AUTOMATIZACION

INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN DR. ALVARO AGUINAGA BARRAGÁN

AUTOMATAS PROGRAMABLES

1. 1.1

INTRODUCCIÓN A LA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL: Sistema.

Es un conjunto de elementos que interactúan para cumplir unos objetivos determinados. LÍQUIDO ENTRANDO

MEZCLADOR

LÍQUIDO SALIENDO

VAPOR VALVULA

Fig. No. 1.1 Sistema Físico 1.2

Control de un sistema.

Consiste en actuar sobre un sistema para que este cumpla con sus objetivos. 1.3

Componentes de un sistema de control.

El control en si mismo es un sistema físico y por lo tanto se define como un conjunto de elementos que interactúan con el fin de posibilitar que un sistema cumpla con sus objetivos. Para evitar confusiones con los sistemas que controla, simplemente se lo llama Control. Los componentes principales del control son:  SENSORES: Son dispositivos que establecen, detectan o sensan parámetros de los sistemas físicos y envían esta información a un controlador.  CONTROLADOR: Es el cerebro que además de almacenar información, recibe información de los sensores, procesa información y envía órdenes a los actuadores para que accionen sobre el sistema en vista a lograr que este logre sus objetivos.  ACTUADORES: Son dispositivos que reciben las órdenes por parte del controlador y accionan o actúan sobre un sistema para controlarlo.

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Estos componentes de un sistema de control pueden tener tecnologías muy diversas: mecánica, electromecánica, electrónica, etc. Dependiendo del tipo de sujeto, el control se clasifica en:  CONTROL MANUAL: Cuando un operador humano es el que efectúa el control sobre el sistema.  CONTROL AUTOMÁTICO: Cuando no interviene un operador humano, sino son elementos artificiales los que efectúan el control.  CONTROL SEMIAUTOMÁTICO: Cuando parte del proceso de control es automático y otra parte es manual. 1.4

Planteamiento de un sistema físico para el control.

La condición necesaria para que el control de un sistema físico cumpla con su finalidad es que este sistema funcione correctamente. Para el control los componentes del sistema físico se consideran dentro de una “caja negra” y más bien se considera al sistema en forma paramétrica, siendo los parámetros funcionales del sistema, desde el punto de vista de control los siguientes:

PERTURBACIONES

ENTRADAS

SALIDAS SISTEMA FÍSICO

Fig. No. 1.2 Planteamiento de un Sistema Físico para Control  SALIDAS: Son parámetros cuantificables que representan los objetivos de un sistema.  ENTRADAS: Son parámetros cuantificables sobre los que se puede actuar directamente.  PERTURBACIONES: Son parámetros generalmente del medio ambiente en que funciona el sistema y que son muy difíciles o imposible de evitarlos. Estos parámetros se consideran perturbaciones solamente cuando estos afectan significativamente en el funcionamiento de un sistema.

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Para cuantificar estos parámetros se pueden usar valores discretos (entre los más importantes están: ON/OFF; ENCENDIDO/APAGADO; 0/1, etc.) o también rangos de valores sean discretos o continuos. 1.5

Control de lazo abierto.

Este tipo de control se da para aquellos sistemas simples, que no tienen perturbaciones y en los que, por tanto, no es necesario comprobar si efectivamente se cumplen los valores de las salidas. Este tipo de control se define en el siguiente esquema:

SENSORES DE REFERENCIA

ACTUADORES CONTROL

SEÑALES DE REFERENCIA

SISTEMA

ORDENES

ENTRADAS

SALIDAS

Fig. 1.6: Sistema de control abierto Las señales de referencia son la información inicial que se envía al controlador y que indican cuales son los valores de salida del sistema que se requieren. 1.6

Control de lazo cerrado o retroalimentado.

Este tipo de control se define en el siguiente esquema: PERTURBACIONES

SENSORES DE REFERENCIA

ACTUADORES CONTROL

SEÑALES DE REFERENCIA

SISTEMA

ORDENES

ENTRADAS

SALIDAS

SENSORES DE RETROALIMENTAC.

Fig. 1.7: Sistema de control retroalimentado Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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Este tipo de control se utiliza para aquellos sistemas que tienen perturbaciones y en los que es necesario comprobar (prueba – error) si se están cumpliendo los valores de las salidas deseadas. Los sensores de retroalimentación detectan los valores de las salidas del sistema y envían esta información al controlador en que se comparan estos valores con los de referencia y se corrigen de forma secuencial los errores hasta que convergan a los valores buscados. 1.7

Control secuencial.

Este tipo de control establece una secuencia de ejecución de procesos o eventos. Esta secuencia puede ser cíclica o no. Por ejemplo: un semáforo, el arranque de un quemador de fuel oil, un dosificador de líquidos, el arranque de un motor eléctrico trifásico, etc. 1.8

Control de variables.

Este tipo de control tiene como finalidad de que los parámetros de salida de un sistema físico convergan a los valores deseados y de referencia. Por ejemplo: la temperatura de un horno, la presión de un cilindro neumático, la presión de una unidad de generación de vapor, etc. En el control de variables se pueden reconocer las siguientes definiciones:

PARAMETRO ERROR

REFERENCIA

TIEMPO DE RESPUESTA

TIEMPO

Fig. 1.8: Control de variables Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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Cuando el sistema converge con el tiempo al valor de referencia y se mantiene cercano a este valor, se define el sistema como “estable”. Hay casos en que el sistema no converge o luego de haberse acercado, nuevamente se aleja ( a veces cíclicamente), en cuyo caso se dice que el sistema es “inestable” y por tanto el control falla. Cuando la referencia es una función del tiempo (curva), el control debe seguir permanentemente el proceso de convergencia a la curva de referencia. 1.9

Señales digitales y analógicas.

Las señales de información transmitidas entre los diferentes componentes y elementos de un sistema de control se dividen en dos tipos que son:  SEÑALES ANALÓGICAS: Son señales continuas físicas de la naturaleza.  SEÑALES DIGITALES: Son señales discretas o discontinuas que se encuentran codificadas. Dependiendo de cual de estas señales o información es la predominante en un elemento, equipo o sistema de control a este se lo define como analógico o digital.

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2 2.1

CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABLES PLC´S: Introducción.

Un controlador lógico programable (PLC, por sus siglas en inglés) se define como un dispositivo electrónico digital que usa una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas, de configuración de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos. Programa de control

PLC Entradas desde dispositivos

Salidas hacia dispositivos

Fig. No. 2.1: Controlador Lógico Programable

Este tipo de procesadores se denomina lógico debido a que su programación básicamente tiene que ver con la ejecución de operaciones lógicas y de conmutación. Los dispositivos de entrada (por ejemplo, un interruptor) y los dispositivos de salida (por ejemplo, un motor), que están bajo control, se conectan al PLC; de esta manera el controlador monitorea las entradas y salidas, de acuerdo con el programa diseñado por el operador para el PLC y que éste conserva en memoria, y de esta manera se controlan máquinas o procesos. En un principio, el propósito de estos controladores fue sustituir la conexión física de relevadores de los sistemas de control lógicos y de sincronización. Los PLC´s tienen la gran ventaja de que permiten modificar un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y de salida; basta con que el operador digite en un teclado las instrucciones correspondientes. Lo anterior permite contar con un sistema flexible mediante el cual es posible controlar sistemas muy diversos entre sÍ, tanto en tipo como en complejidad. Si bien los PLCs son similares a las computadoras, tienen características específicas que permiten su empleo como controladores. Éstas son: 1. Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperatura, humedad y ruido. 2. La interfaz para las entradas y las salidas está dentro del controlador. 3. Es muy fácil programarlos, así como entender el lenguaje de programación. La programación básicamente consiste en operaciones de lógica y conmutación. Los primeros PLC fueron concebidos en 1968. Hoy día su empleo está muy generalizado, habiendo una gran variedad de ellos, desde pequeñas unidades autónomas que cuentan quizás con 20 entradas y salidas, hasta sistemas Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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modulares para manejar cantidades de entradas/salidas, manejar entradas/salidas digitales y analógicas y llevar a cabo modos de control PID. Los controladores eléctricos y programables se pueden dividir de acuerdo a su funcionalidad. Precio

PLC Micro PLC Módulo Lógico

Temporizador Funcionalidad

Contactor

Fig. No. 2.2 Posicionamiento de controladores eléctricos y programables También se pueden clasificar los controladores lógicos programables de acuerdo con la complejidad de sus aplicaciones.

TSX Premium

Compleja s

S7-300

Aplicaciones

S7200

S7-400

TSX Micro

Simple s

TSX Nano

46

300

Nº E/S

2000

Fig. No. 2.3 Gama de PLC´s industriales

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2.2

Estructura Básica.

En forma general los componentes básicos de un PLC se pueden observar en la siguiente figura: Salidas

Conexión para Voltaje de alimentación

Ranura para Cartucho EEPROM

Mando Run/Stop/Term

Potenciómetro Analógico

0

Entradas

RUN

I0.1

I1.1

Q0.1

STOP

I0.2

I 1.2

Q0.2

I0.3

I 1.3

Q0.3

I0.4

I 1.4

Q0.4

I0.5

I 1.5

Q0.5

Q 1.1

1

CPU 214

Interfase Modo de PPI Funcionamiento Indicación de Estado de las ED/SD integradas

Opcional Módulo EEPROM EEPROM; 8 K Word Memoria no Es utilizada volátil para la transferencia de programas sin programador

Potenciómetro Analógico Para el ajuste manual de variables, p. ej. cambio del offset, valores límites, ajuste de valores , etc.

Fig. No. 2.4 Partes principales de un PLC La CPU S7-200 es un aparato autónomo compacto que incorpora una unidad central de procesamiento (CPU), la fuente de alimentación, así como entradas y salidas digitales.   





La CPU ejecuta el programa y almacena los datos para la tarea de automatización o el proceso. La fuente de alimentación proporciona corriente a la unidad central y a los módulos de ampliación conectados. Las entradas y salidas controlan el sistema de automatización. Las entradas vigilan las señales de los aparatos de campo (por ejemplo sensores e interruptores) y las salidas vigilan las bombas, motores u otros dispositivos del proceso. La interface de comunicación permite conectar la CPU a una unidad de programación o a otros dispositivos. Algunas CPUs disponen de dos o más interfaces de comunicación. Los diodos luminosos indican el modo de operación de la CPU (RUN o STOP), el estado de las entradas y salidas integradas, así como los posibles fallos del sistema que se hayan detectado.

Si desea conectar utilizar un PC como unidad de programación del PLC, se debe disponer de equipos adicionales para lograr la comunicación como por

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ejemplo: un cable PC/PPI, un procesador de comunicaciones (CP) y un cable de interface multipunto (MPI), una tarjeta de interface multipunto (MPI).

Fig. No. 2.5 comunicación PC con un PLC La estructura interna básica de un PLC en esencia consta de una unidad central de procesamiento (CPU), memoria y circuitos de entrada/salida. La CPU controla y procesa todas las operaciones dentro del PLC. Cuenta con un temporizador cuya frecuencia típica es entre 1 y 8 MHz. Esta frecuencia determina la velocidad de operación del PLC y es la fuente de temporización y sincronización de todos los elementos del sistema de bus se lleva información y datos desde y hacia al memoria y las unidades de entrada/salida. Los elementos de la memoria son: una ROM para guardar en forma permanente la información del sistema operativo y datos corregidos; una RAM para el programa del usuario y memoria buffer temporal para los canales de entrada/salida, como se puede ver en la siguiente figura: Bus de dirección

Tablero de programación

Bus de control

Bateria

RAM para el programa del usuario

CPU

Reloj

ROM del sistema

RAM para datos

Unidad de entrada / salida

Bus de datos

Bus del sistema de E/S Buffer

Optoacoplador

Canales de entrada

Registros

Interfaz para controlador

Controladores Canales de salida

Fig. No. 2.6 Estructura interna de un PLC Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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Con lo que la arquitectura de un autómata programable se puede describir también en el siguiente esquema: Unidad de programación ó supervisión

Conexión a otros controladores o con E/S remotas

Bu s Fuente de alimentación

Módulo CPU

Módulo Entradas Digitales

Módulo Salidas Digitales

Módulo E/S analógicas

5VDC 220-230 VAC

24VDC

Sensores digitales (interruptores, sensores de prox.)

Actuadores digitales (válvulas neumáticas, lámparas indicadoras.)

Conectores al bus para más módulos de E/S

Módulo Especiales (contaje, comunicaciones, PID ...

Sensores analógicos (Termopares, potenciómetros) Actuadores analógicos (Variadores de velocidad)

Fig. No. 2.7 Arquitectura típica de un autómata programable El usuario puede modificar los programas en la RAM. Sin embargo, para evitar que estos programas se pierdan durante una interrupción del suministro de energía eléctrica, en el PLC se utiliza una batería, para mantener el contenido de la RAM por determinado tiempo. Una vez elaborado un programa y guardado en la RAM, éste se puede cargar en un chip de memoria EPROM y de esta manera queda guardado de manera permanente. Las especificaciones de PLC pequeños con frecuencia indican la capacidad de la memoria del programa en función de la cantidad de pasos de programa que en dicha memoria es posible guardar. Un paso de programa es la instrucción que lleva a cabo determinado evento. El programa usado para la realización de una tarea consta de varios pasos; por ejemplo: verificar el estado del interruptor A y del interruptor B; si A y B están cerrados, entonces da energía al solenoide P, lo que a su vez opera un actuador. Cuando concluye lo anterior, puede iniciar otra tarea. Por lo general, un PLC pequeño puede manejar de 300 a 1000 pasos, más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones de control. Las tareas sugeridas para realizar la automatización del control de un sistema se resumen en las siguientes:  

Estructurar el proceso en secciones independientes entre si. Describir las funciones de cada proceso, para ello tome en cuenta lo siguiente: o Entradas y salidas o Describir el funcionamiento o Condiciones que deben cumplirse para la operación de los actuadores (electroválvulas, motores, accionamientos, etc.). o Describir la interface del operador.

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



Diseñar los circuitos de seguridad para la instalación de los cables de interconexión. En este caso es necesario considerar condiciones de operación normal y de falla, tanto en condiciones de cortocircuito, sobrecarga o sobrevoltaje, tomando en cuenta la seguridad del equipo y del personal que operará el sistema. Distribuir adecuadamente las estaciones de control del operador, considerando la disposición mecánica de los CPU's, de los módulos de ampliación y lógicamente de los equipos que se controlarán. Elaborar una lista de nombres asociados a as entradas, salidas y de todos los elementos que intervienen en el sistema.

El PLC opera en forma cíclica, realizando las siguientes tareas:     

Lee las entradas. Ejecuta el programa del usuario. Procesa las peticiones de comunicación. Efectúa el autodiagnóstico. Escribe las salidas.

El ciclo de operaciones de la CPU se aprecia en la siguiente figura:

Fig. No. 2.8 Ciclo de operación de un PLC Al principio de cada ciclo se leen los valores actuales de las entradas digitales y se escriben luego en la imagen del proceso de las entradas. El programa almacenado en la CPU utiliza dichas entradas para evaluar la lógica. El ingreso de las entradas analógicas se realiza directamente desde el programa del usuario. La ejecución del programa se realiza en forma ordenada y secuencial desde la primera hasta la última operación. Durante esta etapa la CPU actualiza los datos.

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El control directo de las entradas y salidas permite acceder directamente a las mismas mientras se ejecuta el programa o una rutina de interrupción. La siguiente fase del ciclo consiste en procesar los mensajes recibidos por la interface de comunicación. Mientras se está ejecutando el programa la CPU comprueba el firmware, la memoria del programa y el estado de los módulos de ampliación. Al final de cada ciclo se escriben los valores de la imagen del proceso de las salidas en las salidas digitales. Debe aclararse que las interrupciones y sus rutinas asociadas se almacenan como parte del programa, por lo que no se ejecutan como parte del ciclo, sino sólo cuando ocurre el evento, según su prioridad. Es recomendable utilizar la imagen del proceso, en lugar de acceder directamente a las entradas y salidas durante la ejecución del programa, por las siguientes razones:   

Por estabilidad del proceso, ya que se sincronizan los valores de las entradas que fueron verificadas al comienzo del ciclo, de tal manera que la imagen actualiza las salidas al terminar la ejecución del programa. Para acelerar el tiempo de ejecución, ya que es más rápido acceder a la imagen que a las entradas y salida físicas. Por flexibilidad, por cuanto la imagen del proceso permite acceder a las entradas y salidas en formato de bits, bytes, palabras y palabras dobles.

La unidad de entrada/salida es la interfaz entre el sistema y el mundo externo. Para introducir programas en esta unidad se usa un tablero, el cual puede variar de una sencilla configuración de teclado con pantalla de cristal líquido, o bien llegar a tener incluso unidades de presentación visual (VDU por sus siglas en inglés) con teclado y pantalla. También es posible introducir los programas al sistema mediante un enlace con una computadora personal (PC por sus siglas en inglés), el cual se carga con un paquete de software apropiado. La CPU dispone de áreas de memoria para que todos los datos se puedan procesar de forma más rápida Y eficiente. La descripción que se efectuará a continuación corresponde a los PLC's Siemens de la familia SIMATIC S7-200. La CPU almacena el estado de las entradas y salidas en determinadas áreas de la memoria. A cada área de la memoria se ha asignado un identificador nemotécnico, por ejemplo:   

I para las entradas. Q para las salidas. V para las variables

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Para acceder a las áreas de memoria se especifican direcciones absolutas, las que se indican de las siguientes formas: a. Bit de datos en la memoria de la CPU, lo que se denomina Direccionamiento ''byte. bif', en este caso la dirección se especifica como operando. Por ejemplo, para los PLC's SIMATIC ST-200 con CPU 214: Entradas Salidas

I0.0 I10.0 Q0.0 Q10.0

I0.1 I10.1 Q0.1 Q10.1

I0.2 I10.2 Q0.2

I0.3 I10.3 Q0.3

I0.4 I10.4 Q0.4

I0.5 I10.5 Q0.5

I0.6 I10.6 Q0.6

I0.7 I10.7 Q0.7

El significado de la dirección absoluta: I2. 3, es el siguiente: Primera letra (I) = identificador de área (entrada) Primer número (2) = dirección del byte Segundo número (3) = bit del byte, número de bit. 3 de 8 (0 a 7) Las memorias de entradas y salidas digitales se pueden representar como matrices con 8 columnas y múltiples filas, a las que se accede por bits. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0

1

2

3

4

5

6

7

En !as siguientes tablas se dan ejemplos de direccionamiento directo en el formato de bit. FORMATO AREA 10.1 Q1.1 VI0.1 M26.7 S3.1

Entrada Salida Variable Marca Relé secuencia

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DIRECCION BYTE BIT 0 1 1 1 10 1 26 7 3 1

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FORMATO I T24 C20 ACO HC1

AREA Temporizador Contador Acumulador Contador rápido

NUMERO 24 20 0 1

b. Formato de byte, palabra o palabra doble, esto implica asignar nombres simbólicos. Para este formato se identifican las diversas áreas de memoria de la CPU, así por ejemplo: V I Q M S T C AI AQ AC HC

memoria de variables entradas salidas marcas marcas especiales relés de control secuencial temporizadores contadores entradas analógicas salidas analógicas acumuladores contadores rápidos

En este caso la dirección absoluta incluye el identificador de área (por ejemplo V) y el tamaño (basta 4 bytes o 32 bits) de los datos a los que se desea acceder. El tamaño puede identificarse como: B W D

(byte) (palabra = 2 bytes) (palabra doble = 4 bytes)

Las memorias indicadas se pueden representar como matrices con 8 columnas y múltiples filas, a las que se accede por byte, palabra o doble palabra. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

0

1

2

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3

4

5

6

7

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La dirección absoluta incluye también un valor numérico: bien sea el número de bytes desde el comienzo del área de memoria o bien el número del elemento. Los siguientes ejemplos corresponden a la misma dirección en formatos de byte, palabra y palabra doble. V B 100, el identificador corresponde al área de memoria variable (V), en formato de byte (B) cuya dirección es 100. V W 100, el identificador corresponde al área de memoria variable (V), en formato de palabra (W) cuya dirección es 100. VD 100, el identificador corresponde al área de memoria variable (V), en formato de palabra doble (D) cuya dirección es 100. En las siguientes tablas se dan ejemplos de direccionamiento directo en el formato de byte, palabra, palabra doble. FORMATO

AREA

TAMAÑO

IB4 QB5 VW100 MD20 SB4

Entrada Salida Variable Marca Relé control secuencial Marca especial

Byte Byte Palabra Palabra doble Byte

SMB86

Byte

FORMATO

AREA

TAMANO

AIW4 AQW4

Entrada analógica Salida analógica

Palabra Palabra

DIRECCIÓN BYTE INCIAL 4 5 100 20 4 86 DIRECCION BYTE INICIAL 4 4

Los programas del controlador, con sus respectivos datos, se almacenan de las siguientes maneras: En una memoria EEPROM, no volátil. para almacenar todo el programa, así como algunas áreas de datos y a la configuración de la CPU.  En una memoria RAM. 

Cuando el programa se carga desde el PC (ordenador) hacia la CPU el programa de usuario, la configuración de la CPU y el bloque de datos (DBI) se almacenan en la memoria RAM Y en la EEPROM. Los canales de entrada/salida proporcionan funciones para el acondicionamiento y aislamiento de señales, lo que permite conectarlos directamente a sensores y actuadores, sin necesidad de otros circuitos. La Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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figura 3 muestra la configuración básica de un canal de entrada. Los voltajes comunes para las señales de entrada son 5V y 24V. Optoacoplador PLC

Señal para la CPU

Entrada

Diodo de protección Circuito divisor de voltaje

Fig. No.2.9: Canal de entrada Los voltajes comunes para las señales de salida son 24 V y 240 V. La especificación del tipo de las salidas generalmente es tipo relevador, tipo transistor o tipo triac. En el tipo relevador (figura 4), la señal de la salida del PLC se utiliza para operar un relevador; así, éste es capaz de conmutar corrientes del orden de unos pocos amperes en un circuito externo. El relevador aísla al PLC del circuito externo, y se emplea tanto para la conmutación de cd como la de ca. Sin embargo, los relevadores funcionan con relativa lentitud.

PLC

SALIDA

RELEVADOR

Fig. No. 2.10: Salida tipo relevador En la salida tipo transistor se utiliza un transistor para conmutar corriente a través de un circuito externo. El transistor realiza la conmutación con mayor rapidez. Los optoaisladores se emplean con transistores de conmutación para lograr el aislamiento entre los circuitos externos y el PLC. La salida tipo transistor sólo se utiliza en la conmutación de cd. Las salidas tipo triac se usan para controlar cargas externas que se conectan a la fuente de alimentación de ca. En este caso también se emplean optoaisladores.

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PLC Optoacoplador

Fusible Salida

Fig. No. 2.11: Salida tipo transistor

El tiempo de respuesta del PLC considera el tiempo necesario hasta la salida de la señal, dejando de lado la consideración del tiempo que toman los actuadores para realizar lo mandado por la señal. Esto es muy importante y no se debe olvidar a la hora de determinar el tiempo de respuesta requerido para nuestro PLC. Desde el punto de vista del PLC existe una división de las acciones que consumen tiempo: Entrada: Esta acción necesita el tiempo que se invierte en revisar el estado de las entradas. El PLC puede realizar una acción a la vez, y el revisar una entrada constituye una, de esta forma para revisar el estado de todas las entradas se tiene una cantidad de tiempo considerable. El PLC toma el estado de la entrada y la guarda en un registro de memoria que se puede acceder desde el programa. Ejecución: Es la acción que consume el tiempo que transcurre durante la ejecución de las rutinas programadas en el PLC. Aquí se procesa la información del estado de las entradas y se toma decisiones de acuerdo a la lógica programada. Depende del número de líneas de programa, lo que a su vez depende de la eficiencia de las lógicas ingresadas al equipo. Salida: Durante esta acción se traspasan los estados de los registros de memoria reservados para la salida de nuestra rutina lógica a cada una de las salidas físicas de nuestro equipo. En este caso el tiempo transcurrido es mayor mientras más salidas se tenga que actualizar, que casi siempre corresponde a actualizar todas las salidas, aún las no modificadas. De este modo el tiempo de respuesta total de nuestro PLC corresponde a la suma de los tiempos de entrada, de ejecución y salida. 2.3

Entradas/Salidas Digitales.

Entradas digitales Los módulos de entradas digitales permiten conectar al autómata sensores de tipo todo o nada. El cable de señal del sensor se conecta a una vía de entrada Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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del módulo. El módulo se encarga de convertir la señal que entra por la vía en una señal que es cero o uno en un bit interno de la memoria del módulo. Cada ciclo de autómata, la unidad central lee los bits de los módulos y vuelca su valor en los objetos del lenguaje del autómata conocidos como entradas digitales. Los módulos de entradas digitales trabajan con señales de tensión, por ejemplo cuando por una vía llegan 24 voltios se interpreta como un 1 y cuando llegan cero voltios se interpreta como un O. Los módulos de entradas digitales se caracterizan por el nivel de tensión que interpretan como "uno". Los niveles de tensión estándar son 24 voltios C.C., 110 VCA, 220 VCA. Los módulos de entradas digitales a 24 VCC son los más comunes. ¿Por qué se utilizan 24 VCC y no un nivel de tensión más bajo, como podría ser 5 VCC? En una instalación industrial hay que garantizar que la señal que da el sensor, llegue al módulo de entradas, el cable perfectamente puede medir 100 metros, y no existe ninguna garantía de que los 5 voltios lleguen al módulo de entradas. En el cable además pueden inducirse ruidos que den lugar a la aparición de voltajes que el autómata interpretará como que el sensor está activo. Es más difícil que esto suceda si se utilizan 24 voltios. También existen módulos cuyos niveles de tensión son 110 VCA y 220 VCA. Son niveles de tensión más elevados, que "garantizan" la llegada de la señal del sensor. Además los sensores no necesitan fuente de alimentación, ya que con un simple transformador reductor basta. En su contra, utilizan tensión alterna, la cual debe ser rectificada y comparada, por lo que el proceso de adquisición de la señal es más lento que en tensión continua. El nivel de tensión 220 debe ser considerado peligroso para el ser humano y los sensores tendrán puntos a esta tensión. En la máquina existirán puntos de tensión peligrosa. Son módulos más caros que los de 24 VCC. El número de vías por módulo es menor debido a que la electrónica de tratamiento es más complicada y ocupa más sitio. Además se debe tener en cuenta que la oferta comercial de estos módulos es mucho más reducida. En el proceso de adquisición de la señal hay varias etapas. En la primera existe una protección contra sobretensiones, si la señal es de corriente alterna se rectifica. En la segunda etapa se produce un filtrado, para evitar los ruidos que pueden entrar por el cable del sensor. En algunos módulos es programable el tiempo de filtrado (entre 0.1 y 12 ms). Un ruido que induzca en el cable del sensor 24 voltios durante un tiempo inferior al filtrado, no será interpretado como "uno". Después del filtrado se produce una puesta en forma de la onda y un aislamiento galvánico o por optoacoplador. A continuación la señal se deposita como un "cero" o como un "uno" en un bit interno de la memoria del módulo. Al existir el filtrado de la señal se impide que los ruidos "lleguen" al interior del autómata. Pero también impide que estos módulos se puedan utilizar para cablear sensores que dan pulsos a alta frecuencia, como pueden ser los pulsos de un encoder. Un filtrado de 10 ms indica que se podrán leer pulsos a una

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frecuencia máxima de 50 Hz (50 pulsos por segundo). Para efectuar contajes rápidos el autómata dispone de entradas de contaje rápido, que asociadas a circuitos contadores rápidos pueden contar pulsos a altas frecuencias (hasta 500 KHz). En algunos autómatas cada vía de entrada digital ocupa tres bits. Uno para el valor actual, otro para el valor anterior y otro para el valor de forzado. Con los bits de valor actual y valor anterior el autómata puede reconocer flancos de subida o bajada en la vía de entrada digital. Con el bit de forzado se pueden forzar desde el software de programación el estado de las entradas, para por ejemplo comprobar la evolución del programa del autómata sin tener que tener la máquina conectada. En la Figura 2.12 se observa la configuración de un módulo de entradas digitales de 32 vías de entrada y 32 vías de salida. En la imagen aparecen las 16 primeras entradas. El tiempo de filtrado es programable cada cuatro vías.

Fig. 2.12 Configuración de un módulo de entras y salidas digitales Las cuatro primeras vías tienen configuración especial, pueden ser entradas normales, entradas de almacenamiento del estado 0, entradas de almacenamiento del estado 1, o tratamiento de eventos con el flanco de subida o bajada. También las cuatro primeras vías pueden ser entradas de Contaje rápido a una frecuencia máxima de 500 Hz. Salidas digitales Un módulo de salidas digitales permite al autómata programable actuar sobre los preactuadores y actuadores que admitan órdenes del tipo todo o nada. Periódicamente el autómata escribe el valor de los objetos conocidos en su lenguaje como salidas digitales en estos módulos. El valor binario de las salidas digitales (0 ó 1) se convierte en la apertura o cierre de un contacto relé interno del autómata en el caso de módulos de

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salidas a relé. O bien se convierte en la presencia de 0 ó 24 voltios en un tomillo del bornero del módulo, en los módulos de salidas estáticos. En los módulos estáticos el elemento que conmuta es un componente electrónico como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos son contactos de relés internos al módulo. Los módulos de salida digitales a base de transistores o triacs suministran tensión cuando la vía de salida esta activa. Los niveles de tensión estándar son 24 VCC y 110 VCA. La potencia que suministran las vías de salida es limitada. Los módulos de salidas electromecánicos disponen de relés internos que al activar la salida conmutan su contacto. Este contacto une eléctricamente dos tomillos del bornero de conexión del autómata. Las salidas a relé son libres de tensión. La tensión debe provenir de una fuente de alimentación externa al autómata y conectarse al común del contacto del relé, el otro tornillo del contacto se cableará al elemento que deseemos activar con esta salida. Aunque las salidas a relé sean libres de tensión se procurará no sobrepasar la intensidad máxima que soporta el contacto del relé. De lo contrario el contacto podría soldarse, de manera que la salida permanecería activa aunque por programa estuviera desactivada. Los módulos de salidas estáticos al suministrar tensión, sólo pueden actuar sobre elementos que trabajen todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salidas electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas. Los módulos estáticos a 24 VCC permiten una mayor densidad de vías por módulo y son menos costosos que los electromecánicos. Pero tienen la desventaja de que exteriormente al módulo muchas veces hay que efectuar una activación en cascada mediante un relé para poder actuar sobre el actuador. Protección de los módulos de Salidas digitales. Cuando una falla, por ejemplo un cortocircuito, tiene como consecuencia la disyunción de una salida, ésta puede reactivarse si no persiste ninguna falla en sus límites. El comando de reactivación se define en la configuración. La reactivación puede ser automática o controlada por el programa. 

Automático

El módulo ejecuta la re activación en periodos de 10 segundos hasta que desaparezca la falla. 

Programado

El programa de aplicación ejecuta la reactivación. Para evitar las reactivaciones repetidas, el módulo asegura automáticamente una temporización de 10 segundos entre dos reactivaciones.

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La reactivación no tiene ningún efecto en una vía no activada o que contiene una falla. Si el programa de autómata se detiene y pasa a estado de STOP, por falla del procesador, o por fallo en algún módulo de entradas salidas, las salidas pueden ponerse en un estado no perjudicial para la aplicación. Esté estado, llamado posición de retorno, se define para cada módulo en la configuración de salidas. La configuración permite seleccionar: 

Retorno

Las vías se ponen a O ó 1 en función del valor de retorno configurado. 

Conservación

Las salidas permanecen en el estado anterior a STOP. 2.4

Entradas/Salidas Analógicas.

Los módulos de entradas salidas analógicas permiten que los autómatas programables trabajen con actuadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico. Estos módulos son la interfaz para que el autómata pueda controlar procesos continuos como son temperatura, presión, caudal... Entradas analógicas Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un número que se deposita en una variable tipo palabra interna del autómata. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo de muestreo). La precisión en los módulos de entrada analógica suele ir desde los 12 a los 16 bits. A mayor número de bits más precisa será la conversión pero también más lenta. Una precisión de 14 bits es mucho más que suficiente en la mayoría de las aplicaciones industriales. La velocidad con que se toman muestras de la señal analógica, define el periodo de muestreo. El periodo de muestreo, en las tarjetas de entrada analógica de los autómatas, suele ir desde 25 msg a unos 30 segundos. Como muy rápido se toman 40 muestras por segundo. Se debe considerar que los autómatas se dedican a control industrial de variables lentas como son la temperatura, y 40 muestras por segundo es mucho más que suficiente para controlar temperatura (y también para controlar velocidad). En la Figura 2.13 se observa la configuración de un módulo de entradas/salidas analógicas incorporado en la unidad central del autómata TSX Micro 3722. Este módulo dispone de 8 vías de entrada analógica y una vía de salida analógica. En cada vía de entrada se puede configurar el rango y el filtro.

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Fig. 2.13 Configuración de módulo de entradas y salidas analógicas El filtro elegido permite eliminar los ruidos, en este módulo se puede elegir:      

0 sin filtrar, periodo de muestreo de 32ms. 1 Filtrado débil alpha=0.750 y un tiempo de respuesta de 111,23 milisegundos 2 Filtrado débil alpha=0.875 y un tiempo de respuesta de 239,64 milisegundos 3 Filtrado medio alpha=0.937 y un tiempo de respuesta de 495,83 milisegundos 4 Filtrado medio alpha=0.969 y un tiempo de respuesta de 1,008 segundos 5 Filtrado fuerte alpha=ü.984 y un tiempo de respuesta de 2,032 segundos

Si se elige el 0, no existe filtrado de la señal analógica y el periodo de muestreo es lo suficientemente bajo como para que el autómata pueda controlar variables rápidas como son velocidad y par. Si la señal es muy ruidosa se debe elegir un filtro alto, pero los tiempos de respuesta del filtro sólo permitirán controlar variables lentas como es la temperatura. El rango permite ajustar la vía al tipo de señal de entrada que da el sensor analógico. Los rangos más comunes de señal que ofrecen los sensores analógicos son:    

±10 voltios 0-10 voltios 0-20 mA 4-20 mA

Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad. Una gran gama de sensores analógicos dan como señal de salida una señal en intensidad. La razón es que es mucho más difícil que su forma de onda se vea alterada por ruidos o tensiones inducidas, que en el caso de que la señal sea tensión. En el rango de 4-20 mA se puede detectar la rotura de hilo del cable

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del sensor. Esto no se puede realizar en ningún otro rango. Pero también existen sensores que no dan ni tensión ni intensidad, como pueden ser los termopares o las Pt100. Estos sensores necesitan de una etapa electrónica de tratamiento y adquisición de la señal. Existen módulos que llevan incorporada la electrónica necesaria para el tratamiento de la señal, evitando la necesidad de electrónica externa al autómata para el tratamiento de la señal que dan los termopares o las resistencias Pt100. Estos módulos permiten conectar directamente termopares, Pt100, Ni1000. El tratamiento de la señal del sensor se realiza internamente en el módulo, incluyendo también la compensación de la soldadura fría en los termopares. En la Fig. 2.14 se observa la configuración de un módulo de 4 entradas analógicas de 16 bits. El módulo permite la conexión de diferentes sensores de temperatura, realizándose la conversión, en el caso de que no exista filtrado, en un tiempo mínimo de 520 ms. Si se configura un filtrado 5 el tiempo de respuesta es de 33 segundos. Estos valores de tiempo tan altos son debidos a que la señal debe ser tratada electrónicamente, debe ser filtrada, y a continuación convertida eh señal numérica con una precisión de 16 bits. Esta precisión es muy alta, si el rango de entrada fuera de 0.10 voltios, el bit menos significativo equivale a 10⁄216 = 0.000152 Voltios.

Fig. 2.14 Configuración de un módulo de 4 entradas analógicas Salidas analógicas Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del autómata se convierta en tensión o en intensidad. Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores que admitan mando analógico, como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de tiristores de los hornos, reguladores de temperatura, reguladores de caudal, etc., permitiendo al autómata realizar funciones de regulación y control de procesos continuos. La precisión en los módulos de salida analógica suele ir desde los 12 a los 14 bits (suele ser menor que la de los módulos de entrada). No tienen problemas de velocidad, dado que la conversión digital-analógica es prácticamente instantánea.

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Cada salida se caracteriza por el tipo de señal suministrada que puede ser intensidad o tensión y por el rango 0-10Voltios, ± 10Voltios, 0-20rnA, 4-20rnA. En la Figura 2.15 se observa la configuración de un módulo de salidas analógicas, el cual dispone de dos vías de salida. En el módulo se puede configurar, además del rango, si las vías de salida analógica mantienen su valor o se convierten en cero cuando el autómata detecta un fallo interno.

Fig. 2.15 Configuración de módulo de salidas analógicas Protección de los módulos de Salidas Analógicas Si el programa se detiene, las salidas analógicas deben ponerse en un estado no perjudicial para la aplicación. Este estado, llamado posición de retorno, se define para cada módulo en la configuración de las salidas. La configuración permite elegir:  

Retorno de las salidas a un valor. O es el valor predeterminado. Conservación del estado: las salidas permanecen en el estado anterior al Paro.

En muchas aplicaciones el valor de retorno es diferente de 0, entonces se deberá programar el valor adecuado. El valor de retorno depende del tipo de salida utilizada:   

0..10500 para 0-20mA. 500..10500 para4-20mA. -10500..+10500 para ±10V.

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PROGRAMACIÓN DE PLC´S:

3 3.1

Software de los PLC´s.

Los programas para los PLC´s comprenden tres partes básicas:   

programa principal subrutinas (opcional) rutinas de interrupción (opcional)

Estos tienen varios lenguajes de programación de entre los cuales los mas importantes son: KOP (esquema de contactos) y AWL (lista de instrucciones). El programa principal contiene las operaciones que controlan la aplicación, las cuales se ejecutan en forma secuencial en cada ciclo. El programa principal termina con una sentencia de finalización (Bobina absoluta en KOP o sentencia MEND en AWL). Una subrutina es una secuencia de operaciones que se ejecutan cada vez que son invocadas en el programa principal. Esta o éstas se colocan al final del programa principal y terminan con una operación de retorno absoluto (RET). Las rutinas de interrupción son secuencias de operaciones que se ejecutan cada vez que se presenta el correspondiente evento de interrupción. Esta o éstas se ubican al final del programa principal y terminan con una operación de retorno absoluto (RETI). En la siguiente figura se aprecia la ubicación recomendada de estas partes del programa. Programa Principal MEND SBR 0 Subrutina (opcional) RET Programa de usuario

SBR n Subrutina (opcional) RET INT 0 Rutina de interrupción (opcional) RETI INT n Rutina de interrupción (opcional) RETI

Programa Principal

Subrutina (Se ejecuta si es llamada por el Programa Principal)

Rutina de interrupción (se ejecuta al producirse el evento de interrupción

Fig. No. 3.1 Partes de un programa para PLC´s

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Los lenguajes de programación más utilizados para los PLC´s son de dos tipos: AWL que comprende un juego de operaciones nemotécnicas que representan las funciones de la CPU. Este lenguaje contiene una lista de instrucciones en el que cada línea del programa tiene una operación que utiliza una abreviatura nemotécnica para representar una función de la CPU. Las operaciones se colocan en secuencia lógica de acuerdo a los requerimientos del programa. La programación con este tipo de lenguaje tiene las siguientes reglas:    

Cada sección de programación se divide en segmentos, cuya palabra clave es NETWORK. Los comentarios se escriben luego de dos barras inclinadas (//). Cada línea adicional de comentario debe comenzar así mismo con dos barras inclinadas. Finalice cada línea con pulsando Enter. La primera columna corresponde a la operación. La operación es una sentencia lógica. La segunda columna, que se separa de la anterior por un espacio en blanco, corresponde al operando. El operando es la dirección del dato sobre el que actúa la operación. No introduzca espacios entre el área de memoria y su dirección. Los operandos se separan mediante comas, un espacio en blanco o un tabulador.  Los nombres simbólicos deben ir entre comillas.  

En el siguiente cuadro se observa un ejemplo de un programa escrito en lenguaje A WL. // PROGRAMA PARA TREN TRANSPORTADOR NETWORK LD "marcha 1" AN "paro -Eml" = QO.0

// Marcha motor // Si I0.0 esta activado (on) // poner en marcha motor transportador

NETWORK LD I0.1 O I0.3 R Q0.0,1

// paro emergencia transportador // Si paro_Em1 está activado // o si paro - Em2 está activado

NETWORK MEND MEND

// Fin de programa

KOP es un lenguaje de programación gráfico con componentes similares a los elementos de los esquemas de circuitos, los cuales conforman un segmento de

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operaciones lógicas. Los diagramas que se establecen son similares a gráficos en escalera (LADDER). Los elementos básicos de un lenguaje KOP son:    

Contactos: que representan interruptores por los que circula la corriente cuando está cerrado. Esto implica que hay dos tipos de contactos: cerrados y abiertos. Bobinas: que representan a relés que se excitan cuando se aplica voltaje. Cuadros: que representan una función que se ejecuta cuando la corriente circula por él. Un cuadro puede representar, por ejemplo, un contador, un temporizador, etc. Segmentos: que constituyen un circuito completo. La corriente circula desde la barra de alimentación ubicada a la izquierda pasando por los contactos cerrados para excitar las bobinas o cuadros.

En el siguiente cuadro se da un ejemplo de un programa en lenguaje KOP.

Debe señalarse que un mismo programa puede ser escrito sea en lenguaje KOP o en A WL. Una vez escrito el programa el software permite compilado para revisar la sintaxis lógica, de tal maneta que si existen errores éstos tienen los mensajes respectivos que permiten corregidos. El software instalado en el ordenador permite cambiar automáticamente el programa escrito en KOP o A WL, al elegir el comando respectivo y realizar los cambios de presentación requeridos, como por ejemplo: operaciones y

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direcciones escritos completamente en mayúsculas, tabuladores entre las operaciones y las direcciones, entre otros. Otra operación importante es la creación de un bloque de datos con el objeto de predefinir e inicializar las variables utilizadas en el programa. Al efectuar esta labor se puede especificar la columna de dirección, el valor de los datos y los comentarios respectivos. En los circuitos de control deben diferenciarse claramente el circuito de mando o de control que tiene baja potencia e intensidad de corriente y el circuito de fuerza o potencia que puede manejar alta potencia eléctrica y altos valores de intensidad de corriente o amperaje. Esto puede observarse en la siguiente figura en que se tiene un control electromecánico sencillo para el arranque de un motor monofásico de corriente alterna. Circuito de alta potencia

Fuente de corriente alterna

Circuito de baja potencia Contactor Interruptor

Fuente de corriente continua

Fig. No. 3.2 Control electromecánico de un motor VAC Para sistemas de control electromecánicos más complejos, por ejemplo el arranque de motores trifásicos en que se debe temporizadamente pasar de una configuración a otra (triángulo/estrella), se debe utilizar una serie de otros componentes electromecánicos como son: contactores, temporizadores, contadores, pulsadores, etc. Con estos elementos se puede dar la secuencia o el “programa” de control, para esto se utiliza también un esquema de programación Ladder. Sin embargo como se podrá concluir, el uso de estos sistemas de control implica un costo muy alto y una gran complejidad mientras el sistema sea más grande. Esta realidad ha determinado que en la actualidad se defina el control electrónico como el que se impone en la automatización industrial y los elementos de control electromecánico se utilizan como actuadores para relacionar los circuitos de alta potencia y amperaje con el

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circuito de control en que siempre existirá baja potencia y bajo amperaje y en que se encontrarán los PLC´s. La forma básica de programación más común en los PLC es la programación de escalera. Ésta especifica cada una de las tareas de un programa como si fueran los peldaños de una escalera. En cada peldaño se especifica, por ejemplo, la revisión de los interruptores A y B (las entradas); si ambos están cerrados, se proporciona energía a un solenoide (la salida). La secuencia que sigue un PLC para realizar un programa se resume de la siguiente manera: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Explora las entradas asociadas a un peldaño del programa de escalera. Solución de la operación lógica de cada una de las entradas. Encendido/apagado de las salidas del peldaño. Continúa con el siguiente peldaño y repite los pasos 1, 2, 3. Continúa con el siguiente peldaño y repite los pasos 1,2 Y 3. Continúa con el siguiente peldaño y repite los pasos 1,2 Y 3.

Y así sucesivamente, hasta finalizar el programa. Los peldaños del programa tipo escalera se exploran de acuerdo con la secuencia respectiva. Existen dos métodos para el procesamiento de entradas/salidas: Por actualización continua En este caso, la CPU explora los canales de entrada de acuerdo con la secuencia del programa. Cada punto de entrada se revisa por separado y se determina su efecto en el programa. Existe un retraso inherente, por lo general de unos 3 ms, cuando se revisa cada una de las entradas, para garantizar que el microprocesador sólo lea señales de entrada válidas. Este retraso evita que el microprocesador cometa el error de contar una señal de entrada dos o más veces, si hay rebotes de contacto en el interruptor. Antes de que el programa envíe la instrucción para ejecutar una operación lógica y se produzca una salida, se exploran varias entradas, cada exploración con un retraso de 3 ms. Las salidas quedan retenidas, de manera que su estado se mantiene hasta la siguiente actualización. Por copiado masivo de entradas/salidas Dado que con la actualización continua se produce un retraso de 3 ms por cada entrada, el tiempo total para revisar cientos de puntos de entrada/salida puede resultar muy prolongado. Para que el programa se ejecute más rápido, un área específica de la RAM se utiliza como memoria intermedia o buffer, entre la unidad de lógica de control y la unidad de entrada/salida. Cada entrada/salida tiene una dirección en esta memoria. Al inicio de cada ciclo de programa, la CPU muestrea todas las entradas y copia sus estados en las direcciones de entrada/salida de la RAM.

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Conforme se ejecuta el programa, se leen los datos de entrada guardados en la RAM, según se requiera y se ejecutan las operaciones lógicas correspondientes. Las señales de salida así producidas se guardan en la sección reservada para entrada/salida en la RAM. Al término de un ciclo de programa, las salidas se envían de la RAM a los canales de salida. Las salidas quedan retenidas, de manera que su estatus queda guardado hasta la siguiente actualización. La programación de un PLC mediante diagramas de escalera consiste en la elaboración de un programa de manera similar a como se dibuja un circuito de contactos eléctricos en el control electromecánico. El diagrama de escalera consta de dos líneas verticales (a veces una sola pues la otra se da por sobreentendida) que representan las líneas de alimentación. Los circuitos se disponen como líneas horizontales, es decir, como si fueran los peldaños de una escalera, sujetos entre las dos líneas verticales. La figura No. 3.3 muestra los símbolos estándar básicos que se utilizan, así como un ejemplo de peldaños en un diagrama de escalera. La entrada como contactos que no se cierran hasta que reciben una entrada La entrada como contactos que están cerrados hasta que reciben una entrada Salida

Entrada 1

Entrada 1

Salida A

Entrada 3

Entrada 4

Entrada 5

Instrucción especial (bloque)

Salida B

Salida A se obtiene cuando se produce la entrada 1 Salida B se obtiene cuando producen las entradas 1 y 3

Salida C

Salida C se obtiene cuando se producen la entrada 4 o 5

Fig. No. 3.3 Diagrama de tipo escalera Cuando se dibuja la línea de circuito de un peldaño, las entradas siempre preceden a las salidas y siempre debe haber por lo menos una salida por cada línea. Los peldaño deben empezar con una o varias entradas y terminar con una salida. Las entradas y las salidas están numeradas y la notación utilizada depende del fabricante del PLC; por ejemplo, en la serie F de PLC Mitsubishi antes de un elemento de entrada hay una X y antes de un elemento de salida, una Y; la numeración empleada es la siguiente: Entradas Salidas

X400-407,410-413 X500-507,510-513 (24 entradas posibles) Y430-437 Y530-537 (16 salidas posibles)

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Para ilustrar cómo se dibuja un diagrama de escalera, considere la salida de un PLC que sirve para energizar un solenoide cuando el interruptor de arranque, normalmente abierto, que está conectado a la entrada se activa al cerrado (figura No. 3.4 a).

PLC +24V Y430 X400

Solenoide

Interruptor a) X400

Y430

EN D

b)

Fig. No. 3.4 Interruptor controlando un solenoide

El programa necesario se muestra en la figura No. 3.4 b. Empezando por la entrada, encontramos el símbolo que indica normalmente abierto ‫װ‬, con dirección de entrada X400. La línea termina en la salida, el solenoide, cuyo símbolo es O y cuya dirección de salida es Y430. Para indicar la terminación del programa se marca el peldaño final. Cuando se cierra el interruptor, se activa el solenoide. Éste podría, por ejemplo, accionar una válvula para que entre agua en un recipiente. Otro ejemplo es un control de temperatura encendido-apagado de la figura No. 3.5, en el cual la entrada varía de un valor bajo a uno alto cuando el sensor de temperatura llega a la temperatura de calibración. En este momento, la salida cambia de encendido a apagado. El sensor de temperatura mostrado en la figura es un termistor en una configuración puente, y la salida conectada a un amplificador operacional configurado como comparador. El programa muestra la entrada como un contacto normalmente cerrado, produciendo la señal de encendido y la salida. Cuando se abre el contacto, se produce la señal de desconexión y la salida se apaga. Para introducir estos programas de escalera se pueden utilizar teclas especiales, o seleccionados en la pantalla de una computadora mediante un ratón. También se especifican mediante lenguaje mnemónico. Una vez introducidos, el PLC traduce estos programas a lenguaje de máquina para que el microprocesador y sus elementos respectivos puedan utilizados.

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Termistor

Relevador

+V

PLC + 24 V X400 Y430 Elemento calefactor

Ajustar al valor de calibración

X400

Y430

END

Fig. No. 3.5 Sistema de control de temperatura

Funciones lógicas Las funciones lógicas se pueden obtener con una combinación de interruptores, ahora se verá como se pueden escribir programas tipo escalera para esas combinaciones. AND (Y): La fig. No. 3.6a muestra una bobina que no se energiza a menos que dos interruptores, en general abiertos, se cierren. Si los interruptores A y B están cerrados, se obtiene la función lógica AND (Y). El diagrama de escalera empieza en ║, que es la entrada identificada como 1 y representa al interruptor A conectado en serie con ║, entrada identificada como 2, la cual representa al interruptor B. La línea termina en O y representa a la salida. La figura 3.6b muestra la línea.

A

B

Solenoide

a) Entrada 1

Entrada 2

Salida

b)

Fig. No. 3.6 Un Sistema AND (Y)

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OR (O): La fig. No.3.7a ilustra una bobina que no se energiza hasta que uno de los interruptores A o B, en general abiertos, se cierra, situación que corresponde a una compuerta lógica OR (O). El diagrama de escalera empieza en ║, denominado entrada 1, que representa al interruptor A, el cual está conectado en paralelo con ║, denominado entrada 2, que representa al interruptor B. La línea termina en O, que representa a la salida. La figura 3.7b muestra la línea. A

Solenoide

B

a) Entrada 1

Salida

Entrada 2

b)

Fig. No. 3.7 Un Sistema OR (O)

NOR (NO-O): La figura 3.8 muestra cómo representar el diagrama del programa de escalera para una compuerta NOR (NO-O). Dado que debe haber una salida cuando ni A ni B tengan entrada, entonces cuando existe entrada en A o en B no hay salida, el programa escalera muestra la entrada 1 en serie con la entrada 2, ambas representadas por contactos en general cerrados.

B

A

Solenoide

a) Entrada 1

Entrada 2

Salida

b)

Fig. No. 3.8 Un Sistema NOR (NO-O)

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NAND (NO-Y): La figura No. 3.9 muestra una compuerta NAND (NO-Y). No hay salida cuando tanto A como B tienen una entrada. El diagrama del programa de escalera indica que para que haya salida, ni la entrada 1 ni la entrada 2 deben tener entradas.

A

Solenoide

B

a) Entrada 1

Salida

Entrada 2

b)

Fig. No. 3.9 Un Sistema NAND (NO-Y)

XOR (O EXCLUYENTE): La figura No. 3.10 muestra cómo dibujar el diagrama de un programa escalera para una compuerta. XOR (O EXCLUYENTE), donde no hay salida cuando no hay entrada ni para la entrada 1 ni para la entrada 2 ni tampoco cuando hay entrada tanto en la entrada 1 como en la entrada 2. Nótese que las entradas están representadas por dos juegos de contactos, uno normalmente abierto y otro normalmente cerrado. Entrada 1

Entrada 2

Entrada 1

Entrada 2

Salida

Fig. No. 3.10 Un Sistema XOR

Suponga una situación en la que el interruptor A, en general abierto, debe activarse junto con uno de los otros interruptores B o C, en general abiertos, para activar un solenoide. Esta configuración se representa como la conexión del interruptor A en serie con dos interruptores en paralelo, B y C (fig. 3.11). Para energizar la bobina A y B o C deben estar cerrados. Considerado el interruptor A en relación con los interruptores en paralelo se produce una situación lógica AND (Y). Los dos interruptores que están en paralelo producen una situación lógica OR.

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A

B

Selonoide

C

a) Entrada 1

Entrada 2

Salida

Entrada 3

b)

Fig. 3.11: Solenoide controlado por interruptores

De esta manera, se presenta una combinación de dos compuertas. La tabla de verdad es la siguiente: Entradas Salida A B C 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 El diagrama de escalera empieza con ║ identificado como entrada 1 y representa al interruptor A. Éste se conecta en serie con dos ║ en paralelo, denominados entrada 2 y entrada 3, que representan a los interruptores B y C. La línea termina en O, la cual representa la salida, es decir, el solenoide. Un ejemplo sencillo de un programa donde se utilizan compuertas lógicas es el siguiente. Suponga que se desea producir una salida en el solenoide que controla la válvula con la que se abre la puerta de una tienda cuando el encargado cierra un interruptor para abrir la tienda, y cuando un cliente se aproxima a la puerta y, es detectado por un sensor que produce una señal. La tabla de verdad de este sistema es: Interruptor para abrir la Sensor de tienda aproximándose Apagado Apagado Apagado Encendido Encendido Apagado Encendido Encendido

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cliente Salida de solenoide Apagado Apagado Apagado Encendido

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La tabla de verdad anterior corresponde a la de una compuerta AND (Y), por lo que el programa para controlar la puerta es el que se muestra en la figura No. 3.12. PLC Tienda abierta Cliente Entrada 1

Salidas Entradas

Entrada 2

Solenoide

Salida

Fig. 3.12 Sistema de la puerta de una tienda

Con frecuencia se presentan situaciones en las que es necesario mantener energizada una bobina, aun cuando ya no exista la entrada que proporciona la energía. Para lograr lo anterior se utiliza lo que se conoce como circuito de enclavamiento. Éste es un circuito de autosostenimiento, ya que después de ser energizado mantiene ese estado hasta que recibe otra entrada. Es decir, recuerda su último estado. La figura No. 3.13 ilustra un circuito de enclavamiento. Cuando la entrada 1 se energiza y se cierra, se produce una salida. Sin embargo, cuando hay una salida, el contacto asociado a la salida se energiza y se cierra. Estos contactos aplican el operador OR (O) a los contactos de la entrada 1. Por lo tanto, aun cuando el contacto de la entrada 1 se abra, el circuito mantendrá energizada la salida. La única manera de liberar la salida es accionando el contacto de la entrada 2 el cual en general está cerrado. Entrada 1

Entrada 2

Salida

Salida

Fig. No. 3.13 Circuito de enclavamiento

Para ejemplificar cómo se usa un circuito de enclavamiento, suponiendo que se requiere controlar un motor mediante un PLC de manera que al oprimir por un momento el botón de arranque, el motor comienza a trabajar; cuando se acciona el interruptor de paro, el motor se apaga; usando focos indicadores se sabe si el motor está encendido o apagado. La figura No. 3.14 muestra el diagrama equivalente. Cuando no hay entradas, el foco del motor indica que está apagado. El contacto del motor, en general cerrado, enciende el foco de apagado. Al oprimir el botón de arranque, el contacto, en general abierto, se

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cierra y el motor se enciende. El contacto del motor, que está en paralelo con el contacto de arranque, retiene la condición anterior. Además, el otro contacto del motor, en general cerrado, se abre, y se apaga el foco de apagado; el contacto del motor, en general abierto, se cierra y se activa el foco de encendido. El interruptor de paro abre el contacto, antes cerrado, y para el motor. Arranque

Paro

Motor

Motor

Motor

Foco apagado

Motor

Foco encendido

END

Fig. No. 3.14: Enclavamiento de un motor

Con frecuencia se presentan dos situaciones de control que requieren secuencias de salidas; la conmutación de una a otra salida se controla mediante sensores. Suponga que se requiere un programa de escalera para un sistema neumático (figura No. 3.15) en el cual se controlan dos cilindros biestables, A y B, mediante válvulas de doble solenoide; en este caso se usan los sensores de inicio y final de carrera a-, a+, b- y b+ para detectar los límites del movimiento del vástago de los pistones; se requiere de una secuencia de activación de los cilindros correspondiente a A+, B+, A- Y B-. A

A+

a-

a+

A-

B

B+

b-

b+

B-

Fig. No. 3.15 Puesta en secuencia de un pistón

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La figura No. 3.16 muestra una opción para configurar el programa anterior. En el primer peldaño se induce la entrada del interruptor de arranque A. La extensión del cilindro de A, es decir, cuando se energiza el solenoide A+, tiene lugar sólo cuando el interruptor de inicio está cerrado y también cuando el interruptor b- está cerrado; este último indica que el cilindro B se contrae. Cuando se extiende el cilindro A, el interruptor a+, el cual indica la extensión de A, se activa. Esto produce una salida que se envía al solenoide B+, y como resultado B se extiende. Por efecto de lo anterior, se cierra el interruptor, lo cual indica la extensión de B, es decir, del interruptor b+; se produce la salida del interruptor limitador a -, se produce una salida hacia el solenoide B -, la cual produce la contracción del cilindro A. Consecuencia de dicha contracción, se cierra el interruptor limitador a- y se produce una salida que se envía al solenoide B-, lo cual produce la contracción de B. Con lo anterior concluye el ciclo del programa y se regresa al primer peldaño; el programa queda en espera de que se cierre el interruptor de inicio para que se repita de nuevo el ciclo. Inicio

b-

A+

a+

B+

b-

A-

a-

B-

END

Fig. 3.16 Puesta en secuencia de un pistón

Cada uno de los peldaños de un programa escalera representa una línea del programa; la escalera constituye el programa completo en 'lenguaje de escalera'. Para introducir el programa en el PLC, el programador emplea un teclado con los símbolos gráficos de los elementos de escalera o selecciona los símbolos en una pantalla de computadora mediante un ratón; el tablero o computadora que contiene el programa traduce los símbolos a lenguaje de máquina que se guardan en la memoria del PLC. Otra manera de introducir un programa es traducir el programa escalera en instrucciones conocidas como mnemónicos; en este caso, cada línea de código corresponde a un elemento de la escalera; a continuación éstos se introducen en el panel de programación o en la computadora y se traducen a lenguaje de máquina. Los mnemónicos difieren de un fabricante a otro.

Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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Para los PLC’s de la serie F de Mitsubishi, los mnemónicos son los siguientes: LD OUT AND OR I ...I ORI ANI LDI ANB ORB RST SHF K END

Iniciar un peldaño con un contacto en general abierto Una salida Un elemento en serie y, por lo tanto, una instrucción lógica AND (Y) Elementos en paralelo y, por lo tanto, una instrucción lógica OR (O) Una instrucción lógica NOT (NO) Se emplea junto con otras instrucciones para inverso de éstas. Una función lógica OR NOT Una función lógica AND NOT Inicia un peldaño con un contacto en general cerrado AND utilizado con dos subcircuitos OR utilizado con dos subcircuitos Restablecimiento de registro de corrimiento/contador Corrimiento Insertar una constante Fin de la escalera

Los mnemónicos de otros fabricantes no difieren mucho de éstos y los principios en que se basan así como su aplicación son idénticos. Por ejemplo, los códigos que se usan para los PLC’s de OMRON son: LD OUT TIM CNT AND OR NOT ...NOT OR NOT AND NOT LD NOT AND LD OR LD # END

Iniciar un peldaño con un contacto en general abierto. Salida Salida de un temporizador Salida de contador Un elemento en serie y, por lo tanto, a instrucción lógica AND (Y) Elementos en paralelo y, por lo tanto, una instrucción lógica OR (O) Una instrucción lógica NOT (NO) Se utiliza con otras instrucciones para indicar lo inverso de éstas. Una función lógica OR NOT Una función lógica AND NOT Iniciar un peldaño con un contacto en general cerrado AND utilizada con dos subcircuitos OR utilizada con dos subcircuitos Insertar una constante Fin de la escalera

Los siguientes casos muestran cómo introducir peldaños específicos en una escalera. Con base en los mnemónicos de Mitsubishi, la compuerta AND (Y) mostrada en la figura No. 3.17 se introduciría como:

Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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X400

X401

Y430

Fig. No. 3.17 Un Sistema AND (Y)

Paso 0 1 2

Instrucción LD AND OUT

X400 X401 Y430

La compuerta OR (O) de la figura No. 3.18 introduciría como: X400

Y430

X401

Fig. No. 3.18 Un Sistema OR (O)

Paso 0 1 2

Instrucción LDI OR OUT

X400 X401 Y430

La compuerta NOR (NO O) de la figura No. 3.19 se introduciría como:

X400

X401

Y430

Fig. No. 3.19 Un Sistema NOR (NO-O)

Paso 0 1 2

Instrucción LDI ANI OUT

Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

X400 X401 Y430 40

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La compuerta NAND (NO-Y) de la figura No. 3.20 se introduciría : X400

Y430

X401

Fig. No. 3.20 Un Sistema NAND (NO-Y)

Paso 0 1 2

Instrucción LDI ORI OUT

X400 X401 Y430

La compuerta XOR (O EXCLUYENTE) de la figura No. 3.21 como: X400

X401

X400

X401

Y430

Fig. No. 3.21 Un Sistema XOR (O EXCLUENTE)

Paso 0 1 2 3 4 5

Instrucción LD ANI LDI AND ORB OUT

X400 X401 X400 X401 Y430

Después de leer las dos primeras instrucciones, la tercera instrucción inicia una nueva línea. Sin embargo, todavía no hay salida debido a la cual la primera línea concluya. En consecuencia, la CPU reconoce que en la segunda línea hay una línea paralela y lee todos los elementos listados, hasta que llega a la instrucción ORB. El mnemónico ORB (unión en paralelo de dos ramas o bloques) indica a la CPU que debe aplicar un operador OR (O) a los resultados de los pasos 0 y 1, junto con los de los pasos 2 y 3. Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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4 4.1

LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN STEP 7 (PLC SIEMENS): Operaciones con Contactos. CONTACTOS ESTANDAR

El contacto abierto se cierra (se activa) sí al valor binario de la dirección n = 1. El contacto cenado se cierra (se activa), sí el valor binario de la dirección n = 0. En lenguaje AWL el contacto abierto se representa con las operaciones: LD A O

cargar AND (Y) OR (O)

En lenguaje A WL el contacto cerrado se representa con las operaciones: LDN cargar valor negado AN AND (Y-NO) ON OR (0-NO)

Operandos: n: I, Q, M, SM, T, C, V, S Ambas operaciones leen el valor direccionado de la imagen del proceso cuando ésta se actualiza al comienzo de cada ciclo. CONTACTOS DIRECTOS El contacto abierto directo se cierra (se activa) sí al valor binario de la entrada física se direcciona n = 1. El contacto cerrado directo se cierra (se activa), sí el valor binario de la entrada física se direcciona n = 0. En lenguaje A WL el contacto abierto se representa con las operaciones: LDI cargar Al AND (Y) OI OR (O) . Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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En lenguaje A WL el contacto cerrado se representa con las operaciones: LDNl cargar valor negado ANI AND (Y-NO directa) ONl OR (O-NO directa)

Operandos: n: I Ambas operaciones leen el valor direccionado de la entrada física al ejecutarse la operación, pero la imagen del proceso no se actualiza. CONTACTO NOT El contacto NOT invierte el sentido de circulación de la corriente. La corriente se detiene al alcanzar el contacto NOT. Si no logra alcanzar el contacto, entonces hace circular la corriente. En AWL, la operación invertir primer valor (NOT) invierte el primer valor de la pila de 0 a 1, o bien de 1 a 0.

Este contacto no tiene operandos. DETECTAR FLANCO POSITIVO Y NEGATIVO El contacto detectar flanco positivo (P) permite que fluya la corriente durante un ciclo cada que se produce un cambio 0 a 1 (off a on).

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En lenguaje AWL, dicho contacto se representa con la operación detectar flanco positivo (EU). Cuando se detecta un cambio de señal de 0 a 1 en el primer valor de la pila, ésta se pone a 1. En caso contrario se pone a 0. El contacto detectar flanco negativo (N) y la operación respectiva (ED), operan de forma contraria. La representación en los lenguajes KOP y AWL se pueden apreciar en las siguientes figuras.

Este contacto no tiene operandos. EJEMPLOS DE OPERACIÓN CON CONTACTOS Con el objeto de dar una idea más clara de la programación en los lenguajes KOP y AWL en lo que corresponde a operaciones de contactos en las siguientes figuras se indica un ejemplo de aplicación, tanto en la representación como en el cronograma de operación.

Álvaro Aguinaga Barragán Ph.D. Msc. Ing.

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4.2

Operaciones de comparación.

La operación de comparación se emplea para comparar dos valores; n1 y n2. La comparación puede ser: - n1 - n1 - n1

es igual a n2 es mayor o igual a n2 es menor o igual a n2

n1 = n2 n1>=n2 n1= n2 y n1 = n2 ó n1 = n2 ó n1 = n2 y n1