier caso, hay que tener en cuenta las especificaciones del fabricante, en cuanto a la disminución de prestaciones en función del número de circuitos activados permanentemente y simultáneamente.
II. Entradas/Salidas Analógicas: Estos son módulos destinados a la conversión de una magnitud analógica (tensión o corriente) correspondiente a la medida de una magnitud física variable en el tiempo (por ejemplo: temperatura, caudal, presión, velocidad, etc.). Las señales analógicas son enviadas al PLC por un transductor que convierte el valor de la variable en proceso (por ejemplo temperatura) en una señal eléctrica; y a su vez el PLC emite una señal analógica hacia un actuador que actúa en forma inversa al anterior. Las entradas o salidas pueden tomar una cantidad de estados dentro de un cierto rango, como por ejemplo: 4 a 20 m[A], 0 a 10 [V], etc. II.i.) Entradas analógicas: Los módulos de entrada analógicas son los encargados de convertir la señal analógica de entrada a algún código binario con el objeto de su procesamiento por parte de la CPU. Para este propósito se utiliza conversores analógicos a digital (CAD), siendo habitual debido al costo de los CAD, que cada módulo de entrada contenga varias entradas analógicas e incluyan solamente 1 CAD, debiéndose en este caso, utilizar un multiplexor para tomar las lecturas de cada una de las entradas para su posterior conversión. Para una mayor efectividad funcional, estos módulos suelen estar controlados por su propio µ−procesador que almacena además el valor digital de cada una de las entradas del módulo, desde
donde la CPU toma los valores. En la figura 4.15. podemos observar en diagramas de bloque de un módulo de entrada analógico, observando con precisión lo dicho anteriormente.
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FIGURA 4.15. ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UN MÓDULO DE ENTRADA ANALÓGICO
También los módulos de entrada analógicos están compuestos por circuitos de protección para evitar posibles daños al módulo por conexión con polaridad inversa o fuera del rango permitido; y por filtros que eliminan los ruidos que pueden ingresar en la instalación. Los fabricantes ofrecen distintos tipos de módulos, pero los mas empleados corresponden a 4, 8 y 16 canales analógicos de entradas. Los rangos o bandas de trabajo que permiten son los usuales en instrumentación y se observan en la tabla 4.2. TABLA 4.2. VALORES ANALÓGICAS MANEJADOS POR LOS MÓDULOS DE ENTRADA Y SALIDA Rango de corriente o tensión
Resolución
Tiempo de conversión
Precisión
0 .. 10 [V]
8 bits
1 m[Seg.]
± (1% + 1 bits)
± 10 [V]
12 bits
1 m[Seg.]
en entradas
4 .. 20 m [A]
8 bits
1 m[Seg.]
y ±1%
4 .. 20 m [A]
12 bits
1 m[Seg.]
0 .. 5 [V]
8 bits
1 m[Seg.]
en salidas
La resolución de 12 bits se utiliza generalmente cuando las aplicaciones son de alta precisión. II.i.) Salidas analógicas: Los módulos de salida analógicas son los encargados de convertir las señales digitales emitidas por la CPU, en señales analógicas de corriente o tensión. Para este propósito se utiliza conversores digitales a analógicos (CDA). En general, los módulos de salida analógicos están formados por los siguientes circuitos: Memoria: que es donde la CPU escribe los valores binarios a convertir. Optoacoplador: para la protección de los circuitos lógicos. Multiplexor: para seleccionar los valores almacenados en la memoria y enviarlos al conversor. Conversor D/A: para convertir el valor digital emitido por la CPU a un valor analógico. Protección: para evitar posibles daños al módulo de salida por conexión con polaridad inversa o sobretensiones. Para las salidas, los fabricantes brindan módulos de salida de 4 canales con las especificaciones dadas en la tabla 4.2.
III. Entradas/Salidas de Códigos Numéricos: Para la adquisición de datos proporcionados a través de codificadores rotativos (Thumbwheel Switches) o instrumentos electrónicos digitales, y para generar información numérica a dispositivos visualizadores (display de 7 segmentos) y otros equipos CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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electrónicos, los fabricantes ofrecen módulos de entrada/salida numéricas, generalmente para el código BCD (también los hay para códigos Gray o para códigos complemento a 9). Por razones económicas estos módulos actúan multiplexados. A una frecuencia de escrutación elevada (100[Hz]) el módulo adquiere la información de cada uno de los datos y la transfiere a los registros de la memoria de datos del procesador, o bien realiza la operación inversa si es un módulo de salida.
IV. Entradas/Salidas Especiales: Las entradas mencionadas anteriormente permiten el empleo del autómata en un amplio campo de aplicaciones, pero algunas veces se requieren ciertas funciones especiales de manera de disminuir el empleo de materiales como de instrucciones de programas.Es por esto que los fabricantes ofrecen una serie de módulos especializados denominados Inteligentes o de Proceso. Con el uso de estos módulos se reduce la cantidad de componentes del equipo y se descarga el trabajo del procesador del autómata. Estos módulos pueden ser: IV.1.) Entradas de termopares: Los módulos analógicos no son capaces de recibir señales de bajo nivel directamente de los transductores. Por ello precisan del empleo de convertidores de señal a niveles de instrumentación (amplificadores de instrumentación). Algunos fabricantes ofrecen módulos que aceptan directamente la señal débil del orden de los milivolts (por ejemplo de los termopares, transductores de temperatura, etc.) y operan como si se tratara de entradas analógicas. En este caso el transductor se conecta directamente a la bornera del módulo. IV.2.) Controlador de Motor Paso a Paso: Este módulo genera los trenes de pulso necesarios para el control de un motor paso a paso a través de un amplificador de gobierno (driver o translator). El módulo acepta datos desde el programa de control que especifican el recorrido o posición, sentido, aceleración y deceleración del movimiento. IV.3.) Servo-Controlador: Estos módulos permiten el control de posicionamiento de un eje, o multieje, proporcionando tiempos cortos de posicionado, alta precisión, buena fiabilidad y alta repetibilidad. También ofrece una alternativa económica al empleo del control numérico en pequeñas aplicaciones que no requieren las elevadas prestaciones del CNC, como transfer, máquinas herramientas, maquinaria de empaquetado, etc. IV.4.) Módulos de Control PID: En aplicaciones de control de procesos, en las que se requiere una alta precisión en el control de una función de regulación, se hace necesario la aplicación del Control Proporcional Integrativo Derivativo (PID), de manera que la variable de proceso se mantenga los más ajustada posible al punto de consigna, o a los distintos puntos de consigna que se establezcan a lo largo de la evolución del proceso. Las desviaciones o saltos bruscos de la variable de proceso respecto del punto de consigna, pueden producir una reducción de la calidad del producto obtenido, además de provocar un consumo excesivo de energía o incluso provocar la pérdida de control del sistema. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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IV.5.) Módulos ASCII: La posibilidad de comunicación de los autómatas quedan limitadas al intercambio de información entre distintos procesadores de un mismo fabricante o con terminales inteligentes capaces de generar el mismo protocolo que ellos utilizan. Para permitir el intercambio de datos con periféricos no inteligentes, los fabricantes ofrecen módulos ASCII, con uno o más canales de comunicación, configurables en cuanto a la velocidad de transmisión, estructura de la información y códigos de control o protocolo. IV.6.) Entradas/Salidas Remotas: Son utilizadas en los sistemas de gran envergadura en donde no es posible disponer de todos los componentes de la Unidad Central y del Sistema en un mismo rack. Debido a esto se hace necesario el empleo de los llamados expansores de E/S, que permiten prolongar el bus del sistema desde el rack de la CPU hasta otras estructuras de Entrada/Salida. Dado que la interconexión se realiza por enlace paralelo mediante un cable multiconductor, las distancias entre los racks quedan limitadas a las necesidades de las dimensiones de un armario de control. No es posible aumentar la longitud de los cables ya que se corre el riesgo de introducir interferencias en el bus del sistema. En ciertas aplicaciones en las que se controlan gran números de señales y los dispositivos de entradas y salidas se hallan dispersos en extensas áreas, es posible emplear módulos de interconexión serie para E/S en posiciones remotas, en las inmediaciones de los dispositivos cuyas señales hay que controlar. 4.11 EQUIPOS O UNIDADES DE PROGRAMACIÓN Las unidades de programación son los medios auxiliares que tienen los programadores de PLC para grabar o introducir en la memoria de usuario las instrucciones que definen las secuencias de control en un lenguaje explícito (esquemas de contactos, ecuaciones de Boole, lista de instrucciones, etc.) que no es directamente interpretable por el procesador. Dependiendo del autómata, el equipo de programación produce unos códigos de instrucciones directamente ejecutables por el procesador o bien un código intermedio, que será interpretado por un programa residente en el procesador (firmware). Este es el caso de los fabricantes que ofrecen procesadores con distintas capacidades, basados en diferentes microprocesadores, pero que emplean el mismo equipo de programación para todos ellos. Funciones Principales: Las funciones principales son:
1. Programación: a) Introducción de instrucciones (programa). b) Búsqueda de instrucciones o posiciones de memoria. c) Modificación del programa (borrado, inserción y modificación de instrucciones). d) Detección de errores de sintaxis o formato. e) Visualización del programa de usuario o parte del mismo, contenido en la memoria de usuario. f) Forzamiento del estado de marcas, registros, contadores, temporizadores, etc. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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2. Grabación de programas: a) En cinta casete. b) En chip de memoria EPROM o EEPROM. c) En papel mediante impresora. d) En disquetes mediante PC, etc. 3. Visualización y verificación dinámica del programa: a) Del programa o parte de él. b) De entradas y salidas. c) De temporizadores, contadores, registros, etc. 4. Tipos: a) STOP (off-line), o salidas en reposo. b) RUN (on-line), o ejecutando el programa. c) Otros modos intermedios como MONITOR, etc. Tipos de unidades de programación: Desde el punto de vista constructivo son tres los tipos principales de unidades de programación:
1. Unidades tipo calculadora: Son muy utilizadas en los autómatas de la gama baja por su bajo precio en función de los otros elementos de programación y ofrecen la mayoría de las operaciones de programación, edición, visualización y acceso a datos del programa. Constan de un teclado, un conmutador de modos, display de cristal líquido o siete segmentos de dos o más líneas; así como de las entradas para la grabación del programa de usuario. Puede ser totalmente independiente, ser enchufadas en la CPU, o ambas posibilidades. En los dispositivos de pocas líneas solo es posible escribir nemónicos (lenguaje de instrucciones), pero en los de pantalla llamadas de programación gráfica pueden visualizarse algunas líneas de programa de lenguaje gráfico, datos del programa, etc.
FIGURA 4.16. PROGRAMADOR TIPO CALCULADORA
2. Consola de programación: Es un elemento de programación intermedio entre la unidad tipo calculadora y el PC. Consta de una pantalla de plasma o tipo similar y tamaño suficiente para 20-30 líneas y 60-80 caracteres por línea, así como teclado. Al igual que el PC que se describe a CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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continuación, utiliza el software de programación preciso para los lenguajes utilizados en el PLC, almacenando los programas en disquetes.
3. Unidad con PC: Debido al elevado costo de estos equipos y a la difusión y reducción de precios de las Computadoras Personales compatibles, los fabricantes de autómatas han realizados paquetes de programas que permiten que se empleen las computadoras personales como terminales de programación, teniendo estos software todos los beneficios enunciados para cada una de las unidades de programación estudiadas. Esta unidad que se adapta al PLC mediante la interfaz correspondiente lleva incorporado un monitor de TRC (tubo de rayos catódicos), y realiza la misma función que la unidad de programación normal, pero con mayores prestaciones, permitiendo visualizar los esquemas o diagramas completos o partes importantes del mismo. Este equipo incorpora el software necesario para trabajar en más de un lenguaje de programación, incluso realizar la transformación de lenguajes. La grabación de programas se realiza en disquetes o en discos duros, según el modelo del PC y permite la salida a impresora para poder obtener el listado del programa. La conexión de la consola a la Unidad Central se realiza mediante un enlace en serie (RS-232 o RS422), lo que permite situar al equipo a cierta distancia del gabinete de control, en un lugar de trabajo cómodo. Incorporan unas series de ayuda a la programación como son las operaciones de edición, referencias cruzadas, análisis de secuencias de E/S, acceso a la memoria de datos, etc.
FIGURA 4.17. PROGRAMADOR POR COMPUTADORA
4.12 EQUIPOS PERIFÉRICOS Son todos los equipos auxiliares del sistema de control que no intervienen directamente en la elaboración del programa ni en la ejecución de la secuencia de control del autómata, pero se hallan vinculados con el autómata. Estos pueden ser:
1. Módulos de tratamiento de datos: Son pequeños ordenadores diseñados para trabajar en ambientes industriales y se presentan en formato de módulo instalable en una de las estructuras de E/S. Su función son el tratamiento de datos que se manejan en la Unidad Central (contaje, tiempos, estados de E/S, etc.), para la elaboración de gráficos dinámicos (sinópticos), informes de producción, CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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incidencias de alarmas, o simplemente como un medio de interconexión hombre-máquina que permite al operador visualizar o introducir parámetros de control de una forma dialogante (método preguntarespuesta , fill-in-the-blank). Disponen de canales de comunicación para el autómata o red, conexión a un terminal CRT, impresoras, etc. Se programan en un lenguaje informático tipo Basic o en Ensamblador del microprocesador que incorporan.
2. Unidad de diálogo y test: Son pequeños terminales que proporcionan un medio de acceso a los registros de datos del autómata para su visualización dinámica o modificación de parámetros de control. Se conectan a uno de los canales de comunicación de la Unidad Central, y en aquellos equipos que disponen de instrucciones apropiadas pueden visualizarse mensajes de alarma. Disponen en general de un display alfanumérico y un teclado de mandato y numérico.
FIGURA 4.18. TERMINAL DE DIÁLOGO OPERADOR-MÁQUINA
3. Otros Periféricos: Son todos los dispositivos que gracias a las actuales prestaciones de los autómatas, pueden considerarse como periféricos. La capacidad de comunicaciones incorporada a la Unidad Central, o al Sistema de E/S mediante módulos especiales, hace que muchos equipos capaces de intercambiar información mediante código ASCII se puedan emplear para introducir o recibir datos del autómata. Entre estos equipos figuran: Impresoras.
Unidad de cinta o disco.
Monitores CRT.
Lectores de códigos de barras.
Teclados alfanuméricos.
Equipos de pesajes.
Display alfanuméricos.
Instrumentación electrónica, etc.
4.13 CLASIFICACIÓN DE LOS PLC La clasificación de los PLC en cuanto a su tamaño, se realiza en función del números de sus entradas-salidas. A causa de esto, existen los siguientes grupos:
1. Micro PLC: Hasta 64 E/S. 2. PLC Pequeños: de 65 a 255 E/S. 3. PLC Mediano: de 256 a 1023 E/S. 4. PLC Grande: Más de 1024 E/S. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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En cuanto a la memoria de usuario, la misma aumenta en función del tamaño del PLC; siendo importante la lectura del catalogo correspondiente de PLC para interiorizarse del valor.
4.14 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN Como dijimos en los apartados anteriores, la automatización de un proceso de basa en una serie de intercambio de información que fundamentalmente son: • Intercambio permanente de información entre el proceso y el sistema de control (magnitudes y acciones físicas), que tienen lugar a nivel de sistema de entradas/salidas. • Intercambio entre el operador y el sistema de control para el establecimiento de secuencias especiales, modificación de consignas control manual, obtención de información explícita de las variables del proceso, etc. Todo este intercambio de información precisa de una codificación del mensaje que sea comprensible, tanto para el emisor como para el receptor. Esta codificación se denomina en los sistemas programables, Lenguaje de Programación. Los Lenguaje de Programación establecen un medio sencillo para que el programador pueda especificar la secuencia de tratamiento de la información que se requiere del sistema de control. La Programación de un PLC, consiste en ingresar en la memoria del aparato una serie de instrucciones que regirán su comportamiento y la tarea a desempeñar. Varios son los lenguajes de programación posibles en los autómatas programables, aunque su utilización no se puede dar en todos los autómatas. Es por esto que los fabricantes de PLC indican en las características generales de su equipo, el o los lenguajes de programación con los que se puede operar. Los lenguajes de programación más utilizados son los siguientes:
1. Nemónicos, también conocidos como lenguaje lista de instrucciones, booleano, abreviatura nemotécnicas o AWL.
2. Diagrama de Contactos (Ladder diagram), plano de contactos , esquema de contacto, KOP.
3. Planos de Funciones, o bloques funcionales, logigrama, FUP. 4. Grafcet, o diagrama funcional, diagrama de etapas o fases. 5. Organigrama, u ordinograma, diagrama de flujo. Excepto el nemónico, los demás tienen como base su representación gráfica; pero todos ellos deben ir acompañados del correspondiente Cuadro o Lista de Programación, esto es, la relación de líneas de programa que configuran el mismo. El más utilizado, por su simplicidad y antigüedad es el lenguaje de contacto.
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4.15 ELEMENTOS DE PROGRAMACIÓN De los diferentes lenguajes de programación para los PLC, la mayoría de los fabricantes incorporan el lenguaje "Diagrama de Contactos", debido a su semejanza con los esquemas de relés de lógica cableada, lo que facilita la labor de los técnicos habituados a trabajar con dichos automatismo. Este lenguaje consiste en la construcción de diagramas de control utilizando contactos normalmente abiertos y cerrados, colocados en configuraciones serie, paralelo o una combinación de ambos, como se observa en la figura 4.19. X1
X3
X3
X4
X2
Y1
Y1
FIGURA 4.19 EJEMPLO DE DIAGRAMA DE ESCALERA
Las instrucciones tipo relé constituyen la base de este lenguaje de programación y consisten en la verificación de la apertura o el cierre de contactos, funciones de salida y funciones de retención de estados (Latch, Unlach). A continuación describimos las instrucciones básicas de este lenguaje de programación: Contactos NA y NC: Estas instrucciones examinan los estados de las entradas, salidas, y variables auxiliares del Autómata.
Contactos NA: Conocidos como contacto normalmente abierto, contacto abierto o contacto de cierre. Esta instrucción da como resultado el estado de la variable asociada al contacto. El diagrama que representa a dicho contacto junto con la tarea que realiza se describe en la tabla 4.3. TABLA 4.3. DESCRIPCIÓN DE UN CONTACTO NA
Símbolo Gráfico
Lógica Cableada
Valor Inactivo
Valor Activo
Descripción
El contacto se establece cuando la ‘0’ ‘1’ variable (X1) que lo controla esta en ´1´. Contactos NC: Conocidos como Contactos normalmente Cerrados o de apertura. Esta función da
X1
como resultado el "negado" del estado de la variable asociada al contacto. Puede entenderse como la combinación de la función anterior y una compuerta "NOT". En la tabla 4.4.se representa dicho contacto junto con la tarea que realiza. TABLA 4.4. DESCRIPCIÓN DE UN CONTACTO NC
Símbolo Gráfico
X1
Lógica Cableada
Valor Inactivo ‘1’
Valor Activo
Descripción
‘0’
El contacto se establece cuando la variable (X1) que lo controla esta en ´0’.
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Dentro de un programa de usuario puede utilizarse un número ilimitado de contactos normalmente abiertos o cerrados y los valores asociados a estos pueden repetirse sin ninguna restricción. Estos valores asociados pueden corresponder a los estados de los contadores, temporizadores, marcas de tiempo, relojes, entradas y salidas discretas, bobinas auxiliares, etc. Los contactos normalmente abiertos o cerrados pueden combinarse para generar las diferentes funciones lógicas, AND, OR, EXOR. En los programas de usuarios, la condición "AND" de dos variables discretas se representa por la sucesión de dos contactos o disposición serie. La tabla de verdad de esta función es idéntica a la de la función lógica AND. El número de contactos en serie que pueden ser incluidos en una rama de programa es en teoría ilimitado, algunos programadores presentan limitaciones relacionadas únicamente con las opciones de impresión. La condición "OR" de dos variables discretas es representada en un Programa de Usuario por la disposición en paralelo de dos contactos. Por lo tanto el resultado de esta configuración de contactos será uno siempre que cualquiera de los estados de los contactos sea uno, dado que se establecen dos caminos alternos para el paso de la señal. Bobinas Directa e Inversa: Estas instrucciones evalúan el estado de la rama o área de prueba, tomando la variable asociada a la bobina un valor lógico ‘0’ o ‘1’en función del tipo de bobina utilizada. Las variables utilizadas pueden ser de salidas o variables auxiliares de control para el programa.
Bobina Directa: Esta instrucción evalúa el estado de la rama, si este es verdadero (‘1’), se escribe "1" en el estado de la variable asociada, en caso contrario se escribe "0". El diagrama que simboliza a dicha bobina junto con la tarea que realiza se describe en la tabla 4.5. TABLA 4.5. DESCRIPCIÓN DE UN CONTACTO NC
Símbolo Gráfico
Lógica Cableada
Y1
Valor Inactivo
Valor Activo
Descripción
‘1’
La variable asociada (Y1) toma el valor del resultado del área de prueba.
A1
‘0’
K A2
Bobina Inversa: Esta instrucción evalúa el estado de la rama, si este es verdadero (‘1’), se escribe "0" en el estado de la variable asociada, en caso contrario se escribe "1". En la tabla 4.6.se representa dicho contacto junto con la tarea que realiza. TABLA 4.6. DESCRIPCIÓN DE UN CONTACTO NC
Símbolo Gráfico
Lógica Cableada
Y1
Valor Inactivo
Valor Activo
Descripción
‘1’
‘0’
La variable asociada (Y1) toma el valor inverso del resultado del área de prueba.
A1
K A2
Además de estas instrucciones lógicas, básicas de programación de los PLC, existen otros tipos de instrucciones como ser: CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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Temporizador (Timers): Son variables que simulan un temporizador físico al cual se le puede programar el tiempo deseado para la activación o desactivación de otra variable dentro del programa. Podemos encontrar temporizadores con retardo a la activación (ON DELAY), retardo a la desactivación (OFF DELAY), con retención, etc. Por medio de los temporizadores se puede activar o desactivar una variable dentro del programa, de acuerdo al tiempo que se haya especificado. Contadores (Counters): Son variables que simulan a los dispositivos contadores reales. Pueden realizar conteos de entradas y salidas físicas o lógicas, como también, pueden hacerlo en forma ascendente y descendente, activando otras variables luego de comparar el valor de conteo en que se encuentre con un valor que se haya programado previamente. Instrucciones Aritméticas: Estas son las instrucciones aritméticas básicas: Adición (+).
Resto de la división (Rem).
Sustracción (-).
Raíz cuadrada (Sqrt).
Multiplicación (*).
Valor absoluto (Abs).
División (/).
Etc.
Instrucciones de Manipulación de Datos: Estas instrucciones permiten el manejo de informaciones contenida en las variables numéricas o contenidos de los registros de datos. Entre las más importantes mencionamos las siguientes: Comparación de variables numéricas. Conversión del código de representación de la variable (Binario, Bcd, Etc.). Funciones con operadores lógicos a nivel de registro (AND, OR, etc.). Funciones de rotación o desplazamiento de la información (bits)en un registro o en un grupo de registro. Funciones de Búsqueda. Etc. Instrucciones de Regulación: Son las instrucciones que permite programar bucles de regulación PID a alguna variable del proceso. Instrucciones de Tratamiento de Datos: Estas son las instrucciones de transferencia que operan a nivel de registro o grupo de registros o con variables numéricas interna, de entrada o de salida. Instrucciones de Control del Ciclo de Ejecución: Son las instrucciones que permite modificar la ejecución secuencial de las instrucciones del programa de control, mediante saltos condicionales a determinadas secciones del programa, o mediante el abandono del programa principal para realizar
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secuencias de instrucciones denominadas Subprogramas, para atender a la resolución de ciertas instrucciones solo cuando se requiere. Instrucciones de Comunicación: Estas instrucciones permiten la transferencia de información entre dos o más autómatas, mediante el enlace a través de un canal de comunicación serie o mediante una red de comunicaciones.
4.16 LENGUAJE DE CONTACTO O LADDER (ESCALERA) Es el lenguaje de programación que la mayoría de los fabricantes de PLC incorporan, debido a la semejanza con los esquemas de relés utilizados en los automatismos electricos de logica cableada. Este modo de programación está basado en una serie de líneas o renglones, que posee una o varias entradas o condiciones en el lado izquierdo y una salida o resultado en el lado derecho, como vemos en la siguiente figura:
SW1
I1 SW2
I2
Q1
LAMPARA
SW3
DIAGRAMA ELÉCTRICO
I3
ESQUEMA DE CONTACTO
Como vemos la programación en Ladder permite una fácil comprensión e interpretación debido a que sus renglones se asemejan a un circuito eléctrico que se formarían con las enrtradas y las salidas. En general, una entrada es representada por un simbolo de contacto (como el de un capacitor), mientras que una salida se representa con un símbolo de paréntesis. Cada símbolo lleva asociado al menos un código que corresponde a los bornes de conexión del PLC, a la dirección que ocupa en la tabla de direccionamiento de entradas y salidas del mismo o a cualquier otra dirección de memoria del PLC. En algunos PLC, el símbolo puede estar acompañado de un comentario, lo que facilita la interpretación del esquema. ELEMENTOS DE PROGRAMACIÓN EN LADDER: Los símbolos gráficos de la programación Ladder pueden ser:
1. Contactos Lógicos: Estos representan entradas del PLC, ya sean de tipo físico (proveniente de los terminales del PLC), o de tipo lógico, provenientes de posiciones de memoria; o sea que puede ser un bit
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de una posición de memoriautilizada en el programa, un dato de la imagen de salidas, el estado de un temporizador o de un contactor, etc. Los contactos pueden ser:
A
A
Contacto de cierre o normalmente abierto: en estado de reposo se encuentra abierto (o sea el paso de corriente es imposible). Se establece contacto cuando el objeto bit que lo controla está en `1´. Si A = `1´ Contacto cerrado. Si A = `0´ Contacto abierto. Contacto de apertura o normalmente cerrado: en estado de reposo se encuentra cerrado (el paso de corriente es posible). El contacto se establece cuando el objeto bit que lo controla está en `0´. Si A = `0´ Contacto cerrado. Si A = `1´ Contacto abierto.
P
Contacto de detección de cambio de estado- Flanco Ascendente: detecta el paso de `0´ a `1´ del objeto bit que lo controla.
N
Contacto de detección de cambio de estado- Flanco Descendente: detecta el paso de `1´ a `0´ del objeto bit que lo controla.
En general, los contactos van acompañados por una letra y un número. Estos representan el elemento que lo esta controlando. Así pueden representar una entrada o una salida del PLC (Ej. I1, Q2, etc.) o contadores, temporizadores y registros de desplazamiento, para lo cual se coloca el nombre del elemento que lo esta controlando y un número.
2. Bobinas Lógicas: Estas hacen referencia a las salidas o resultados de las operaciones indicadas en un renglon del programa. Cada resultado puede representar una salida física del PLC, una posición de menoria específica, la activación o desactivación de un temporizador, el incremento de un contador, etc. Los Bobinas pueden ser: Bobina directa : En esta, el objeto bit asociado con la salida toma el valor del resultado del area de prueba. Cuando este símbolo está al final de una trayectoria, en que todas las instrucciones previas son verdaderas, su estado tambien es verdadero. Q1 Que sea verdadero implica qué la salida asociada está activada (relés internos o salida físicas). Bobina inversa: En esta, el objeto bit asociado con la salida toma el valor inverso del resultado del area de prueba. Cuando este símbolo está al final de una trayectoria, en que todas las instrucciones previas son verdaderas, su estado es opuesto. Que sea Q2 falsa implica qué la salida asociada está activada (relés internos o salida físicas). Bobina de enganche: El objeto bit asociado se coloca a `1´ cuando el resultado del Q1 area de prueba es `1´. Permanece en 1 hasta que se lo desactive con la bobina de S desenganche.. Bobina de desenganche: El objeto bit asociado se coloca a `0´ cuando el resultado del Q2 area de prueba es `1´. Permanece en `0´ hasta que se lo desactive con la bobina de R enganche..
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4.17 PROGRAMACIÓN Y OPERACIONES BÁSICAS CON LADDER En la programación con lenguaje de contactos, las operaciones lógicas se realizan entre dos barras verticales, una ubicada a la izquierda la cual nos representa un conductor con tensión, y otra ubicada a la derecha la cual representa tierra o masa. Denominamos Rung, a cada renglón o peldaño de la escalera. Cada rung del programa Ladder, tiene en el margen izquierdo un conjunto de condiciones que deben cumplirse para activar o no las salidas que se encuentran en el margen derecho. Los elementos que usamos para decidir si activamos o no las salidas en determinados rung, son variables lógicas o binarias, que provienen de entradas del PLC o de relés internos del mismo. Estas variables son las que representamos por los contactos. Las combinaciones de las variables de entrada se realiza a través de funciones lógicas Las operaciones básicas (funciones lógicas) con contactos son: a) FUNCIÓN “NOT”: Función Negación: La bobina Q1 será activada sí I1 no está actuada. I1 1
Q1 0
0
1
Q1
I1
b) FUNCIÓN “AND”: Función producto lógico: La bobina Q1 será activada sí I1 como I2 están actuadas I1 0
I2 0
Q1 0
0 1 1
1 0 1
0 0 1
I1
I2
Q1
c) FUNCIÓN “OR”: Función suma lógica: La bobina Q1 será activada sí I1 o I2 o ambas están actuadas I1 0
I2 0
Q1 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
I1
Q1
I2 Es posible con estas combinaciones básicas, realizar otras funciones lógicas, como por ejemplo las funciones lógicas NOR, NAND y XOR (OR-Exclusivo). Se deja como tarea para Uds. implementar en diagramas Ladder están funciones lógicas. Consideremos ahora las salida. Las salidas de un programa Ladder son equivalentes a las cargas (bobinas de relés, lámparas, etc.) en un circuito eléctrico. Como indica esta analogía, dos o más salidas pueden programarse en paralelo siempre que se quiera activarlsa y desactivarlas a la vez. Como salidas en el programa del PLC tomamos no solo a las salidas que el equipo provee fisicamente hacia el exterior, sino también las que se conocen como “relés interno”. Los relés internos son simplemente variables lógicas CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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que podemos usar, por ejemplo para memorizar estados o como acumuladores de resultados que utilizaremos con posterioridad en el programa. Existen dos formas básicas de activar o desactivar las salidas: con retención y sin retención. La forma más común es la de salida no retenida, lo que significa que la salida es activada si se cumplen las condiciones del rung en el que esta programada y se desactiva inmediatamente cuando las condiciones dejan de cumplirse. Las salidas retenidas, por el contrario, se activan y desactivan en rungs diferentes y por instrucciones diferentes. Cuando se cumple el rung en el que la salida debe activarse, esta lo hace y permanece así, aún cuando la condición de activación deje de cumplirse. El único modo de apagar o desactivar la salida retenida es programar un rung con la correspondiente instrucción de apagado de la salida en cuestión. Las instrucciones de retención y liberación de salidas se usan siempre por pares. Por ejemplo: En este, la parte de las “condiciones” del rung es un solo contacto, la entrada I1. Como vemos se utiliza
Q1
I1
una salida retenida (Q1), por lo tanto se utiliza un rung para activarla y otro para desactivarla. El funcionamiento es el
S
siguiente: si se activa aunque sea momentáneamente el contacto I1, la salida Q1 se activa y permanece así hasta que se activa el
Q1
I2 R Ejemplos de Aplicación:
contacto I2 el cual hace que se desactive la salida Q1 debido a la acción de la bobina de desenganche.
Para cada uno de los esquemas de contactos explicar cuales son las
condiciones para que se activen las salidas: 1)
2)
I1
I3
Q1
I2
Q1
I1
I3
Q1
I2
I4
I1
I1
Q1
I2
I2
Q2
I2
3)
I1
I3
I1
I3
Q1
4)
I2
5)
6)
I1
I1
I2
I2
Q1
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7)
I1
I2
I3
I4
I5
Q1
I1
Q1 8)
I0
I1
I2
I0
I2
I1
Q1
I3
I0
I1
Q1
I2 I2
Q2
9)
Q1
I3
I2
I4
Q2
I5 S
Q1
Q2
I6 R
I7
4.18 CELDA DE MEMORIA Una celda de memoria es aquella que logra almacenar un bit de información, en la figura siguiente se muestra la forma de implementarla y su equivalente en forma de circuitos de lógica booleana:
I1
I3
Q1 I1
Q1
Q1 I3 En su estado natural, la bobina Q1 se encuentra desactivada, si se pulsa I1, la bobina es activada y mantiene su estado aún cuando I1 no este activada, ya que el contacto Q1 (normalmente abierto) se cierra y mantiene energizada la bobina, por lo que de esta forma mantiene la memoria del estado anterior. CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES
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Asimismo, si el contacto I3 es activado, la bobina Q1 se desactiva y el ciontacto Q1 se desactiva. De esta forma a pesar de que I3 no este activo, la bobina conservará su estado anterior el cual es inactivo. La ecuación que modela este sistema es el siguiente:
Q 1 = (I 1 + Q 1 ) ⋅ I 3 Para ilustra esta aplicación, resolver el siguiente ejemplo: Una máquina bobinadora se excita mediante un motor activado por medio de un contactor. Se dispone de un pulsador de marcha, y otro de paro. Además se pretende acoplar los siguientes dispositivos: 1.
Un sistema tal que cuando por alguna causa se produzca una sobrecarga en el motor, este se desconecte inmediatamente.
2.
Un dispositivo capaz de desconectar el motor en el caso de que el hilo de la bobinadora se rompa.
Realizar el esquema de contacto y el esquema de compuertas lógicas.
4.19 FUNCIÓN TEMPORIZACIÓN Es una función temporal en la que una variable temporizada adquiere el estado de una variable de control ( “0” o “1”) transcurrido un tiempo “t” (consigna de la temporización. Existen básicamente dos funciones de temporización: TEMPORIZADOR CON RETARDO A LA CONEXIÓN: En este, la variable temporizada adquiere el estado “1” de la variable de control con un retardo “tret”. En general el temporizador a la conexión se activa con el flanco ascendente de la señal de control. Un diagrama explicativo se ve a continuación: Por lo tanto, la función TON permite retrasar el pasaje a “1” de la señal que ingresa por “IN”. Variable de control
t
IN
TON
Salida
Q
tret t tret
TEMPORIZADOR CON RETARDO A LA DESCONEXIÓN: En este, la variable temporizada adquiere el estado “0” de la variable de control con un retardo “tret”. En general el temporizador a la conexión se activa con el flanco descendente de la señal de control. Un diagrama explicativo se ve a continuación:
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Variable de control
IN
TOF
t Salida
Q
tret t tret
Por lo tanto, la función TOF permite retrasar el pasaje a “0” de la señal que ingresa por “IN” MONOESTABLE: Este bloque permite la activación de una salida durante un tiempo fijo, desde el momento que aparece un flanco positivo en la entrada. Un flanco positivo en la entrada no será tenido en cuenta si aparece antes que el período del temporizador se haya completado. Variable de control
t
IN
TP
Salida
Q
P t Período “P”
4.20 FUNCIÓN CONTADOR/DESCONTADOR En este bloque, la variable de salida “Q” adquiere el estado “1”, cuando han tenido lugar N (valor de consigna o de preselección) transiciones de “0” a “1” del estado de la variable de contaje “I”. En general los temporizadores tienen más entradas de control, en función del tipo de PLC y la marca.
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